渠化工程学作业及答案Word格式文档下载.doc
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根据上述资料，计算确定船闸闸室的有效长度、有效宽度、槛上水深；
计算确定船闸闸首长度；
计算确定船闸引航道长度、宽度、最小水深；
绘制船闸平面图，并标明尺寸（见教材P46-47、P68-70、P137-138）。
作业2：
根据上述资料，计算确定船闸各部分高程，并绘制船闸纵剖面图，标明尺寸（见教材P50-53）。
建议计算表格：
船闸部位
依据水位
计算式
高程（m）
例：
上导航墙顶
上游最高通航水位
≥7.0+1.5
8.5
下导航墙顶
上闸门门顶
下闸门门顶
上闸首墙顶
下闸首墙顶
上门槛顶
下门槛顶
上引航道底
下引航道底
闸室墙顶
闸室底
作业3：
根据上述资料及作业1、作业2结果，进行上闸首输水系统设计及灌水水力计算：
1、上闸首输水系统设计、布置（见教材P76-83）；
2、船闸灌水水力计算，绘制灌水水力特性曲线，主要包括：
μt～t曲线、Ht～t曲线、Qt～t曲线、ht～t曲线、Et～t曲线、△Q/△t～t曲线等（见教材P91-106）；
3、输水廊道内水力条件校核；
4、船舶在闸室内停泊条件校核。
作业4：
已知地基渗径系数C=3.0，试采用渗径系数法计算检修工况下闸室地基的渗透稳定性（垂直段换算为水平段的换算系数m为1.0）。
作业5：
计算如图的双铰底板闸室结构的地基反力并画出地基反力图。
其中：
闸墙底宽3m，中底板半宽5m，闸墙结构所受荷载传到铰处的垂直力为495kN、力偶为300kNm，底板自重、水重、浮托力等合力为25kN/m。
495KN
300KNm
25KN/m
5m
3m
作业1、2、3参考（过程参考）
1船闸基本尺度确定
1）船闸闸室有效长度：
船闸闸室有效长度不应小于按下式计算
式中：
---闸室有效长度（）；
---设计最大过闸船队的长度（），；
---富裕长度（），对顶推船队：
≥=8.66。
则=111+8.66=119.66
按标准化设计，取
2）闸室有效宽度：
船闸闸首口门和闸室有效宽度不应小于按公式3-2和公式3-3计算的宽度，并采用现行国家标准《内河通航标准》（GBJ139）中的规定的8，12，16，23，34的宽度
---闸室有效宽度（）；
---同闸次过闸船队并列停泊的最大总宽度（），这里只有一个船队过闸，则为设计最大船队的宽度；
---富裕宽度（）；
---富裕宽度附加值（m），可按下列数据采用：
当≤7m时，≥1.0；
当＞7m时，≥1.2；
---每次过闸船队（舶）数目。
船闸拟每次通过一推二驳（2排1列）500t级驳船，则==10.8，
∵＞7
∴=1.2+0.025×
（1-1）×
10.8=1.2
∴=10.8+1.2=12
3）门槛水深：
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，并应满足设计船舶、船队满载时的最大吃水加富裕深度的要求，可按下式计算
H≥1.6T
H---门槛水深（）；
T---设计最大过闸船队的满载吃水（）。
H≥1.6T=1.6×
1.6=2.56
取H=2.6。
2船闸各部分高程确定
船闸上下游设计最高通航水位、设计最低通航水位、校核洪水位、正常挡水位，根据水文特征、航运要求、船闸级别、有关水利枢纽和航运渠化梯级运用调度情况，考虑航道冲淤变化影响、两岸自然条件和综合利用要求等因素，综合研究确定得如下：
闸坝校核洪水位：
233.5；
闸坝正常挡水位：
231.5；
上/下游最高通航水位：
232.5/229.5；
上/下游最低通航水位：
227.5/224.5。
船闸各部分高程计算表
序号
计算内容
计算水位
计算式
计算
结果
1
上闸门门顶高程
上游设计最高水位
上游设计最高水位+超高+浪高
234.0
2
下闸门门顶高程
上游设计最高通航水位
