船闸平面设计.docx
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船闸平面设计
航道工程课程设计
题目：
西江某水利枢纽船闸总体设计
学院：
船舶工程学院
专业：
港口航道与海岸工程
学号：
2011012125
姓名：
薛天寒
日期：
2015年1月
1.设计基础资料
1.1设计依据
航道工程课程设计指导书
1.2设计标准、规范
船闸总体设计规范，JTJ305-2001，人民交通出版社
内河通航标准，GB50139-2004，中华人民共和国建设部
船闸闸阀门设计规范，JTJ308-2003，人民交通出版社
船闸水工建筑物设计规范，JTJ307-2001，人民交通出版社
船闸输水系统设计规范，JTJ306-2001，人民交通出版社
1.3设计背景
西江某水电枢纽是西江下游河段广西境内的最后一个规划梯级，枢纽横跨两岛三江，是一座以发电为主，兼有航运、灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。
根据交通部对西江航运的规划，航道等级将从Ⅲ级提高为Ⅱ级航道，因此船闸为满足不断增长的货运量需要，将原1号船闸规模由1000t级扩大为2000t级。
1.4设计资料
表1.4：
设计资料数据一览表
序号
工程项目
指标
备注
1
设计水平年
2028
2
船闸级数
单级
3
通航规模
Ⅱ级
4
航道设计标准（m）
130×2.6×560
航宽×航深×弯曲半径
5
船队尺度（m）
186.0×32.4×2.6
1顶4艘2000t级分节驳
6
船闸年通过能力（万t）
3000
远期
7
最大过船吨位
2000t
8
船闸设计标准
4×2000t
船队一次通行过闸
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
正常蓄水位（m）
23.9
13
通航净空（m）
10
14
地形地质
建基岩体主要为砂岩，岩体完整性较好，裂隙不甚发育。
15
水文
降雨量及气温资料从略。
1.5设计船型
表1.5主要设计船型一览表
船队编号
船型
组队方式
船队尺度（m）
A
1顶4×2000t
2排2列
186.0×32.4×2.6
B
1顶2×2000t
2排1列
182.0×16.2×2.6
C
1顶2×500t
2排1列
110.0×10.8×1.6
D
货船1000t
货船
49.9×15.6×2.8
A为主要设计船队，B、C、D为兼顾船队。
A：
B：
C：
图1.5：
主要设计船队示意图
2.船闸总体设计
2.1船闸基本尺度的确定
2.1.1闸室有效长度
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
3.1.5船闸闸室有效长度不应小于按下式计算的长度，并取整数。
式中
——闸室有效长度（m）；
——设计船队、船舶计算长度（m），当一闸次只有一个船队或一艘船舶单列过闸时，为设计最大船队、船舶的长度;当一闸次有两个或多个船队船舶纵向排列过闸时，则为各设计最大船队、船舶长度之和加上各船队、船舶间的停泊间隔长度；
——富裕长度（m），顶推船队
≥2+0.06
；拖带船队
≥2+0.03
；货船和其他船舶
≥4+0.05
；
根据设计船队尺度以及船闸设计标准进行过闸船型组合，船闸设计标准为一次通行过闸4×2000t。
表2.1.1闸室有效长度计算表
船队组合
船队长度lc（m）
富裕长度lf（m）
闸室有效长度Lx（m）
A
1艘4×2000t船队
186.0
13.16
199.16
B＋B
2艘2×2000t船队并列
182.0
12.92
194.92
B＋C＋D
1艘2×2000t船队与1艘2×500t船队并列，和一艘1000t货船
182.0
12.92
194.92
所以，闸室的有效长度取200m。
2.1.2闸室有效宽度
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
3.1.8船闸闸首口门和闸室有效宽度不应小于按下列两公式计算的宽度，并宜采用现行国家标准《内河通航标准》（GB50139-2004）中规定的8m，12m，16m，23m，34m宽度。
式中Bx——船闸闸首口门和闸室有效宽度（m）；
——同一闸次过闸船舶并列停泊于闸室的最大总宽度（m）。
当只有一个船队或一艘船舶单列过闸时，则为设计最大船队或船舶的宽度；
——富裕宽度（m）；
——富裕宽度附加值（m），当bc≤7m时，
≥lm；当
≥7m时，
