东江水利枢纽工程船闸设计

东江水利枢纽工程船闸设计摘 要惠州东江水利枢纽工程是改善东江水环境、发电、兼顾航运、改善城市供水和农田灌溉条件的大型水利枢纽工程。枢纽工程通航建筑物采用通航船闸方案，船闸坐落在枢纽大坝右侧。船闸由闸室和上、下闸首以及上、下游引航道组成。引航道采用反对称型式，船舶曲线进闸，直线出闸，船舶过闸安全性较高。船闸输水系统采用短廊道集中输水系统，输水廊道采用矩形廊道且相对闸室轴线呈对称式分布，消能工采用简单消能工，具体消能措施为消力槛，闸室靠近上闸首设置镇静段。闸门采用人字闸门，阀门采用升降式平面阀门，阀门门槽采用矩形门槽。上、下闸首和闸室结构形式为整体式，闸室为坞式结构，底板采用不透水底板。靠船墩为独立墩式，布置在引航道右侧，靠船墩为沉箱式结构，上部胸墙现浇。关键字：船闸；引航道；输水系统；靠船墩哈尔滨工程大学本科生毕业论文ABSTRACTHuizhou Dongjiang water conservancy project are designed for improving the quality of Dongjiang environment and power generation. Besides the shipping, the urban water supply and agricultural irrigation conditions are also taken into consideration. The Lock program is choosed for navigation and it is located in the right side of the dam. The Lock is composed of the chamber, the upper and lower lock head, upperstream and downstream approach channel. The vessel starts with the approach channel which is antisymmetric, sails into the lock in curve route and out straight for high security. A centralized short-corridor water conveyance system is used for water distribution of the lock. The corridor is rectangular and symmetric to the axis of chamber. A simple energy dissipater is selected for energy dissipation, more specifically, the baffle still and sedation segment is set near the upper lock head. Miter gate, elevating surface valve and rectangular gate slot are adopted then. Both the upper/lower gate head and the chamber structure are integral, and the latter designed as a dock with impermeable bottom floor. Mooring dolphins, designed as an independent pier and caisson structure, arranged in the right side of the approach channel and the upper breast wall is cast-in-place. Key words: lock; approach channel; water conveyance system；mooring dolphin东江水利枢纽工程船闸设计目 录摘 要ABSTRACT第 