東江某水利樞紐船閘總體設計

1、 學號：2013105219 密級： 公 開 航道工程課程設計設計說明書 題目：東江某水利樞紐通航船閘總體設計學院： 船舶與工程學院 專業(yè)： 港口航道與海岸工程 學號： 姓名： 日期： 2016.12 哈爾濱工程大學2016 年 12 月目 錄第1章 設計基本資料11.1 設計背景11.2 設計標準、規(guī)范1第2章 船閘總體設計22.1船閘的基本尺度2 閘室有效長度2 2.1.2閘室有效寬度2 2.1.3門檻水深32.2閘首的結構的初步設計32.3船閘線數(shù)和級數(shù)42.4船閘各部分高程的確定5 2.4.1船閘閘門門頂高程5 2.4.2閘首墻頂高程5 2.4.3閘室墻頂高程5 2.4.4閘室底板高程

2、5 2.4.5閘首門檻頂和引航道底高程6 2.4.6靠船建筑物和導航建筑物頂高程62.5 引航道平面布置及尺度確定7 引航道平面布置7 引航道長度7 引航道寬度8 引航道水深92.6船閘的通過能力計算92.7船閘的耗水量計算112.8船閘附屬設施布置12 2.8.1 系船設備12 2.8.2 安全防護和檢修設施12 2.8.3消防和救護12第3章 輸水系統(tǒng)、閘首、閘閥門選擇133.1輸水系統(tǒng)的設計的基本原則133.2輸水系統(tǒng)的設計要求、輸水系統(tǒng)的選擇133.3閘首、閘閥門的選擇和設計13 船閘概述13 閘首的結構的選擇13 閘門、閥門的選擇14 人字閘門結構設計14 閘室結構初步設計15第1章

3、 設計基本資料1.1 設計背景東江某水利樞紐是一項以改善水環(huán)境、發(fā)電為主，兼顧航運，并具有改善城市供水和農(nóng)田灌溉條件，發(fā)展旅游業(yè)等多項綜合利用效益的水流樞紐工程。根據(jù)廣東省東江航道技術等級的劃分，該航道為級航道，最大通航船舶為500t，該河段主要通航船舶為100t、300t。1.2 設計標準、規(guī)范（1）課程設計任務書；（2）設計所參考的諸多相關標準；（3）相關本專業(yè)本科教材，航道工程等。1.3 設計資料序號工程項目指標備注1設計水平年20202船閘級數(shù)單極3通航規(guī)模級4航道設計標準（m）55×3.0×330船寬×航深×彎曲半徑5船隊尺度（m）113

4、15;10.8×1.693×9.2×1.3188×7.0×1.01頂2×500t1頂2×300t1拖5×100t6船閘年通過能力（萬t）3607最大過船噸位500t8船閘設計標準1000t一次通行過閘9通航期（天）36010最高通航水位（P=10%）（m）12.01/11.79上游/下游11最低通航水位（P=98%）（m）6.4/0.2上游/下游12正常蓄水位（m）12.0113地形地質壩址下伏基巖主要為第四系沖積巖、花崗巖、巖層狀相對較穩(wěn)定。表 1.1 設計資料一覽表第2章 船閘總體設計2.1船閘的基本尺度船閘基

5、本尺度是指閘室有效長度、閘室有效寬度及門檻水深。船閘基本尺度應根據(jù)船型、船隊以及船閘在設計水平年限內各期（近期、后期）過閘客貨運量及過船量（過閘船舶總載重噸位）確定，并應盡量使設計船隊能一次過閘。閘室有效長度閘室有效長度，是指船舶過閘時，閘室內可供船舶安全停泊的長度。由航道工程學，其計算公式為： (2-1)式中：Lx閘室有效長度（m）； lc設計最大過閘船隊、船舶的長度，船隊設計長度（m）：當一閘次只有一個船隊過閘時，為設計船隊（舶）長（對于解隊過閘的船隊，則為過閘時最長一組船舶的長度)；當同閘次有兩個或兩個以上船隊（舶）縱向排列過閘時，則為各設計船隊（舶）長度之和加上船隊（舶）間的停泊間隔長