上游设计最高通航水位+超高
233.0
3
上闸首墙顶高程
上闸门门顶高程+超高
236.0
4
下闸首墙顶高程
下闸门门顶高程+超高≥闸室墙顶高程
234.5
5
闸室墙顶高程
上游设计最高通航水位+空载干舷高度
6
上闸首门槛顶高程
上游设计最低通航水位
上游设计最低通航水位—门槛水深
224.9
7
下闸首门槛顶高程
下游设计最低通航水位
下游设计最低通航水位—门槛水深
221.9
8
上游引航道底高程
上游设计最低通航水位—引航道最小水深
225.1
9
下游引航道底高程
下游设计最低通航水位—引航道最小水深
222.1
10
闸室底高程
≤下闸首门槛高程
11
上游导航及靠船建筑物顶高程
12
下游导航及靠船建筑物顶高程
下游设计最高通航水位
下游设计最高通航水位+空载干舷高度
231.5
船闸各部分高程见图3.2船闸高程示意图。
图3.2船闸高程示意图
3引航道设计
引航道的作用在于保证船舶安全、顺利地进出船闸，供等待过闸的船舶安全停泊，并使进出闸船舶能交错避让。
引航道应具有足够的水深和适合的平面布置以保证通航期内过闸船舶（队）畅通无阻，安全行驶。
船舶在引航道内航速较小，对水流和侧向风的影响比较敏感。
引航道应具有较好的掩护，以满足过闸船舶（队）在引航道内安全停泊和航行的条件。
1）引航道长度
拟采用直线进闸，曲线出闸布置，引航道的各段长度应按以下计算：
①导航段长度：
≥
---导航段长度（）；
---顶推船队为设计最大船队长，拖带船队或单船为其中的最大船长（）
则≥=111,取=111。
②调顺段长度：
≥（1.5～2.0）
取=1.5=1.5×
111=166.5
③停泊段长度：
≥
取==111
引航道直线段总长度L：
L==111+166.5+111=388.5
2）引航道的宽度
单线船闸引航道的宽度，对反对称型和不对称型引航道宽度应按下式计算：
≥+++
式中：
---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（）；
---设计最大船舶、船队的宽度（），取船队长=10.8；
---一侧等候过闸船舶、船队的总宽度（），取船队长=10.8；
---船舶、船队之间的富裕宽度（），取=；
---船舶、船队与岸之间的富裕宽度（），取=0.5；
则+++=10.8+10.8+10.8+0.5×
10.8=37.8
取=37.8
3）引航道最小水深
对Ⅰ～Ⅳ级船闸：
≥1.5
---引航道最小水深（）；
---设计最大船舶（队）的满载吃水（）。
则=1.5×
1.6=2.4，取=2.4
4）引航道的底宽
引航道的底宽可按下式计算：
---设计最低通航水位时，设计最大船舶（队）满载吃水船底处的引航道宽度（）；
---引航道水下岸坡的边坡系数；
---在设计最低通航水位时，引航道底宽内最小水深（）；
---设计最大船舶（队）的满载吃水（）。
则=37.8-2×
×
（2.4-1.6）=37
4输水系统设计
4.1闸门选择
4.1.1闸门型式选定
船闸的工作闸门，在船闸正常运用情况下被用来封闭通航孔口，保证船舶安全进出船闸。
除兼作输水的闸门外，工作闸门一般都是在无压的静水中启闭，在通航期大部分时间中，闸门是在不断地运转着，且闸门的许多重要部件均位于水下，一旦发生故障，常需停航将闸室或闸首中的水抽干进行检修，因此应特别注意闸门运转的可靠性。
4.1.2闸门基本尺度
人字闸门门扇的基本尺度：
1）门扇长度：
门扇的计算长度是门扇支垫座的支承而到两扇门扇互相支承的斜接面的距离。
其值可按下式计算：
---闸首口门宽度（）；
---由门扇的支垫座与枕垫座的支承面至门龛外缘的距离，一般取为：
=（0.05～0.07），本设计取为=0.06=0.06×
12=0.72。
---闸门关闭时门扇轴线与闸室横轴线的交角，此交角的大小直接关系到门扇主横梁所受的轴向力和传递到闸首边墩的水平推力以及门扇计算长度的大小。
