船閘平面設計

1、航道工程課程設計 航道工程課程設計 題目：西江某水利樞紐船閘總體設計 學院：船舶工程學院 專業(yè)：港口航道與海岸工程 學號：2011012125 姓名：薛天寒 日期：2015 年1月 目錄 1. 設計基礎資料 4 1.1設計依據(jù) 4 1.2設計標準、規(guī)范 4 1.3設計背景 4 1.4設計資料 4 1.5設計船型 5 2. 船閘總體設計 5 2.1船閘基本尺度的確定 5 2.1.1閘室有效長度 5 2.1.2閘室有效寬度 6 2.1.3船閘門檻最小水深 7 2.1.4船閘最小過水斷面的斷面系數(shù) 8 2.1.5閘首長度 9 2.2船閘各部分高程的確定 9 2.2.1閘門門頂高程 9 2.2.2閘室

2、墻頂高程 9 2.2.3閘首墻頂高程 10 2.2.4閘首檻頂高程 10 2.2.5閘室底板頂部高程和引航道底部高程 11 2.2.6導航和靠船建筑物頂部高程 11 2.2.7引航道堤頂高程 12 2.3引航道平面布置及尺度確定 12 2.3.1引航道平面布置 12 2.3.2引航道尺度 12 2.4船閘通過能力計算 14 2.4.1船隊進出閘時間 14 2.4.2閘門啟閉時間 15 2.4.3閘室灌、泄水時間 15 2.4.4船舶、隊進出閘門間隔時間 15 2.4.5船閘通過能力 15 2.5船閘耗水量計算 16 3. 閘首、閘閥門及輸水系統(tǒng)選擇 17 3.1閘門的選型及基本尺度計算 17

3、3.1.1門扇長度In 17 3.1.2門扇厚度tn 18 3.2輸水系統(tǒng)初步設計 18 3.2.1輸水閥門處廊道斷面面積 18 3.3閘首結(jié)構(gòu)初步設計 19 3.3.1閘首布置及構(gòu)造 19 3.3.2邊墩設計 19 4. 閘室結(jié)構(gòu)形式初步設計 19 5. 船閘總體布置原則 19 6. 船閘布置圖 20 6.1船閘總平面布置圖（附圖1） 20 6.2船閘縱斷面布置圖（附圖2） 20 23 1. 設計基礎資料 1.1設計依據(jù) 航道工程課程設計指導書 1.2設計標準、規(guī)范 船閘總體設計規(guī)范，JTJ305-2001,人民交通出版社 內(nèi)河通航標準，GB50139-2004，中華人民共和國建設部 船閘閘

4、閥門設計規(guī)范，JTJ308-2003,人民交通出版社 船閘水工建筑物設計規(guī)范，JTJ307-2001，人民交通出版社 船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范，JTJ306-2001,人民交通出版社 1.3設計背景 西江某水電樞紐是西江下游河段廣西境內(nèi)的最后一個規(guī)劃梯級，樞紐橫跨兩 島三江，是一座以發(fā)電為主，兼有航運、灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。 根據(jù)交通部對西江航運的規(guī)劃，航道等級將從川級提高為U級航道，因此船閘為 滿足不斷增長的貨運量需要，將原1號船閘規(guī)模由1000t級擴大為2000t級。 1.4設計資料 表1.4 :設計資料數(shù)據(jù)一覽表 序號 工程項目 指標 備注 1 設計水平年 2028 2 船閘級數(shù)

5、 單級 3 通航規(guī)模 U級 4 航道設計標準（m） 130 2.6 爲60 航寬航深彎曲半徑 5 船隊尺度（m） 186.0 2.4 6 1頂4艘2000t級分節(jié)駁 6 船閘年通過能力（萬t） 3000 遠期 7 最大過船噸位 2000t 8 船閘設計標準 4 2000t 船隊一次通行過閘 9 通航期（天） 350 10 最高通航水位（P=10%） （m） 23.9 / 23.8 上游/下游 11 最低通航水位（P=98%） （m） 18.6 / 5.05 上游/下游 12 正常畜水位（m） 23.9 13 通航凈空（m） 10 14 地形地質(zhì) 建基巖體主要為砂巖，巖體兀整性較好， 裂隙不甚發(fā)