6、度；每閘次只有一個船隊過閘，取最大船型長度188m。 lf富裕長度（m）視過閘船隊（舶）類型不同，按下列數(shù)據(jù)采用： 頂推船隊 拖帶船隊 非機動船據(jù)設計資料，頂推船隊的lf 2+0.06×113=8.78m,取整為9.0m。則閘室的有效長度取為200m。2.1.2閘室有效寬度是指閘室內兩側墻面最突出部分之間的最小距離。對斜坡式閘室，其有效寬度為兩側垂直靠船設施之間的最小距離。閘室有效寬度Bx可按下式計算： (2-2)式中： Bx閘室有效寬度(m)； bc同閘次過閘船隊（舶）并列停泊的最大總寬度（m），當只有一個船隊（舶）過閘時，則為設計最大船隊（舶）的寬度b； bf富裕寬度（m），可按

7、下列數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采用： bc取最大船型寬度10.8m，bf取為1.2m,則Bx=12m,根據(jù)船閘設計總體規(guī)范，取12m。2.1.3門檻水深是指在設計最低通航水位時門檻上的最小深度，與船隊（舶）最大吃水和進閘速度等有關，對船隊（舶）操縱性和工程造價都有較大影響。門檻水深H應滿足： (2-3)式中：H門檻水深（m）； T設計最大過閘船隊（舶）的滿載吃水。H=1.6×1.6=2.56，取2.60m在確定船閘的基本尺度時，還應考慮船閘的最小過水斷面的斷面系數(shù)n的要求。根據(jù)實驗和觀察，若n過小，則船隊（舶）可能產(chǎn)生碰底現(xiàn)象。為保證船隊（舶）安全順利地進閘，一般要求： (2-4)式中：最低通航水位時

8、，閘室過水斷面面積（m2）,=Bx×H； 最大設計過閘船隊（舶）滿載吃水時船中斷面水下部分的斷面面積（m2）。=12×2.60=31.2m2,=1.6×10.8=17.28m2，n=1.81。2.2閘首的結構的初步設計根據(jù)受力和結構的特點，閘首在長度方向上一般由3段組成。對于不同的門型，各段尺寸亦各異。（1） 門前段長度l1門前段長度l1主要根據(jù)工作閘門形式、檢修尺度、門槽構造及檢修要求確定。據(jù)國內已建船閘的統(tǒng)計，當工作閘門采用人字閘門、檢修閘門槽設于閘首外與導墻接縫時，門前段的長度最小，一般為1.0m左右。取1.0m。（2）門龕段長度l2對于人字閘門，其門龕段長

9、度l2為: (2-5)式中:Bc閘首的口門寬度（m）；取12m； d門龕深度（m），一般為門厚加0.400.80m；根據(jù)行業(yè)實踐，一般取為200mm；閘門與船閘橫軸線的夾角，一般取20°22.5°，取22.5°。l2=7.68m，取8.00m。（3）閘門支持段長度l3 閘門支持段主要應滿足結構穩(wěn)定及強度的要求，并應考慮輸水廊道進出口布置的要求。人字閘門的支持段長度，目前設計仍是假定在其獨立工作條件下進行穩(wěn)定和強度的驗算確定的，因此需要有足夠的長度。 據(jù)已建船閘支持段尺度的統(tǒng)計，l3的變化幅度較大，其范圍如下: (2-6)式中:H為設計水頭(m),取11.81m。經(jīng)

10、計算，l3取10m。2.3船閘線數(shù)和級數(shù)由航道工程學，知影響船閘級數(shù)的因素很多，也很復雜，單極船閘與多級船閘的水頭也無明確界限，一般可按下述范圍考慮：H20m,單極船閘（H為水頭）；20mH40m，單極或雙級船閘；H40m,雙級或多級船閘。該河段水頭差小于20m，且項目要求為單極船閘，現(xiàn)取單極船閘，單線船閘能夠滿足設計水平年內的運輸要求，故采用單線船閘。2.4船閘各部分高程的確定船閘的高程包括船閘頂部高程和底部高程。船閘頂部高程包括門頂、墻頂、導航和靠船建筑物頂、堤頂?shù)雀鞑糠?。由于各部分建筑物的位置和作用不同，確定高程的依據(jù)也不同。2.4.1船閘閘門門頂高程對溢洪船閘的閘門頂高程應為上游最高通

11、航水位加安全超高。其中安全超高值由相關規(guī)范規(guī)定值確定，船閘等級為級船閘，安全超高值取0.5m。2.4.2閘首墻頂高程船閘閘首內布置有閘門、啟閉機及機電設備，為滿足船閘運行的布置要求，墻頂高程應根據(jù)閘門的門頂高程、結構布置和構造要求確定。因為設計船閘位于樞紐工程中，按照規(guī)范要求船閘上閘首墻頂高程設計與壩頂高程相同，下游閘首頂部高程與閘室墻頂高程相同。2.4.3閘室墻頂高程船閘閘室墻頂高程應根據(jù)過閘船舶安全停泊、通航和交通要求具體確定。為了避免船閘船舶在船閘漲、泄水時，船舷掛住墻頂造成事故，所以閘室頂高程由上游最高通航水位加超高值確定。根據(jù)航道工程學，500t駁船空載干舷高度取為1.7m。2.4.