≥1.2m；
——过闸停泊在闸室的船舶的列数。
根据设计船队尺度以及船闸设计标准进行过闸船型组合：
表2.1.2闸室有效宽度计算表
船队组合
船队总宽度
（m）
富裕宽度
（m）
闸室有效宽度Bx（m）
A
1艘4×2000t船队
32.4
1.5
33.9
B＋B
2艘2×2000t船队并列
32.4
1.6
34.0
B＋C＋D
1艘2×2000t船队与1艘2×500t船队并列，和一艘1000t货船
31.8
1.6
33.4
所以，闸室的有效宽度取34.0m。
2.1.3船闸门槛最小水深
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
3.1.9船闸门槛最小水深应为设计最低通航水位至门槛顶部的最小水深，并应满足设汁船舶、船队满载时的最大吃水加富裕深度的要求，可按下式计算，闸室最小水深应为设计最低通航水位至闸室底板顶部的最小水深，其值应不小于门槛最小水深。
设计采用的门槛最小水深和闸室最小水深，在满足计算的最小水深值基础上，应充分考虑船舶、船队采用变吃水多载时吃水增大以及相邻互通航道上较大吃水船舶、船队需通过船闸的因素，综合分析确定。
式中
——门槛最小水深（m）；
——设计船舶、船队满载时的最大吃水（m）。
则：
≥1.6
=1.6×2.6=4.16m，取
=4.5m。
所以，船闸的门槛最小水深取4.5m。
综上，船闸尺度为：
闸室有效长度（m）
闸室有效宽度度（m）
船闸门槛最小水深（m）
200
34
4.5
组合1：
组合2：
组合3：
2.1.4船闸最小过水断面的断面系数
在确定船闸基本尺度时，还应考虑船闸最小过水断面的断面系数n的要求，根据实验和观察，若n过小，则船队（舶）过闸时，可能产生碰底现象。
为保证船队（舶）安全顺利地进闸，一般要求：
1.5～2.0
式中Φ——最大设计过闸船队满载吃水时水下部分断面面积（m2）；
——最低通航水位时,闸室过水断面面积（m2）,
。
则：
=34×4.5=153m2；
Φ=32.4×2.6=84.24m2；
n=1.82，符合安全要求。
2.1.5闸首长度
根据受力和结构特点，闸首在长度方向上一般由3段组成：
门前段长度l1，当工作闸门采用人字闸门、检修门槽设于闸首外与导墙接缝时，门前段的长度最小，一般为1.0m左右。
门龛段长度l2，根据《船闸闸阀门设计规范》7.1.5，门龛长度由门扇长度和富余长度确定，其富余长度应考虑对闸门启闭力的影响，不宜小于1/20门扇长度。
人字闸门轴线与船闸横轴线交角取22.5°，闸室有效宽度为34m，则门扇长度可估算为（34÷2）÷cos22.5°=18.4m，取20m。
取富余长度2m，所以门龛长度为22.0m。
闸门支持段长度l3，约等于（0.4～2.1）倍的设计水头，设计水头取为18.85m，所以闸门支持段长度取为10.0m。
则：
闸首长度为l1+l2+l3=33.0m，取34.0m。
2.2船闸各部分高程的确定
2.2.1闸门门顶高程
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
4.2.1船闸挡水前缘闸首工作闸闸门顶部高程应为上游校核高水位加安全超高值确定。
4.2.2船闸非挡水前缘闸首的闸门顶部高程应为上游设计最高通航水位加安全超高值。
4.2.3船闸闸门顶部最小的安全超高值，I-IV级船闸不应小于0.5m,V一VII级船闸不应小于0.3m，对于有波浪或水面涌高情况的闸首门顶高程应另加波高或涌高影响值。
此船闸闸门是非挡水闸门，且船闸为Ⅱ级船闸，则安全超高值不小于0.5m。
则：
上闸首闸门顶部高程＝上游设计最高通航水位＋安全超高值
＝23.9m+0.5m
＝24.4m（取24.5m）
下闸首闸门顶部高程＝上游设计最高通航水位＋安全超高值
＝23.9m+0.5m
＝24.4m（取24.5m）
2.2.2闸室墙顶高程
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
4.2.6船闸闸室墙顶部高程应为上游设计最高通航水位加超高值，超高值不应小于设计过闸船舶、船队空载时的最大干舷高度。
最大干舷高度可参照下表:
长江分节驳船空载干舷高度
驳船吨级（t）
1
0
3000
空载干舷高度（m）
1.0
1.4
1.6~1.7
1.6~1.7
3.0~3.3
设计船队中最大驳船吨位在2000t，参考设计船队的满载吃水2.6m，出于安全考虑，取空载干舷高度为2.7m。
则：
闸室墙顶高程＝上游设计最高通航水位+超高