1 章 绪论.11.1 概述.11.2 船闸发展及现状.11.3 设计背景.31.4 预期结果与意义.4第 2 章 设计资料.52.1 自然条件.52.1.1 工程地理位置.52.1.2 水文气象条件.52.2 地理地质.52.3 对外交通.62.4 设计特征水位.62.5 设计船型.62.6 地震烈度.62.7 设计要求.72.8 本章小结.7第 3 章 船闸总体设计.83.1 船闸基本尺度确定.83.1.1 船闸型式选择.83.1.2 闸室基本尺度确定.93.2 闸首尺寸确定.113.2.1 闸首长度确定.113.2.2 闸首宽度确定.123.2.3 闸首平面布置.123.3 引航道平面布置及尺度确定.133.3.1 引航道平面布置思路.13哈尔滨工程大学本科毕业论文3.3.2 引航道尺度确定.133.3.3 引航道平面布置.153.4 船闸通过能力和耗水量.163.4.1 船闸过闸时间.163.4.2 单级船闸年通过能力.183.4.3 耗水量计算.193.5 船闸各部高程.203.6 本章小结.21第 4 章 输水系统设计.234.1 输水系统设计.234.1.1 输水系统选型.234.1.2 集中输水系统型式.244.2 输水系统布置.254.2.1 镇静段长度计算.254.2.1 输水廊道计算.254.2.3 输水系统布置.254.3 输水系统水力计算.274.3.1 输水阀门处廊道断面面积计算.274.3.2 输水系统阀门开启时间.274.3.3 闸室输水时间计算.284.3.4 输水系统灌泄水水力特性曲线计算.294.4 本章小结.35第 5 章 闸阀门设计.365.1 闸门设计与布置.365.1.1 闸门的结构设计.365.1.2 闸门的布置.385.2 阀门的设计与布置.395.2.1 阀门的设计.395.2.2 阀门的布置.395.3 本章小结.40东江水利枢纽工程船闸设计第 6 章 结构设计.416.1 设计资料.416.1.1 建筑物等级确定.416.1.2 建筑物高程水位.416.1.3 建筑材料.416.2 闸室结构设计与计算.416.2.1 闸室结构设计.416.2.2 闸室结构作用.426.2.3 闸室稳定性验算.466.3 靠船墩结构设计与计算.496.3.1 靠船墩结构设计.496.3.1 靠船墩结构计算.496.3.2 靠船墩稳定性验算.506.4 附属设施布置.526.4.1 闸室附属设施布置.526.4.2 靠船墩附属设施布置.536.5 本章小结.53结 论.54参考文献.56攻读学士学位期间发表的论文和取得的科研成果.59致 谢.60第 1 章 绪论1第 1 章 绪论1.1 概述交通运输行业是国民经济中重要的组成部分，它对于国民经济而言就如血液循环对人体，时刻影响着整个社会的经济活动。现代交通运输有铁路、公路、航空、水路和管道五种运输方式，其中水路运输（内河运输和海洋运输）是交通运输业中的一个重要的组成部分。目前，世界上科学技术和工农业生产比较发达的国家，水运都比较发达，基本上建成了四通八达的航道网，其货物的周转量仅次于铁路，在国民经济中占有重要地位。内河水运是国家综合运输体系和水资源综合利用的重要组成部分，它具有占地少、污染少、能耗低和运能大等优势。根据相关资料显示，截止 2012 年年末，全国内河航道通航里程 12.50104km，比上年末增加 383km，同比增长 0.31%；等级航道6.37104km，占总里程的 51.0%，提高 0.7 个百分点；其中，三级及以上航道9894km，五级及以上航道 2.64104km，分别占总里程的 7.9%和 21.1%，分别提高 0.3个和 0.3 个百分点 1。为更好的改善航道航行条件，延长航道网络线路长度，提高河段内的船舶载重量和货运密度，同时也更好地综合利用水资源，满足灌溉、发电、防洪、城镇供水和渔业等的需要，内河河流往往会选择进行渠化，建设水利枢纽工程，而且枢纽工程一旦建成，则必然造成枢纽上下游形成垂直水位落差 2。为保证船舶能顺利的克服水位差，船舶能顺利通过枢纽，通航建筑物是必然的选择，而通航建筑物主要有船闸和升船机两大类，其中船闸应用最广。