12、4閘室底板高程閘室內水位和閘首處水位相同，避免船舶入閘時觸底發(fā)生危險，根據(jù)航道工程學，船閘閘底板高程不應高于船閘上下游閘首門檻頂部高程。2.4.5閘首門檻頂和引航道底高程上、下游閘首門檻頂高程分別由上、下游設計最低通航水位與門檻最小水深確定。上、下游引航道底高程分別為上、下游設計最高通航水位與引航道設計最小水深確定。設計中引航道底高程取原河道底高程。2.4.6靠船建筑物和導航建筑物頂高程靠船建筑物和上、下游導航建筑物頂高程分別為上、下游設計最高通航水位加超高確定。設計中超高值取為1.7m，船閘主要水工建筑物高程如表2.1所示。表 2.1 設計高程一覽表序號部位高程（m）擬定原則1上游閘門頂12

13、.51最高通航水位加超高2上閘首墻頂13.71不低于閘門、閘室頂高程3上閘首門檻高程9.41上游設計最低通航水位減去門檻水深4上游導航墻頂13.71上游設計最高通航水位加超高5上游靠船墩頂13.71上游設計最高通航水位加超高6上游引航道底高程原河底上游設計最低通航水位減去通航水深7下游閘門頂12.51上游設計最高通航水位加超高8下閘首墻頂13.71不低于閘門、閘室頂高程9下閘首門檻高程-2.40下游設計最低通航水位減去門檻水深10下游導航墻頂8.10下游設計最高通航水位加超高11下游靠船墩頂8.10下游設計最高通航水位加超高12下游引航道底高程-2.40下游設計最低通航水位減去通航水深13閘室

14、墻頂13.71上游設計最高通航水位加超高14閘室底板頂-2.40下游設計最低通航水位減去門檻水深2.5 引航道平面布置及尺度確定引航道平面布置引航道的平面布置直接影響船隊（舶）進出閘的時間從而影響船閘的通過能力。在確定引航道的平面布置時，應根據(jù)船閘的工程等級、線數(shù)、設計船型船隊、通過能力等，結合地形地質、水質、水流、泥沙及上、下游航道等條件綜合考慮。該船閘等級為級船閘，由于對稱型引航道的軸線與船閘軸線重合，等待過閘的船舶（隊）?？吭诤降酪粋鹊目看ㄖ锱?，船舶（隊）沿曲線行駛，出閘可以沿直線。船舶進閘行程短，出閘速度快，船閘的通過能力較大。現(xiàn)采用對稱式引航道布置。引航道長度圖2.1導航段l1緊

15、靠閘首，船舶出閘時，在船尾尚未駛出閘首前必須沿船閘抽線直線行駛，不能轉向。只有當船尾通過閘首邊界后，船首才能離開船閘軸線轉向。因此，導航段長度l1應滿足: (2-7)式中:lc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。lc取最大船型長度188m,l1取190m。調順段l2是進出閘船舶從引航道航線轉到船閘軸線或從船閘軸線轉到引航道航線，或曲線進閘船舶由停靠軸線到船閘軸線所需要的長度。調順段的長度可采用: (2-8)l2=1.5×188=282m，取285m。根據(jù)航道工程學，可以將l1與l2重合，共取285m。停泊段l3是供等待過閘的船舶（隊）?？?/p>

16、并與出閘船舶（隊）避讓交錯的一段航道，其長度應滿足: (2-9)l3取190m。當引航道內停泊的船舶（隊）數(shù)不止一個時，則l3段的長度應按實際需要加長。為便于待過閘的船舶（隊）?？?，在l3段布置有靠船建筑物。當引航道直線段寬度與航道的寬度不一致時，需用漸變的方法將其連接起來，漸變連接的這一段引航道稱為過渡l4，其長度為: (2-10)船舶以一定速度通過口門區(qū)進入引航道，停車后會在慣性作用下滑行一段距離，這段從引航道口門到停泊段 l3前沿的長度稱為制動段 l4，可按下式估算: (2-11)式中:頂推船隊制動距離系數(shù)，在船隊進口門航速為2.54.5m/s時，可取2.54.5之間的數(shù)。取=2.5，l