6、育。 15 水文 降雨量及氣溫資料從略。 1.5設計船型 表1.5主要設計船型一覽表 船隊編號 船型 組隊方式 船隊尺度（m） A 1 頂 4X 2000t 2排2列 186.0X 32.4X 2.6 B 1 頂 2X 2000t 2排1列 182.0X 16.2X 2.6 C 1 頂 2X 500t 2排1列 110.0X 10.8X 1.6 D 貨船1000t 貨船 49.9X 15.6X 2.8 A為主要設計船隊，B、C、D為兼顧船隊 圖1.5 :主要設計船隊示意圖 2. 船閘總體設計 2.1船閘基本尺度的確定 2.1.1閘室有效長度 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范（JTJ305-2001）: 3

7、.1.5船閘閘室有效長度不應小于按下式計算的長度，并取整數(shù)。 Lx-lc If 式中 Lx閘室有效長度(m); lc設計船隊、船舶計算長度(m)，當一閘次只有一個船隊或一艘船舶 單列過閘時，為設計最大船隊、船舶的長度；當一閘次有兩個或多 個船隊船舶縱向排列過閘時，則為各設計最大船隊、船舶長度之 和加上各船隊、船舶間的停泊間隔長度； If 富裕長度(m)，頂推船隊If 2+0.06lc；拖帶船隊If 2+0.03lc; 貨船和其他船舶I f4+0.05lc； 根據(jù)設計船隊尺度以及船閘設計標準進行過閘船型組合，船閘設計標準為一 次通行過閘4X 2000t。 表2.1.1閘室有效長度計算表 船隊組合

8、 船隊長度lc (m) 富裕長度lf (m) 閘室有效長度Lx (m) A 1艘4X 2000t船隊 186.0 13.16 199.16 B + B 2艘2X 2000t船隊 并列 182.0 12.92 194.92 B + C+ D 1艘2X 2000t船隊 與1艘2X 500t船隊 并列，和一艘1000t 貨船 182.0 12.92 194.92 所以，閘室的有效長度取200m 2.1.2閘室有效寬度 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范(JTJ305-2001): 3.1.8船閘閘首口門和閘室有效寬度不應小于按下列兩公式計算的寬度，并 宜采用現(xiàn)行國家標準內(nèi)河通航標準(GB50139-2004)中規(guī)

9、定的8m，12m， 16m，23m，34m 寬度。 Bx 八 bc bf b 0.025(n-1)bc 式中Bx船閘閘首口門和閘室有效寬度(m); bc 同一閘次過閘船舶并列停泊于閘室的最大總寬度(m)。當只 有一個船隊或一艘船舶單列過閘時，則為設計最大船隊或船舶 的寬度； bf 富裕寬度(m); =b 富裕寬度附加值(m)，當bc Im ；當Q 7m時, l b 1.2m； n過閘停泊在閘室的船舶的列數(shù)。 根據(jù)設計船隊尺度以及船閘設計標準進行過閘船型組合： 表2.1.2閘室有效寬度計算表 船隊組合 船隊總寬度 Z bc (m) 富裕寬度bf (m) 閘室有效寬度Bx (m) A 1艘4X 2

10、000t船隊 32.4 1.5 33.9 B + B 2艘2X 2000t船隊 并列 32.4 1.6 34.0 B + C+ D 1艘2X 2000t船隊 與1艘2X 500t船隊 并列，和一艘1000t 貨船 31.8 1.6 33.4 所以，閘室的有效寬度取34.0m 2.1.3船閘門檻最小水深 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范(JTJ305-2001): 3.1.9船閘門檻最小水深應為設計最低通航水位至門檻頂部的最小水深，并 應滿足設汁船舶、船隊滿載時的最大吃水加富裕深度的要求，可按下式計算，閘 室最小水深應為設計最低通航水位至閘室底板頂部的最小水深，其值應不小于門 檻最小水深。設計采用的門檻最小

11、水深和閘室最小水深， 在滿足計算的最小水深 值基礎上，應充分考慮船舶、船隊采用變吃水多載時吃水增大以及相鄰互通航道 上較大吃水船舶、船隊需通過船閘的因素，綜合分析確定 -1.6 式中 H門檻最小水深(m)； T 設計船舶、船隊滿載時的最大吃水(m) 貝 H 1.6T =1.6X 2.6=4.16m,取 H =4.5m。 所以，船閘的門檻最小水深取 4.5m。 綜上，船閘尺度為: 20001 20Q0t, 閘室有效長度（m） 閘室有效寬度度（m） 船閘門檻最小水深（m） 200 34 4.5 組合1: 組合2: 2胚饑 20001 1.50T=3.9m （取 4.0m） 上游引航道底部高程=上游

