畢業(yè)設(shè)計(論文)-衢江姚家航電樞紐01船閘總體設(shè)計及下閘首結(jié)構(gòu)計算

SHAPE衢江姚家航電樞紐01船閘總體設(shè)計及下閘首結(jié)構(gòu)計算漢江崔家營航電樞紐工程總體布置與船閘設(shè)計緒論本船閘設(shè)計是擬在衢江姚家樞紐的一個船閘工程。衢江是浙江省最大河流——錢塘江南源蘭江的主流，集水面積11477.2km2，河流全長257.9km。由于灘多、水淺，航道條件差，水運(yùn)業(yè)日益蕭條。目前通航船只為3t～12t。據(jù)交通部門預(yù)測，衢江年運(yùn)量到2010年可達(dá)到200萬噸，主要物資有石灰石、瑩石、化肥、木材、水泥、煤炭和鋼材等。鑒于目前的航道狀況，無法滿足遠(yuǎn)期貨運(yùn)量的要求。目前，塔底、小溪灘都已開工建設(shè)，安仁鋪、紅船豆、游埠梯級也已完成前期設(shè)計工作，加快姚家梯級水利樞紐建設(shè)，盡早使衢江航道全面通航顯得尤為迫切。姚家樞紐是衢江干流開發(fā)中的第六級也是最下游一級樞紐。工程是以航運(yùn)和水力發(fā)電為主，結(jié)合改善水環(huán)境及灌溉條件等綜合利用工程。該工程由泄洪閘、船閘、發(fā)電廠房等建筑物組成，電站裝機(jī)4×4.1MW，多年平均發(fā)電量約6533萬KW.h。船閘設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為500t級。衢江水量充沛，水力資源豐富。建設(shè)姚家水利樞紐工程，可以充分利用衢江水力資源，年發(fā)電量達(dá)6533萬KW.h，電站裝機(jī)16.4MW，能對電網(wǎng)起到一定的調(diào)峰作用。本工程的建設(shè)可以有效緩解金華市目前用電緊張的局面。水力資源是可再生的清潔能源，本工程的建設(shè)符合國家的能源產(chǎn)業(yè)政策。其位于衢江下游段，河流呈東西流向，南岸為下店村，北岸為姚家村。工程橫跨衢江，本段水流湍急，江面寬約500m，兩岸為堤壩，姚家段堤腳有寬約40m的灘地，地面高程約29～29.50m。工程區(qū)地層分布白堊系上統(tǒng)基巖和第四系沖積堆積層。地下水為松散巖土類孔隙潛水，主要分布在第四系地層中。由大氣降水補(bǔ)給，并排泄于河道。姚家樞紐工程實(shí)施后，可為恢復(fù)和提高衢江的航運(yùn)能力奠定基礎(chǔ)，并可加快上游砂石資源和礦產(chǎn)資源開發(fā)，促進(jìn)蘭溪市及衢江兩岸廣大地區(qū)經(jīng)濟(jì)更快地發(fā)展。衢江的船閘建設(shè)基本上都是與水電樞紐建設(shè)相配套的，故而在樞紐選址及船閘在樞紐總體平面布置中的位置受到水電部門的一定制約，船閘的總體布置有點(diǎn)困難，而其困難點(diǎn)主要突出在上下引航道的布置及其與河流主航道的銜接上。因此本船閘工程的設(shè)計難度是很大的，需要結(jié)合模型試驗(yàn)及參照以往相類似工程的經(jīng)驗(yàn)，選擇適合的解決辦法。水利樞紐的布置，主要是確定水利樞紐中各主要建筑物之間的位置。樞紐工程總體布置設(shè)計，應(yīng)在確保通航要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)工程建設(shè)任務(wù)要求，以充分發(fā)揮工程綜合利用效益，正確處理進(jìn)期與遠(yuǎn)期、上游與下游以及干流與支流等關(guān)系。0.1樞紐的組成及功能衢江姚家航電樞紐的主體建筑物包括船閘、泄水建筑物、電站。船閘在樞紐中的布置應(yīng)滿足通航水流條件，保證船舶進(jìn)出閘安全、迅速方便。船閘布置在河床穩(wěn)定，沖淤變化不大的順直河段。通航建筑物上，下游引航道及閘室應(yīng)布置在同一條直線上，并要求引航道順直，保證船舶快速過閘。0.2樞紐布置原則按《渠化樞紐總體布置設(shè)計規(guī)范》(JTJ220-98)，布置時應(yīng)考慮下列因素：1、地形、地質(zhì)、水文及泥沙條件；2、上、下游航道銜接條件；3、主要水工建筑物的使用要求；4、淹沒損失及環(huán)境影響；5、施工難易，施工期長短及施工期通航條件；6、分期投產(chǎn)及其銜接條件；7、使用管理?xiàng)l件；8、工程量及投資。0.3壩址方案確定根據(jù)《錢塘江流域綜合規(guī)劃》及《錢塘江中游“三江”梯級開發(fā)規(guī)劃》，規(guī)劃樞紐壩址位于姚家村上游馬鞍山嘴河道最窄處。從規(guī)劃壩址河段地形上分析，可供選擇壩址比較的河段局限于馬鞍山嘴以下約1000m范圍，該河段相對順直，河床寬度漸變，向下逐漸增寬，河寬約300m~500m。該河段在平面上呈“Z”字形，平順段上、下均為轉(zhuǎn)彎段，壩址位置只能在該段河道中選擇。故有上下壩址兩種方案選擇。上壩址（規(guī)劃壩址，比較方案）：位于馬鞍山嘴，左岸為馬鞍山山體，右岸介于下應(yīng)村與下店村之間，壩軸線垂直于水流方向。該壩址河床斷面窄而深，上游處有一大拐彎，河寬僅250m，流速大，壩址處流態(tài)相對較下壩址復(fù)雜。上游洪水位壅高值相同的前提下，樞紐布置向右岸拓浚寬度較下壩址寬得多，右岸拓浚工程量大，左岸因布置電站，需要布置裝配場及進(jìn)出廠區(qū)的道路，因此，山體開挖工程量巨大，工程投資相對也大。從工程布置相對合理性方面考慮，電站需布置在左岸；船閘需布置在右岸，便于今后興建二線船閘留有余地。船閘布置在右岸，上游引航道長度較短，且該壩址橫向流速速也大，影響船只航行。為此在這一岸布置船閘對衢江航運(yùn)船只較為不利。該壩址河道窄，施工導(dǎo)流布置，施工條件較下壩址差。下壩址（推薦方案）：位于馬鞍山嘴下游約500m處，距上壩址約730m，軸線右岸距下店村約150m，壩軸線垂直于水流方向。該壩址處河寬約470m，處于“Z”字形河段中部較平順段，河床斷面基本呈“U”形。受上游馬鞍山體的影響，該壩址處洪水期主流稍偏右，相對上壩址來說水流較為平順，流態(tài)相對要好，流速較小。壩址左河床有一寬約45m的灘地，高程約29.0m。在兩壩址上游洪水位壅高值相同的前提下，樞紐布置向右岸拓浚寬度較上壩址小，右岸拓浚工程量小，工程投資相對也小。從工程布置相對合理性方面考慮，船閘與電站的布置正好與上壩址相反，電站需布置在右岸，不涉及房屋拆遷。船閘則布置在左岸，姚家村距防洪堤約150m，該范圍正好可作為今后興建二線船閘的預(yù)留地。船閘布置在左岸，上游引航道長度較長，處于這一岸對衢江航運(yùn)船只通航較為有利，且該壩址橫向流速較小，有利于船只航行。該壩址河道相對較寬，施工導(dǎo)流布置，施工條件較上壩址好。若上下壩址正常蓄水位相同，則兩壩址對庫內(nèi)上游的排澇和浸沒影響基本相同。下壩址因左岸防洪堤內(nèi)地勢較低，需增加壩址~馬鞍山嘴段長600m的防洪堤基礎(chǔ)防滲處理工程量。右岸地勢較高，不存在浸沒影響。從地質(zhì)鉆探成果看，上、下壩址基巖面高程均在20.0m，變化不大，壩基處理及基巖開挖差距不大。經(jīng)綜合分析比較，本階段選用下壩址方案。上、下壩址位置見圖樞紐總體布置壩址以上集雨面積較大，洪峰流量大，洪水漲幅明顯。為確保衢江行洪，本工程的建設(shè)不能消弱上游衢江兩岸防洪堤原有的防洪能力，工程的總體布置要利于河道行洪，盡可能使壩址處河道的行洪寬度及過水?dāng)嗝娣e與原河道基本相同。受上游左岸山體影響，壩址河段主槽位于中間稍偏右，河床平均高程約22.0～22.5m，河寬約480m。左側(cè)河床相對較高，有寬約45m的河灘地，左岸已建有防洪堤，堤頂高程約35.5m，堤內(nèi)姚家村距堤腳約150m。壩址右岸也有已建成的防洪堤，堤頂高程約35.5～35.9m。下店村位于壩址上游約150m，有公路與320國道相連，交通便捷。根據(jù)工程特點(diǎn)，本樞紐建筑物布置與選型要考慮行洪方便，非汛期擋水，汛期敞開行洪，擋水泄洪建筑物須布置在河道中央?？紤]到本工程的首要任務(wù)是航運(yùn)開發(fā)，為確保工程安全及航道運(yùn)行安全、維護(hù)管理方便、設(shè)計施工經(jīng)驗(yàn)豐富等方面考慮，主體擋水建筑物推薦泄洪閘方案。衢江航道規(guī)劃的航道等級為Ⅳ級，通航船只為500t級，結(jié)合衢江航道的特點(diǎn)及樞紐閘址處地形特點(diǎn)、水流條件等，工程總體布置對船閘布置在左岸和右岸進(jìn)行綜合定性分析比選。