河流樞紐工程船閘輸水系統(tǒng)設計

某樞紐船閘輸水系統(tǒng)設計分析船閘工程建設中，要做到船舶航行過閘安全、通暢，力求布置簡單。就要充分做好船閘輸水系統(tǒng)的設計計算分析。船閘輸水系統(tǒng)應包括進水口、閥門段、輸水廊道、出水口、消能工和鎮(zhèn)靜段等；并且應該滿足一下基本要求：灌水和泄水時間；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；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。本文以某樞紐新建二線船閘工程為例，對船閘輸水系統(tǒng)設計中的輸水方式選擇、灌泄水、船舶停泊條件、船閘通過能力等方面進行比較分析。1工程概況本河是該區(qū)中部地區(qū)最大的一條引排河道，西端連接xx江，東端勾通大海，擔負著本地區(qū)的主要引水、航運和排澇任務。該閘水利樞紐位于本河西端，距xx江邊約1000m，是本河銜接xx江的控制建筑物，在地理位置上屬于xx區(qū)，主要為該區(qū)服務。根據(jù)規(guī)劃，該片各支河河口控制工程建成后，片內(nèi)的內(nèi)河水位將處在人為調控狀態(tài)，片內(nèi)的最高控制水位在3.75m（現(xiàn)狀為4.2m），常水位在2.50～2.80m，最低水位（預降水位）為2.00m。本次擴建二線船閘規(guī)模為：閘首凈寬23m，閘室凈寬23m，長280m（有效長度260m），門檻水深3.75m。2輸水方式選擇由《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》（JTJ306-2001），閘室輸水時間可由式2-1估算，輸水類型判別系數(shù)由式2-2計算：T=Kp(HBLc)1/32-1m=T/H1/22-2式中Kp：假設采用集中輸水時，取0.27，分散輸水時，取0.19；H：閘室設計水頭，取2.75m（黃浦江水位▽4.75m，大治河水位▽2.0m）；B：閘室寬度，取27m,Lc：閘室長度，取380m,計算得T為30.44Kp。假設采用集中輸水，計算得T=8.22，m=4.96>3.5，根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》（JTJ306-2001）第2.1.4條，本次設計應采用集中輸水型式；假設采用分散輸水，計算得T=5.78。2.5<m=3.49<3.5，根據(jù)規(guī)范，應參照類似工程選定。按照規(guī)范及交通部門有關經(jīng)驗，對于設計水頭低于10m的船閘宜采用集中輸水，因為采用集中輸水型式時，閘室結構比較簡單、施工方便、造價較低。集中輸水系統(tǒng)可分為短廊道輸水、直接利用閘門輸水和組合式輸水三種型式?？紤]到本次工程閘首跨度大，一般不使用平面閘門，由工程可行性研究報告知本工程船閘設計門型為三角門。采用三角門門縫輸水時，水流從門的兩側及中間三條垂直縫隙進入閘室，其中門兩側邊縫水流經(jīng)門龕邊壁互相對沖消除一部分能量，而中縫水流由閘首軸線直沖而下，產(chǎn)生很大的折沖水流并伴隨著強烈渦流，水流條件差，且不容易改善。根據(jù)規(guī)范，三角門門縫輸水適應水力指標較低（閘室最大斷面平均流速小于0.25m/s和設計水頭小于1.4m），而本次二線船閘設計水頭差較大（2.75m），閘室水域面積較大（380m×27m），若采用三角門門縫輸水，則閘室水流條件差，輸泄水時間長，從而影響船舶通過能力及過往船只安全。另外，三角閘門利用門縫輸水時，由于閘門兩側邊縫輸水，將增加閘門的啟閉力，且會在閘門的邊縫后面產(chǎn)生回流，引起閘門振動，使底止水磨損加快，從而對門體受力不利。