12、設計最低通航水位-引航道設計最小水深值 =18.6 4=14.6m（取 14.1m） 下游引航道底部高程=下游設計最低通航水位-引航道設計最小水深值 =5.05 4=1.05m 2.2.6導航和靠船建筑物頂部高程 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范（JTJ305-2001）: 4.2.8船閘上、下游導航和靠船建筑物的頂部高程應為上、下游設計最高通 航水位加超高值，超高值不宜小于設計過閘船舶、船隊空載時的最大干舷高度。 貝船隊空載時最大干舷高度取為 2.7m； 上游導航建筑物頂高程=上游設計最高通航水位+超高 =23.9m+ 2.7m =26.6m （取 26.7m） 下游導航建筑物頂高程=下游設計最高通航水

13、位+超高 =23.8m+ 2.7m =26.5m （取 26.6m） 2.2.7引航道堤頂咼程 本船閘引航道堤岸沒有防洪功能，故取引航道堤頂咼程=導航建筑物堤頂咼 程 貝上游引航道堤頂高程=26.7m； 下游引航道堤頂高程=26.6m。 綜上，船閘各部分高程整理如下： 表2.2.7船閘各部分高程表 序號 船閘各部分高程 高程（上游， m) 高程（下游，m） 1 閘門門頂高程 24.5 24.5 2 閘首墻頂咼程 26.7 26.7 3 閘首檻頂咼程 14.1 0.50 4 閘室墻頂高程 26.7 5 閘室底板頂部高程 0.5 6 導航和靠船建筑物的頂部高程 26.7 26.6 7 引航道底部咼

14、程 14.1 1.05 8 引航道堤頂咼程 26.7 26.6 2.3引航道平面布置及尺度確定 2.3.1引航道平面布置 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范（JTJ305-2001）: 5.4.2引航道的平面布置應根據(jù)船閘的級別、線數(shù)、設計船型船隊、通過能 力等，結(jié)合地形、地質(zhì)水流、泥沙及上、下游航道等條件研究確定。 引航道的平面布置可米用反對稱式、對稱式、不對稱式3種形式。 由于本船閘為U級船閘，屬于單線船閘，貨運量較大，無明顯單向貨流，故 采用反對稱型引航道。船舶曲線出閘，直線進閘，進閘速度快，船閘的通過能力 較大。 2.3.2引航道尺度 1. 引航道的長度 1）導航段長度1 h-lc 式中l(wèi)i導航段長

15、度（m）; Ic 設計船隊（舶）的長度，對頂推船隊為全船隊長，對拖帶船 隊或單船為其中最大的船舶長度。 則:Ic=186.0m, li取 190m。 2）調(diào)順段長度I2 12 （ 1.52.0） Ic 則：I2 取 300m。 3）停泊段長度b I3 I 考慮到部分船隊在停泊段重組，取 2倍船長 則：I3 取 380m。 綜上，引航道直線段的總長度 L= I1 + I2+ b=870m 4）過渡段長度14及制動段長度I/ I4 -10 b， B為引航道寬度與航道寬度之差，航道寬為130 m，引航道寬 度 120 m,貝U ：B=10 m， 14 =100 m； 5用I5八Ic估算，為頂推船隊制

16、動距離系數(shù)，一般取2.54.5,則I5 =3 X 186.0=558m，取 560 m。 為減少引航道的工程量，過渡段I4及制動段I4重合使用 2. 引航道的寬度 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范（JTJ305-2001）: 5.5.2.1單線船閘引航道的寬度，應根據(jù)下列型式確定：反對稱型引航道寬 度： B0 -Q S D b 式中B0設計最低通航水位時，設計最大船舶、船隊滿載吃水船底處的引 航道寬度（m）; bc設計最大船舶、船隊的寬度（m）; 側(cè)等候過閘船舶、船隊的總寬度（m）; b1 船舶、船隊之間的富裕寬度，取b1= bc； ：b2 船舶、船隊與岸之間的富裕寬度，取bi=0.5 bc； 則：Bo-

17、bc bah d=113.4m,取 120m。 3. 引航道最小水深 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范（JTJ305-2001）: 5.5.31 級船閘引航道最小水深應按下式計算 _ 1.50 式中 H0 在設計最低通航水位時，引航道底寬內(nèi)最小水深 (m); T設計最大船舶、船隊滿載吃水（m） 則：H03.9m,取 H0為 4.0m。 2.4船閘通過能力計算 2.4.1船隊進出閘時間 船舶（隊）進出閘時間，可根據(jù)其運行距離和進出閘速度確定。對單向過閘 和雙向過閘方式應分別計算： 1）單向過閘，進閘為船舶、船隊的船首自引航道中?？课恢弥灵l室內(nèi)停泊 位置之間的距離，單向出閘距離為船舶、船隊的船尾自閘室內(nèi)停泊位