我国所建船闸一般选用=22.50。
则=7.27
图4.1人字闸门平面示意图
2）门扇厚度：
门扇的厚度t是指主横梁高度，一般根据门扇高度，宽度及荷载情况在（～）之间选用。
取
3）门扇高度：
门扇高度是指闸门面板底至顶的距离，可按下式计算
（4-2）
---闸门门顶高程（）；
---门槛高程（）；
---闸门面板底与门槛侧面的距离，通常取=（0.15～0.25）；
当闸门关闭，门底止水位于门槛侧面时取正值，在门槛顶面时取负值，本设计是拟当闸门关闭时，门底止水位于门槛侧面，则取正值。
所以上闸门门扇高度：
=234-224.9+0.2=9.3
下闸门门扇高度：
=233-221.9+0.2=11.3
4.2阀门选择
输水阀门是船闸上主要设备，本身造价小，但对船闸的运转起着很大的作用，对输水阀门的要求是：
结构简单可靠，止水性能好；
具有良好的水力特性；
在局部开启时，阀门本身的振动较小；
启闭简单；
检修方便。
目前广泛应用的输水阀门有平面阀门，反向弧形阀门等，平面阀门的特点是结构简单可靠，检修方便，占地较小。
反向弧形阀门也同样具有阀门结构简单可靠的特点，同时它的启门力小，但其缺点是检修阀门时必须进入输水廊道内，很不方便，因此从工程实际出发，采用平面阀门是比较理想的。
4.3输水型式选定
船闸输水系统可分为集中输水系统和分散输水系统两大类，类型的选择可根据判别系数按下式初步选定。
---判别系数；
---设计水头（）；
---闸室灌水时间（min）。
当﹥3.5时，采用集中输水系统；
当﹤2.5时，采用分散输水系统；
当为2.5～3.5时，应进行技术经济论证或参照类似工程选定。
本设计的判别系数：
，在2.5～3.5之间，需进行技术经济论证或参照类似工程选定。
本船闸拟定的尺寸不大，水头较低，若采用分散输水系统，将使船闸结构比较复杂，工程造价亦将相应地增加。
一般来说，当船闸水头和平面尺寸不大时，可采用集中输水系统，在国内外的工程实践中，当水头在10～20米以内时集中输水系统得到广泛的应用，本工程的设计水头为7米，属于10～20米之间，采用集中输水系统是比较理想的，因此本船闸工程选用集中输水系统。
4.4输水系统的布置
闸首是将闸室和上、下游航道分隔开的挡水建筑物，其上设有闸、阀门，输水系统，机械等，以便调整闸室内水位的升降，使船舶通过船闸，克服落差。
影响闸首布置的因素很多，主要是输水系统的型式，闸、阀门的型式，帷墙的有无，以及使用要求等。
因此，进行闸首的初步布置是在输水系统及闸门、阀门型式选定后进行，根据使用要求，稳定条件拟定闸首的长度和宽度。
已知输水系统的型式是采用短廊道输水系统，闸门采用人字闸门，阀门采用平面阀门，下面根据需要拟定闸首的尺寸如下：
1）闸首的长度：
闸首的长度沿船闸纵轴线方向主要由门前段、门龛段及支持段所组成。
门前段是指上闸首与引航道或下闸首与闸室相邻部分的长度，其主要取决与检修闸门尺度、门槽构造及检修要求等。
对于人字闸门的闸首可取为：
=（1.0～2.0）+（），为检修闸门的门槽宽度。
现取=1.0，则=2.0+1.0=3.0；
门龛段是指工作闸门开启时所在部分的长度，取决于闸门的型式和尺度。
对于人字闸门的闸首=+（0.2～0.3），为人字闸门的门扇长度，在前面已经拟定出来为7.27，则=7.27+0.23=7.5；
支持段是指支持闸门并承受闸门推力部分的长度，主要根据廊道布置、结构的强度和稳定条件验算确定。
在这里要布置输水廊道出口，需要满足输水廊道的布置要求此时取=（1.0～2.0）++（1.0～2.0）（），为输水廊道出口的宽度。
则=2+2×
1.5+2=7。
闸首的长度=++=3+7.5+7=17.5，这里的上下闸首的布置情况基本相似，因此它们的尺寸可定为一样的，即。
2）闸首的宽度：
闸首的宽度等于闸首口门的宽度和两侧边墩的厚度的总和。
这里的闸首两边的边墩是对称的，边墩的厚度初步布置时可取2～3倍廊道宽度，即4～6，这里根据实际要求取边墩的厚度为5.5，则闸首的宽度。
