船闸设计计算书(完美版)

第一章}

第二章船闸总体设计

第一章设计资料

一经济资料

1、建筑物的设计等级：

2、高良涧二线船闸按III级船闸、II级建筑物标准设计。

3、货运量：

4、淮河1995年的过闸货运量为1750万吨，年设计通过能力为1750万吨。

5、通航情况：

6、通航期N=360天/年，客轮及工作船过闸次数e n=1,船舶载重量不均匀系数α=，月不

均匀系数β=，船闸昼夜工作时间小时τ=22小时

7、设计船型：

8、

9、

10、

11、见表1-1

二水文与气象资料

\

1、特征水位及水位组合：见表1-2，1-3

高良涧船闸上游为洪泽湖，下游为灌溉总渠，根据江苏省水利厅规划的洪泽湖调蓄及灌溉总渠控制的情况及可行性研究报告提供的数据进行综合分析后拟定。

2、地质资料及回填土资料

高良涧二线船闸位于洪泽湖大堤，土质较为复杂，上部为人工夯实的湖堤，多为黄色粘土，持力层为粘土、亚粘土、粉砂夹层，但层次划分不明，软硬变化较大，下卧层基本上为承载力较高的砂性土，土层概况见表1-4

#

表1-4 闸址处土层概况表

&

3、地震资料

查江苏省地震烈度区划分图得，该地区属七度区，根据水工建筑物抗震设计规范SDJ—78“对于级挡水建筑物，应根据其重要性和遭震害的危害性可在基本烈度的基础上提高一度”的规定，考虑到本船闸属洪泽湖防洪线上的挡水建筑物，故按地震烈度八度设防。

4、地形资料

地形资料详见“高良涧二线船闸闸址地形图”

5、交通及建筑材料供应情况

水运可直达工地，公路运输亦方便，除木材外，其他材料供应充足，钢材由南京发货、水泥、石料、沙由安徽提供，木材由江西福建运来。

第二节船闸的基本尺度

.

船闸的基本尺度包括闸室的有效长度、有效宽度及门槛水深。

根据设计船型资料，考虑1顶+2×1000T船队两排并列一次过闸、1顶+2×1000与1拖+12×100船队并列过闸、1拖+4×500并列过闸三种组合。计算结果如下：

}

根据以上三种组合，综合考虑本航线上已建船闸的尺度、内河航运暂定标准、货运密度的变化等方面的情况，取闸室的有效长度为210m ，考虑镇静段长度20m ，则闸室长度230m ，闸室的有效宽度取23m 。由船舶吃水得槛上水深Hc ≥×=m ，考虑留有一定的富裕取m ，闸室的有效尺度230×23×m 。

第三节 船闸各部分高程

船闸的各部分高程不仅要保证船舶能安全、顺利的通过，而且要保证船闸运转操作的安全和方便。在这个前提下还要降低工程造价。船闸各部分高程可参考《船闸总体设计规范》中的有关内容计算确定。

1、 上游引航道底高程=上游最低通航水位－引航道的最小水深=－=m

2、 上游导航建筑物顶高程=上游设计最高通航水位＋超高（空载干弦） =+=m

3、 上闸首门顶高程=上游校核洪水位＋安全超高=+=m ！

当门前产生立波时，上闸首门顶高程=上游设计洪水位＋0h ＋2w h ＋安全超高=＋＋＋=m ，取m 。上式中0h 为波浪中心线超过静水位的高度，2w h 为波高，可按下式计算w

w L h h 2)2(02π

≈，33

.034.00151.02D H h w ω=，

33.0573

.0104.02D H

L w = ，式中H 为墙前水深，H =－=m ，w L 2为波长， ω为风速s m /8.20=ω，D 为吹程，与闸前水面宽度有关，D 取3km

4、 上闸首墙顶高程=门顶高程＋结构安装高度=+1=m

5、 上闸首门槛高程=上游最低设计通航水位－门槛水深－=m

6、 闸室墙顶高程=上游最高通航水位＋超高（空载干弦）=16+=m 设置m 高的胸墙，则实体墙顶高程为m

7、 闸室底高程=上游设计最低通航水位－闸室设计水深=－=4m

8、 （ 9、 下闸首门顶高程=上游最高通航水位＋超高=＋=m 10、 下闸首墙顶高程=门顶高程＋结构安装高度=＋1=，下闸首顶高程不低于闸室墙

顶高程，则取m

10、下闸首门槛高程=下游设计最低通航水位－门槛水深=－=4m 11、下游引航道底高程=下游最底通航水位－引航道最小水深=－=4m 12、下游引航道顶高程=下游最高通航水位＋超高（空载干弦）=＋=m 船闸各部分高程如下图所示

