《水电工程设计》第07章 通航建筑物设计.docx

1、水电工程设计第07章 通航建筑物设计第七章 通航建筑物设计第一节 概述一、航道等级与通航建筑物等级船闸按其设计最大船舶吨级分为七级，分级指标按表1。船闸分级指标 表1航道等级、船闸级别IIIIIIIVVVIVII设计最大船舶吨级（t）30002000100050030010050二、通航建筑物分类在人类社会发展中，创造了多种型式的通航建筑物，按其克服集中落差的原理，可分为船闸和升船机两大类型。船闸可分为单级船闸、多级船闸；升船机可分为垂直升船机、斜面升船机、水坡升船机。第二节 船闸建筑物一、总体布置（一）船闸的分类和组成1、船闸分类（1） 根据船闸所处的地理位置和过闸船舶不同，可分为内河船闸和

2、海船闸。（2） 根据船闸闸室的级数不同，可分为单级船闸和多级船闸。（3） 根据船闸的线数不同，可分为单线船闸和多线船闸。（4） 根据船闸使用特点的不同，可分为广厢船闸，具有中间闸首的船闸，省水船闸，井式船闸以及闸梯等等。（5） 根据闸首口门轴线相对闸室位置的轴线不同，广厢船闸可分为对称式、反对称式和销式三种形式。2、船闸的组成现代的船闸主要有闸室、闸首、闸门、输水系统、引航道、导航建筑物、靠船建筑物和相应的设备及通讯、导航、交通管制设施组成。有的船闸还包括外停泊区和前港。见图1。（1）闸室指上下闸首和两侧闸墙之间的空间，是供过闸船舶停泊用的。图1 船闸组成示意图 1 上游引航道 2 下游引航道

3、 3 上闸首 4 闸室 5 下闸首 6 上闸门 7 下闸门 8 导航建筑物 9 靠船建筑物 10 辅导航建筑物 图1 船闸组成示意图当船闸落水和泄水时，闸室中的水位逐渐由下游水位升至上游水位或逐渐由上游水位降至下游水位，停泊于闸室中的过闸船舶随闸室水位的升降而升降。由于灌水时闸室中水位升降较快，为保证过闸船舶的稳定停泊与安全升降，沿闸室墙布置有系船设备和其它辅助设备。（2） 闸首是将闸室与上下游引航道隔开的挡水建筑物，位于上游的叫上闸首，位于下游的叫下闸首。在多级船闸中，将上下两个闸室分开的闸首叫中间闸首，在闸首内有工作闸门、输水系统、启闭机械等设备。（3） 引航道是保证船舶迅速安全地进出闸室

4、，进出闸船舶交错避让，以及等待过闸的船舶停靠用的一段航道，与上闸首相接的叫上游引航道，与下闸首相接的叫下游引航道。在引航道内设有导航建筑物与靠船建筑物，导航建筑物与闸首相联接，其作用是引导船舶顺利地进入闸室。靠船建筑物与导航建筑物相联接，布置于船舶进闸方向的一岸，其作用是供等待过闸的船舶停靠使用。（二）闸坝址选择1、选择闸坝址，应根据船闸级别、枢纽规模及布置、地形地质水文泥沙等自然条件、施工条件等，进行全面分析综合考虑选定。2、闸坝址选择时，必须贯彻综合利用的原则，妥善解决船闸和其他水工建筑物布置的问题。3、所选闸坝址处应有足够的宽度满足泄洪建筑物布置的要求。4、所选闸坝址处应尽量选在地形、地

5、质条件较好的地段。在条件确有限制的地区，则应能采取妥善措施后，保证基础和两岸接头安全可靠。5、选择闸坝址应尽量少淹没和浸没农田。一般情况下，临近城镇的闸坝址，宜选择在城镇上游。6、闸坝址应尽量避免选择在建闸坝后，船闸上下游出现不良的水流条件而影响通航的河段。7、应充分研究交叉河流的水流、水文、泥沙等条件。在一般情况下，闸坝址距交叉河流或支流河口应有足够的距离。8、在有支流汇入的河段选择闸坝址时，还应充分考虑支流开发、淹没损失、水文特征等因素综合分析选择。9、在梯级开发的河段中，应使各闸坝间的设计水位相衔接，并应满足全河段航道设计尺度的要求。（三）总体布置原则1、船闸总体布置，必须保证船队（舶）