18、置至閘門外 側(cè)邊緣的距離； 2）雙向進閘，距離是船舶、船隊自引航道中?？课恢弥灵l室內(nèi)停泊位置之 間的距離，出閘為船舶、船隊自閘室內(nèi)停泊位置至靠船建筑物之間的距離。 單向進閘距離 L1=190m+300m+34m+186m=710m； 單向出閘距離L4=200m+34m=234m； 雙向進閘距離 L1 =190m+300m+34m+186m=710m 雙向出閘距離 L4 =190m+300m+34m+186m=710m 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范表 6.1.5查得 單向進閘v0.5m/s 單向出閘V4 =0.7m/s 雙向進閘v=0.7m/s雙向出閘V4，= 1.0m/s 貝23.67mint -L

19、= 5.57min Viv4 ,LJ, L4 ti1 16.90mintq411.83min ViV4 2.4.2閘門啟閉時間 閘門的啟、閉時間與閘門型式和閘首口門寬度有關(guān)，當閘首口門寬度大于 23m時，取為36min,取為3 min。 2.4.3閘室灌、泄水時間 船閘灌瀉水時間與水頭、輸水系統(tǒng)型式、閘室尺度有關(guān)，t3取=8.0 min。 2.4.4船舶、隊進出閘門間隔時間 根據(jù)船閘總體設計規(guī)范（JTJ305-2001）: 6.1.8船舶、船隊進出閘間隔時間，系指同一閘次第一個船舶、船隊與最后 一個船舶、船隊啟動的間隔時間。當無實測資料時可采用310mi n。 由于本船閘設計每閘次只通過一個船

20、隊，無間隔時間，但考慮實際情況，取 t5 為 2min。 綜上： 單向過閘時間 T 1=4t2+ t1 +2 t3+ t4+2 t5 =4X 3+ 23.67+ 2X 8+ 5.57+ 2X 2 = 61.24 min 雙向過閘時間 T2=4t2+2t1+2t3 + 2t4+4 t5 =4X 3+ 2X 16.90+ 2X 8+ 2X 11.83+ 4X 2 = 93.46min 實際上，由于上行與下行船舶、隊均難以保證到閘的均勻性在設計中一般采 用船舶、隊單向過閘與雙向過閘所需時間的平均值來計算晝夜過閘次數(shù)。 貝過閘時間 t氏）=53.99 min 2 2 式中 2.4.5船閘通過能力 船閘

21、日平均過閘次數(shù)： n =60 T -船閘每晝夜的平均工作時間（h），取22h。 n =24.44 min,取 n 為 24 次。 單向年過閘船舶總載重噸位： 2 NG： T 單向年過閘客貨運量： 1 P2(n- no) 2 式中Pi單向年過閘船舶總載重噸位（t）； P2單向年過閘客貨運量（t）； no日非運客、貨船過閘次數(shù)，取 2次； n日平均過閘次數(shù)； N年通航天數(shù)，取 350天； G一次過閘平均載重噸位（t），取設計最大過閘船隊噸位的80%; a船舶裝載系數(shù)，取0.8； 0運量不均衡系數(shù)，取1.3。 則：雙向通過能力為2P2=3033萬t,滿足要求。 2.5船閘耗水量計算 船閘一天內(nèi)平均耗

22、水量可根據(jù)船閘總體設計規(guī)范（JTJ305-2001） 6.2.1計 旦 86400 q =eu 式中： Q 一天內(nèi)平均耗水量（m3/s）； V一一次過閘用水量（m3），必要時應考慮上、下行船舶、船隊排水 量差額； 3 q閘門、閥門的漏水損失（m/s）； e止水線每米上的滲漏損失m3/（s.m ），當水頭小于10 m時取 0.00150.0020m3/（s.m ），當水頭大于10 m 時取 0.002 3 0.003m3/（s.m ）； u閘門、閥門止水線總長度（m）； 單級過閘一次過閘用水量 V采用下式進行計算： Vo=C X H 式中：Vo單級船閘一次過閘平均用水量（m3）; C閘室水域面積

23、（m2）=上、下閘首閘門之間的水域長度（m）x 水域?qū)挾龋╩）; H計算水頭（m）,采用上下游平均水位差，為6.83m。 單級船閘雙向一次過閘時，用水量為單向一次過閘用水量的一半。認為單 向過閘：雙向過閘=1:1。 1 Vo =Vo 2 C= （200+ 21 X 2）X 34= 8228 m2 口 23.9 +18.623.8 +5.05 廠“ H= 6.83 m 2 2 3 Vo=C X H=56197 m 1 3 V0 丄 Vo =28099 m3 2 V0=V0 +1 V0 =4214m3 2 2 u=18.1X 2+ （23.9- 0.5）X 3= 106.4m （取 110m） e