！

第四节 引航道尺度

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，并使进出闸的船舶能交错避让。引航道的平面布置，直接影响船舶进出闸的时间，从而影响船闸的通过能力。在确定引航道的平面布置时，应根据船闸的工程等级、线数、设计船型船队、通过能力等，结合地形地质、水流、泥沙及上下游航道的条件综合考虑。

根据高良涧二线船闸的闸址处的地形条件，采用反对称型引航道布置。 (一) 引航道长度

1、 导航段

c l l ≥，c l 为顶推船队全长，1顶+2×1000级船队长c l =160m

2、 @

3、 调顺段

≥2l （～）c l =240～320m ，取280m

4、 停泊段

c l l ≥3（主要考虑拖带船队长），考虑到解队过，解队后船队长m ，取180m

5、 过渡段

B l ?≥104，B ?为引航道宽度与航道宽度之差，二级航道宽为70m ，引航道宽

度m （取40m ），则B ?=30m ，4l =300m 6、 制动段

5l 用c l l ?=α5估算，α为船队进入口门航速，一般取～，则=5l 3×160=480m

(二) 、 (三) 引航道宽度

考虑一侧靠船，设计最大船宽m ，一侧等候过闸的船队总宽度1c b =m ，富裕宽度c b b 5.12=?，则引航道 (四)

引航道最小水深

5.10

≥T

H ，即T H 5.10≥=×=m ，考虑留有一定的富裕，取m

第五节 船闸的通过能力

1、 舶（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。 ~

单向进闸距离是船舶（队）自引航道中停靠位置（距闸首70m ）至闸室内停泊处之间的距离，单向出闸距离为船舶（队）自闸室内停泊处至船尾驶离闸首之间的距离；双向进闸距离是船舶（队）自引航道中停靠位置至闸室内停泊处之间的距离，双向出闸距离为船舶（队）自闸室内停泊处至双向过闸靠船码头的距离；

单向进闸距离1L =70+25+210=305m 单向出闸距离4L =20+25+210=255m

双向进闸距离1

L '=280+160+25+210=675m 双向出闸距离4

L '=210+20+25+160+280=695m 根据《船闸总体设计规范》查得

单向进闸s m v /5.01= 单向出闸s m v /5.01= 双向进闸s m v /5.01= 双向出闸s m v /5.01=

:

则min 2.10605.03051=?=

t ，min 1.6607.02554=?=t

min 1.16607.06751=?='t ，min 6.1160

0.16954=?='t

2、 闸门的启、闭时间2t

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20～30m 时，2t 约为2～3min ，取2min

3、 闸室灌、泻水时间3t

船闸灌泻水时间与水头、输水系统型式、闸室尺度有关，取3t =min

4、 船舶（队）进出闸门间隔时间5t

船舶（队）进出闸门间隔时间取min

~

则：单向过闸时间 =++++=543211224t t t t t T +4×2+2×9++2×5=min

双向过闸时间 =+'+++'=54321

242242t t t t t T 2×+4×2+2×9+2×+4×5=min

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，过闸时间

5.51)2

4.1013.52(2/1)2(2/121=+=+

=T T T min 船闸日平均过闸次数

6.255

.5160

2260

=?=

?=

T

n τ 取25次 船闸年通过能力

β

α

??-=G N n n P e )

(

式中：e n —日非运客、货船过闸次数，取1

】

N —年通航天数（360天） G —次过闸的平均载重吨位（4000吨）

α—船舶装载系数（） β—运量不均匀系数

吨44101750107.26071

.183

.04000360)

125()

(?≥?=??-=??-=β

α

G N n n P e

满足通过能力的要求

第六节 船闸的附属设施

船闸附属设施及其布置可参考《船闸总体设计规范》中的有关内容。 1、 系船设备 "

闸室、引航道等处的靠船建筑物靠船一侧，设置龛式系船柱。系船柱不突出墙面。

闸室墙、引航道等靠船建筑物的顶部设置固定系船柱。在闸室内的布置，首尾系船柱距闸室的有效长度两端距离为10m ；在闸室墙墙面上设置固定系船柱其纵向间距为1.5m,横向间距为15m ；另外在闸室墙上每隔40m 设置浮式系船柱。 2、 安全防护和检修设备