6、在通航期内安全畅通过闸，并有利于运行管理和检修。船闸宜布置在顺直稳定的河段。上下游引航道口门应尽量避免布置在易淤部位。并使上下引航道与主航道平顺连接。2、船闸宜临岸布置，与溢流坝、泄水闸、电站等建筑物之间，必须有足够长度的分水导墙（堤）。3、枢纽中过水建筑物泄水时，应满足船闸引航道口门区的通航水流条件。船闸不应布置在溢流坝、泄水闸、电站等两过水建筑物之间。4、船闸闸室一般布置在挡水建筑物的下游。5、在裁弯取直引水式枢纽中，船闸布置应满足通航条件要求。6、船闸不应用作泄洪。在特殊情况下，经过技术经济论证必须泄洪时，则应满足通航要求和采取相应的保安措施，并必须征得交通主管部门的同意。（四）通航水流

7、条件及防淤1、船闸上下游引航道口门区的流速流态，应满足船队（舶）正常航行要求。2、在通航期内，引航道口门区的水面最大流速，应符合表2规定。并应尽量避免出现泡旋、乱流等不良的流态。引航道口门区的水面最大流速限值表（m/s） 表2船闸级别平行航线的纵向流速垂直航线的横向流速回流流速IIV2.00.300.40VVII1.50.250.403、引航道口门和引航道内应考虑风浪、泄水波、涌浪等的影响。满足船队安全畅通过闸和停泊的要求。4、为了减少上下引航道的淤积，可采取在船闸旁设置冲沙闸等措施。5、在含沙量较大的河流上，有船闸的枢纽，宜设排沙防淤设施以减少上游淤积。6、IIV级船闸和水流泥沙条件复杂的V

8、VII级船闸的布置，宜进行试验研究。二、船闸输水系统（一）基本要求1、船闸灌泄水是船舶过闸的一个主要操作程序，输水系统设计必须满足通航对灌泄水时间的要求。2、为了保证过闸安全，必须使停泊在闸室或引航道内的船舶所承受的各种水流作用力以及引航道内非恒定水流对船舶航行的影响，满足船舶停泊条件和航行条件的要求。3、输水系统以及船闸各部位在输水过程中不应被水流冲刷、空蚀、振动等造成破坏。4、输水系统的结构力求简单，减少工程投资，方便检修。（二）输水系统分类船闸输水系统布置型式很多，按闸室输水方式可划分为集中输水系统和分散输水系统两大类型。1、集中输水系统其灌泄水是分别集中在一个区段内完成的。一般在灌水时

9、，水流完全由布置在上闸首的输水系统进入闸室；泄水时，水流完全由布置在下闸首的输水系统泄出。2、分散输水系统闸室的灌泄水是由分布于闸墙内或闸室底板内长廊道上的许多出水支孔进行的。（三）集中输水系统1、集中输水系统型式集中输水系统已有数百年的发展历史，在我国应用十分广泛，已建船闸中97%以上均采用这种型式，目前较好的集中输水系统可分为三类：（1） 短廊道输水：短廊道输水可分为无消能室、有消能室、槛下输水三种。（2） 直接利用闸门输水：闸门输水可分为三角闸门门缝输水，平面闸门门下输水，弧型闸门门下输水，闸门上开小门输水。（3） 组合式系统：这种输水型式是由以上任意两种型式的组合而成。2、 集中输水系

10、统消能工措施（1）无消能工，利用水流本身对冲、扩散或水垫进行消能。（2）简单的消能工，在上下闸首可采用消力齿或消力槛、消力墩、消力池、水平格栅或遮板、垂直挡板消力梁或消能室（箱）等进行消能。（3）复杂的消能工，在上、中闸首应利用帷墙或开挖闸底构成消能室，并需采用消力齿或消力槛、复杂的消力梁、垂直格栅（挡板）等进行消能。在下闸首可采用消力齿或消力槛、消力墩、消力池、水平格栅（遮板）、简单的消力梁等进行消能。集中输水系统消能措施的类型可根据水力指标按表3选择。各类消能措施的水力指标 表3 消能措施 类别 水力 指 标 部 位第一类第二类第三类最大平均流速Vm,max(m/s)水位差H(m)最大平均