根據(jù)交通部門經(jīng)驗，利用三角門門縫輸水僅運用于口門寬度10m以下，水頭不超過3m的船閘。綜上所述，本次擴建二線船閘工程擬采用短廊道集中輸水型式。3灌泄水計算假設每座閘首布置兩個輸水廊道，廊道布置在閘首兩側，廊道出水孔口相對，消能方式采用對沖消能加消力檻，廊道閥門采用銳緣平面閥門。根據(jù)規(guī)范，輸水閥門處廊道斷面面積可根據(jù)給定的輸水時間和閥門全開時輸水系統(tǒng)流量系數(shù)求得，見公式3-1。ω=2C(H)1/2/[μT（2g）1/2(1-(1-α)kv)]3-1式中ω：輸水廊道斷面面積（m2）,C：計算閘室水域面積，取10260m2；μ：閥門全開時輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)，由規(guī)范附錄A求得，取0.68；H：設計水頭，取2.75m；T：閘室灌水時間，根據(jù)式3-1，暫取8.0分鐘，即480s；α：由計算所得μ值查表，取0.56；kv：系數(shù)，取0.6；計算得ω=27.62m2，取單廊道斷面尺寸為4.0（寬）×3.5（高）m2，則輸水閥門開啟時間可由式3-2求得。tv=krωDW(2gH)1/2/[PL(ωc-χ)]3-2莖式中督t扣v殘：輸水珍閥門開結啟時間農(nóng)(吼s)體；險k決r筋：系數(shù)肺，平面置閥門取旬0.7始25忽；新ω漂c竭：初始完水位的法閘室橫蹲斷面面縮積，取武1參40.輩4衫m(xù)益2束χ屯：船隊即船舶浸間水橫斷棚面面積則，脹取感2鉗1.6晝m江；新D姑：波浪諸力系數(shù)晚，由規(guī)茶范附己錄鞠B屋求得，武取警1.0唐；餅W權：船舶摔、船隊掙排水量罰(兵t)蹈，石取瞧100液0四t球；蠅P伸L皺道：允許委系纜力駕的縱向鐘水平分居力，由互規(guī)范查注取扒32嫂kN章；計算腹得別t裹v股=47宜.濃92須s拌。陳胳左圾一般情禽況下，登為保證翻閘室內(nèi)杠水流條卻件和閥夜門的安贊全，對蟻閥門的絲啟閉速皆度應加放以控制狂。假定址閥門啟玻閉速度壩為浪1吵.0靠m/m達in體，則銅t膽v雪=嬌210隱s數(shù)，閘室妻輸水時淺間可按咬式普3-臟3家計算。仰T=2伶CH勸1/2浸/[授μω吹(辜2g)紙1/2材]+(孕1-露α富)t陶v邊糞寺言電霞3沸-必3授式中符攝號意義駱與前同首。計算剝得槽T=姓485丈s崇。警為保證這閘室內(nèi)籃停泊船病只的安挑全，在賢閘室內(nèi)捕靠近上剛下閘首漆側設置果鎮(zhèn)靜段嚴，其長園度由畢式浪3-逃4江計算確逗定：創(chuàng)L=B挽E鈴p筑吼贏你妥逐賊協(xié)柔泄府貞刮久輕軌監(jiān)拒3愿-4剝式中愧B淹：系數(shù)蝕，根據(jù)死規(guī)范并壯考慮本考次工程襖實際情告況，到取鉗0預.剝7繭；釣E余p智：理論萄最大比璃能，由償規(guī)范附其錄開C濟求得。綠因擴建耗二線船跌閘承受秩雙向水閉頭，其要上下閘軋首隨本侄河與外盜河繡x弱x鵲江的水但位變化魔而變化溝，故本辨次對閘程首不稱袋上下，忽按一般些習慣稱朋某江側寧閘首為肯外閘首桶，本河妹側閘首雙為內(nèi)閘削首。在脊閘室兩臣段各設括1千5釀m藏長鎮(zhèn)靜膊段，根樹據(jù)《船寫閘輸水仁系統(tǒng)設過計規(guī)范英》預（饑JTJ滲306毯-20挽0預1惜）附錄誠可計算劇得出設伙計水頭腫時船閘標的灌泄儀水情況遲，詳見壘表蘋1塊。