高良涧船闸位于洪泽湖大堤（国家一级防洪建筑物）上，为了确保安全，在上闸首设置防洪门，兼做检修门用；船闸闸室的闸室墙前沿设护轮坎。闸室两侧设置两道嵌入式爬梯，爬梯距闸首距离取10m 。 3、 信号和标志

船闸按昼夜通航要求设置信号和标志，每道工作闸门上、下游均设置水尺。 4、 控制通信

高良涧二线船闸距原来的老船闸近5km,在设计时为了充分为了充分发挥两个船闸的综合效益，合理调度船舶运行，建议在两个船闸之间设置一个远方调度站，同船闸上的总调度室一起调度船舶运行。

5、 ~

6、 房屋和道路

船闸的周围分别设置生产、辅助生产、生活等用房，并结合船闸建设规划作出统一的总

体设计，其布置要求合理紧凑，管理方便。

船闸的各部位之间，应根据需要设置内部道路和对外公路，高良涧船闸破洪泽湖大堤而建，原有的二级公路必需重建。 7、 环境保护

船闸设计应贯彻执行《中华人民共和国环境保护法》的有关规定，做到船闸工程设计与环保设计同步进行，保护环境。船闸的环保和绿化设计，应根据国家有关政策、法规、并参照现行的行业标准《港口工程环境保护设计规范》的有关规定。

船闸施工期由于吹填或基坑开挖，场地填筑等产生的粉尘，以及施工机械产生的噪音，对环境构成威胁时，应采取防治保护措施。

闸区范围内应进行近、远期绿化总体规划，其陆域绿化覆盖系数应不小于30%。 8、 消防和救护 /

船闸设计应执行《中华人民共和国消防法》的有关规定，设置专用的消防设施。闸首等部位设置消防栓、灭火器、灭火材料等有关器材。船闸应设专用的消防通道、消防水泵等。船闸的房屋设计应符合现行国家标准《建筑设计防火规范》的有关规定。

`

>

第二章 船闸的输水系统

第一节 输水系统的选择、输水型式及消能工

一 输水系统

输水系统可分为集中输水系统和分散输水系统两大类。判别系数

5.30.40

.50.8>==

=

H

T m

、

采用集中输水系统，结合已建船闸的输水型式采用环形短廊道输水。根据《船闸输水系统设计规范》集中式输水系统的布置原则，可初步确定输水系统的尺寸。

1、 输水廊道的进口

输水廊道的进口应布置在水下一定深度，一般低于设计最低通航水位以下～m 以上，以保证廊道进口顶部不产生负压，避免输水时吸入空气使进入闸室的水流掺气而加剧水流的紊乱。为减少水流进口的损失，在廊道进口修圆，修圆半径为（～）b （b 为输水廊道进口宽度），取m 。 2、 输水廊道的弯曲段

廊道弯曲段的主要设计任务是选择合适的曲率半径，特别是内侧曲面的曲率半径。根据规范，取进口转弯段内侧曲率半径m ，外侧6m ，转弯中心线4m ；出口转弯段内侧曲率半径2m ，外侧8m ，转弯中心线m 。 3、 输水廊道的出口 为减小输水廊道出口的水流流速，扩大水流对冲面积增加消能效果，并减少出口损失，廊道出口断面面积取阀门断面面积的倍（6m ）。为使出流均匀增加消能效果，在转弯的起点即开始扩大并增设导墙。导墙的位于廊道正中而略偏向外侧m 。

为使廊道出口处水流平稳，增加对冲消能的效果，并提高廊道内侧曲面的压力，廊道出口淹没水深通常上闸首大于～m ，下闸首应大于～m 。

4、 '

5、 输水廊道的直线段

在廊道的转弯段之间，应有一定的直线段长度，

主要是为了使阀门后水流能够得到充分扩散，同时便于布

置输水阀门和检修阀门。直线段的长度一般为（～）b 图 2-1 二 消能工

集中输水系统消能工的布置应使水流能够充分消能和均匀扩散，并不妨碍输水系统的泄流能力。根据后面水力计算中求出的流速和水头，查规范可采用简单消能工。选用消力槛消能。

输水系统及消能工的布置简图见图2-1

第二节 船闸输水系统的水力计算

1、 水阀门处廊道断面面积

—

]

)1(1[22V K g T H

c αμω--=

式中：c —计算水域面积 255×23=58652

m

H —设计水头 取m

μ—阀门全开时输水系统的流量系数，可取～，取 α—系数，锐缘平板阀门μ=时，取

V K —可取～，取

T —闸室灌水时间，取min

则； 2.24]

8.0)56.01(1[8.2987.02

.558692=--??=

ω2m

2、 .