0.4.1樞紐總體布置方案比較1)布置方案方案一：船閘布置在左岸，電站布置在右岸?？傮w布置自左至右依次為船閘、泄洪閘、電站。方案二：船閘布置在右岸，電站布置在左岸?？傮w布置自左至右依次為電站、泄洪閘、船閘。2)方案比較方案一：樞紐閘址河段地形在平面上呈左岸微凸，右岸微凹，船閘布置在左岸相對較平順?？紤]到左岸有馬鞍山體，為通航船只進(jìn)出船閘方便，布置時不宜太往左靠，因此，船閘靠老防洪堤腳布置，保持原有防洪堤的完整性，上游引航道長約600m；下游有足夠的河段用來布置下游引航道，且下閘首偏向河道內(nèi)側(cè)，有利于船只通行。根據(jù)航運(yùn)量預(yù)測，到2020年前須修建二線船閘才能滿足貨運(yùn)量的需求，船閘布置于左岸，現(xiàn)狀堤內(nèi)為農(nóng)田，便于劃定左岸防洪堤腳向姚家村側(cè)約200m寬度為興建二線船閘的預(yù)留地。電站則布置在右岸，只需拆除右岸原防洪堤，不涉及房屋拆遷等政策處理難點(diǎn)，建電站有拓寬的余地，可確保工程后河道行洪斷面積與原河道大體相等，以利行洪。電站布置在右岸，下店村有公路與320國道相連，交通便捷。方案二：樞紐閘址河段地形右岸為凹岸，船閘布置在右岸將影響上、下游引航道的布置，涉及大張坑村民房較大的拆遷量，船只通行也不順暢。上游上店村緊靠老防洪堤，右岸地勢較高，沒有興建二線船閘的位置，無法保證遠(yuǎn)期貨運(yùn)量的需求。二線船閘往右拓進(jìn)，需涉及下店村及大張坑村大量的房屋拆遷，上下游引航道更難布置。電站布置于左岸，從地形及流態(tài)上看，受淤的可能性較右岸大，特別是尾水受淤較大，影響電站發(fā)電效益，且還需要拆除左岸原防洪堤并重建。左岸距國道遠(yuǎn)，僅有低等級的鄉(xiāng)村公路到姚家村，運(yùn)輸大宗貨物需興建對外交通公路，現(xiàn)狀交通不及右岸便利。優(yōu)缺點(diǎn)比較：方案一拓浚工程量小，投資省，樞紐建筑物布置有利于行洪、有利于通航，電站上下淤積的可能性較小，電站效益較好。興建二線船閘涉及房屋拆遷、征地等政策處理難度較小。電站布置在右岸，現(xiàn)場有一定的拓寬余地，可確保建壩后河道行洪斷面積與原河道大體相等，以利行洪。右岸下店村有公路與320國道相連，交通便捷。方案二拓浚工程量大，投資高，樞紐建筑物布置不利于通航，特別是二線船閘。受地形條件限制，興建二線船閘將涉及下店村及張坑村的房屋拆遷等，政策處理難度較方案一大。電站布置在左岸，上下受淤的可能性較大，將影響電站的發(fā)電效益。左岸交通不及右岸便捷。經(jīng)綜合比較，本階段工程總體布置選擇方案一。樞紐布置自左至右依次為船閘、泄洪閘、電站?，F(xiàn)將兩種比較方案如圖0.1.圖0.1船閘方案圖與壩址選擇船閘總體設(shè)計船閘主要由閘首、閘室、引航道、導(dǎo)航和靠船建筑物及相應(yīng)的設(shè)備組成。1.1船閘的規(guī)模1.1.1船閘的分級船閘應(yīng)按設(shè)計最大船舶噸級分為7級，其分級指標(biāo)見表表1.1船閘分級指標(biāo)表船閘級別IⅡⅢIVVVIVII設(shè)計最大船舶噸級30002000100050030010050注:設(shè)計最大船舶噸級系指通過船閘的最大船舶載重噸(DWI)；當(dāng)為船隊通過時，指組成船隊的最大駁船載重噸。衢江姚家航電樞紐01船閘最大船舶噸級為500噸，為IV級船閘。1.1.2設(shè)計船型本船閘的設(shè)計船只為500噸級1拖3船設(shè)計，布置方式為1×3,船舶尺寸為191*10.8*2.2（長×寬×滿載吃水）最大干舷高為2.0m。最大單船船長為45m。1.1.3船閘尺度船閘尺度包括閘室有效長度、閘室有效寬度和門檻最小水深及船閘最水?dāng)嗝娴臄嗝嫦禂?shù)。根據(jù)設(shè)計船型、船隊，滿足船閘在設(shè)計水平年限內(nèi)各期（近期、遠(yuǎn)期）客貨運(yùn)量及過閘船舶總載重噸數(shù)確定。1)閘室有效長度（1-1）式中：——閘室有效長度（m）；——設(shè)計最大過閘船隊、船舶的長度（m），當(dāng)一閘次有兩個或多個船隊船舶縱向排列過閘時，則為各設(shè)計船隊船舶長度之和加上各船隊船舶之間的停泊間隔;——富裕長度（m）,機(jī)動駁.取為200m.2)閘室的有效寬度（1-2）式中：——船閘閘首口門和閘室有效寬度(m)；——一閘次過閘船舶并列停泊于閘室的最大總寬度()。當(dāng)只有一個船隊或一艘船舶單列過閘時，則為設(shè)計最大隊或船舶的寬度；——富裕寬度(m)；——富裕寬度附加值()，當(dāng)≤時，≥；當(dāng)＞時，；——過閘停泊在閘室的船舶的列數(shù)。，采用現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》（GBJ139）中規(guī)定的8m、12m、16m、23m、34m，取.3)門檻水深門檻水深應(yīng)滿足：(1-3)式中：H——門檻水深（m）；T——設(shè)計最大過閘船舶滿載吃水（m），取門檻水深3.6m.4)最小過水?dāng)嗝娴臄嗝嫦禂?shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)和原形觀測，若n值過小時，船隊(舶)可能產(chǎn)生觸底現(xiàn)象。若n值過大，加大工程量，造成不必要的浪費(fèi)，為保證船隊（舶）安全順利的進(jìn)閘，設(shè)計要求：(1-4)式中：——最低通航水位時，閘室過水?dāng)嗝婷娣e（㎡），；——最大設(shè)計過閘船隊（舶）滿載吃水時船舯斷面水下部分的斷面面積。本設(shè)計中3.6*12/0.95/10.8/2.2=1.93<2.0，滿足要求。表1.2船閘基本尺度表計算項(xiàng)目計算式結(jié)果閘室有效長度200閘室有效寬度12門檻水深3.6過水?dāng)嗝嫦禂?shù)1.931.1.4船閘線數(shù)衢江姚家航電樞紐01船閘位于廣東北部山區(qū)，航道運(yùn)輸不繁忙，年通過能力較低，僅為526萬噸，在年通航期內(nèi)允許由于船閘檢修，疏浚，沖沙和事故等原因造成斷航，同時借鑒其它船閘的成功經(jīng)驗(yàn)，擬建為單線船閘。1.1.5船閘級數(shù)1)船閘設(shè)計水頭的選取作用在船閘上水頭的大小，是影響船閘輸水系統(tǒng)型式的一個重要因素。若采用一個頻率較小，歷時短的最大水頭作為設(shè)計水頭，這樣會導(dǎo)致輸水系統(tǒng)復(fù)雜化，使工程造價增加，造成不必要的浪費(fèi)。衢江姚家航電樞紐河段徑流以降水補(bǔ)給為主，每年的降雨集中在5-9月份，同時還要滿足樞紐其他部分功能所需水位的要求，本船閘設(shè)計水頭取樞紐正常蓄水位與下游最低通航水位之差作為設(shè)計水頭。根據(jù)設(shè)計基本資料中給出的特征水位，可得=28.5-23.0=5.5m2)船閘級數(shù)的確定：本設(shè)計船閘采用單級船閘。水頭<30m，采用單級船閘；水頭30一40m，采用單級或兩級船閘；水頭>40m，采用兩級或多級船閘。1.2船閘設(shè)計水位和各部分高程1.2.1船閘特征水位a.閘壩設(shè)計洪水位：34.38m；b.上游設(shè)計最高通航水位：28.50m；c.下游設(shè)計最高通航水位：23.50m；d.上游設(shè)計最低通航水位：28.00m（水庫死水位）；e.下游設(shè)計最低通航水位：23.00；g.波浪浪高：（1-5）式中：——計算風(fēng)速（m/s），取1.9（m/s）；——吹程（公里）?。?～5）倍的河寬，取4倍的河寬。1.2.2船閘各部分高程表1.3船閘各部分高程計算內(nèi)容計算式計算結(jié)果（m）上閘門頂高程上游設(shè)計最高水位+超高+浪高36.08下閘門頂高程上游設(shè)計最高通航水位+超高29.00上閘首墻頂高程上閘門頂高程+超高36.58下閘首墻頂高程下閘門頂高程+超高≥閘室墻頂高程31.00閘室墻頂高程上游設(shè)計最高通航水位+空載干舷高度31.00上閘首門檻頂高程上游設(shè)計最低通航水位-門檻水深24.40下閘首門檻頂高程下游設(shè)計最低通航水位-門檻水深19.40上游引航道底高程上游設(shè)計最低通航水位-引航道最小水深24.40下游引航道底高程下游設(shè)計最低通航水位-引航道最小水深19.40閘室底高程≤下閘首門檻高程19.40上游導(dǎo)航及靠船建筑物頂高程上游設(shè)計最高通航水位+空載干舷高度31.00下游導(dǎo)航及靠船建筑物頂高程下游設(shè)計最高通航水位+空載干舷高度26.00注：安全超高0.5m空載干舷高度2.5m設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)高度1.3引航道1.3.1引航道的布置單線船閘引航道平面布置，一般有對稱型、反對稱型、不對稱型三種型式。