11、流速Vm,max(m/s)水位差H(m)最大平均流速Vm,max(m/s)水位差H(m)上 闸 首0.250.45 40.450.65470.650.9711中 闸 首0.250.45 80.450.658140.650.91422下 闸 首 0.8 40.81.9481.92.38113、集中输水系统的布置（1） 集中输水系统及其消能工应布置在闸首及靠近闸首的闸室范围内。消能段后应设镇静段。镇静段的长度可按下式计算： (1)式中：L 镇静段长度(m)； B 经验系数，与船闸输水消能型式有关，对第一类消能措施，B0.71.3；对第二类消能措施B=0.30.7；对第三类消能措施B=0.10.3。

12、在各类内消能效果好的取小值。Ep,max 理论最大比能(kw/m2)。可通过船闸设计规范有关条款计算求得。镇静段长度一般采用612m。（2） 集中输水系统及消能工的布置应使水流能充分消能和均匀扩散。在平面上应和闸室或下游引航道的布置相适应。在立面上应按闸室或下游引航道最大断面平均流速出现时段的上、下游水位条件进行设计。4、 集中输水系统的水力计算（1） 本节水力计算适用于淹没出流的短廊道输水，其他输水型式可参考使用。（2） 集中输水系统水力计算的主要内容为：输水阀门处廊道断面面积；输水系统的阻力系数和流量系数；输水阀门的开启时间；闸室输水时间；闸室输水的水力特性曲线；过闸船队（舶）在闸室和上下

13、游引航道内的停泊条件；密封式输水阀门后廊道顶部的压力水头；开敞式输水阀门后的水跃。（3） 集中输水系统灌、泄水水力特性曲线计算的内容有：流量系数与时间的关系曲线；闸室水位与时间的关系曲线；流量与时间的关系曲线；能量与时间的关系曲线；比能与时间的关系曲线；闸室与上、下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线。其计算方法可按船闸设计规范有关条款进行。（四）分散输水系统分散输水系统的水流是通过设置在闸室墙或闸室底板内的纵向输水廊道及其相连的分支廊道和出水支孔灌入或泄出闸室的。由于分散输水系统的廊道较长，廊道内水流惯性的影响较大，使得各出水支孔的流量不但是不均匀的，而且是变化的。在阀门开启初期，水流是加速

14、流，惯性阻滞流速增加，并使各出水支孔沿水流方向次第出流。随着惯性减小，压力增加，当廊道断面及各支孔面积不变时，后面支孔出流又逐渐增多并超过前面支孔。1、分散输水系统型式（1） 简单式布置型式：闸墙长廊道短支管出水闸底长廊道顶支孔出水（2） 较复杂式布置型式：闸墙长廊道侧支孔出水闸底长廊道分区段出水闸墙长廊道经闸室中部横支廊道支孔出水闸墙长廊道经闸室纵横支廊道支孔出水闸墙长廊道经闸室中心进口二区段出水（3） 复杂式：系指闸室内多区段出水的复杂对称布置的型式，在闸墙长廊道经闸室中心进口八支廊道四区段出水。2、适用范围分散输水系统的类型，可根据闸首的水位差H和平均比能Ep,m之值选定，当通航接近闸室

15、尺寸的顶推船队的船闸，其选择指标如下：当，采用复杂式分散输水系统；当，采用较复杂分散输水系统；当，采用简单式分散输水系统。Ep,m值按船闸设计规范有关条款计算。3、分散输水系统的布置（1）分散输水系统的输水阀门段，必须布置在下游最低通航水位以下，并有一定的淹没水深，阀门段的高程应满足阀门工作条件的要求，输水阀门前、后廊道应有一定长度的平直段。（2）闸墙长廊道短支管输水系统两侧廊道的短支管应相互交错布置。短支管出口应布置在下游最低通航水位时设计船舶吃水深度以下，保证支管出流不碰船底。（3）闸底长廊道顶支孔出流的输水系统，顶支孔上必须设消能盖板。（4）阀门段廊道压力较低或出现负压时，需在检修阀门井

