東江某水利樞紐船閘總體設(shè)計

1、 學(xué)號：2013105219 密級： 公 開 航道工程課程設(shè)計設(shè)計說明書 題目：東江某水利樞紐通航船閘總體設(shè)計學(xué)院： 船舶與工程學(xué)院 專業(yè)： 港口航道與海岸工程 學(xué)號： 姓名： 日期： 2016.12 哈爾濱工程大學(xué)2016 年 12 月目 錄第1章 設(shè)計基本資料11.1 設(shè)計背景11.2 設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范1第2章 船閘總體設(shè)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(jié)構(gòu)的初步設(shè)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(dǎo)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(shè)施布置12 2.8.1 系船設(shè)備12 2.8.2 安全防護和檢修設(shè)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(shè)計的基本原則133.2輸水系統(tǒng)的設(shè)計要求、輸水系統(tǒng)的選擇133.3閘首、閘閥門的選擇和設(shè)計13 船閘概述13 閘首的結(jié)構(gòu)的選擇13 閘門、閥門的選擇14 人字閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計14 閘室結(jié)構(gòu)初步設(shè)計15第1章

3、 設(shè)計基本資料1.1 設(shè)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(shù)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范（1）課程設(shè)計任務(wù)書；（2）設(shè)計所參考的諸多相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；（3）相關(guān)本專業(yè)本科教材，航道工程等。1.3 設(shè)計資料序號工程項目指標(biāo)備注1設(shè)計水平年20202船閘級數(shù)單極3通航規(guī)模級4航道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)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(shè)計資料一覽表第2章 船閘總體設(shè)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(yīng)根據(jù)船型、船隊以及船閘在設(shè)計水平年限內(nèi)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(yīng)盡量使設(shè)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(nèi)可供船舶安全停泊的長度。由航道工程學(xué)，其計算公式為： (2-1)式中：Lx閘室有效長度（m）； lc設(shè)計最大過閘船隊、船舶的長度，船隊設(shè)計長度（m）：當(dāng)一閘次只有一個船隊過閘時，為設(shè)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(dāng)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(shè)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(shè)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(nèi)兩側(cè)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(cè)垂直靠船設(shè)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(dāng)只有一個船隊（舶）過閘時，則為設(shè)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(shè)計總體規(guī)范，取12m。2.1.3門檻水深是指在設(shè)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(guān)，對船隊（舶）操縱性和工程造價都有較大影響。門檻水深H應(yīng)滿足： (2-3)式中：H門檻水深（m）； T設(shè)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(yīng)考慮船閘的最小過水?dāng)嗝娴臄嗝嫦禂?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?dāng)嗝婷娣e（m2）,=Bx×H； 最大設(shè)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(jié)構(gòu)的初步設(shè)計根據(jù)受力和結(jié)構(gòu)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(gòu)造及檢修要求確定。據(jù)國內(nèi)已建船閘的統(tǒng)計，當(dāng)工作閘門采用人字閘門、檢修閘門槽設(shè)于閘首外與導(dǎo)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(yīng)滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及強度的要求，并應(yīng)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(shè)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(shè)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(xué)，知影響船閘級數(shù)的因素很多，也很復(fù)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(shè)計水平年內(nèi)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(dǎo)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(yīng)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(guān)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(nèi)布置有閘門、啟閉機及機電設(shè)備，為滿足船閘運行的布置要求，墻頂高程應(yīng)根據(jù)閘門的門頂高程、結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造要求確定。因為設(shè)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(shè)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(yīng)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(xué)，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(nèi)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(xué)，船閘閘底板高程不應(yīng)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(shè)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(shè)計最高通航水位與引航道設(shè)計最小水深確定。設(shè)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(dǎo)航建筑物頂高程靠船建筑物和上、下游導(dǎo)航建筑物頂高程分別為上、下游設(shè)計最高通航水位加超高確定。設(shè)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(shè)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(shè)計最低通航水位減去門檻水深4上游導(dǎo)航墻頂13.71上游設(shè)計最高通航水位加超高5上游靠船墩頂13.71上游設(shè)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(shè)計最低通航水位減去通航水深7下游閘門頂12.51上游設(shè)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(shè)計最低通航水位減去門檻水深10下游導(dǎo)航墻頂8.10下游設(shè)計最高通航水位加超高11下游靠船墩頂8.10下游設(shè)計最高通航水位加超高12下游引航道底高程-2.40下游設(shè)計最低通航水位減去通航水深13閘室

