船闸平面设计

1、航道工程课程设计 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 目录 1. 设计基础资料 4 1.1设计依据 4 1.2设计标准、规范 4 1.3设计背景 4 1.4设计资料 4 1.5设计船型 5 2. 船闸总体设计 5 2.1船闸基本尺度的确定 5 2.1.1闸室有效长度 5 2.1.2闸室有效宽度 6 2.1.3船闸门槛最小水深 7 2.1.4船闸最小过水断面的断面系数 8 2.1.5闸首长度 9 2.2船闸各部分高程的确定 9 2.2.1闸门门顶高程 9 2.2.2闸室

2、墙顶高程 9 2.2.3闸首墙顶高程 10 2.2.4闸首槛顶高程 10 2.2.5闸室底板顶部高程和引航道底部高程 11 2.2.6导航和靠船建筑物顶部高程 11 2.2.7引航道堤顶高程 12 2.3引航道平面布置及尺度确定 12 2.3.1引航道平面布置 12 2.3.2引航道尺度 12 2.4船闸通过能力计算 14 2.4.1船队进出闸时间 14 2.4.2闸门启闭时间 15 2.4.3闸室灌、泄水时间 15 2.4.4船舶、队进出闸门间隔时间 15 2.4.5船闸通过能力 15 2.5船闸耗水量计算 16 3. 闸首、闸阀门及输水系统选择 17 3.1闸门的选型及基本尺度计算 17

3、3.1.1门扇长度In 17 3.1.2门扇厚度tn 18 3.2输水系统初步设计 18 3.2.1输水阀门处廊道断面面积 18 3.3闸首结构初步设计 19 3.3.1闸首布置及构造 19 3.3.2边墩设计 19 4. 闸室结构形式初步设计 19 5. 船闸总体布置原则 19 6. 船闸布置图 20 6.1船闸总平面布置图（附图1） 20 6.2船闸纵断面布置图（附图2） 20 23 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

4、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，航道等级将从川级提高为U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

5、 单级 3 通航规模 U级 4 航道设计标准（m） 130 2.6 爲60 航宽航深弯曲半径 5 船队尺度（m） 186.0 2.4 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 正常畜水位（m） 23.9 13 通航净空（m） 10 14 地形地质 建基岩体主要为砂岩，岩体兀整性较好， 裂隙不甚发

6、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 4X 2000t 2排2列 186.0X 32.4X 2.6 B 1 顶 2X 2000t 2排1列 182.0X 16.2X 2.6 C 1 顶 2X 500t 2排1列 110.0X 10.8X 1.6 D 货船1000t 货船 49.9X 15.6X 2.8 A为主要设计船队，B、C、D为兼顾船队 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

7、.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。 Lx-lc If 式中 Lx闸室有效长度(m); lc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； If 富裕长度(m)，顶推船队If 2+0.06lc；拖带船队If 2+0.03lc; 货船和其他船舶I f4+0.05lc； 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4X 2000t。 表2.1.1闸室有效长度计算表 船队组合

8、 船队长度lc (m) 富裕长度lf (m) 闸室有效长度Lx (m) A 1艘4X 2000t船队 186.0 13.16 199.16 B + B 2艘2X 2000t船队 并列 182.0 12.92 194.92 B + C+ D 1艘2X 2000t船队 与1艘2X 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

9、定的8m，12m， 16m，23m，34m 宽度。 Bx 八 bc bf b 0.025(n-1)bc 式中Bx船闸闸首口门和闸室有效宽度(m); bc 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； bf 富裕宽度(m); =b 富裕宽度附加值(m)，当bc Im ；当Q 7m时, l b 1.2m； n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 Z bc (m) 富裕宽度bf (m) 闸室有效宽度Bx (m) A 1艘4X 2

10、000t船队 32.4 1.5 33.9 B + B 2艘2X 2000t船队 并列 32.4 1.6 34.0 B + C+ D 1艘2X 2000t船队 与1艘2X 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

11、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 -1.6 式中 H门槛最小水深(m)； T 设计船舶、船队满载时的最大吃水(m) 贝 H 1.6T =1.6X 2.6=4.16m,取 H =4.5m。 所以，船闸的门槛最小水深取 4.5m。 综上，船闸尺度为: 20001 20Q0t, 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: 2胚饥 20001 1.50T=3.9m （取 4.0m） 上游引航道底部高程=上游

12、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。 贝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

13、位+超高 =23.8m+ 2.7m =26.5m （取 26.6m） 2.2.7引航道堤顶咼程 本船闸引航道堤岸没有防洪功能，故取引航道堤顶咼程=导航建筑物堤顶咼 程 贝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 闸首墙顶咼程 26.7 26.7 3 闸首槛顶咼程 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 引航道底部咼