秀表么1由命灌泄水捉計算成卷果表拿計算工勇況和水位組梢合打（螞m踢）羞灌水時苗間頂（劑s際）疼泄水時泥間單（卸s補）刊最大流烤量道敵障恐疲脾間信妨最大比視能山（干Kw/票m半2保）隔閘首最適大平均勇流速慮（肅m/資s更）武消績躁能百育措熱攔施押最大鎮(zhèn)何靜段長拐（域m催）辨x再x告江偷本河奇劫允許最勢大拍流爽婦速鑒（貍m/襯s烘）針正向設辮計贏反向設騎計熊4.7化5贊1.雅30于2.0奉0虹3.逃75渴485鼠480惜485來480剩102椒.37探94.押86色11.偽50弊10.亂76蒙外閘劃首聰0.5北2遣內(nèi)閘首場0默.58允外閘搜首插0.智5且4粥內(nèi)閘首苦0順.61族Ⅱ炸Ⅱ畝Ⅱ牌Ⅱ潔0.4篩5碑～批0.6凝5像0.宜8狼～錦1.9魔0.4筑5雙～座0.6虧5賠0.他8境～富1.9干8.0鮮5妹4老.忙52辦擔稱注：計弟算時情段鳴△睜t報取凝15s者，故灌昆泄水時她間取整送數(shù)。置由凡表絡1屠可知，啄設計輸取水、消呀能方式芒及廊道誼面積滿威足規(guī)范傍要求。事4惑船舶停滿泊條件筑驗算申船舶、勝船隊在畏閘室及安引航道德內(nèi)的停儉泊條件附按窯式奪4-墊1湊、張4-淘2望、補4-撈3爭計算得招到。排廣水量為比100荒0萍t渾（即設慎計船型景67.繩5×1船0.8跌×漿2個.葡0鞠）級。淹灌水時通，船舶路在閘室險內(nèi)所受辱的水流塔作用力請主要為認灌水時板的波浪疫作用力磨，計算飲公式額見佩4-羅1持。攜P膛1疾=P基B卷=期k栗r源ω暢DW(脊2gH調)門1/2敵/[t歷v姑(鉆ω景c-扭χ種)]鑼≤暖P茄L帳=32氣kN片延跡紙灣4-更1述式計中何P加B支：灌水犯時的波卷浪作用準力；老t勢v廢：閥門裳開啟時糠間，自取果210猜s逮；其它胸符號意跪義同前桂。些泄水時蛋，船舶清在閘室得內(nèi)所受精的水流蛾作用力寫由口式槐4-察2絡計算。良P拿1桂=P艱i沈+P惜v牲貸您餃奔笑萌毛位帳去皆樓丈完虹泛閘4-2休式原中窄P男i吹為泄水閥水面坡軋降所產(chǎn)帽生的作安用力，瓶由附華錄斥D出計算得伍到灣；蜘P今v伙為縱向郵流速所赴產(chǎn)生的話作用力緣，由附燒錄射D亡計算得站到。儲灌泄水旱時，船鞭舶在引煩航道內(nèi)米所受的家水流作集用力可裳由點式警4-桿3封計算。陡P蔥2連=旁根盲肺+絡理詳振≤迷P雅L艇4溫-扮3湊釘懂式中顛饞弊主：灌泄磚水時，餐上下游多引航道討內(nèi)的波地浪作用夢力；針壇糖菊：上下認游引航稻道縱向堪流速所狐產(chǎn)生的喜作用力致計算結誓果見盯表驗2斜。兵表憐2訊船舶所手受的水掩流作用猴力計算沾成果焰表文刊計算工冤況德水位組蕩合剪（掘m圣）毀閘室內(nèi)休(真kN)匠引航道運內(nèi)（距k飲N典）舊允許系糟纜力累（碼K膨N鉛）雜灌水時略泄水時燙書蝴懼收惠塘P脂’言B曬腐窯誠遙x尋x學江僵本河胡色蟻誕P蜘B在盤蹤堂到有蟻涌橡盡乓P果’倆B兄正向設航計壇反向設貝計壘4.烘75豬1.氧3顆2.0視0念3.么75棍7.3訪0淘4.9蕩1悄5.巧28洞3.菠05枕4.4盾2移4.7養(yǎng)6旋9.7晶0倘7.8兼1斜2.歲66輔2.珍12每2.夜25鏈0.匪92鏟4.9鼻1需3.揪04纖縱向水全平虧力捆3萌2壇，橫向陳水平分鴿力素16坐牌襪注詞：蠅1速、表中很數(shù)值均武指計算挑最大值焰，引航濃道內(nèi)最特大水流搏作用力姜、最大繩縱向流這速作用卻力、祥波浪作手用力發(fā)診生不同剩時。去2挺、船舶霧允許系疏纜力按往船舶噸鼻位句100當0償t生查得。管由李表騰2迅知，各旅種通航圣情況船按舶所受末到的水離流作用照力均小級于允許絨系纜力打。斷5派機船閘通千過能力油驗算奶由于原泳船閘引凝航道較潮小，難描以滿足材雙向過貌閘要求待，考慮治雙向過安閘耗水習少，過拼閘時間歸短，有竟利于更稱好地利闖用船閘針通過能竄力，故友本次仍蒸按雙向穴過閘設謠計。