＝23.9m+2.7m
＝26.6m（取26.7m）
2.2.3闸首墙顶高程
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
4.2.4船闸闸首墙顶部高程应根据闸门顶部高程和结构布置等要求确定，并不得低于闸门和闸室墙顶部高程。
位于枢纽工程中的船闸，其挡水前缘的闸首顶部高程应不低于与相互连接的枢纽工程建筑物挡水前缘的顶部高程。
设结构安装高度为1m。
则：
上闸首墙顶高程＝门顶高程＋结构安装高度
＝24.5m＋1.0m
＝25.5m
下闸首墙顶高程＝门顶高程＋结构安装高度
＝24.5m＋1.0m
＝25.5m
由于闸室墙顶高程为26.7m，所以取闸首墙顶高程为26.7m。
2.2.4闸首槛顶高程
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
4.2.5船闸上、下闸首门槛的高度应有利于船闸运用和检修，顶部高程应为上、下游设计最低通航水位值减去门槛最小水深值。
4.2.9船闸上、下游引航道和口门区及连接段的底部高程应为上、下游设计最低通航水位减去引航道设计最小水深值。
则：
上闸首门槛的顶部高程＝上游设计最低通航水位－门槛水深
＝18.6m－4.5m
＝14.1m
下闸首门槛的顶部高程＝下游设计最低通航水位－门槛水深
＝5.05m－4.5m
＝0.55m。
（取0.5m）
2.2.5闸室底板顶部高程和引航道底部高程
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
4.2.7船闸闸室底板顶部高程不应高于上、下闸首门槛顶部高程。
则：
取船闸闸室底板顶部高程为0.5m。
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
4.2.9船闸上、下游引航道和口门区及连接段的底部高程应为上、下游设计最低通航水位减去引航道设计最小水深值。
5.5.3Ⅰ～Ⅳ级船闸引航道最小水深应按下式计算:
式中H0——在设计最低通航水位时，引航道底宽内最小水深（m）；
T——设计最大船舶、船队满载吃水（m）。
则：
H0≥1.50T=3.9m（取4.0m）
上游引航道底部高程=上游设计最低通航水位-引航道设计最小水深值
=18.6－4=14.6m（取14.1m）
下游引航道底部高程=下游设计最低通航水位-引航道设计最小水深值
=5.05－4=1.05m
2.2.6导航和靠船建筑物顶部高程
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
4.2.8船闸上、下游导航和靠船建筑物的顶部高程应为上、下游设计最高通航水位加超高值，超高值不宜小于设计过闸船舶、船队空载时的最大干舷高度。
则：
船队空载时最大干舷高度取为2.7m；
上游导航建筑物顶高程=上游设计最高通航水位＋超高
=23.9m＋2.7m
=26.6m（取26.7m）
下游导航建筑物顶高程=下游设计最高通航水位＋超高
=23.8m＋2.7m
=26.5m（取26.6m）
2.2.7引航道堤顶高程
本船闸引航道堤岸没有防洪功能，故取引航道堤顶高程＝导航建筑物堤顶高程
则：
上游引航道堤顶高程=26.7m；
下游引航道堤顶高程=26.6m。
综上，船闸各部分高程整理如下：
表2.2.7船闸各部分高程表
序号
船闸各部分高程
高程（上游，m）
高程（下游，m）
1
闸门门顶高程
24.5
24.5
2
闸首墙顶高程
26.7
26.7
3
闸首槛顶高程
14.1
0.50
4
闸室墙顶高程
26.7
5
闸室底板顶部高程
0.5
6
导航和靠船建筑物的顶部高程
26.7
26.6
7
引航道底部高程
14.1
1.05
8
引航道堤顶高程
26.7
26.6
2.3引航道平面布置及尺度确定
2.3.1引航道平面布置
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
5.4.2引航道的平面布置应根据船闸的级别、线数、设计船型船队、通过能力等，结合地形、地质水流、泥沙及上、下游航道等条件研究确定。
引航道的平面布置可采用反对称式、对称式、不对称式3种形式。
由于本船闸为Ⅱ级船闸，属于单线船闸，货运量较大，无明显单向货流，故采用反对称型引航道。
船舶曲线出闸，直线进闸，进闸速度快，船闸的通过能力较大。
2.3.2引航道尺度
1.引航道的长度
1）导航段长度
：
式中l1——导航段长度（m）;
lc——设计船队（舶）的长度，对顶推船队为全船队长，对拖带船队或单船为其中最大的船舶长度。