16、内廊道顶高程处作防止掺气的封闭措施。（5）分散输水系统的进、出口布置应力求流线型。进口顶的淹没水深宜大于(0.40.5)H，H为设计水位差，出口顶的淹没水深宜大于1.5m，进口的最大断面平均流速，一般不大于2.5m/s3.0m/s。（6）闸底多根长廊道分区段出水输水系统的长廊道数，应等于二倍的出水区段数，每根长廊道上只允许一个出水区段。与船闸中心线对称布置的顶支孔上，应设横贯闸室的横支廊道，横支廊道上的出水支孔应设在侧面。（7）闸墙长廊道闸室中部横支廊道输水系统，其横支廊道的布置范围宜略大于闸室长度的一半，两侧横支廊道应交错布置。（8）当闸室灌（泄）水时，全部流量由引航道内取（泄），船舶在引航

17、道内的停泊或航行条件不能满足，则宜采用部分旁侧取（泄）水的设施。4、分散输水系统的水力计算（1） 分散输水系统的水力计算主要内容为：输水阀门处廊道断面面积；输水系统的阻力系数和流量系数；输水廊道的换算长度和惯性超高（超降）；闸室输水的水力特性曲线；过闸船队（舶）在闸室及引航道内的停泊条件；密封式输水阀门段后廊道顶部的压力水头，及开敞式输水阀门后的水跃；廊道转弯段内侧的最低压力水头；输水阀门的工作空穴数。（2） 分散输水系统灌、泄水的水力特性曲线的计算内容有：流量系数与时间的关系曲线；流量与时间的关系曲线；闸室水位与时间的关系曲线；能量与时间的关系曲线；上、下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线

18、。（3）分散输水系统船闸应验算输水阀门底缘产生空穴和考虑阀门顶止水缝隙产生空穴的可能性。三、 船闸结构设计（一）设计标准1、船闸水工建筑物级别的划分按表4确定。船闸水工建筑物级别的划分 表4工程等别水工建筑物级别永久性建筑物临时性建筑物闸首、闸室导航墙、靠船码头I134II、III234IV、V345VI、VII452、在综合性水利水电枢纽中，船闸挡水建筑物的级别应与主要挡水建筑物的级别一致。3、对2级以下的水工建筑物，当有下述情况之一者，宜按表4规定的建筑物级别提高一级采用，但最多不超过两级。（1）水头超过15m；（2）建筑物失事后，将造成严重灾害或引起巨大损失；临时性建筑物失事可能引起永久

19、性建筑物遭受破坏，长期延误施工；（3）工程地质条件特别复杂，或采用实践经验较少的新型结构。（二）结构设计原则1、一般要求（1） 船闸结构计算应考虑以下情况运用情况：船闸在运行中可能发生的最不利水位组合情况。检修情况：闸室排干或闸首局部排干时，闸外水位处于检修期可能出现的高水位，闸内处于基础板顶面。船闸与其他水工建筑物并列时，应考虑相邻建筑物进行检修的不利情况。完建情况：船闸筑到全高，填土至设计标高，地下水位一般与底板面平。施工情况：船闸修筑和填土处于不利情况。对于施工期间临时分缝的整体式闸底板，必须计算临时缝浇筑前、浇筑后的两种情况。非常情况：如校核洪水及地震情况等。（2）经过论证，船闸有溢洪

