第四章船闸总体设计
航道工程学-船闸的结构荷载与设计
03
船闸的荷载分析
船闸的静荷载分析
01
02
03
静水压力
船闸结构在静止水体中受 到的水压力，包括水体对 闸墙和闸顶的侧压力以及 水体对闸门的顶压力。
船闸自重
船闸各组成部分的自重， 包括闸墙、闸顶、闸门、 启闭机等。
土压力
闸门材料一般采用钢材或混 凝土，具体选择需考虑工程 要求和环境因素。
闸门的尺寸和结构需根据最 大通航船舶的尺寸和数量进 行设计。
闸门的设计还需考虑水压力、 风载、地震等外部荷载的影 响。
船闸的引航道设计
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引航道是连接船闸与上下游航 道的通道。
引航道的设计需考虑通航安全 、水流条件、船舶操纵等因素
。
引航道宽度、深度、转弯半径 等参数需根据最大通航船舶的
尺寸进行设计。
引航道的设计还需考虑河床变 迁、泥沙淤积等因素的影响。
船闸的稳定性和安全性设计
稳定性是船闸设计的关键因素 之一，包括整体稳定性和局部
稳定性。
安全性也是船闸设计的重点， 需考虑结构强度、防洪能力、
抗震能力等因素。
船闸的基础设计需根据地质勘 察资料进行，确保基础稳定可 靠。
航道工程学-船闸的结构荷载与设计
目录
• 船闸概述 • 船闸的结构设计 • 船闸的荷载分析 • 船闸的设计优化
01
船闸概述
船闸的定义和作用
船闸的定义
船闸是一种水利设施，通过闸门 的开启和关闭来调节水位，使船 舶能够顺利通过河流、湖泊等水 域。
船闸的作用
船闸在航道工程中起着至关重要 的作用，它能够调节水位，克服 河流落差，保证船舶安全、顺畅 地通航。
船闸课程设计
第一章工程概况北运河水系位于海河流域北部，东经115°30′～118°30′、北纬39°05′～41°30′之间，西界为永定河，东界为潮白河，南至海河。
北运河纵贯京津冀都市圈，沿程流经北京市的通州区、河北省的香河县、天津市的武清区、天津市的北辰区以及天津市部分市区。
北运河发源于燕山北部军都山南麓昌平、延庆一带，流域面积6166 km2，其中山区面积为952 km2，占流域总面积的16％，平原面积5214 km2，占流域总面积的84％。
以北京市通州区北关闸为界，北关闸以上称温榆河，以下始称北运河。
2007年北关拦河闸下移800m重建，称新北关闸。
北运河干流即从新北关闸（以下均指新北关闸）至天津市区子北汇流口，河道全长141.9km。
本次工程研究范围自北关闸至北辰区的屈家店闸，全长127km。
图1-1 北运河水系分布图考虑到北运河未来与京杭大运河南段沟通的可能性，北运河船型采用京杭大运河标准船型。
考虑到北运河综合整治对环保要求的特点，主要考虑通航集装箱船，不考虑其它具有污染性的干散货船，但可以通航液体散货船。
V级航道集装箱船装载16标箱，相当于载重量为300t的货船，VI级航道集装箱船型标准船型中未列出，故按100t油船和客船考虑。
采用4座保水型船闸，包括榆林庄闸、杨洼闸、木厂闸和新三孔闸。
本课程设计只对榆林庄闸进行计算。
第二章设计依据第一节自然条件一、地形、地貌和地质条件北运河干流流域位于湖积平原，地势平缓、广阔，由西北向东南微倾斜，河道两岸仅分布一级阶地，除通州城区段以外，河道滩地多为农田，堤防外侧为农田、村庄；下游两侧多洼地。
北运河河道蜿蜒曲折，堤外地面高程上游北关闸附近在20.0m左右，下游屈家店附近在3.0m左右，地面坡度为1/5000～1/10000，滩地高程与堤外地面基本一致。
杨洼闸和榆林庄闸坝址处地质条件较好，主要由粉沙和粘土组成，承载力一般在200kPa。
船闸毕业设计
船闸毕业设计一、选题背景船闸是连接两个不同水平的水域，调节水位和船只通过的设施。
随着国内经济的快速发展，水运业也逐渐成为一个重要的行业。
而船闸作为水运业中不可或缺的设施，其重要性也日益凸显。
因此，本次毕业设计选择了船闸作为设计对象。
二、设计目标本次毕业设计旨在设计一种高效、安全、稳定的船闸系统，以满足现代化水运行业对于船闸系统的需求。
三、方案设计1. 船闸系统结构设计（1）升降机结构升降机是船只通过船闸时需要使用到的设备。
升降机主要由上下两部分组成，在上部分设置一个平台，用于停靠船只；在下部分则设置一个升降装置，用于控制平台上下移动。
（2）防波堤结构防波堤是为了减小外界环境对于升降机造成影响而设置的设施。
防波堤主要由混凝土块组成，在其表面覆盖一层防腐材料以增加其使用寿命。
（3）水闸结构水闸是调节船只通过船闸时水位的设施。
水闸主要由一组门板和门板控制机构组成。
门板控制机构由油缸、阀门、电机等组成，用于控制门板的开启和关闭。
2. 船闸系统控制设计（1）PLC控制系统PLC控制系统是一种高效稳定的自动化控制系统，其通过PLC程序实现对于船闸系统各个部分的自动化控制。