14、墻頂13.71上游設(shè)計最高通航水位加超高14閘室底板頂-2.40下游設(shè)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(yīng)根據(jù)船閘的工程等級、線數(shù)、設(shè)計船型船隊、通過能力等，結(jié)合地形地質(zhì)、水質(zhì)、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?cè)的靠船建筑物旁，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?，F(xiàn)采用對稱式引航道布置。引航道長度圖2.1導(dǎo)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(zhuǎn)向。只有當(dāng)船尾通過閘首邊界后，船首才能離開船閘軸線轉(zhuǎn)向。因此，導(dǎo)航段長度l1應(yīng)滿足: (2-7)式中:lc設(shè)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(diào)順段l2是進出閘船舶從引航道航線轉(zhuǎn)到船閘軸線或從船閘軸線轉(zhuǎn)到引航道航線，或曲線進閘船舶由?？枯S線到船閘軸線所需要的長度。調(diào)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(xué)，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(yīng)滿足: (2-9)l3取190m。當(dāng)引航道內(nèi)停泊的船舶（隊）數(shù)不止一個時，則l3段的長度應(yīng)按實際需要加長。為便于待過閘的船舶（隊）?？浚趌3段布置有靠船建筑物。當(dāng)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(yīng)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(cè)停船和兩側(cè)停船兩中情況。采用哪一種情況，則應(yīng)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(dāng)停泊段兩側(cè)都停泊等候進閘的船舶（隊），則引航道寬度為: (2-12) 當(dāng)停泊段只有一側(cè)停泊等候進閘的船舶，則引航道寬度為: (2-13) 式中:B0設(shè)計最低通航水位時，設(shè)計最大船舶（隊）滿載吃水船底處的引航道寬度（m）; bc設(shè)計最大船舶（隊）的船寬； bc1一側(cè)等候同次過閘并列停泊船舶（隊）的總寬度（m）； bc2另一側(cè)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(cè)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(shè)計水深是設(shè)計最低通航水位時引航道底寬內(nèi)的最小水深，等于設(shè)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(fēng)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(yīng)滿足: (2-14) 式中:H0在設(shè)計最低通航水位時引航道底寬內(nèi)的最小水深

19、(m)； T設(shè)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(yīng)滿足: (2-15) 式中:設(shè)計最低通航水位時，引航道的浸水?dāng)嗝婷娣e（m2）； 設(shè)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?？课恢弥灵l室內(nèi)停泊位置之間的距離L1；出閘為船舶、船隊的船尾自閘室內(nèi)停泊位置至閘門外側(cè)邊緣的距

20、離L2。（2） 雙向過閘，進閘為船舶、船隊自引航道停靠位置至閘室內(nèi)停泊位置之間的距離L3；出閘為船舶、船隊的船尾自閘室內(nèi)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(shè)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(guān)）閘門時間（min）；根據(jù)船閘啟閉機設(shè)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(shè)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(shè)計水平年期限內(nèi)，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(guān)，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(nèi)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(dāng)水頭小于10m時，取0.00150.0020m3/(s·m）；當(dāng)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?qū)挾?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(shè)施布置2.8.1 系船設(shè)備閘室墻、引航道等靠船建筑物的頂部宜設(shè)置固定系船柱。本設(shè)計中船閘設(shè)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(shè)施在船閘里設(shè)置3處爬梯，根據(jù)船閘設(shè)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(shè)計中取12m。2.8.3消防和救護在閘首、閘室等部位設(shè)置消防栓、滅火器、滅火材料等有關(guān)器材，并在船閘位置設(shè)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(shè)計的基本原則在船閘建筑物上為閘室灌水和泄水而設(shè)置的包括進水口、輸

26、水廊道、出水口及消能室等全部設(shè)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(guān)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(shè)計應(yīng)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(nèi)具有良好的停泊條件和航行條件；(3)船閘各部分不應(yīng)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(shè)計要求、輸水系統(tǒng)的選擇由船閘輸水系統(tǒng)設(shè)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(shè)計水頭（m），根據(jù)設(shè)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(xué)，一般取712min，