引航道的平面布置直接影響船舶進(jìn)出閘的時間，從而影響船閘的通過能力。不對稱型引航道是上、下游引航道向相同的岸側(cè)拓寬。在這類引航道中，船舶可以沿直線進(jìn)閘，曲線出閘，進(jìn)閘速度可以較快。為滿足通過能力的要求，使船舶（隊）進(jìn)閘速度較快，有利于單向過閘，本設(shè)計采用不對稱式。1.3.2引航道尺度1)引航道長度包括導(dǎo)航段，調(diào)順段，停泊段，過渡段，制動段A．導(dǎo)航段長度(1-6)式中：——導(dǎo)航段長度（m）；——頂推船隊為設(shè)計最大船隊長。=45mB．調(diào)順段長度～(1-7)式中：——調(diào)順段長度（m）；——頂推船隊為設(shè)計最大船隊長(m)，=（1.5～2）×45=67.5～90取80m。C．停泊段長度(1-8)式中：——停泊段長度=240mD．過渡段長度(1-9)式中：——引航道直線段寬度與航道寬度之差,E．制動段長度制動段與過渡段重合使用。2)引航道的寬度A．單線船閘引航道的寬度考慮引航道只有一側(cè)停靠過閘船隊（舶）的情況：（1-10）式中：——設(shè)計最低通航水位時，設(shè)計最大船舶、船隊滿載吃水船底處的引航道寬度(m)；——設(shè)計最大船舶、船隊的寬度(m)；——一側(cè)等候過閘船舶、船隊的總寬度(m)；——船舶、船隊之間的富裕寬度，取=；——船舶、船隊與岸之間的富裕寬度，取=0.5。取引航道的寬度B．引航道的底寬（1-11）式中：m—引航道水下岸坡的邊坡系數(shù)，取m=0.5；—引航道底寬內(nèi)最小水深。1.3.3引航道最小水深I(lǐng)V級船閘引航道最小水深（1-12）取引航道水深1.3.4最小彎曲半徑分上下游計算，本次設(shè)計上下游彎曲半徑相同。IV級船閘頂推船隊：（1-13）取最小彎曲半徑R=765m1.3.5彎道加寬ΔB=lc2/(2R+B0)=45×45/（2*135+40）=6.53m取6.6m表1.4引航道尺度表引航道尺度計算公式計算結(jié)果備注引航道長度導(dǎo)航段≥45m調(diào)順段≥(1.5～2.0)80m停泊段≥45m過渡段≥10400m與制動段重合使用引航道寬度引航道的寬度+++40m引航道的底寬-2m(-T)38.9m引航道口門寬口門寬≥1.560m引航道水深H0≥1.5T3.5m最小彎曲半徑R≥4765m彎道加寬ΔB=lc2/(2R+B0)引航道上的建筑物1)導(dǎo)航建筑物的投影長度(0.5～1.0)（1-14）式中：——設(shè)計最大過閘船隊、船舶的長度（m）——導(dǎo)航建筑物的投影長度取190m。2)輔導(dǎo)航建筑物的投影長度(0.35～0.75)（1-15）式中：——設(shè)計最大過閘船隊、船舶的長度（m）——輔導(dǎo)航建筑物的投影長度(0.35～0.75)=(66.85～143.25，取140m1.3.6靠船建筑物本設(shè)計取船隊計算長度，1.3.7引航道上建筑物的型式本設(shè)計船閘是巖基上的船閘，水頭為5.51.4閘首尺度1.4.1門扇的基本尺度：（初步擬定人字閘門）1).門扇長度（1-16）式中：——閘首口門寬度，一般與閘室的有效寬度相同；——由門扇的支墊座的支承面至門盒外緣的距離,取——閘門關(guān)閉時門扇軸線與閘室橫軸線的夾角，取。取7.2m2)門扇厚度?。?/8～1/10），本次設(shè)計取=0.8m。（1-17）3)門扇高度門扇高度,指閘門面板頂?shù)介l底的距離。上閘首門扇高度=上閘門頂高程-上閘首門檻高程+m（1-18）=36.08-24.40+0.2=11.88m下閘首門扇高度=下閘門頂高程-下閘首門檻高程+m=29.0-19.4+0.2=9.80m式中：m——閘門面板底與門檻頂?shù)木嚯x，m=（0.15～0.25）m；當(dāng)閘門關(guān)閉時，門底止水位于門檻側(cè)面時取正值。1.4.2閘首長度1)門前段門前段根據(jù)檢修閘門的尺度、輸水系統(tǒng)的布置方式初步擬定：對于人字閘(1.0～2.0)+C（1-19）式中：——為檢修閘門的門槽寬度0.8～2.0m，取=1m。下閘首檢修閘門放在支持段，此處不用計算檢修閘門門槽寬度。下閘首門前段為(1.0～2.0)+C=2.0+1.0=3.0m上閘首門前段為(1.0～2.0)+C=1.0+0=1.0m2)門龕段(1.0～1.2)（1-20）式中：——閘首的門口寬度d——門龕深度一般取門厚0.4～0.8,取1.07+0.7=1.77——閘門與船閘橫軸線的夾角，一般取20°～22.5°，取22.5°，取8m3)支持段(0.3～0.5)（1-21）式中：——邊墩墻在閘首底板以上的高度。上閘首：=上閘首墻頂高程-上閘首門檻高程=36.58-24.4=12.18m下閘首：=下閘首墻頂高程-下閘首門檻高程=31.0-19.4=11.60m因此，上閘首：(0.3～0.5)=0.5×12.18=6.09m,取為4m.下閘首：(0.3～0.5)=0.5×11.05=5.8m,取為5m.上閘首：,取15m下閘首：,取14m1.4.3閘首寬度閘首寬度等于閘首口門的寬度和兩側(cè)邊墩之和，閘首邊墩厚度主要取決于門龕深度、廊道寬度和彎曲半徑急閥門寬度等因素。對有廊道的邊墩厚度初步估算時可取2～3倍廊道寬。（1-22）式中：b——閥門處廊道寬度，b=3.0m。B=12.0+2×2×3.0=24.0m1.4.4閘首底板厚度 對于平板底板按(～)上閘首：取8米下閘首：取3米表1.6上閘首尺度表尺度計算公式計算結(jié)果備注閘首長度門前段=（1.0～2.0）+3m門龕段+(0.2～0.3)8m支持段4m閘首寬度+2（（2~3）b）24m門扇長度7.2m門扇厚度（1/8～1/10）0.8m門扇高度11.88m底板厚度（1/3.5～1/4.5）8尺度計算公式計算結(jié)果備注閘首長度門前段=（1.0～2.0）+1m門龕段+(0.2～0.3)8m支持段5m閘首寬度+2（（2~3）b）24m門扇長度7.2m門扇厚度（1/8～1/10）0.8m門扇高度9.80m底板厚度（1/3.5～1/4.5）3m表1.7下閘首尺度表1.5船閘的年通過能力和耗水量1.5.1通過能力的計算1）船閘進(jìn)出閘運(yùn)行距離單向過閘：進(jìn)閘距離是指船舶在引航道的?？课恢弥灵l室內(nèi)停泊處的距離（1-23）出閘距離是指船舶自閘室內(nèi)停泊處至船尾離開閘門之間的距離（1-24）雙向過閘：進(jìn)閘距離是指船舶自引航道?？课恢弥灵l室內(nèi)停泊處的距離。（1-25）出閘距離是指船舶自閘室內(nèi)停泊位置至靠船建筑物之間的距離。（1-26）2)船舶進(jìn)出閘時間過閘方式船舶進(jìn)閘()出閘（）單向雙向單向雙向船隊1.0排筏（拖輪牽引）0.6機(jī)動單船0.81.01.01.4非機(jī)動船0.5表1.8進(jìn)出閘平均速度表單向進(jìn)閘:雙向進(jìn)閘:單向出閘:雙向出閘:單向進(jìn)閘時間：單向出閘時間：雙向進(jìn)閘時間：雙向出閘時間：閘門啟閉時間：船隊進(jìn)出閘間隔時間：=4閘室灌泄水時間輸水系統(tǒng)型式，先初步擬定為8則單向過閘時間：雙向過閘時間：采用單向過閘與雙向過閘所需時間的平均值來表示過閘時間，3)船閘日平均過閘次數(shù)（1-27）式中：——日平均工作時間，=25.1取4)每晝夜非運(yùn)貨船過閘次數(shù)取5)船閘年通過天數(shù)取6)船舶裝載系數(shù)7)運(yùn)量不均衡系數(shù)8)船閘通過能力則船閘通過能力按《船閘總體設(shè)計規(guī)范》（JTJ305—2001）計算：雙向船閘客貨運(yùn)量（1-28）單向通過能力567/2=283.5萬噸>250萬噸滿足通過能力的要求。1.5.2耗水量的計算船閘的耗水包括船舶過閘用水和閘、閥門漏水兩部分。