14、程 14.1 1.05 8 引航道堤顶咼程 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米用反对称式、对称式、不对称式3种形式。 由于本船闸为U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1 h-lc 式中li导航段长

15、度（m）; Ic 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:Ic=186.0m, li取 190m。 2）调顺段长度I2 12 （ 1.52.0） Ic 则：I2 取 300m。 3）停泊段长度b I3 I 考虑到部分船队在停泊段重组，取 2倍船长 则：I3 取 380m。 综上，引航道直线段的总长度 L= I1 + I2+ b=870m 4）过渡段长度14及制动段长度I/ I4 -10 b， B为引航道宽度与航道宽度之差，航道宽为130 m，引航道宽 度 120 m,贝U ：B=10 m， 14 =100 m； 5用I5八Ic估算，为顶推船队制

16、动距离系数，一般取2.54.5,则I5 =3 X 186.0=558m，取 560 m。 为减少引航道的工程量，过渡段I4及制动段I4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： B0 -Q S D b 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）; 侧等候过闸船舶、船队的总宽度（m）; b1 船舶、船队之间的富裕宽度，取b1= bc； ：b2 船舶、船队与岸之间的富裕宽度，取bi=0.5 bc； 则：Bo-

17、bc bah d=113.4m,取 120m。 3. 引航道最小水深 根据船闸总体设计规范（JTJ305-2001）: 5.5.31 级船闸引航道最小水深应按下式计算 _ 1.50 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：H03.9m,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

18、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v0.5m/s 单向出闸V4 =0.7m/s 双向进闸v=0.7m/s双向出闸V4，= 1.0m/s 贝23.67mint -L

19、= 5.57min Viv4 ,LJ, L4 ti1 16.90mintq411.83min ViV4 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36min,取为3 min。 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=8.0 min。 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310mi n。 由于本船闸设计每闸次只通过一个船

20、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 T 1=4t2+ t1 +2 t3+ t4+2 t5 =4X 3+ 23.67+ 2X 8+ 5.57+ 2X 2 = 61.24 min 双向过闸时间 T2=4t2+2t1+2t3 + 2t4+4 t5 =4X 3+ 2X 16.90+ 2X 8+ 2X 11.83+ 4X 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。 贝过闸时间 t氏）=53.99 min 2 2 式中 2.4.5船闸通过能力 船闸

21、日平均过闸次数： n =60 T -船闸每昼夜的平均工作时间（h），取22h。 n =24.44 min,取 n 为 24 次。 单向年过闸船舶总载重吨位： 2 NG： T 单向年过闸客货运量： 1 P2(n- no) 2 式中Pi单向年过闸船舶总载重吨位（t）； P2单向年过闸客货运量（t）； no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%; a船舶装载系数，取0.8； 0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

22、水量可根据船闸总体设计规范（JTJ305-2001） 6.2.1计 旦 86400 q =eu 式中： Q 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； 3 q闸门、阀门的漏水损失（m/s）； e止水线每米上的渗漏损失m3/（s.m ），当水头小于10 m时取 0.00150.0020m3/（s.m ），当水头大于10 m 时取 0.002 3 0.003m3/（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： Vo=C X H 式中：Vo单级船闸一次过闸平均用水量（m3）; C闸室水域面积

23、（m2）=上、下闸首闸门之间的水域长度（m）x 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。 1 Vo =Vo 2 C= （200+ 21 X 2）X 34= 8228 m2 口 23.9 +18.623.8 +5.05 厂“ H= 6.83 m 2 2 3 Vo=C X H=56197 m 1 3 V0 丄 Vo =28099 m3 2 V0=V0 +1 V0 =4214m3 2 2 u=18.1X 2+ （23.9- 0.5）X 3= 106.4m （取 110m） e

24、 取 0.002 m3/（s.m ） 3 q =eu=0.22 m/s -22421483 Q0.22 = 10.95 m s 86400 综上，船闸一天内平均耗水量为10.95 m3/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

25、。设计 闸门高度为24m，门扇长度为18.4m。 3.1.1门扇长度In IBk +2m 0.55Bc l n 2 cos 0 cos 8 =0.55 x 34 cos 22.5 =20.24m （取 20m） 3.1.2门扇厚度tn tn = （0.1 0.125） In =22.5m （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： T 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 ； 贝U: m =1.

26、84。 根据船闸输水系统设计规范（JTJ306-2001）:当m V 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

27、8mI、U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： = 0.0065 CLcH 式中：3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 8228 m2； Lc闸室水域长度 242m； H设计水头 18.85m。 贝沪39 m2，取 48 m2。 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li，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