則跑單向過禾閘船隊章進出閘紫運行距搏離期L裙1浩、梢L懲1寄′木：及雙隸向過閘悠船隊進歷出船閘持運行距噸離虧L篇2萌分別由杠式舞5姓-倚1絡、夾5-唇2依、稅5-芹3怕計算得乞到。鑼L揭1燦=L答c洞(伏1+濁α殊1亂)籠5-1撐L掠1漢′屢=L州c淺(薄1+立α格1脹′共)或5-2五L刊2球=L泰c紗(繭1+跑α煙2用)+L純3奏圓周湊服訊趁出倍疏喪步律喝妨5-3婆式中養(yǎng)L奸c敬：閘室帖有效長糞度，怎取因260井m剝；農(nóng)α拍1闊：系數(shù)罰，取鑼0.推4眨；營α顛1按′缸：系數(shù)奴，取由0.見1完；燙α座2職：系數(shù)副，取謠0.孕1陷；懷L瞧3墊：導航星段和調率順段之摔和，對傲于本船痰閘，導寒航段與逝調順段軟合并，流取利L過3番=際260聰m擱。計算匙得根L誼1戒=協(xié)3諷64露m漫，萍L劉1斜′茂=28盤6委m攔，揮L草2濤=54硬6糞m柄。根據(jù)沖規(guī)范及這有關經(jīng)部驗，船浪隊進閘俯速度妙v由1器單繳=0.游5詠m/s叉、詳v走1撓雙托=0.粒7m/癥s李，船隊妖出閘速盡度仙v句2洲單段=0.導7m/浮s旋、桿v皮2悟雙請=1.潛0m/訪s酷，則船犬隊單向輝過閘及鞋雙向過堤閘時間降分別由妖式存5-椒4飯、作5-蠻5酷計算。啟單向鋤：陽T屋1釋=4挑t嘩1遵+t伍2靠+2t殊3訂+t撓4托+弊2備t叫5麗捏孝愉血襪伯滅幕嘗壤釀當5-4橫雙向霜：廚T疑2當=4杰t堅1靜+2t處2書′棉+2t處3餐+2t咱4請′街+4t倍5鈴秧抖鏡總奮購壘憤5-獄5南式中奴t碌1饅：開門諒或關門爆時間，容取銀3腐min樓；似t掃2作：單向模第一個茂船隊進輔閘時間交，取學728嶺s吧，即眼12.咬13m沙in金；災t膚2職′先：雙向傅第一個稿船隊進艘閘時間手，取蠢780域s口，面即牲13益min蝶；救t獅3臥：閘室僻灌水或求泄水時者間，取摘5叫.5破min竹；賞t黎4怠：單向由第一個挽船隊出迅閘時間威，壺取忠408挨.6s愛，即萍6.8旨min火；煤t處4鐘′手：雙向歐第一個勝船隊出貼閘時間重，畢取顛546拼s就，即濫9.1慧min樓；粗t鑒5亡：船舶命、船隊坡進閘或輸出閘間藍隔時間玉，姜取午3不min餃。爭計算得丸單向一壯次過閘法時益間傍T槳1于為至4喊7足.熱93喘min懲，雙向騙一次過麥閘時取間蟲T薪2鳥/2諸那為貫39.滿6配min巨，若考失慮單向藝過閘與哲雙向過燈閘次數(shù)益基本相和等，則蓄一次過歸閘平均賭時打間泛T停3尸為桃43括.77茶min揉，均小姑于前面兵估計繳的撫48勉min暖，故其薄通過能適力滿足旬設計水堂平年要他求。由嶺前面磨第舊5砌章公式共可求得窄：炕P帥1茫為蔑4把298律.驕8么萬噸，苦若考慮盒原船閘次維修要番求，將擔老閘運陪行天數(shù)許減歷至旨35怨0巖天，每笛天運行萍時間減牲至半20太小時，饑則原船睡閘實際歇通過能詳力們P存2雄為鴉183穿6.2茄萬噸，何此時總衰貨運咽量撤P=6寨135倡萬噸襲>60慎89.干2籃萬噸（露預計噸逐位），父滿足經(jīng)恐濟發(fā)展急需要。送6范船閘耗材水量計弟算鄰由于本魚船閘所損在地東爪臨大海編，土質鞏土壤條間件差，言需要淡避水改良壩，故需目計算船狐閘耗水霧量。根秧據(jù)規(guī)范奔，船閘廚一天內(nèi)荷平均耗蹦水忠量京Q次可由錄式登6-郊1勁計算。紀Q=快nV/找864驕00+鋪q鼠閉健凈士鵝天倡疼碎爬習居得并乳6-1式中違Q增：一天川內(nèi)平均論耗水量喇(樂m之3葬/s)扯肝V物：一次聽過閘用蹄水量，貴取平均泊水位差給1振.5座m撫，即晶V網(wǎng)取柏184臘68位m難3反n豆：過閘主次數(shù)，浮取桃