17、4=470m。引航道長為945m。引航道寬度單線船閘引航道寬度應按雙向過閘確定，即出閘船舶與停在靠船碼頭等候進閘的船舶會讓所需要的寬度，并考慮停泊段一側停船和兩側停船兩中情況。采用哪一種情況，則應根據(jù)船閘重要性和等級、客貨運量、過船數(shù)量和過船密度等情況確定。當停泊段兩側都停泊等候進閘的船舶（隊），則引航道寬度為: (2-12) 當停泊段只有一側停泊等候進閘的船舶，則引航道寬度為: (2-13) 式中:B0設計最低通航水位時，設計最大船舶（隊）滿載吃水船底處的引航道寬度（m）; bc設計最大船舶（隊）的船寬； bc1一側等候同次過閘并列停泊船舶（隊）的總寬度（m）； bc2另一側等候同次過閘并列

18、停泊船舶（隊）的總寬度（m）； b船距、岸距（m）,船距取b=0.5bc。該航運樞紐為機船閘，且主要以改善水環(huán)境和發(fā)電為主，兼顧船舶航運，現(xiàn)考慮停泊段只有一側有等候船舶的情況。B0=10.8+10.8+10.8=32.4,取45m。引航道水深引航道的設計水深是設計最低通航水位時引航道底寬內的最小水深，等于設計船隊（舶）滿載吃水加富裕水深。富裕水深主要包括:航行船隊（舶）保持良好操縱性所需的最小富裕深度；船隊（舶）航行下沉速度；船閘灌泄水、電站運用和風浪產(chǎn)生的睡眠波動的降低值；淤積富裕深度等。綜合這些因素，引航道最小水深應滿足: (2-14) 式中:H0在設計最低通航水位時引航道底寬內的最小水深

19、(m)； T設計最大船隊（舶）滿載吃水深度（m）。 、級船閘采用H0/T1.5；級以下船閘采用H0/T1.4。H0=1.4×1.6=2.24m，取3m。為了降低航行的阻力，引航道的斷面系數(shù)n應滿足: (2-15) 式中:設計最低通航水位時，引航道的浸水斷面面積（m2）； 設計最大船舶（隊）滿載吃水的船舶中腰橫截面的浸水面積（m2）。n=7.87。 2.6船閘的通過能力計算船舶、船隊進出閘時間，可根據(jù)其運行距離和進出閘速度確定，并符合下列規(guī)定:（1） 單向過閘，進閘為船舶、船隊的船首自引航道停靠位置至閘室內停泊位置之間的距離L1；出閘為船舶、船隊的船尾自閘室內停泊位置至閘門外側邊緣的距

20、離L2。（2） 雙向過閘，進閘為船舶、船隊自引航道?？课恢弥灵l室內停泊位置之間的距離L3；出閘為船舶、船隊的船尾自閘室內停泊位置至靠船建筑物之間的距離L4。L1=188+19=207m，L2=188+19=207m，L3=19+285+188=492m， L4=285+19+188=492m。根據(jù)船閘設計總體規(guī)范，單向船隊進閘速度v1=0.5m/s，雙向船隊進閘速度v2=0.7m/s，單向出閘的速度v3=0.7m/s，雙向出閘速度為v4=1.0m/s。船閘一次過閘時間可按下式計算:單向過閘: (2-16)雙向過閘: (2-17)式中: T1單向一次過閘時間（min）； T2雙向一次過閘時間（m

21、in）； t1開（關）閘門時間（min）；根據(jù)船閘啟閉機設計規(guī)范，船閘口門為12m，取2min。 t2單向進閘時間（min）；經(jīng)計算，取7min; t3閘室灌（泄）水時間（min）；初步取6min； t4單向出閘時間（min）；取5min; t5船隊進（出）閘間隔時間（min）；無實測資料，根據(jù)規(guī)范取3min； t2雙向進閘時間（min）；取12min; t4雙向出閘時間（min）;取8.5min;。計算得T1=38min，T2=73min，由于上行與下行船隊（舶）很難保證到達船閘的均勻性，在設計中一般采用船隊（舶）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)。計算過閘時間取為： （2