20、要求时，除考虑上述情况外，还需根据可能发生的最不利水位组合，进行溢洪情况的计算。（3）根据船闸各种计算情况的荷载性质，划分为基本荷载组合和特殊荷载组合两类。基本组合主要考虑以下情况的荷载基本组合1：相应于运用情况：基本组合2：相应于检修情况、完建情况、施工情况。特殊组合考虑以下情况的荷载特殊组合1：校核洪水、排水管堵塞或止水破坏，特殊组合2：运用时的地震情况。2、建筑物分缝（1） 船闸沿长度设置结构缝。（2） 结构缝的间距应根据地基条件、结构型式及其尺寸、气温情况和施工条件等因素而定，一般为1520米。（3） 在闸首、闸室、导墙及码头等结构间，新旧建筑物间，以及地基土质、高程突变处，均应设置结

21、构缝。（4） 结构缝一般做成垂直贯通的永久缝，缝内应设置垂直和水平止水。3、结构计算的基本内容（1） 稳定验算：抗滑稳定，抗倾稳定，抗浮稳定。（2） 地基承载力、地基沉降计算：岩基上地基反力按偏心受压公式计算，土基上地基反力按等效面积的中心受压公式计算。（3） 结构各部位强度和限裂验算：船闸结构（混凝土或砌石）一般采用材料力学方法验算。对于高闸墙及较复杂的地质条件，除采用材料力学方法计算外，宜同时进行模型试验或采用有限元进行计算研究。（4） 渗透稳定验算：船闸渗透稳定计算，按船闸设计规范有关条款计算。（三）荷载1、荷载（1） 作用于船闸水工建筑物上的荷载包括：建筑物自重、水重以及建筑物内部或上

22、部填料重量；闸门、阀门及其他设备重量；土压力；静水压力；扬压力（包括渗透压力及浮托力）；船舶荷载（包括船舶撞击力及系缆力）；闸面活荷载；波浪压力；水流力；地震力。2、荷载组合设计船闸结构时，应根据各种的计算情况，将荷载分别组合为基本组合和特殊组合两类。荷载组合应按下表规定采用，必要时还应考虑其他可能的不利组合。荷 载 组 合 表4荷载组合计 算 情 况自重设备重土压力水压力扬压力船舶荷载水流力波浪力活荷载地震力基本组合运用情况 检修情况 施工情况 完建情况 特殊组合校核洪水 排水堵塞，止水局部破坏 地震情况运用情况地震 检修情况地震 （四）闸室结构设计1、一般要求（1） 闸室一般采用直立式的墙

23、面。（2） 闸室结构由闸墙和底板组成，两侧闸墙和底板联结在一起的为整体式结构。（3） 分离式结构型式：土基：重力式结构，悬臂式结构，扶壁式结构。岩基：重力式，衬砌式，混合式。（4） 闸室的结构型式应根据地基性质、水头大小、材料来源、施工条件等因素，通过技术经济比较选定。在一般情况下，闸室采用分离式结构；在软弱地基上，且水头较大时，可采用整体式结构。（5） 闸室结构可选择一个或数个有代表性的断面按平面问题进行计算。（6） 闸墙和底板的断面尺寸应满足稳定和强度要求，还应满足有关设施（爬梯、系船环、输水廊道、泵房等）的布置要求。（7） 系船环、爬梯等辅助设备均应置于壁龛内。壁龛边角应做成圆弧形或用钢

24、板镶护。闸墙结构底部斜托的布置，不得妨碍船舶的航行和停泊。（8） 在最低通航水位以上，可采用预制混凝土块或细条石镶面，并用高标号水泥砂浆勾缝以保护墙面。2、分离式闸室结构设计（1） 重力式结构一般适用于较好的地基，如地基较差时，应妥善处理，并采取适当的结构措施。（2） 重力式结构常用的型式有：按建筑材料可分为：浆砌条（块）石结构，混凝土结构，配筋混凝土结构；按断面型式可分为：梯形断面，衡重式断面。（3） 重力式结构应进行下列验算：地基承载力验算；整体稳定性验算，包括基础面的抗滑稳定性及软弱夹层面的抗滑稳定性；截面强度验算；土基渗透稳定性验算；土基沉降计算。（4） 悬臂式结构系由闸墙、底板和后悬