则：
lc=186.0m，l1取190m。
2）调顺段长度
l2≥（1.5～2.0）lc
则：
l2取300m。
3）停泊段长度
≥
考虑到部分船队在停泊段重组，取2倍船长。
则：
l3取380m。
综上，引航道直线段的总长度L=l1＋l2＋l3=870m。
4）过渡段长度l4及制动段长度l4’
，
为引航道宽度与航道宽度之差，航道宽为130m，引航道宽度120m，则
=10m，
=100m；
用
估算，
为顶推船队制动距离系数，一般取2.5～4.5，则
3×186.0=558
，取560m。
为减少引航道的工程量，过渡段l4及制动段l4’重合使用。
2.引航道的宽度
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
5.5.2.1单线船闸引航道的宽度，应根据下列型式确定：
反对称型引航道宽度：
式中B0——设计最低通航水位时，设计最大船舶、船队满载吃水船底处的引航道宽度（m）；
bc——设计最大船舶、船队的宽度（m）；
——一侧等候过闸船舶、船队的总宽度（m）；
——船舶、船队之间的富裕宽度，取
=bc；
——船舶、船队与岸之间的富裕宽度，取
=0.5bc；
则：
=113.4m，取120m。
图2.3.2引航道尺度计算示意图
3.引航道最小水深
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
5.5.3Ⅰ~Ⅳ级船闸引航道最小水深应按下式计算:
式中H0——在设计最低通航水位时，引航道底宽内最小水深（m）；
T——设计最大船舶、船队满载吃水（m）。
则：
H0≥3.9m，取H0为4.0m。
2.4船闸通过能力计算
2.4.1船队进出闸时间
船舶（队）进出闸时间，可根据其运行距离和进出闸速度确定。
对单向过闸和双向过闸方式应分别计算：
1）单向过闸，进闸为船舶、船队的船首自引航道中停靠位置至闸室内停泊位置之间的距离，单向出闸距离为船舶、船队的船尾自闸室内停泊位置至闸门外侧边缘的距离；
2）双向进闸，距离是船舶、船队自引航道中停靠位置至闸室内停泊位置之间的距离，出闸为船舶、船队自闸室内停泊位置至靠船建筑物之间的距离。
单向进闸距离L1=190m+300m+34m+186m=710m；
单向出闸距离L4=200m+34m=234m；
双向进闸距离L1’=190m+300m+34m+186m=710m；
双向出闸距离L4’=190m+300m+34m+186m=710m；
根据《船闸总体设计规范》表6.1.5查得
单向进闸
单向出闸
双向进闸
双向出闸
则：
23.67min
5.57min
16.90min
11.83min
2.4.2闸门启闭时间
闸门的启、闭时间与闸门型式和闸首口门宽度有关，当闸首口门宽度大于23m时，取为3～6min，取为3min。
2.4.3闸室灌、泄水时间
船闸灌泻水时间与水头、输水系统型式、闸室尺度有关，t3取=8.0min。
2.4.4船舶、队进出闸门间隔时间
根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）：
6.1.8船舶、船队进出闸间隔时间，系指同一闸次第一个船舶、船队与最后一个船舶、船队启动的间隔时间。
当无实测资料时可采用3～10min。
由于本船闸设计每闸次只通过一个船队，无间隔时间，但考虑实际情况，取t5为2min。
综上：
单向过闸时间T1=4t2+t1+2t3+t4+2t5
=4×3＋23.67＋2×8＋5.57＋2×2＝61.24min
双向过闸时间T2=4t2+2t1’+2t3+2t4’+4t5
=4×3＋2×16.90＋2×8＋2×11.83＋4×2＝93.46min
实际上，由于上行与下行船舶、队均难以保证到闸的均匀性在设计中一般采用船舶、队单向过闸与双向过闸所需时间的平均值来计算昼夜过闸次数。
则：
过闸时间
=53.99min
2.4.5船闸通过能力
船闸日平均过闸次数：
n=
式中
----船闸每昼夜的平均工作时间（h），取22h。
n=24.44min，取n为24次。
单向年过闸船舶总载重吨位：
单向年过闸客货运量：
式中P1——单向年过闸船舶总载重吨位（t）；
P2——单向年过闸客货运量（t）；
n0——日非运客、货船过闸次数，取2次；
n——日平均过闸次数；
N——年通航天数，取350天；
G——一次过闸平均载重吨位（t），取设计最大过闸船队吨位的80%；
α——船舶装载系数，取0.8；