船闸是利用向两端有闸门控制的航道内灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差的厢形通航建筑物 3。1.2 船闸发展及现状船闸作为在河道上克服水位落差的一种工程措施，在世界水利工程建设史上早有记载，其中中国是建造船闸最早的国家。秦始皇三十三年(公元前 214 年)开凿灵渠,设置陡门，又称斗门（今名闸门） ，用以调整斗门前后的水位差，使船舶能够在有水位落差的航道上通行。这种陡门构成单门船闸，简称单闸，又称为半船闸。南朝宋景平年间(公元 423 424 年) ，在扬子津（今江苏省扬州市扬子桥）河段上建造了两座陡门，哈尔滨工程大学本科生毕业论文2顺序启闭这两座陡门，控制两陡门之间河段的水位，船舶就能够克服水位落差上驶或下行。宋朝雍熙年间（公元 984987 年）在西河(今江苏省淮安至淮阴间的运河)建造两个陡门，间距 50 步（约合 76 米） ，陡门上设有输水设备，这就是中国历史上有名的西河闸，是现代船闸的雏型。 在欧洲，1203 年荷兰出现欧洲首座船闸，1325 年德国出现首座船闸，1481 年意大利开始建造船闸，美国在 1790 年出现了首座船闸。20 世纪后，在美国、苏联和西欧各国，由于河流的开发和航运的发展，船闸的数量逐渐增多，技术上也不断改进。目前据不完全统计，我国已修建大、校船闸共 900 余座；世界上建成大、小超过1000 座。其中，在大型水利枢纽上，水头超过 20m 的船闸已经超过 40 余座。目前最世界上最大的船闸三峡船闸，三峡船闸修建于三峡大坝左侧的山体中。船闸总长 6442m，其中上游引航道 2113m,下游引航道 2708m，船闸主体段 1621m。船闸主体段闸首和闸室分南北两线,都是在山体岩石中开挖出来的。每线船闸主体段由 6个闸首和 5 个闸室组成,每个闸室长 280m、宽 34m，闸室坎上最小水深 5m。三峡船闸可通过万吨级船队，设计单向年通过能力 5000104t。三峡工程双线 5 级船闸,是目前世界上规模最大的船闸。第 1 章 绪论31.3 设计背景东江是珠江水系三大河流之一，发源于江西省寻乌县，上游称寻乌水，南流入广东境内，至龙川合河坝与定南水汇合后，称东江。干流自源头至东江口全长 562km，流域面积 35340km2。东江流域地势为东北高、西南低，分水岭最高海拔 1101.9m。东江中游河源东江大桥至惠州市惠州大桥河段，全长 128km。其中河源至观音阁45km，一般河宽 200-400m，河床多为沙质，间有卵石，平均坡降 0.311。在观音阁上游右岸逐渐出现台地，左岸仍为山区丘陵。汇入支流主要有新丰江、秋香江；观音阁至惠州 83km，一般河宽 400-800m，河床为沙质，平均坡降 0.173。两岸为平原，设有堤防。河道流量增大，流速减缓，河道江心洲（滩）众多。汇入支流主要有公庄水、西枝江。惠州东江水利枢纽工程是广东省重点工程，是改善东江水环境、发电、兼顾航运、改善城市供水和农田灌溉条件的大型水利枢纽工程。也是广东省东江流域水力开发规划的第 11 个东江梯级电站，工程总投资达 8.9901108 元。东江水利枢纽工程整体完工哈尔滨工程大学本科生毕业论文4后将提高上游、尤其是惠城区段的水位，形成一个包括两江在内的库容为1.16108m3、水面面积达 28km2 的河流型湖泊，比惠州西湖现有面积大 20 倍。水面不仅完全覆盖东江、西枝江内裸露的河床，美化城市面貌，而且还形成惠州市区“城中有湖” ， “湖中有城”的新景观，对于改善城市水环境，调节市区气候，缓解城市热岛效应，提高人居环境质量起到重要作用，从而提高了城市品位和综合竞争力，为惠州社会经济可持续发展创造条件。该工程位于东江下游惠城区和博罗县之间的东江河段，上距惠州市惠城区约 9.4km，下距博罗水文站 2.8km。依据水利水电工程等级划分及洪水标准(SL252-2000)，工程属等，工程规模为大(1)型。工程所在地区的地震基本烈度为 6 度，采用设计烈度为 6 度。根据广东省东江航道技术等级的划分，东江惠州段航道为四级航道，最大通航船舶为 500t，但该河段主要通航船舶为 100t、300t。东江在惠州市区到博罗县之间流向为为从东到西，东江水利枢纽工程为南北纵向横跨东江。