3、 输水系统的阻力系数和流量系数

流量系数 c

vn t ξξξμ+'+=

1

式中：t μ—时刻t 时的输水系统流量系数

vn ξ—时刻t 时阀门开度n 时的阀门局部阻力系数，可按表A.0.4选用

ξ'—阀门井或门槽的损失系数，平面阀门取，这里用×2（两个门槽） c ξ—阀门全开后输水系统总阻力系数

输水系统总阻力系数c ξ包括进口、进口弯、出口弯、扩大、出口等的局部阻力系数和沿层摩阻损失的阻力系数，即

沿层出口扩大出弯进弯进口ξξξξξξξ+++++=c

{

各局部阻力系数可按《船闸输水系统设计规范》附录A 表A.0.1中提供的计算方法计算选取，其中：

进口ξ—对于边缘微带圆弧形的进口时为～，取 进弯ξ—进口转弯可由公式?

'

=90θξξk k 计算，其中θ为转角（?90），k

ξ'为系数与廊道的形状及转弯的曲率半径有关，当53.05

.324

2==

?R b 时，可查得k ξ'=，则进弯ξ=

出弯ξ—可用上面的方法求得，为

扩大ξ—可用公式2

)1(2

1ωωξ-=k 扩大计算，式中1ω、2ω为前后计算断面的面积分别为4×和6×，k 为系数，与圆锥顶角有关，由几何关系可知θ为?36.6（计算过程详见底稿），则查表得k =，则可以求出扩大ξ=

出口ξ—对于多支孔出口，出口ξ为～，需将出口处的阻力系数换算为阀门处廊道

断面的阻力系数乘以2

）（出口

ωω，则当出口阻力系数为时实际阻力系数为

沿层ξ—忽略沿层阻力的影响，取沿层ξ=0

则 c ξ=+++++0=

|

当阀门全开时 2

.0496.11+=t μ=

4、 输水阀门开启时间

)

(2χωω-=

C L r v P gH

DW K t

式中：r K —系数，对锐缘平板阀门取

ω—输水阀门处廊道断面面积 ×4×2=282m

D —波浪力系数，当船舶（队）长度接近闸室长度时，取1

W —船舶（队）排水量，计算阀门开启时间时用单船2×1000×=26003m

L P —船舶允许系缆力，按《船闸输水系统设计规范》表2.2.1确定，取32KN

￥

C ω—初始水位时闸室的横断面积×23=2m

χ—船舶（队）进水横断面积×××2=2m ，其中为船舶断面系数

则： min 8.45.288)

9.465.103(320

.58.922600128725.0==-???????=

s t v

5、 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核算

v t g

H

c T )1(22αμω-+=

式中：c —闸室水域面积 255×23=58652

m

μ—阀门全开时输水系统的流量系数，取

—

ω—输水阀门处的断面面积282m

α—系数，按表3.3.2确定，取

v t —阀门的开启时间，min

则：min 7.6608.4)53.01(8

.92288.00.558692=??-+?????=

T

6、 闸室输水水力特征曲线

船闸的水力特征曲线包括流量系数与时间的关系曲线、闸室水位与时间的关系曲线、流量与时间的关系曲线、能量与时间的关系曲线、比能与时间的关系曲线以及闸室与上下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线。

计算公式可参见《船闸输水系统设计规范》附录C 中的有关规定，具体计算过程可以编程计算。详见附录1的水力计算程序。将计算结果绘成水力曲线如下：

1）、流量系数与时间的关系曲线 '

流量系数可由公式c

vn t ξξξμ+'+=

1

计算，其中vn ξ可由阀门的开启度变化确

定。计算结果见流量系数与时间关系曲线。

2）、闸室水位与时间关系曲线

当忽略阀门开启过程惯性水头的影响时，阀门开启过程中任一时刻段末的水头可按下式计算：

2

1)22(c

g h h mt i i ωμ?-

=+

则闸室水位可用上游水位－水头，计算结果如下图：

3）、流量与时间关系曲线

~

流量与时间关系曲线可通过下列公式计算：

t

v

np

t

t

t

t

t

d

d

g

L

d

d

h

g

Q

?