22、-18）T=37.25min。 在一般的情況下，船閘的通過能力是指設計水平年期限內，每年自兩個方向（上、下行）通過船閘的貨物的總噸數(shù)，即年過閘貨運量。若已知船舶（隊）一次過閘的時間為T，則船閘沒晝夜過閘次數(shù)為: (2-19)式中:船閘每晝夜的平均工作時間，一般取20 22h;取22h； T船舶（隊）一次過閘的時間（min），取37.25min。得n=35。若船閘每年通航天數(shù)為N，一次過閘平均噸位為G，則船閘年通過能力P可按下式計算: (2-20)式中:P船閘年過閘貨運量（t）； n日平均過閘次數(shù)（次）； n0每晝夜非運貨船過閘次數(shù)（次）；主要以通貨船為主，取0； N船閘年通航天數(shù)（天）；取36

23、0d； G一次過閘平均噸位；取均值700t； 船舶裝載系數(shù)，與貨物種類、流向和批量有關，可取為0.50.8；取0.7； 運量不平衡系數(shù)，一般取為1.31.5，也可根據(jù)統(tǒng)計資料，取為年最大月貨運量和年平均月貨運量的比值。取1.5；得P=411萬t360萬t。2.7船閘的耗水量計算 船閘一天的耗水量可按下式計算: （2-21）式中: 一天內平均耗水量（m3/s）； V一次過閘用水量（m3）； q閘門、閥門的漏水損失（m3/s）； e止水線每米上的滲漏損失m3/(s·m），當水頭小于10m時，取0.00150.0020m3/(s·m）；當水頭大于10m時，取0.0020.003m

24、3/(s·m）； u閘門、閥門止水線總長度（m）。 （2-22）式中:V0單級船閘一次過閘平均用水量（m3）； C閘室水域面積（m2）=上、下閘首之間的水域長度(m)×水域寬度(m); H計算水頭（m），采用上下游平均水位差。單極船閘雙向一次過閘時，用水量為單向過閘用水量的一半。 C=200×12=2400m2 H=(12.01+11.79)/2-(0.2+6.4)/2=8.56m V0=20544m3 V0=V0/2=10272m3 V0=15408m3 u=3.1×3+14.91×3+12.98×4=105.95m計算得q=0.2

25、12m3/s，6.99m3/s。2.8船閘附屬設施布置2.8.1 系船設備閘室墻、引航道等靠船建筑物的頂部宜設置固定系船柱。本設計中船閘設計水頭大于5m，采用浮式系船柱，第一個系船柱布置距離閘首8m處，各系船柱間距為21米。2.8.2 安全防護和檢修設施在船閘里設置3處爬梯，根據(jù)船閘設計總體規(guī)范，其第一道中線距上、下閘首邊緣的距離為1218m，本設計中取12m。2.8.3消防和救護在閘首、閘室等部位設置消防栓、滅火器、滅火材料等有關器材，并在船閘位置設置專用的消防通道、消防水泵。第3章 輸水系統(tǒng)、閘首、閘閥門選擇3.1輸水系統(tǒng)的設計的基本原則在船閘建筑物上為閘室灌水和泄水而設置的包括進水口、輸

26、水廊道、出水口及消能室等全部設施稱為船閘的輸水系統(tǒng)。輸水系統(tǒng)是船閘的重要組成部分之一，直接關系到過閘船舶的停泊安全，船閘的通過能力及船閘工程投資等。船閘輸水系統(tǒng)的設計應滿足下列基本要求:(1)灌水和泄水的時間不大于為滿足船閘通過能力所規(guī)定的輸水時間；(2)船舶（隊）在閘室及上、下游引航道內具有良好的停泊條件和航行條件；(3)船閘各部分不應因水流沖刷、空蝕等造成破壞；(4)布置簡單、檢修方便、工程投資少。3.2輸水系統(tǒng)的設計要求、輸水系統(tǒng)的選擇由船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范輸水系統(tǒng)可以分為集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)兩種。輸水系統(tǒng)的類型可以根據(jù)判別系數(shù)按下式初步選定: (3-1)式中:m判別系數(shù)； H設計水頭（m），根據(jù)設計資料，H=12.01-0.2=11.81m； T閘室灌水時間(min)，據(jù)航道工程學，一般取712min，