1)船舶過閘耗水閘室水體體積（1-29）式中：——閘室有效長度——閘室有效寬度——設(shè)計水頭單向過閘每次用水量為，雙向過閘每次用水量為；平均每次過閘用水量=11385m3，2)閘、閥門漏水損失按《船閘總體設(shè)計規(guī)范》（JTJ305—2001）計算：（1-30）式中：—止水線每米上的滲流損失,當(dāng)水頭小于10米時，取，取—閘門、閥門止水線總長度。閘門止水線長度，閥門止水線長度，。3)船閘一天內(nèi)平均耗水量（1-31）第2章施工任務(wù)和施工條件2.1工程任務(wù)姚家樞紐位于衢江干流下游蘭溪市境內(nèi)的姚家村附近，工程任務(wù)是以航運(yùn)、發(fā)電為主，兼顧改善水環(huán)境和灌溉條件等綜合開發(fā)利用。2.1施工條件姚家樞紐工程位于蘭溪市下店村下游約150m處，左岸為姚家村，右岸為下店村，壩址距蘭溪市城區(qū)約8km公路：壩址左右岸附近均有公路通過，公路至壩址左右岸約1.0km為鄉(xiāng)村機(jī)耕路，施工前需擴(kuò)建該路段與對外公路連接，對外交通便利。鐵路：金華、蘭溪、龍游火車站可卸100t以下的單件重物，能滿足工程的轉(zhuǎn)運(yùn)要求。水路：上海港、寧波北侖港等均可作為本工程的轉(zhuǎn)運(yùn)站。2.姚家樞紐工程地處衢江干流下游，壩址以上集水面積11427km2。設(shè)計流域?qū)僦衼啛釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)，冬夏季風(fēng)交替明顯，溫和濕潤，四季分明，日照充足，雨量豐沛。據(jù)實(shí)測資料統(tǒng)計，多年平均氣溫17.6℃；極端最高氣溫41.3℃（發(fā)生在7月）；極端最低氣溫-8.2℃（發(fā)生在1月）；多年平均水汽壓17.2hpa，相對濕度79%；多年平均降水量為1631.7流域內(nèi)降水量時空分布不均勻，年內(nèi)變化較大。春末夏初（4月16日～7月15日），副熱帶高壓與北方冷空氣在長江中下游交餒，形成靜止鋒徘迥，降水量大，歷時長，常常由此形成大洪水，俗稱梅汛期；夏秋季節(jié)（7月16日～10月15日）常受副熱帶高壓控制，天氣干旱少雨，有時局部雷陣雨發(fā)生，歷時短但強(qiáng)度大，也會引發(fā)大洪水，此時也是臺風(fēng)和熱帶風(fēng)暴活動頻繁季節(jié)，稱為臺汛期。由于本流域的特殊位置，受臺風(fēng)和熱帶風(fēng)暴活動的影響次數(shù)較少，范圍亦小，故臺汛期大都以干旱少雨天氣為多；每年10月16日～翌年4月15日為非汛期，天氣以晴冷為主，當(dāng)冷空氣南下時，地面盛行偏北風(fēng)，伴有雨雪天氣出現(xiàn)。第3章船閘輸水系統(tǒng)的設(shè)計3.1輸水系統(tǒng)的選擇合理的輸水系統(tǒng)應(yīng)該是：閘室的灌泄水時間短，能滿足船閘通過能力的要求，過閘船舶在閘室及引航道內(nèi)具有良好的停泊條件，同時工程造價和運(yùn)輸費(fèi)用均較低。3.1.1輸水系統(tǒng)的設(shè)計要求船閘輸水系統(tǒng)應(yīng)包括進(jìn)水口、閘門段、輸水廊道、出水口、消能工和鎮(zhèn)靜段等。輸水系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)滿足下列基本要求：⑴灌水和泄水時間；⑵船舶、船隊在閘室內(nèi)的停泊條件和引航道內(nèi)的停泊和航行條件；⑶船閘各部位在輸水過程中不至由于水流沖刷、空蝕、振動等造成破壞。3.1.2輸水系統(tǒng)的選擇⑴船閘輸水類型有兩種：一種是集中輸水系統(tǒng)，另一種是分散輸水系統(tǒng)；集中輸水系統(tǒng)：由于在閘室中，不需設(shè)置輸水廊道，閘室結(jié)構(gòu)比較簡單，工程造價低，但灌泄水時間相當(dāng)較長，特別是隨著作用水頭的增加，集中輸水系統(tǒng)就難以滿足過閘船舶停泊條件的要求。分散輸水系統(tǒng)：由于水流是沿著閘室一定長度均勻進(jìn)入閘室，閘室水力條件和過閘船舶停泊條件均較好，可以縮短灌泄水時間，但船閘結(jié)構(gòu)卻比較復(fù)雜，工程造價亦將相應(yīng)地增加。⑵根據(jù)國內(nèi)外已建船閘的運(yùn)轉(zhuǎn)資料，可根據(jù)值初步選定輸水系統(tǒng)類型。（3-1）式中：—門閘灌水時間（min），前面擬定＝8min—閘室設(shè)計水頭，故當(dāng)時采用集中輸水系統(tǒng)當(dāng)時采用分散輸水系統(tǒng)當(dāng)時進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較考慮以下幾個因素：①作用在船閘上的水頭大?、陂l室灌泄水時間的長短③閘室平面尺度及門檻水深④閘首和閘室結(jié)構(gòu)形式及工程造價等?？紤]水頭因素，一般說來，當(dāng)水頭較低時，與集中輸水系統(tǒng)相比較，采用分散輸水系統(tǒng)，將使工程造價增加較多，而灌泄水時間的縮短并不顯著。但隨著水頭的增加，采用集中輸水系統(tǒng)，則需較復(fù)雜的消能措施，工程造價將顯著增加。另外，集中輸水系統(tǒng)由于在閘室中沒有輸水廊道，所以結(jié)構(gòu)比較簡單，施工方便，造價便宜，但閘室水流條件受到很大限制。分散輸水系統(tǒng)的水流條件可以有顯著的提高，但構(gòu)造較為復(fù)雜，造價要增多。本設(shè)計擬采用集中輸水系統(tǒng)。3.1.3集中輸水型式的選擇集中輸水系統(tǒng)又可分為短廊道輸水、直接利用閘門輸水和組合式輸水，并分別包括下列內(nèi)容：⑴短廊道輸水包括無消能室、有消能室和檻下輸水；⑵直接利用閘門輸水包括三角閘門門縫、平面閘門門下和閘門上開小門輸水；⑶組合式輸水由上述某兩種輸水型式組成。根據(jù)設(shè)計資料，經(jīng)分析本設(shè)計采用集中輸水系統(tǒng)中的短廊道輸水。3.1.4消能工的選擇集中輸水系統(tǒng)的消能工主要包括消能室、消力齒、消力檻、消力梁、消力隔柵、垂直擋板、水平遮板、消力池和消力墩等。集中輸水系統(tǒng)的消能措施按其有無消能工以及消能工的復(fù)雜程度可分為無消能工、簡單消能工、和復(fù)雜消能工三種。集中輸水系統(tǒng)上、下閘首斷面最大平均流速可分別按下列近似公式計算：上閘首：（3-2）下閘首：（3-3）式中：—對上閘首為灌水時閘室最大的斷面平均流速；對下閘首為泄水時下閘首門后段最大的斷面平均流速（）；—閘室水域長度（）；取＝200—設(shè)計水頭（）；?。?.5—閘室灌泄水時間（）；?。?=480s—檻上最小水深（）；取＝2.0故上閘首：下閘首：集中輸水系統(tǒng)消能工的類型可根據(jù)上下閘首處斷面最大平均流速和水頭按下表選用：表3.1各類消能工的水力指標(biāo)消能工部位無消能工簡單消能工復(fù)雜消能工()（）()（）()（）上閘首閘室0.25～0.45≤40.45～0.654～70.65～0.97～11下閘首閘室≤0.8≤40.8～1.94～81.9～2.38～11設(shè)計水頭為5.5（）上閘首采用復(fù)雜消能工，下閘也首采用復(fù)雜消能工。3.2集中輸水系統(tǒng)的水力計算集中輸水系統(tǒng)水力計算的主要內(nèi)容有：輸水閥門處的廊道斷面面積；輸水系統(tǒng)的阻力系數(shù)和流量系數(shù)；輸水廊道的換算長度和慣性超高、超降值；閘室輸水的水力特性曲線；過閘船隊在閘室和上下游引航道內(nèi)的停泊條件；密封式輸水閥門后廊道頂部的壓力水頭；輸水閥門的工作空化數(shù)。3.2.1輸水閥門廊道斷面面積的確定1)輸水閥門型式選擇常用的輸水閥門有以下兩種：平面閥門，這是目前廣泛運(yùn)用的一種輸水閥門，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單可靠，檢修方便，占地較小；反向弧形閥門，其剛度大，閥門結(jié)構(gòu)簡單可靠，啟閉力小，但檢修時必須進(jìn)入輸水廊道內(nèi)，很不方便，閥門井的平面尺寸也較大。本設(shè)計擬采用平面閥門。