=

+

=)

(

2

ω

μ

具体计算结果见下图：

4）、能量与时间关系曲线

能量与时间关系曲线可由下式计算

t

t

t

h

Q

E81

.9

=

:

5）、比能与时间的关系曲线

比能与时间的关系曲线可由下式计算：

t

t

pt

E

E

ω

=

计算结果见下图：

6）、流速与时间关系曲线

灌泄水过程各时刻的闸室与引航道断面平均流速可按下式计算：

t

t

t Q v ω=

。

计算结果见下图：

第三节 停泊稳定条件

当闸室灌水或泄水时，停泊在闸室内或引航道内的船舶将受到水流作用力的作用，而在系船缆绳上产生拉力。

在闸室灌、泄水过程中，影响水流作用力亦即过闸船舶缆绳拉力的大小及其变化的因素是相当复杂的。它不仅与输水系统的型式、阀门的开启方式有关，而且与船舶的大小、编队方式、系缆方法以及船舶在闸室和引航道内的位置有关。目前，缆绳拉力的确定还不能从理论分析上得到满意的解答，而只能对一些简单的情况作很粗略的近似计算。具体缆绳拉力的确定还需借助水工模型试验。

进行缆绳拉力的估算时，通常作以下的一些假设： 1、 船舶位于闸室纵轴线上；

2、 ：

3、

船舶的竖向位移对缆绳的水平拉力不产生影响；

4、 船舶绑系得很牢固，在水流作用下不产生水平方向的移动，缆绳拉力等于闸室灌泄

水时作用于过闸船舶上的全部水流作用力。

计算公式可参考《船闸输水系统设计规范》中3.3.7有关内容，计算过程如下： 船舶、船队在闸室内的停泊条件可按《船闸输水系统设计规范》中3.3.7的公式进行核算

L P P ≤1

闸室灌水时 )

(21χωω-?==c v r B t gH

DW K P P

式中：

1P —船舶、船队所受的水流作用力（KN ）

【

B P —灌泄水初期的波浪力作用（KN ） r K —取，锐缘平面阀门

ω—输水阀门处的廊道断面面积282m

D —波浪力系数，当船舶、船队的长度接近闸室长度时取1 W —船舶、船队的排水量2×1000×=26003m

H —设计水头m

v t —输水阀门的开启时间

c ω—初始水位的闸室横断面面积×23=2m

χ—船舶、船队浸水横断面面积××=2m

则： 0.1747.235.103604.65

8.922600128725.01=-???????=

=）

（B P P KN

KN P P L 320.171=≤=满足停泊稳定的要求

闸室泄水时 V i P P P +=1

i P —泄水时闸室水面坡降所产生的作用力，可按下式（附录）计算：

]4444[2

24

214

h

g

q h

h h g q h h g P i ---???=χρ?

c

t B H h χ

-

=

C C T

L B Ql q =

1 C

C c T L B l l Q q )(2+= 式中：

?—校正系数取 ρ—水的密度1 t/m

t H —时刻t 的闸室水深，可由闸室水位与时间关系曲线求得－4=m C B －闸室的宽度23m

h —换算的船底以下水深23

47

.23379.7-

=h =m Q —泄水流量，取最大流量s m /3

T l —船尾离上闸首的距离230－160=70m c l —船舶、船队的换算长度87.11047

.232600

==

=χ

W

l c m C L —闸室水域长度255m

1q —船尾处的单宽流量)]/([314.1255

2370

059.11031m s m q ?=??=

2q —船首处的单宽流量)]/([394.3255

23)

87.11070(059.11032m s m q ?=?+?=

则：

KN P i 2.5]166

.548

.9394.3166

.45166.5166

.548

.9314.1166

.54166.5[

47.238.90.12.12424=?--

??-????=

V P —由闸室的纵向流速所产生的作用力

2

222

)()(3/1])11[χωαχ?δ-????

??++-+???=gQ R C W fO m P c V （ δ—船舶、船队排水量的方形系数

?—剩余阻力系数，金属船取3105.10?

c m —船前流速不均匀系数，闸室泄水取

α—系数，862.023

379.747

.2323379.7=?-?=-=

ωχωα f —摩擦系数，金属船取31017.0-?

O —船舶浸水表面积（2×+×）=2m

R —水力半径，m L R 679.19

.06.10246.247

.23=?+?==）（χ

C —谢才系数，10.49679

.18.0187

=+

=

C

ω—闸室过水断面面积，×23=2m

22

2

3

23)47.23717.169(059.1108.9)679.11.4926001.16031017.0(3/1]862.0)111[47.23105.109.0-????????

????+??+?-+????=-（V P =KN KN KN P P P V i 32121.8921.22.51〈=+=+=

满足

停泊稳定的要求