PLC程序主要包括升降机、防波堤和水闸三个部分。
（2）远程监测系统远程监测系统主要用于对于船闸系统进行实时监测，以及对于异常情况进行报警处理。
远程监测系统主要由传感器、数据采集器和云平台三部分组成。
四、实验结果与分析经过多次模拟实验，本次毕业设计所设计的船闸系统在性能上达到了预期目标。
在升降机方面，其运行速度能够满足船只通过时的需求；在防波堤方面，其能够有效减小外界环境对于升降机造成影响；在水闸方面，其能够实现对于船只通过时水位的调节。
五、总结与展望本次毕业设计所设计的船闸系统在性能上达到了预期目标。
但是，由于时间和经费等限制，本次毕业设计所设计的船闸系统还有待进一步完善。
未来，我们将进一步优化控制系统，并增加安全保护措施以提高船闸系统的安全性和稳定性。
船闸设计课件讲解
2）不允许淹没 上闸首顶高=防洪水位+ a 闸首室墙顶高程=下闸首顶部高程 下游引航道墙顶高程=下游最高通航水位 (0.5 ~ 1.0)m 上下游闸门顶高程=最高通航水位或防洪水位 (0.2 ~ 0.5)m
五、船闸的引航道 引航道作用在于保证船舶安全，顺利进出船闸，供等待过 闸船舶的安全停泊，使进出船闸船只交错避让，引航道应具 有足够的水深和一定的平面形状和尺寸。 引航道平面形状与尺寸取决于船舶过闸繁忙程度，船队进 出闸的引驶方式以及靠船和导航建筑物的型式与位置。
BK (1.10 ~ 1.15)B
B —并列过闸船只总宽。
有的书的建议这样确定 B K
BK mB1 2B (m 1)C
B1 —驳船宽度； m —过闸船队横向驳船数； B—船与闸室墙间富裕宽度一般 B (0.1 ~ 0.15)mB1 取 B 0.4 ~ 1.5m 一般取 C 0.3 ~ 0.5m C —船舶之间空隙，
BC—过闸船只宽度；
B—船与船、船与岸边富余宽度；
。 B (0.2 ~ 0.5)引航道中船速较小取小值，船速较大取大值 Bc
采用三线过闸即一船队过闸，两船队停在引航道内
Bo 3Bc 4B
引航道底宽 B底 Bo 2m(hk T )
m —边坡系数；
hk —引航道内最小通航水深；
船闸工作原理： 假定船舶从下游驶向上游，闸室内水位与下游水位齐平， 下闸门开启，上闸门及上游输水阀门关闭。 首先将船舶从下游引航道内驶向闸室，关闭下闸门及下 游输水阀门，然后打开上游输水阀门给闸室灌水，等闸室
内水位与下游水位齐平后，打开上闸门，船舶驶出闸室， 而进入上游引航道 从上游驶向下游其过闸程与此相反。
不过，近年来国内外建造了一些水头H>20m的单级船闸， 如广西融江的麻石船闸H=22m，江西赣江万安船闸H=32.6m。 国外建成的水头最大的单级船闸，前苏联额尔齐其尔河的 石山口船闸H=42m。
船闸总体设计规范(JTJ305-2001)
JTJ 中华人民共和国行业标准 JTJ305一2001船闸总体设计规范Code for Master Design of Shiplocks2001一09一05发布 2002-01-01实施中华人民共和国交通部发布中华人民共和国行业标准船闸总体设计规范JTJ305- 2001主编单位:中交水运规划设计院批准部门:中华人民共和国交通部施行日期:2002年1月1日关于发布《船闸总体设计规范》的通知交水发〔2001)485号各有关单位:由我部组织中交水运规划设计院等单位修订的《船闸总体设计规范》，业经审查，现批准为强制性行业标准，编号为JTJ305--2001,自2002年1月I日起施行。
《船闸设计规范(第一篇总体设计)》(试行)(JTJ261-87)同时废止。
本规范由交通部水运司负责管理和解释，由人民交通出版社出版发行。
中华人民共和国交通部二 0 O 一年九月五日修订说明本规范系在《船闸设计规范(第一篇总体设计)》(试行)(JTJ261-87)的基础上修订而成。
主要包括船闸规模、船闸设计水位和高程、总体布置、船闸通过能力和耗水量计算、船闸附属设施和施工通航等技术内容。
本规范的主编单位为中交水运规划设汁院(原交通部水运规划设计院)。
原规范是从当时我国的实际情况出发，在总结建国四十年来船闸建设的实践经验和吸收丰富的科研成果、国外先进技术的基础上编制完成的。
原规范颁布试行十余年来，为工程建设的发展起到了积极重要的作用，其社会、经济效益十分显著，但随着船闸工程建设的发展以及新技术的出现，原规范已难以满足需要。
本规范在总结十余年来船闸建设的基础上，对船闸建设规模的设计水平年、船闸门槛最小水深、引航道布置和通航水流条件、施工通航等内容进行修订，并增补了连接段设计、开通闸的条件、多级船闸通过能力计算、环境保护、消防和救护等内容，同时按现行行业标准《水运工程建设标准编写规定》(JTJ200-2001)的要求对原规范书写格式和章、节、条等进行了重新编排。
船闸工程施工方案..