25、臂组成的对称结构，在底板中缝设置止水以形成不透水闸底。（5） 悬臂式结构应进行下列验算：地基承载力验算；闸墙和底板的截面强度及限裂验算；抗浮稳定性验算；地基沉降计算。（6） 悬臂式结构的地基反力可按偏心受压公式计算，最小应力不允许出现拉应力。（7） 悬臂式结构的闸墙可根据受力情况按悬臂梁或偏心受压构件核算截面强度。（8） 悬臂式结构的底板和后悬臂可按嵌固于闸墙上的悬臂梁核算截面强度。（9） 计算闸底板的截面强度时，应计入闸底与地基之间的摩擦力和作用在底板中缝处的水平力。按船闸设计规范有关条款计算。（10） 当闸室宽度和闸墙高度较大时，闸室底板应按两个相邻的弹性地基梁计算。（11） 扶壁式结构由

26、立板、肋板和底板组成。（12） 扶壁式结构应进行下列验算：整体稳定性验算；地基承载力验算；立板、肋板和底板强度及限裂验算；肋板与立板、肋板与底板的连接强度计算；渗透稳定性验算；地基沉降计算。（13） 岩基上闸室墙除重力式结构外，还有衬砌式和混合式结构。（14） 基岩质地松软，裂隙发育，可采用重力式衬砌墙。基岩质地较好，裂隙较少，可采用设锚筋的衬砌墙。基岩质地好，裂隙很少，对小型船闸直接开挖整平，形成墙面。（15） 衬砌式结构的断面尺寸由稳定和强度计算确定。设锚筋的衬砌墙的断面厚度不小于40cm。（16） 锚筋可按下列原则布置：锚筋按衬砌墙高度等距离平行布置；锚筋一般布置成水平或与水平成不大的夹

27、角；锚筋锚固深度一般为1.02.0m，锚孔直径不小于锚筋直径的三倍。对重要工程应根据锚筋拉拔试验确定。（17） 衬砌墙后的排水一般采用竖向与纵向排水管组成的排水系统，排水管直径不小于30cm。（18） 衬砌式闸墙应进行下列验算：整体稳定性验算；截面强度验算；锚筋计算。（19） 重力式衬砌墙可按材料力学方法验算强度；有锚筋的衬砌墙可按支承在锚筋上的无梁楼盖或弹性支承上的多跨连续梁方法验算强度。（20） 大型船闸混合式结构宜采用有限元法及模型试验进行计算研究。（21） 透水闸底顶层护面一般采用干砌块石，其厚度为2540cm。下部设反滤层。透水底板应布置纵横格梁。（22） 双铰底板一般适用于细砂、粉

28、砂地基。（23） 双铰底板的轮廓尺寸一般为：底板厚度为闸室宽度的(1/121/8)，中间底板宽度为闸室宽度的(3/54/5)。（24） 双铰底的铰一般采用斜接式或搭接式,接缝处应设置12道止水。（25） 双铰底板的地基反力可按船闸设计规范有关条款计算。（26） 双较底板的铰接段应进行局部强度验算。（27） 作用在双铰底板上的水平力按船闸设计规范有关条款计算。（28） 岩基上的底板应进行抗浮稳定性验算。当自重不能满足抗浮稳定时，可采用取以下措施：用锚筋将底板锚固在基岩上；底板两端支承在闸墙上；在底板下设置纵横排水系统。（29） 计算有廊道的底板结构强度时，应考虑灌泄水时的动水荷载。动水荷载可由水力试验确定，或取为静水压力的0.3倍。（30） 有廊道的底板一般可按弹性地基上的框架或按受均匀地基反力的框架进行计算。3、 整体式闸室结构设计 （1）整体式结构，适用于水头较大、闸墙较高、且地基较差或具有软弱夹层的情况。 （2）整体式结构的闸墙和底板的断面尺寸根据强度计算确定。 （3）对大型船闸，为改善底板工作条件，可以考虑在底板中设临时施工缝，待闸墙沉降基本稳定后，再进行封缝，形成整体。 （4） 整体式结构应进行下列验算：抗浮稳定性验算；闸墙的强度及限裂计算；底板的强度及限裂计算。（5） 闸墙可根据受力情况在确保墙体与底板整体联结的前提下，按悬臂梁或偏心