3）闸首底板厚度：
底板厚度可取等于（～），且大于净跨的（～），其中为边墩的自由高度，等于9.6，则取。
图5.1上闸首平面示意图
本设计的输水系统采用短廊道输水型式，它是集中输水系统中用得最多的一种型式，是在闸首两侧边墩内设置绕过工作闸门的环形的输水廊道，在廊道上设有输水阀门以控制灌、泄水。
这种型式的特点是水流自上游经过两侧输水廊道流出，水流相互对冲，消除部分能量，从而使进入闸室的水流具有较好的水流条件。
输水廊道的布置直接影响输水系统的水流条件，因此在廊道的布置时要考虑好，现根据已知条件，初步拟定廊道布置型式如图4.2所示：
图4.2（a）上闸首平面示意图；
（b）上闸首立面示意图
进口：
为了减少水流的进口损失，廊道进口修圆，修圆半径为。
廊道进口段转弯中心的平均曲率半径取，内侧曲面的曲率半径，进口淹没水深在设计最低通航水深以下1.0。
出口：
廊道出口段转弯中心线的平均曲率半径，r取为，其它部位的廊道转弯半径。
廊道出口的断面扩大为阀门处廊道断面面积的1.2倍，为了使出流均匀增加消能效率，在转弯段的起点即开始扩大并加设导墙。
出口的淹没水深，根据《船闸输水系统设计规范》中规定，对Ⅳ级船闸，上闸首为1.5，下闸首为1.0。
直线段：
在廊道的转弯段之间，应有一定长度的直线段，这是为了使阀门后水流能够得到充分扩散，同时也是为了布置输水阀门和检修阀门。
直线段长度一般取为（1.3～2.5）b（b为输水廊道的宽度），本设计取直线段长度为2.0b=4。
4.5水力计算
4.5.1输水阀门处廊道断面面积
输水阀门处廊道断面面积可根据给定的输水时间和阀门全开时输水系统流量系数按下式计算：
---输水阀门处廊道断面面积（）；
---计算闸室水域面积（），对单级船闸取闸室水域面积；
对多级船闸中间级，取闸室水域面积的一半；
---闸室水域长度（）；
---阀门全开时输水系统的流量系数，可取0.6～0.8；
本设计初步取0.7
---闸室灌水时间（s）；
本设计初步取540s
---系数，可按表4-2选用；
---取0.6～0.8；
本设计初步取0.6；
---重力加速度（）。
则
拟定廊道输水阀门处断面尺寸为2×
1.78。
4.5.2输水廊道的阻力系数和流量系数
输水系统总阻力系数包括进口、拦污栅、转弯、扩大、收缩、出口等局部阻力系数以及沿程摩阻损失的阻力系数。
现在将局部阻力系数计算如下：
1）进口：
将进口边缘微带圆弧形，=0.2；
2）拦污栅：
---拦污栅阻力系数；
---栅条厚度（）；
---栅条净间距（）；
---栅条形状系数；
对长方形栅条，前端做成圆形，=1.83；
对长方形栅条，前、后均做成圆形，=1.67；
对长方形栅条，前端做成圆形，后端自栅条长度的0.6处开始做成斜的，=1.035；
对两端圆形，两边做成斜的栅条，=0.92；
对两端都做成楔形的光滑栅条，=0.76；
对圆形栅条，=1.79。
本设计栅条采用长方形，前端做成圆形，则=1.83，拟栅条的厚度为=10，栅条净间距=20，采用混凝土的材料，则
3）廊道圆滑转弯：
从廊道平面示意图可知，输水廊道有二个转弯处，则
---廊道转弯阻力系数；
---转角；
---系数，与廊道形状及转弯曲率半径有关，其数值如下：
对矩形廊道
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
0.12
0.14
0.18
0.25
0.40
0.64
1.02
1.55
1.27
3.23
---矩形廊道宽度（）；
---廊道轴线的曲率半径（）。
第一个转弯：
矩形廊道，廊道轴线的曲率半径，=0.40，廊道900转弯，则=0.40。
第二个转弯：
矩形廊道，廊道轴线的曲率半径，=0.28，廊道900转弯，则=0.28。
4）出口圆锥形扩大：
---以扩大前的断面为计算断面的阻力系数；
---系数，与圆锥角有关，其值为：