2)輸水廊道閥門處廊道斷面面積按下式計算（3-4）式中：—閘室內(nèi)水面的面積（），對單級船閘取閘室水域面積；對多級船閘中間級，取閘室水域面積的一半；；—船閘設(shè)計水頭（），=5.5；—閥門全開時輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)，可取0.6～0.8；取=0.6；—閘室輸水時間（），初步擬定灌泄水時間；—系數(shù)，與流量系數(shù)和閥門門型有關(guān)，查表1知當(dāng)=0.6時，對面閥門=0.59；—輸水閥門相對開啟度，取0.6～0.8，取＝0.6。表3.2輸水閥門的值閥門型式不同流量系數(shù)（閥門全開時）的值=0.5=0.6=0.7=0.8=0.9銳緣平面閥門0.630.590.560.530.50反向弧形閥門0.580.510.460.430.41所以，由于對稱布置兩個輸水輸水主廊道，則每邊閥門處的廊道面積為：擬定輸水閥門處斷面尺寸為2m×3.03.2.2集中輸水系統(tǒng)的廊道布置根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（JTJ306-2001）有關(guān)要求，具體布置如下：1)進(jìn)口集中輸水系統(tǒng)的進(jìn)出口布置為流線型。進(jìn)口頂?shù)陀谠O(shè)計最低通航水位以下1.0。廊道設(shè)置在緊靠閘首的兩側(cè)導(dǎo)航墻內(nèi)側(cè)。采用單進(jìn)口,并布置攔污柵。每側(cè)邊墩布置1個進(jìn)水口，每個進(jìn)水口為高2，寬3.0的矩形。廊道進(jìn)口段轉(zhuǎn)彎中心線的平均曲率半徑,廊道內(nèi)側(cè)曲率半徑可取為0.15倍設(shè)計水頭即0.85m。2)出口廊道出口的淹沒水深應(yīng)大于1.0m。每邊出口面積擴(kuò)大為閥門處廊道面積1.3倍，出口面積為。出口布置在閘首末端，每側(cè)出口中間設(shè)置一道分水導(dǎo)墻，因而為多支孔出水，每側(cè)2個出水口。廊道出口段轉(zhuǎn)彎中心線的平均曲率半徑,廊道內(nèi)側(cè)曲率半徑可取為0.2～0.25倍設(shè)計水頭，這里取1.2m3)廊道轉(zhuǎn)彎方式轉(zhuǎn)彎均采用90o轉(zhuǎn)彎。進(jìn)口高程和出口高程相同，再在水平面轉(zhuǎn)彎至出口。4)過度段在廊道的轉(zhuǎn)彎段之間，應(yīng)有一定長度的直線段，這是為了使閥門后水流能夠得到充分?jǐn)U散，同時也是為了布置輸水閥門和檢修閥門。直線段長度一般大于（1.3～2.5）b（b為輸水廊道的寬度），本設(shè)計取直線段長度為7.5。5)消能布置采用對沖消能和消能檻消能。3.2.3輸水閥門開啟時間的計算（3-5）式中:—系數(shù)，對銳緣平面閥門取0.725，對反向弧形閥門取0.623；本設(shè)計為平面閥門，所以?。?.725—輸水閥門處廊道斷面面積（）；—設(shè)計水頭（），=5.5；—初始水位的閘室橫斷面面積（）；—船舶、船隊浸水橫斷面面積（）；—波浪力系數(shù)；當(dāng)船舶、船隊的長度接近閘室長度時取＝1.0；—船舶、船隊排水量（）；取為500t；——船舶方形系數(shù)，機(jī)動船取0.58～0.60；駁船取為0.75～0.80；對于分節(jié)駁船可取0.9左右。——允許系纜力的縱向水平分力（）；表3.3船舶允許系纜力船舶噸位（）允許系纜力30002000100050030010050縱向水平分力464032251885橫向水平分力23201613943本設(shè)計為500噸位船舶，所以經(jīng)查表?。?5（）；故3.2.4灌泄水時間的校核根據(jù)確定的閥門開啟時間按下式核算（3-6）式中:—閘室輸水時間（）；—計算閘室水域面積，對單級船閘取閘室水域面積；對多級船閘中間級，取閘室水域面積的一半；—設(shè)計水頭（），=5.5；—閥門全開時輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)，可取0.6～0.8，取＝0.6；—輸水閥門處廊道斷面面積（）；—系數(shù)，可按下表選用；表3.4輸水閥門的值閥門型式不同流量系數(shù)（閥門全開時）的值=0.5=0.6=0.7=0.8=0.9銳緣平面閥門0.630.590.560.530.50反向弧形閥門0.580.510.460.430.41由上表查得：＝0.59——閥門開啟時間（）；——重力加速度（），；故前面擬定灌泄水時間為校核：＜8滿足年通過能力要求。3.3水力計算：3.3.1輸水廊道的阻力系數(shù)和流量系數(shù)輸水系統(tǒng)總阻力系數(shù)包括進(jìn)口、攔污柵、轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大、收縮、出口等局部阻力系數(shù)以及沿程摩阻損失的阻力系數(shù)?，F(xiàn)在將局部阻力系數(shù)計算如下：1)局部阻力系數(shù)（1）進(jìn)口：進(jìn)口斷面微彎帶圓弧形，；（2）攔污柵：（3-7）式中：——柵條形狀系;前端做成圓形的長方形柵條=1.67；S——柵條厚度（cm）；b——柵條凈間距（cm）。（3）廊道圓滑轉(zhuǎn)彎：從廊道平面示意圖可知，輸水廊道有二個轉(zhuǎn)彎處，則：（3-8）式中：——廊道轉(zhuǎn)彎阻力系數(shù)；——轉(zhuǎn)角（度）；——系數(shù)，與廊道形狀及轉(zhuǎn)彎曲率半徑有關(guān)，其數(shù)值：表3.5矩形廊道值b/2R1.080.250.400.641.021.552.273.23式中：b——矩形廊道寬度，b=3.0m進(jìn)口轉(zhuǎn)彎：矩形廊道，R=b=3.0m，=0.4，廊道90°轉(zhuǎn)彎，=0.4出口轉(zhuǎn)彎：矩形廊道，R=1.3b=3.9m，=0.38，廊道90°轉(zhuǎn)彎，=0.24（4）出口圓錐形擴(kuò)大：（3-9）(3-10)式中：——以擴(kuò)大后的斷面為計算斷面的阻力系數(shù)；——擴(kuò)大后的面積（）；——擴(kuò)大前的面積（）；——系數(shù)，與圓錐角有關(guān)，其值見下表：表3.6與關(guān)系表5101520304050以上60.410.710.901.0~1.1廊道出口斷面面積擴(kuò)大1.3倍，則出口的斷面面積為15.223，擬出口斷面尺寸為3.9×2，出口圓錐形擴(kuò)大。取圓錐角，則=0.13（5）出口：（6）沿程摩擦阻力系數(shù)：（3-11）式中：L——廊道長度（m）； R——廊道水力半徑（m）；C——謝才系數(shù)。則（7）輸水系統(tǒng)的總阻力系數(shù)把以上的局部阻力系數(shù)均化到輸水閥門處的局部阻力系數(shù)，乘以一個系數(shù)則總的局部阻力系數(shù)為：2)流量系數(shù)的計算輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)是隨輸水閥門的阻力系數(shù)亦即閥門開啟度而變化的，在閥門全開后可認(rèn)為保持一常數(shù)。當(dāng)閥門均勻而連續(xù)開啟時，在閥門開啟過程中，流量系數(shù)是時間的函數(shù)。由水力學(xué)可知，輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)等于：（3-12）式中：——時刻t的輸水系統(tǒng)流量系數(shù)；——時刻t閥門開度n時的閥門局部阻力系數(shù)，可按表3-7選用；——閥門井或門槽的損失系數(shù)；平面閥門取0.10；反弧形閥門取零；——閥門全開后輸水系統(tǒng)總阻力系數(shù)，包括進(jìn)口、出口、攔污柵，轉(zhuǎn)彎、擴(kuò)大、收縮等局部阻力系數(shù)，以及沿程摩阻損失的阻力系數(shù)。以上各阻力系數(shù)均應(yīng)換算為閥門處廊道斷面的阻力系數(shù)。表3.7閘門開啟度n與、值的關(guān)系表閘門開度n1.0平面閥門186．243．7817．488.384．282．161．010.390.0900．6830．6560.6430.6420.6520.6750.7130.7710.8551.00則取=0.1，=1.98，將以上的值代入到式（3-12）中計算，得流量系數(shù)的結(jié)果表3.8流量系數(shù)計算結(jié)果表n1.0186.243.7817.488.384.282.161.010.390.0900.010.400.490.570.640.680.693.3.2短廊道輸水系統(tǒng)灌泄水特征曲線的計算與繪制1)曲線（3-13）閥門開啟過程各時刻的流量系數(shù)與時間關(guān)系曲線可按（4-12）式計算求得，閥門全開以后的流量系數(shù)為常數(shù)。