β——运量不均衡系数，取1.3。
则：
双向通过能力为2P2=3033万t，满足要求。
2.5船闸耗水量计算
船闸一天内平均耗水量可根据《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）6.2.1计算：
式中：
—一天内平均耗水量（m3/s）；
V—一一次过闸用水量（m3），必要时应考虑上、下行船舶、船队排水量差额；
q—闸门、阀门的漏水损失（m3/s）；
e—止水线每米上的渗漏损失[m3/（s.m）]，当水头小于10m时取0.0015～0.0020[m3/（s.m）]，当水头大于10m时取0.002～0.003[m3/（s.m）]；
u—闸门、阀门止水线总长度（m）；
单级过闸一次过闸用水量V采用下式进行计算：
V0=C×H
式中：
V0——单级船闸一次过闸平均用水量（m3）；
C——闸室水域面积（m2）=上、下闸首闸门之间的水域长度（m）×水域宽度（m）；
H——计算水头（m），采用上下游平均水位差，为6.83m。
单级船闸双向一次过闸时，用水量为单向一次过闸用水量的一半。
认为单向过闸：
双向过闸=1:
1。
V0’=
V0
C=（200＋21×2）×34=8228m2
H=
=6.83m
V0=C×H=56197m3
V0’=
V0=28099m3
V0’’=
V0+
V0’=42148m3
u=18.1×2＋（23.9－0.5）×3=106.4m（取110m）
e取0.002m3/（s.m）
=0.22m3/s
综上，船闸一天内平均耗水量为10.95m3/s。
3.闸首、闸阀门及输水系统选择
3.1闸门的选型及基本尺度计算
人字闸门具有耗钢材少，能封闭高、宽尺寸都比较大的孔口，运转灵活可靠等优点，常用作承受单向水头、在静水条件下启闭的工作闸门，在大中型船闸中运用广泛。
本船闸水头较高，且在静水条件下启闭，故选用人字闸门。
人字闸门由两个门扇组成，围绕其端部的竖轴旋转启闭，设计闸门型式采用钢制人字闸门，门扇轴线与引航道轴线夹角为22.5°，设计水头18.85m。
设计闸门高度为24m，门扇长度为18.4m。
3.1.1门扇长度ln
=
=20.24m（取20m）
3.1.2门扇厚度tn
tn=（0.1～0.125）ln=2～2.5m（取2.2m）
3.2输水系统初步设计
船闸输水系统对船舶过闸时间有着较大的影响，输水系统的型式选择根据判别系数初步选定，判别系数按下式计算：
式中：
m——判别系数；
H——设计水头（m），根据上下游的自然通航水位，设计水头为18.85m；T——闸室灌水时间（min），初步选取8min；
则：
m=1.84。
根据《船闸输水系统设计规范》（JTJ306-2001）：
当m＜2.5时，采用分散输水系统，初步选用闸墙长廊道侧向支孔输水系统。
分散输水形式，可较大缩短闸室长度，节约工程成本，同时由于分散输水系统是通过长廊道分散输水，闸室内水流平稳，改善了闸室内船舶停靠的泊稳条件。
闸墙长廊道侧向支孔输水系统布置简单，造价较低，采用广泛。
但是此系统对闸门开启不同步或单侧闸门开启的适应性较差，应注意优化。
采用数目较多，断面积较小的出水支管，采用明渠消能，消能效果较好。
按照规范要求，进口段进口顶的淹没水深需大于0.4倍的设计水头，设计水头为18.85m，即进口段淹没水深需大于7.54m，取8m。
Ⅰ、Ⅱ级船闸出口最小淹没水深为1.5m，取4m。
3.2.1输水阀门处廊道断面面积
分散输水系统的输水阀门处廊道断面积，可按下式估算：
式中：
ω——输水阀门处廊道断面面积（m2）；
C——计算闸室水域面积（m2），对单级船闸取闸室水域面积8228m2；
Lc——闸室水域长度242m；
H——设计水头18.85m。
则：
ω=39m2，取48m2。
3.3闸首结构初步设计
船闸闸首一般设有输水廊道、闸门、阀门、闸阀门启闭机械及其相应的设备等，闸首的布置及尺寸与所选用的闸门形式、输水系统等有密切关系。
闸首结构按其受力状态可分为整体式结构和分离式结构。
在土基上为避免由于边墩不均匀沉降而影响闸门正常工作，一般采用整体式闸首结构；岩基上的闸首则可采用分离式结构。
本船闸建基岩体主要为砂岩，岩体完整性较好，裂隙不甚发育，故采用分离式结构。
3.3.1闸首布置及构造
根据受力和结构特点，闸首在顺水流方向上由3段组成：
1）门前段长度l1，当工作闸门采用人字闸门、检修门槽设于闸首外与导墙接缝时，门前段的长度最小，一般为1.0
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