15
20
30
40
50以上
0.13
0.17
0.26
0.41
0.71
1.0～1.1
廊道出口断面面积扩大1.2倍，则出口的断面面积为8.544，拟出口断面尺寸为5.34×
1.4，出口圆锥形扩大，如图4.3所示。
图4.3出口圆锥形扩大示意图，
圆锥角，则=1.0
5）出口：
对多支孔出口段，
6）沿程摩擦阻力系数：
（4-10）
---沿程摩擦阻力系数；
---廊道长度（）；
---廊道水力半径（）；
---谢才系数；
---重力加速度（）
廊道长度：
水力半径：
谢才系数：
则
由于输水廊道各段的断面面积不等，在计算总阻力系数时，均应将各段的阻力系数统一换算为阀门处廊道断面的阻力系数，即各阻力系数应乘以。
因此输水系统的总阻力系数为：
输水系统的流量系数是随输水阀门的阻力系数亦即阀门开启度而变化的，在阀门全开后可认为保持一常数。
当阀门均匀而连续开启时，在阀门开启过程中，流量系数是时间的函数。
由水力学可知，输水系统的流量系数等于：
---时刻t的输水系统流量系数；
---时刻t阀门开度n时的阀门局部阻力系数，可按表4-3选用；
---阀门井或门槽的损失系数；
平面阀门取0.10；
反弧形阀门取零；
---阀门全开后输水系统总阻力系数，包括进口、出口、拦污栅，转弯、扩大、收缩等局部阻力系数，以及沿程摩阻损失的阻力系数。
以上各阻力系数均应换算为阀门处廊道断面的阻力系数。
表4-3阀门开度与、的关系
阀门
开度
门型
平面
186.2
43.78
17.48
8.38
4.28
2.16
1.01
0.39
0.09
0.683
0.656
0.643
0.642
0.652
0.675
0.713
0.771
0.855
1.00
则取=0.2（阀门井有两个），=1.979，将以上的值代入到式4-3中计算，得流量系数的结果见表4-4。
表4-4流量系数计算结果表
0.07
0.15
0.23
0.31
0.48
0.56
0.62
0.66
0.68
4.5.3输水阀门开启时间
输水阀门开启时间可按下式计算：
---输水阀门开启时间（s）；
---系数，对锐缘平面阀门取0.725，对反向弧形阀门取0.623；
---重力加速度（）；
---初始水位的闸室横断面面积（）；
---船舶、船队浸水横断面面积（）；
---波浪力系数，当船长与闸室长度接近时，取1.0
---船舶、船队排水量（t）；
---允许系缆力的纵向水平分力，按表4-5选用。
表4-5船舶允许系缆力
船舶吨位
允许系缆力（kN）
3000
2000
1000
500
300
100
50
纵向水平分力
46
32
18
横向水平分力
23
16
13
4.5.4闸室输水时间
闸室输水时间应根据确定的流量系数和阀门开启时间按下式核算：
---闸室输水时间（）；
---计算闸室水域面积，对单级船闸取闸室水域面积；
对多级船闸中间级，取闸室水域的一半；
---阀门开启时间（）；
则
4.5.5船闸通过能力校核计算
在一般情况下，船闸的通过能力是指设计水平年期限内，每年自两个方向（上、下行）通过船闸的货物总吨数，即年过闸货运量。
若船闸每年通航天数为N，一次过闸平均吨位为G，则船闸年单向通过能力P可按下式计算：
---船闸年单向通过能力（t）；
---日平均过闸次数（次），可由求得，为船闸每昼夜的平均工作时间，T为船舶（队）一次过闸的时间；
---每昼夜非运货船过闸次数（次）；
---船闸年通航天数（天）；
---一次过闸平均吨位（t）；
---船舶装载系数，与货物种类、流向和批量有关，可取为0.5～0.8；
---运量不均衡系数，一般取为1.3～1.5。
影响船闸通过能力的决定因素是船闸的过闸时间T。
过闸时间是指一个船舶（队）从上游经过船闸到达下游或从下游经过船闸到达上游所需
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