時間間隔取為表3.9流量系數(shù)與時間關(guān)系n1.0t102030405060708090100.010.400.490.570.640.680.69圖3.1曲線圖開始灌水時的流量系數(shù)為零，隨著閥門開啟度的增加，其值逐漸增加，當(dāng)閥門全開時，流量系數(shù)達(dá)到最大值0.69，閥門全開后其值保持不變。2)曲線對于集中輸水系統(tǒng)，由于輸水廊道的長度不大，慣性力影響不會很大,因此在計算中，慣性力的影響可忽略不計。當(dāng)忽略閥門開啟過程慣性水頭的影響時，閥門開啟過程中任一時段末的水頭可按下式計算：（3-14）式中：—計算時段末的水頭（）；—計算時段開始的水頭（）；＝5.5—計算時段（s）；—輸水閥門處廊道斷面面積（），取11.71，—計算閘室水域面積（），對單級船閘，取閘室水域面積;對多級船閘中間級，取閘室水域面積的一半,；——重力加速度（），；圖3.2曲線圖開始灌水時水位差最大，為設(shè)計水頭5.5，隨著時間的增加，上下游水位差逐漸減小，灌水結(jié)束后上下游水位相同，水位差為零。3)曲線（3-15）式中：——時刻的流量（）；——時刻的流量系數(shù)；——輸水閥門處廊道斷面面積（），；——時刻的水位差（），可由閘室水位與時間關(guān)系曲線求得；——時刻的流量系數(shù)；——時刻慣性水頭（），；對集中輸水系統(tǒng)可忽略不計。圖3.3曲線圖隨著時間的增加，流量從零逐漸增大，當(dāng)閥門接近全開時，流量達(dá)到最大值，然后又逐漸減小。由于流速力的大小與流量成正比，所以流速力的變化規(guī)律也是如此，閥門接近全開時達(dá)到最大值。4)曲線（3-16）式中：——設(shè)計水頭（），；——原始水深（），閘室內(nèi)處于下游設(shè)計最低通航水位時的水深,則?！獣r刻的水位差（），可由閘室水位與時間關(guān)系曲線求得；圖3.4曲線圖開始灌水時閘室內(nèi)為下游最低通航水位，此時閘室水深為3.6，隨著閥門的開啟，閘室水深逐漸增大，最后為上游正常蓄水位。5)曲線（3-17）式中：——時刻的能量（）——時刻的流量（）；——時刻的水位差（），可由閘室水位與時間關(guān)系曲線求得；圖3.5曲線圖能量隨閥門開啟逐漸增大，在閥門開啟度為0.4時達(dá)到最大，然后又逐漸減小。6)曲線（3-18）式中：——時刻的比能（）；——時刻的能量（）；——t時刻的閘室過水橫斷面面積（），；圖3.6曲線圖比能隨閥門開啟逐漸增大，在閥門開啟度為0.2時達(dá)到最大，然后又逐漸減小。7)曲線（3-19）式中：——時刻的閘室及引航道斷面平均流速（）；——時刻的閘室灌泄水流量（）；——時刻t的閘室及引航道過水橫斷面面積（），；圖3.7曲線圖水流流速與比能有相同的變化趨勢，當(dāng)閥門開啟度為0.4時達(dá)到最大值0.546，然后逐漸減小，到灌水結(jié)束時由于水流的波浪和紊動作用，流速沒有達(dá)到0，因?yàn)椴ɡ肆εc流量變化率成一定比例，所以波浪力在閥門剛剛打開時最大。計算過程見水力計算表3.10表3.10水力計算TｎhtＱtＥtＥptＶtＨt閘室水深閘室過水橫斷面面積003.600.000.000.000.000.005.506.1073.20100.13.628.85475.826.480.120.075.486.1273.42200.23.6718.11964.0213.010.240.155.436.1774.10300.33.7727.531439.4319.130.370.235.336.2775.24400.43.9036.631867.5124.300.480.315.206.4076.84500.54.0846.482290.1429.020.590.405.026.5878.92600.64.2955.712628.7832.260.680.494.816.7981.48700.74.5463.122824.7133.450.750.574.567.0484.45800.84.8168.702889.3432.930.780.644.297.3187.75900.95.1070.482763.6530.290.770.684.007.6091.2310015.3968.872504.3526.440.730.693.717.8994.7211015.6766.202224.6522.680.670.693.438.1798.1012015.9463.541966.5919.410.630.693.168.44101.3413016.2060.871729.3016.560.580.692.908.70104.4514016.4558.211511.9114.070.540.692.658.95107.4315016.6955.541313.5511.910.500.692.419.19110.2716016.9252.881133.3510.030.470.692.189.42112.9817017.1350.21970.438.400.430.691.979.63115.5618017.3347.54823.926.980.400.691.779.83118.0019017.5344.88692.955.760.370.691.5710.03120.3120017.7142.21576.664.710.340.691.3910.21122.4921017.8839.55474.163.810.320.691.2210.38124.53續(xù)表3.10TｎhtＱtＥtＥptＶtＨt閘室水深閘室過水橫斷面面積22018.0436.88384.593.040.290.691.0610.54126.4423018.1934.21307.082.390.270.690.9110.69128.2224018.3231.55240.751.850.240.690.7810.82129.8725018.4528.88184.731.410.220.690.6510.95131.3826018.5626.22138.161.040.200.690.5411.06132.7527018.6723.55100.150.750.180.690.4311.17134.0028018.7620.8969.850.520.150.690.3411.26135.1129018.8418.2246.370.340.130.690.2611.34136.0930018.9115.5528.850.210.110.690.1911.41136.9331018.9712.8916.410.120.090.690.1311.47137.643.4輸水系統(tǒng)的水力校核3.4.1船舶在閘室停泊條件校核：1)灌水時閘室停泊條件校核閘室灌水初期的波浪力為：（3-20）式中：——船舶、船隊所受的水流作用力（）——系數(shù)，對平面弧形閥門取=0.725；——閥門處輸水廊道的面積（），；——波浪力系數(shù)，當(dāng)船舶（隊）長度接近閘室長度時，=1；——船舶、船隊排水量（），；——設(shè)計水頭（），=5.5?！y門開啟時間（），；——初始水位的閘室橫斷面面積（），；——船隊浸水橫斷面面積（），；允許纜繩拉力的縱向水平分力（）；查表3.3本設(shè)計為500噸位船舶，由表3.3為＝25（）；滿足閘室停泊條件。2)泄水時閘室停泊條件校核閘室泄水時，船舶在閘室內(nèi)所受的水流作用力取為由泄水水面坡降所產(chǎn)生的作用力與閘室縱向流速所產(chǎn)生的流速力之和，即閘室泄水時水面坡降所產(chǎn)生的水流作用力按下式計算（3-21）式中：—泄水時閘室水面坡降所產(chǎn)生的水流作用力（）；—校正系數(shù)，=1.2；—水的密度（），；—重力加速度（），；—船舶浸水橫斷面面積（），；—換算的船底水深，，其中：為瞬時的閘室水深，為閘室寬度；—船尾處的單寬流量，，其中：為泄水流量，為船尾離上閘首的距離，為閘室的長度；—船首處的單寬流量，，其中：為船舶的長度；閘室泄水時的流速力按下式計算：（3-22）式中：—閘室泄水時的流速力（）；—船舶排水量方形系數(shù)，=0.8；——剩余阻力系數(shù)，=(金屬船舶)；——船前流速不均勻系數(shù)，閘室泄水時為=1.0；——摩擦系數(shù)，（金屬船）；——船舶浸水橫斷面面積（）；——船舶浸水表面面積（），對非自航楔形船，其中：為船舶的吃水，，為船舶的寬度，，為滿載水線的方形系數(shù)，，為船舶的換算長度，——系數(shù)，，其中：為閘室過水橫斷面面積，；——船舶、船隊的排水量（）,——水力半徑，；——謝才系數(shù)，；——流量；水力計算，求出兩者之和的最大值，＜，滿足船舶停泊條件。