船闸按照航道等级定位级船闸，考虑该河段主要通航船舶为 100t 和 300t，设计以 100t 和 300t 船舶为设计依据，考虑未来水运的发展，兼顾 500t 级船舶通行。1.4 预期结果与意义东江水利枢纽工程对于进一步完善惠州城市防洪体系，增强惠州防灾减灾能力，发挥着巨大的作用；对进一步提高深圳、大亚湾、惠阳、稔平半岛 4 个供水系统的供第 1 章 绪论5水能力，优化东江流域水资源配置体系，具有十分重要的意义。东江水利枢纽工程船闸按照航道等级定位级船闸，考虑该河段主要通航船舶为100t 和 300t，设计以 100t 和 300t 船舶为设计依据，考虑未来水运的发展，兼顾 500t级船舶通行。船闸的设计水平年为 2020 年，按规划预测年货运量为：上行197104t/y，下行 165104t/y，年货运总量为 362104t/y，客运量为 10104 人/年，并且留有发展余地。 哈尔滨工程大学本科生毕业论文6第 2 章 设计资料2.1 自然条件2.1.1 工程地理位置东江水利枢纽工程位于东江下游惠城区和博罗县之间的东江河段，上距惠州市惠城区约 9.4km，下距博罗水文站 2.8km。2.1.2 水文气象条件东江流域地处亚热带，高温多雨，具有雨量充沛、湿度大、夏季长、 热量丰富的特点。降雨以南北冷暖气团交绥的锋面雨为主，多发生在 46 月份。其次是台风雨，多发生在 79 月份。降水年内分配不均，冬春干旱，夏秋洪涝。49 月占全年总降水量 80以上，降水面上分布一般是西南多，东北少。以博罗站为代表的气象条件如下：1、气温多年平均气温 21.8，极端最高气温 38.2，极端最低气温-2.4。2、降水量多年平均降水量 1782mm，最大年降水量 2498mm(1959 年)，最小年降水量1026mm(1963 年)。3、湿度 多年平均相对湿度 80。4、蒸发量 多年平均蒸发量 1663mm(E20 型蒸发皿)，最大蒸发量 1721mm，最小蒸发量1544mm。2.2 地理地质坝址区地层岩性较为简单，主要为第四系冲积层(Qal)、燕山四期(53)花岗岩及燕山二期( 52) 二长花岗岩。第四系冲积层(Qal)：广泛分布于两岸一级阶地及河床。层底高程为 5.66-28.43m，厚度一般 1025m。岩性为冲积粘土、粉质粘土，细中粗砂、含砾中粗砂和砂卵砾石层。坝址河床第四系冲积砂、砂砾卵石层厚度1518m，自上到下分为 2-22-4 层，2-2 层为粉细砂，松散状； 2-3 层为含砾中粗砂，第 2 章 设计依据7松散稍密状；2-4 层为砂砾卵石层，中密密实状。根据坝址区工程地质条件，河床表面(2-2)粉细砂层呈松散状态，稳定性差，不宜采用作为天然地基；河床(2-3)层及以下地基根据实际情况可进行密实处理，满足承载力要求后可作为建筑物的天然地基。2.3 对外交通惠州东江水利枢纽位于广东省惠州市境内的东江干流上，距惠州市城区约 10km，距广州市 132km。坝址右岸目前已有 324 国道和惠 (州)博(罗)一级公路通过，广(州)惠( 州 )高速公路已通车，工程右岸只需修建部分对外交通道路便可与上述公路相连。坝址左岸已有防汛公路通往惠州市区。此外，尚有惠(州)河(源)高速公路和京九铁路通过工程所在地区。东江为本省主要通航河道之一，直接连通本工程坝址和黄埔新港。本工程对外交通方便，主要设备和建筑材料的运输可采用公路为主，水路、铁路为辅的方式。2.4 设计特征水位1、上游校核水位：12.6m ；2、上游设计最高通航水位 12.01m；3、上游设计最低通航水位 6.40m；4、下游设计最高通航水位 11.79m；5、下游设计最低通航水位 0.2m。2.5 设计船型设计船型共有六种，其型式和尺度见表 2.1。表 2.1 设计船型数据表 m序号 船型 总长 总宽 设计吃水 船队尺度1 500t 货船 49.9 10.6 2.5 49.910.62.52 500t 驳船 45.0 10.8 1.6 111.010.81.63 300t 货船 49.2 8.4 2.2 49.28.42.24 300t 驳船 35.0 9.2 1.3 91.09.21.35 100t 货船 45.0 5.5 1.0 45.05.51.06 100t 驳船 32.0 7.0 1.0 188.07.01.0哈尔滨工程大学本科生毕业论文82.6 地震烈度工程所在地区的地震基本烈度为 6 度，采用设计烈度为 6 度。