24、 取 0.002 m3/（s.m ） 3 q =eu=0.22 m/s -22421483 Q0.22 = 10.95 m s 86400 綜上，船閘一天內(nèi)平均耗水量為10.95 m3/s。 3. 閘首、閘閥門及輸水系統(tǒng)選擇 3.1閘門的選型及基本尺度計算 人字閘門具有耗鋼材少，能封閉高、寬尺寸都比較大的孔口，運轉(zhuǎn)靈活可靠 等優(yōu)點，常用作承受單向水頭、在靜水條件下啟閉的工作閘門，在大中型船閘中 運用廣泛。本船閘水頭較高，且在靜水條件下啟閉，故選用人字閘門。 人字閘門由兩個門扇組成，圍繞其端部的豎軸旋轉(zhuǎn)啟閉，設計閘門型式采用 鋼制人字閘門，門扇軸線與引航道軸線夾角為22.5，設計水頭18.85m

25、。設計 閘門高度為24m，門扇長度為18.4m。 3.1.1門扇長度In IBk +2m 0.55Bc l n 2 cos 0 cos 8 =0.55 x 34 cos 22.5 =20.24m （取 20m） 3.1.2門扇厚度tn tn = （0.1 0.125） In =22.5m （取 2.2m） 3.2輸水系統(tǒng)初步設計 船閘輸水系統(tǒng)對船舶過閘時間有著較大的影響， 輸水系統(tǒng)的型式選擇根據(jù)判 別系數(shù)初步選定，判別系數(shù)按下式計算： T 式中：m判別系數(shù)； H設計水頭（m）,根據(jù)上下游的自然通航水位，設計水頭為18.85m； T閘室灌水時間（min），初步選取8min ； 貝U: m =1.

26、84。 根據(jù)船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范（JTJ306-2001）:當m V 2.5時，采用分散 輸水系統(tǒng)，初步選用閘墻長廊道側(cè)向支孔輸水系統(tǒng)。 分散輸水形式，可較大縮短閘室長度，節(jié)約工程成本，同時由于分散輸水系 統(tǒng)是通過長廊道分散輸水，閘室內(nèi)水流平穩(wěn)，改善了閘室內(nèi)船舶?？康牟捶€(wěn)條件。 閘墻長廊道側(cè)向支孔輸水系統(tǒng)布置簡單，造價較低，采用廣泛。但是此系統(tǒng)對閘 門開啟不同步或單側(cè)閘門開啟的適應性較差，應注意優(yōu)化。 采用數(shù)目較多，斷面積較小的出水支管，采用明渠消能，消能效果較好。 按照規(guī)范要求，進口段進口頂?shù)难蜎]水深需大于 0.4倍的設計水頭，設計水 頭為18.85m,即進口段淹沒水深需大于 7.54m,取

27、8mI、U級船閘出口最小 淹沒水深為1.5m,取4m。 3.2.1輸水閥門處廊道斷面面積 分散輸水系統(tǒng)的輸水閥門處廊道斷面積，可按下式估算： = 0.0065 CLcH 式中：3輸水閥門處廊道斷面面積（m2）； C計算閘室水域面積（m2），對單級船閘取閘室水域面積 8228 m2； Lc閘室水域長度 242m； H設計水頭 18.85m。 貝滬39 m2，取 48 m2。 3.3閘首結(jié)構(gòu)初步設計 船閘閘首一般設有輸水廊道、閘門、閥門、閘閥門啟閉機械及其相應的設備 等，閘首的布置及尺寸與所選用的閘門形式、輸水系統(tǒng)等有密切關(guān)系。 閘首結(jié)構(gòu)按其受力狀態(tài)可分為整體式結(jié)構(gòu)和分離式結(jié)構(gòu)。 在土基上為避免由 于邊墩不均勻沉降而影響閘門正常工作， 一般采用整體式閘首結(jié)構(gòu)；巖基上的閘 首則可采用分離式結(jié)構(gòu)。本船閘建基巖體主要為砂巖，巖體完整性較好，裂隙不 甚發(fā)育，故采用分離式結(jié)構(gòu)。 3.3.1閘首布置及構(gòu)造 根據(jù)受力和結(jié)構(gòu)特點，閘首在順水流方向上由3段組成： 1）門前段長度li，當工作閘門采用人字閘門、檢修門槽設于閘首外與導墻 接縫時，門前段的長度