3.4.2引航道內(nèi)的停泊條件校核閘室灌泄水時，船隊在上、下游引航道內(nèi)所受的水流作用力可取為船隊在上、下游引航道內(nèi)所受的波浪力和由上、下游引航道縱向流速所產(chǎn)生的流速力之和，即。最大值發(fā)生在流量最大的時候。對于下游引航道：1)灌泄水時的流速力按下式計算：（3-23）式中：—引航道內(nèi)的流速力（）；—船舶排水量方形系數(shù)，取0.8；—剩余阻力系數(shù)，對非自航楔形木船和金屬船為，對非自航式勺形鐵殼船為，這里=；—船前流速不均勻系數(shù)，閘室泄水取為1.0，閘室灌水，當(dāng)采用復(fù)雜消能工時取2.0～2.5，當(dāng)僅采用簡單的消能工時為3.0～4.0，這里=1.0；—船舶、船隊浸水橫斷面面積（），;—摩擦系數(shù)，金屬船為，木船為，這里采用；—船舶浸水表面面積（），對非自航楔形船，其中：為船舶的吃水，，為船舶的寬度，，為滿載水線的方形系數(shù)，，為船舶的換算長度，；—流量；—引航道的濕周（）；—引航道內(nèi)的過水橫斷面面積（）；——水力半徑；——謝才系數(shù)，；2)灌泄水時的波浪力按下式計算：（3-24）式中：—灌泄水時，引航道內(nèi)的波浪力（）；—波浪沿船隊行進(jìn)時段內(nèi)的平均流量增率，；—時段開始的流量；—時段末了的流量；——引航道水面的寬度（），；——船舶、船隊浸水橫斷面面積（），；——船舶、船隊的排水量（）,——船隊的換算長度（），；——引航道過水橫斷面面積（），——行進(jìn)時段（），；——系數(shù)，；允許纜繩拉力的縱向水平分力（）,本設(shè)計500噸位船舶，由上表3-3查得為＝25（）；列水力計算表（二），由表可知水流作用力，滿足船舶在引航道內(nèi)的停泊條件要求。計算過程見水力計算表輸水閥門的工作條件校核輸水閥門一般有密封式和開敞式。對開敞式閥門，應(yīng)校核輸水閥門后廊道內(nèi)是否產(chǎn)生遠(yuǎn)驅(qū)式水躍；此對于密封式閥門，需要驗(yàn)算閥門后水流收縮斷面處廊道頂部的壓力水頭。對于集中輸水系統(tǒng)，為防止灌水時帶入空氣，這里灌泄水閥門都采用密封式。圖3.9封閉式閥門后廊道內(nèi)水流情況示意圖1)校核封閉式閥門后收縮斷面處廊道頂部壓力水頭（3-25）式中：——閥門后水流收縮斷面處廊道頂部的壓力水頭（）；——船閘上游水位與閥門后廊道頂部高程差（），——閥門前廊道段阻力系數(shù)，——閥門前廊道斷面平均流速（）；——水流收縮斷面處平均流速（）；其中：——閥門開啟度；——收縮系數(shù)；查表（3.7）2)空穴數(shù)（3-26）式中：——閥門底緣空穴數(shù)；——閥門后水流參考面的壓力水頭（），等于閥門前廊道壓力水頭減去收縮斷面平均流速水頭和收縮斷面高程之和；——大氣壓力（），查規(guī)范（JTJ306-2001），=10；——大氣蒸汽壓力（），查規(guī)范（JTJ306-2001），=0.3；——收縮斷面平均流速（）。當(dāng)?shù)拙壒ぷ骺栈瘮?shù)大于相應(yīng)的臨界空化數(shù)時，閥門段廊道頂部可容許產(chǎn)生不超過3m的負(fù)壓。通過計算表3.12計算可知，最小負(fù)壓為2.7，小于3m的負(fù)壓，所以校核滿足要求。計算過程見水力計算表3.12.衢江姚家航電樞紐01船閘總體設(shè)計及下閘首結(jié)構(gòu)計算第94頁共104頁表3.11閘室、引航道校核計算水流作用時間灌水時泄水時00.000.000.000.00107.840.290.040.33207.811.180.181.36307.712.630.423.05407.564.440.745.18507.356.731.207.93607.099.011.7310.74706.8010.682.2312.91806.4911.642.6714.30906.1811.252.8414.091005.889.922.7512.671105.618.542.5811.121205.377.392.419.811305.166.432.268.691404.975.612.117.721504.814.911.966.881604.664.311.836.141704.523.791.695.491804.403.341.574.911904.292.951.444.392004.202.601.333.932104.112.291.223.512204.032.021.113.132303.961.781.012.792403.891.560.912.482503.831.370.822.192603.781.200.741.932703.741.040.651.702803.700.900.581.482903.660.780.511.293003.630.670.441.113103.600.570.380.95引航道內(nèi)停泊條件校核表時間水流作用00.000.000.00103.500.033.53203.810.133.94304.020.304.32404.050.524.58504.490.845.33604.411.215.62703.841.545.38803.241.825.06901.831.913.741000.521.822.331100.071.671.751200.031.541.57130-0.021.411.39140-0.061.281.23150-0.101.171.07160-0.151.060.91170-0.190.950.76180-0.230.850.62190-0.280.760.48200-0.320.670.35210-0.360.590.22220-0.410.510.10230-0.450.44-0.01240-0.490.37-0.12250-0.540.31-0.23260-0.580.26-0.32270-0.630.21-0.42280-0.670.16-0.51290-0.710.12-0.59300-0.760.09-0.67310-0.800.06-0.743200.000.000.00表3.12輸水閥門的工作條件校核000.000.000.000.00100.10.6830.7410.80-0.91200.20.6561.5111.50-1.78300.30.6432.2911.89-2.36400.40.6423.0511.89-2.52500.50.6523.8711.88-2.74600.60.6754.6411.46-2.52700.70.7135.2610.54-1.74800.80.7715.729.28-0.70900.90.8855.877.370.84100115.745.741.99110115.525.522.21120115.295.292.43130115.075.072.65140114.854.852.85150114.634.633.04160114.414.413.22170114.184.183.40180113.963.963.56190113.743.743.72200113.523.523.87210113.303.304.01220113.073.074.14230112.852.854.26240112.632.634.37250112.412.414.47260112.182.184.56270111.961.964.65280111.741.744.72290111.521.524.79300111.301.304.85310111.071.074.89320110.000.005.00衢江姚家航電樞紐01船閘總體設(shè)計及下閘首結(jié)構(gòu)計算第四章船閘結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)計算船閘水工建筑物是船閘工程的主體，由閘首、閘室、導(dǎo)航及靠船結(jié)構(gòu)組成。