2.7 设计要求船闸满足东江现主要航行 100t、300t 级船舶的过闸要求，并且满足航运能力提高后 500t 级船舶能顺利过闸的要求。在设计水平年为 2020 年时，按规划预测年货运量应能达到：上行 197104t/y，下行 165104t/y，年货运总量为 362104t/y，客运量为10104 人/y，并且留有发展余地。2.8 本章小结本章主要给出本次设计的基本资料，包括自然条件，工程所在位置的地理地质，对外的交通运输情况，设计特征水位，设计船型和地震烈度等。设计资料的给出，为后续的设计和计算过程提供了数据和信息支持，为设计和计算带来了很大的便利。设计要求给本次设计的开展和设计思路提供了明确的方向，为各部尺度、高程数据的确定和计算结果的验算提供了基础。第 3 章 船闸总体设计9第 3 章 船闸总体设计3.1 船闸基本尺度确定3.1.1 船闸型式选择船闸是为船舶顺利通过航道上集中落差而设置的一种通航建筑物。船闸的种类有很多，可根据船闸的位置、闸室的数量、输水系统形式、结构形式、闸门形式和船闸功能等可以分为不同的类型：1. 海船闸和内河船闸按照船闸所在的位置和航行的船舶，可分为海船闸和内河船闸两种。海船闸是指建设在封闭式的海港港池门口、海运河和入海河口，供海船通行的船闸；内河船闸是指建设在内陆河流上和人工运河上，可供内河船舶航行的船闸 3。2. 单级船闸和多级船闸根据级数的不同，船闸又可以分为单级和多级船闸。单级船闸是指只有一个闸室的船闸；多级船闸是指在船闸轴线方向上有两个或者两个以上的闸室 3。单级船闸相对多级船闸船舶过闸时间较短，船闸的周转速度较快，船闸的通过能力较高。根据设计资料可知，设计水头差=上游最高通航水位-下游最低通航水位=12.01-.02=11.81m。由文献5可知，水头差 11.81m1.3 满足要求设计低水位 0.45 9539.86 1216.17 3.53 1.2 满足要求MR（kN m/m）M0（kNm/m） K0 要求 备注设计高水位 87143.75 6720.5 12.97 1.5 满足要求设计低水位 99542.89 9590.86 10.38 1.4 满足要求第 6 章 结构设计49U扬压力总和（kN） 。计算结果如表 6.7。表 6.7 闸室抗浮稳定安全系数计算表4、基床承载力验算基床承载力按下式进行验算：(6-9)max0式中 0结构重要性系数，取 1.0；基床顶面最大应力分项系数，取值 1.0；基床承载力设计值；max基床顶面最大应力标准值（kPa） 。闸室为整体式结构，结构整体刚度很大，基床顶面应力按直线分布，按偏心受压公式计算，闸室底部为矩形，可按下式进行计算：(6-10)BeVK61maxin式中 max、 min分别为基床地面的最大和最小应力标准值（kPa） ；B闸室底宽（m） ；VK 作用在基床顶面的竖向合力标准值（ kN/m)；e闸室底面合力标准值作用点的偏心距（m） ， ；2Be合力作用点与闸室底前边缘的距离（m） ， ；KRVM0MR、M 0 分别为竖向合力标准值和倾覆力标准值对闸室底前边缘的稳定力矩和倾覆力矩（kNm/m)基床顶面应力结果如表 6.8 所示。表 6.8 基床顶面应力计算结果表V（kN ） U（kN） K 要求 备注上游最高通航水位 5808 5280.55 1.1 1.05 满足要求哈尔滨工程大学本科生毕业论文50由上表可得 在设计低水位情况下为最大值， max=355.48kPa，闸室底部设抛石基床，闸室直接坐在下部岩基上，岩基的承载力的标准值=600kPa，根据公式 6-9 可得 1.01.0355.48=355.48kPa600kPa，因此地基承载力满足要求。6.3 靠船墩结构设计与计算6.3.1 靠船墩结构设计靠船墩结构如图 6.2 所示。靠船墩为独立式箱式结构，上、下游靠船墩主体结构均采用沉箱式结构，箱内填充中砂，上部结构采用梯形式型式。靠船墩主体箱式结构箱壁厚为 0.5m，底厚为 1.0m，箱内填充中砂，箱体四周设有趾，趾最厚处为 1.0m，最薄处为 0.5m，趾宽均为 1.0m。上部结构高 1.5m，截面为梯形截面，上、下边长分别为 2.0、3.0m，在上部结构上均布置有系船柱，距靠船墩外侧边缘 1.0m。（a）下游靠船墩 （b）上游靠船墩水位MR（kN m/m)M0（kN m/m)VK（kN/m) (m) B(m) e(m) max(kPa) min(kPa)设计高水位 87143.75 6720.5 6251.91 12.86 27.2 0.74 267.18 192.52设计低水位 76020.33 9590.86 6080.66 10.92 27.2 2.68 355.48 91.63第 6 章 结构设计51图 6.2 靠船墩结构简图6.3.1 靠船墩结构计算靠船墩上受力只要包括靠船墩自身重力，系缆力和船舶撞击力。1、自重力计算靠船墩结构见图 6.2。自重力计算以下游靠船墩在下游设计高水位下情况下为例，同理可以计算其他水位条件下的上、下游靠船墩的结构自重力。表 6.9 下游靠船墩高水位自重作用计算表项目 计算式 Gi(kN) Xi（ m） GiXi（(kNm）上部结构1（水上） 20.51225 51.00 6.00 306.00 上部结构1（水下） 20.99215 59.40 6.00 356.40 上部结构2（水上） 0.50.340.51215 4.34 4.67 20.24 上部结构2（水下） 0.5（0.34+1）0.99225 19.90 4.67 92.93 箱体 264.9518 3974.25 4.00 15897.00 填砂 65.7559.5 3123.13 4.00 12492.50 7232.01 29165.07 每米 7232.01/8 904.00 3645.63 注：填砂计算中的 65.75 为箱内空腔横截面面积，单位为 m2；264.95 为箱体（包括趾）的体积计算式单位为 m3。2、船舶系缆力船闸设计最大船舶为 500t 级，系缆力的标准值为 50kN。3、船舶撞击力船舶撞击力可按下式进行计算：(5-2-1)3/29.0KWFc式中 Fc 船舶撞击力（kN） ；K系数，闸室取 1.0；引航道中的建筑物直线段取 1.67，曲线段取2.0；W船舶排水量（t） 。靠船墩布置在上、下引航道调顺段至过渡段内，均为直线段， K 值取 1.67。可通过船闸的最大船舶为 500t 级船舶，其尺度为 49.9m10.6m2.5m，因此排水量的值W=49.910.62.51.0=1322.35t。船舶撞击力的计算式： Fc=0.91.671322.352/3=181.07kN哈尔滨工程大学本科生毕业论文52由上可知，船舶撞击力大于系缆力标准值，在进行结构稳定性验算时，倾覆力采用船舶撞击力，由于船舶撞击力方向指向内侧，因此计算点为靠船墩靠岸一侧的趾外端，表 5.2.1 中 Xi即为结构重心到靠船墩靠岸一侧趾的距离。6.3.2 靠船墩稳定性验算1、抗滑稳定安全系数抗滑稳定安全系数计算，采用抗剪强度验算，可按式 6-6 进行计算。计算结构如表 6.10 所示。表 6.10 靠船墩抗滑稳定安全系数计算表F V H Kc 要求 备注上游设计高水位 0.45 591.24 181.07 1.47 1.3 满足要求上游设计低水位 0.45 833.34 181.07 2.07 1.2 满足要求下游设计高水位 0.45 818.92 181.07 2.04 1.3 满足要求下游设计低水位 0.45 1313.02 181.07 3.26 1.2 满足要求2、抗倾稳定安全系数抗倾稳定安全系数可按式 6-7 进行计算。计算结构如表 6.11 所示。表 6.11 靠船墩抗倾稳定安全系数计算表MR M0 K0 要求 备注下游设计高水位 3645.63 409.44 8.90 1.5 满足要求下游设计低水位 5462.89 147.12 37.13 1.4 满足要求上游设计高水位 2641.95 274.09 9.64 1.5 满足要求上游设计低水位 3545.69 1176.96 3.01 1.4 满足要求3、抗浮稳定安全系数抗浮稳定安全系数可按式 6-8 进行计算。计算扬压力时上、下游水位均采用上、下游设计最高通