船閘水工建筑物根據(jù)船閘級別及建筑物在工程中的作用，按表4.1劃分為：表4.1船閘水工建筑物級別劃分船閘級別水工建筑物級別永久建筑物臨時建筑物閘首、閘室導(dǎo)航、靠船建筑物I134Ⅱ、Ⅲ234Ⅳ、Ⅴ345Ⅵ、Ⅶ45衢江姚家航電樞紐01航運(yùn)樞紐永久建筑物閘室、閘首級別均為4級。4.1結(jié)構(gòu)型式選擇4.1.1閘室結(jié)構(gòu)船閘閘室由閘室墻和閘室底構(gòu)成，為保證過閘船舶能隨閘室水面安全地升降和可靠得停泊，閘室中設(shè)有系船設(shè)備和其他輔助設(shè)備。1）閘室結(jié)構(gòu)型式閘室按橫斷面形狀可分為斜坡式和直立式。斜坡式閘室結(jié)構(gòu)簡單、造價低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，但是使用不便、耗水量大、輸水時間長；其次，閘室內(nèi)經(jīng)常而又迅速變化的水位，容易使岸坡坍塌。此外，閘室內(nèi)設(shè)置的垂直棧橋的維修工程量大，斜坡式閘室僅用于水量充足的航道上的低水頭的小型簡易船閘，本次設(shè)計船閘采用直立式。直立式閘室結(jié)構(gòu)由閘墻和閘底組成，按受力狀態(tài)分為整體式閘室和分離式閘室兩種結(jié)構(gòu)型式。姚家船閘位置工程地質(zhì)條件屬于較差～較好，有些地方有溶洞，本設(shè)計優(yōu)先選用分離式閘室。分離式結(jié)構(gòu)閘墻按地基分類，常用與土基上的有重力式，懸臂式，扶壁式；在巖基上常用的形式有重力式，襯砌式和混合式。巖基上常見的結(jié)構(gòu)形式如下表4.2。表4.2常見閘室結(jié)構(gòu)型式表名稱特點(diǎn)適用條件混凝土重力式結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材，可以機(jī)械化施工，施工進(jìn)度快，結(jié)構(gòu)耐久性和滲透性好，閘墻內(nèi)便于布置輸水廊道，但水泥用量相對較多，地基反力比較均勻。適用于船閘水頭較大，有條件采用機(jī)械化施工及石料缺乏的情況。漿砌塊石重力式結(jié)構(gòu)節(jié)省鋼材、水泥，對施工技術(shù)及機(jī)具要求較低。但砌體體積較大，砌石工程量大，所費(fèi)勞動力多，不易采用機(jī)械化施工，施工質(zhì)量不易保證。耐久性差，抗?jié)B性能差。適用于盛產(chǎn)石料的地區(qū)，造價較低。鋼筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)利用閘墻后趾上的回填土來提高閘墻的抗滑穩(wěn)定性。閘墻斷面較小，水泥用量較混凝土重力式閘墻少，施工時可不考慮散熱措施，鋼筋用量較大，對地基承載力要求較高?？刹捎脵C(jī)械化施工，耐久性較好，地基反力較均勻。一般適用于船閘水頭較高，石料缺乏及地基較好的情況。襯砌式結(jié)構(gòu)大體積襯砌，結(jié)構(gòu)簡單，施工方便。但要進(jìn)行錨固處理，施工較麻煩。適用于較差的巖基?；旌鲜浇Y(jié)構(gòu)具有重力式和襯砌式的特點(diǎn)。適用于基巖頂面高程處于墻高的中部，襯砌部分對基巖要求同襯砌式。重力式、襯砌式和混合式三種型式進(jìn)行比較。通過比較可以知道鋼筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)的施工會比較簡單，而且地基反力也較均勻，抗滑穩(wěn)定性較好。因此選擇鋼筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)。鋼筋混凝土重力式按斷面可分為梯形斷面和衡重式斷面。表4.3閘室墻斷面型式特點(diǎn)及適用條件斷面型式特點(diǎn)適用條件梯形底寬較大，能適應(yīng)荷載變化，穩(wěn)定可靠。但不能充分發(fā)揮墻身材料強(qiáng)度，工程量大，投資大。適用較廣，一般船閘和溢洪船閘均可采用。衡重式衡重式斷面下部為倒梯形，可減小土壓力。比梯形斷面減小工程量10%~15%，但對地基要求較高，荷載變化反應(yīng)敏感。適用于地基條件較好的船閘，不適用于溢洪船閘。本設(shè)計采用分離式閘室結(jié)構(gòu)，閘墻采用配筋混凝土重力式結(jié)構(gòu)，閘墻斷面型式選取梯形斷面。閘墻分縫設(shè)計：伸縮縫與溫度縫都在變形縫處，每15m設(shè)一變形縫，縫寬2cm。2）重力式閘墻的構(gòu)造根據(jù)《船閘水工建筑物設(shè)計規(guī)范》（JTJ307-2001）以及《船閘設(shè)計》中有關(guān)要求，閘墻斷面尺寸取值如下：（1）重力式閘墻的頂寬，主要根據(jù)交通安全要求，并結(jié)合回填土是否達(dá)到頂以及砌筑石料尺寸等因素而確定，這里取頂寬為2.0；（2）梯形斷面的墻底寬度一般為墻高的0.5~0.6倍，這里取6m；（3）底板寬度一般為墻高的0.7~1.3倍，這里取12m；雙鉸底板寬度取閘室寬的0.6~0.8倍，?。?）后趾長度這里取2m；（5）底板厚度?。▇），這里取1.5m。圖4.1閘室斷面圖（單位：m）4.1.2閘首結(jié)構(gòu)船閘閘首是將閘室和上、下引航道隔開的擋水建筑物。船閘閘首設(shè)有輸水廊道、閘門、閥門、閘閥門啟閉機(jī)械等設(shè)備。閘首可分為整體式和分離式結(jié)構(gòu)?？紤]到為避免邊墩不均勻沉降而影響閘門正常工作，這里采用整體塢式結(jié)構(gòu)。整體塢式結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)地基反力分布比較均勻，兩側(cè)閘墻相對變位小，不需要考慮閘墻的滑移穩(wěn)定性和閘室的滲流穩(wěn)定問題。由于閘墻與底板剛性連接，可以適應(yīng)不均勻沉陷。閘首底板一般采用平底板，底板厚度可取為等于（～），邊墩的自由高度，但不應(yīng)小于其凈寬的（～），下閘首按以上原則取用。上下閘首排水管，墻后回填料根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，結(jié)合施工的方便經(jīng)濟(jì)等因素，在以上的基礎(chǔ)上并能減小土壓力。根據(jù)以上原則，閘首的回填料就地取材，并能減小土壓力。4.2閘首計算情況4.2.1船閘的特征水位設(shè)計洪水位：34.38校核洪水位：35.50正常擋水位：28.上游設(shè)計最高通航水位：28.50下游設(shè)計最高通航水位為：23.50m上游設(shè)計最低通航水位：28.00m下游設(shè)計最低通航水位：23.004.2.2下閘首結(jié)構(gòu)計算情況作用在閘首結(jié)構(gòu)上的荷載，可能以不同組合方式出現(xiàn)，本設(shè)計選取起控制作用的組合方式進(jìn)行計算，即考慮作用在閘首結(jié)構(gòu)上的外部荷載所可能出現(xiàn)的最不利組合情況。閘首結(jié)構(gòu)的計算情況在本設(shè)計中考慮三種情況情況一（高水運(yùn)用）：閘門關(guān)閉，閘室內(nèi)水位為上游最高通航水位，下游引航道水位為下游最低通航水位，墻后水位為排水管水位，墻后作用有地下水的水壓力和土壓力情況二（檢修情況）：檢修閘門關(guān)閉，門內(nèi)無水，墻后水位為排水管水位，墻后作用有地下水的水壓力和土壓力。情況三（完建情況）：船閘全部建成尚未放水，此時閘墻已澆筑到頂，墻后的回填已達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，并有閘面活荷載，地下水位尚未抬升，與底板齊平4.3荷載計算4.3.1高水運(yùn)用情況1)下閘首自重（取一半計算）下閘首分為三段：門前段1.0m，門龕段8m，支持段5m。閘首自重分段分塊計算，鋼筋混凝土重度，計算結(jié)果列表如表表4.4閘首自重計算表分段部位計算式自重力（KN）自重對邊墩內(nèi)側(cè)的彎矩（）自重對下游斷面的彎矩（）門前段邊墩25×11.6×6×11740522025230底板25×3×12×1900013050合計2640522038280門龕段邊墩25×11.6×6×81392041760315840