船闸工程施工组织设计第一章综述1.1项目概况松花江干流大顶子山航电枢纽工程位于哈尔滨市下游46km处，是松花江干流规划7个梯级航运枢纽工程中的第一个梯级，该工程的建设对改善哈市水环境、发挥航运、发电、水产养殖及旅游业的综合效益有着十分重要的意义。
航电枢纽主要由船闸、泄洪闸、电站、土坝、坝顶公路桥、连接段及生产生活辅助设施等建筑物组成，船闸作为航电枢纽工程的一部分，左侧紧邻泄洪闸、右侧与岸相接。
1.2闸位布置大顶子山船闸闸位位于松花江右岸侧，船闸纵轴线和枢纽大坝中轴线夹角89.5°。
1.3工程组成内容和建设规模、标准1.3.1工程组成内容船闸工程由上下闸首、闸室、上下游导航墙、上下游靠船墩、上下游隔流堤、跨闸室公路桥等部分组成。
见《cz-01船闸结构图》。
1.3.2建设规模、标准本船闸为Ⅲ级通航建筑物。
主体结构水工建筑物级别为：上闸首:一级水工建筑物；下闸首、闸室:二级水工建设物；导航墙、靠船墩、隔流堤:三级水工建筑物，临时工程:四级水工建筑物。
船闸基本尺寸为28×180×3.5m(口门窗×闸室长×最小槛上水深)，上、下游主导航墙及调顺段各长390m，上、下游靠船段各长160m(上、下游靠船墩各8个)，上游分隔堤长645m(包括导航墙及靠船墩)，下游分隔直线长550m(包括导航墙及靠船墩)，之后接700m 长的圆弧段(半径1500m)，隔流堤下接1476m长的抛石顺坝。
上、下闸首闸门为钢质平板人字门，阀门为钢质平板提升门，闸、阀门启闭机均采用液压直推式启闭机。
上、下闸首检修闸门采用钢质叠梁门，检修闸门的吊装设备采用立柱桥式起重机。
电气控制系统采用集散控制系统，主要设备采用PLC和工控机，配电采用电网管理系统进行监测。
1.4船闸建筑物各部位高程船闸建筑物各部位高程1.5主要工程数量、材料和设备船闸主要工程数量表砼抗冻标号：F300；砼防渗标号：W6。
船闸设计
门槛水深H
一、船闸的基本尺度 船闸有效长度Lx的计算
取值： LX lc l f
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
3、原理：类似船闸 4、特点
升船机一般在高水头情况下采用，在提升船舶、
船队的过程中不消耗水，提升速度较快，但机 电设备重量大，制造与安装精度要求高，适用 枢纽上下游水位变幅能力差。
船闸与升船机比较 1、相同：克服上下游水位差的通航建筑物 2、不同 原理不同 船闸：利用水力作用使船舶升降 升船机：利用机械作用使船舶升降
船闸 升船机
引航道 相同
闸首 有输水系统 没有输水系统
躯干
闸室 （固定）
承船厢 （活动）
船闸分级
船闸组成 闸室、闸首、引航道三个基本部分及相应的设备组成。
一、船闸组成 1、闸首：上、下闸首（多级船闸还有中闸首） 设备：工作闸门，输水系统，闸、阀门的启闭机械， 交通桥，辅助设备 作用：将闸室与上、下游引航道隔开，使闸室内维 持上游或下游水位，以便船舶（队）通过。
一、船闸组成 5、引航道(上、下游)： 分段：直线段、过渡段、制动段 设施：导航及靠船设施
作用：保证船舶（队）顺利进出船闸，并为 等待过闸的船舶提供临时停泊的场所。
⒈上行作业 ①打开下闸门→②进入闸室→③关闭下闸门→④打开上
阀门灌水至齐平→⑤打开上闸门→⑥进入上游引航道 ⒉下行作业 ①打开上闸门→②进入闸室→③关闭上闸门→④打开下
组成
闸墙：设有系船柱和系船环 闸底板：整体式或分离式
第四章 船闸总体设计
第二节 船闸设计水位和各部分高程
船闸设计水位通常包括船闸设计通航水位、船闸校核水位和船闸检修水位。
一、船闸设计水位
船闸设计通航水位应根据水文特征、航运要求、船闸级别、航道条件、两 岸自然条件、综合利用要求等因素综合分析确定。 1．上游设计最高通航水位 设计洪水频率（表4-1） 下的洪水流量 上游洪水位 对水利水电枢纽不得低于正常蓄水位，对航运枢纽不得低于正常挡水位 和设计挡水位。 2．上游设计最低通航水位 通航保证率 （表4-2） 上游最低通航水位 还应与枢纽的死水位和最低运行水位相比较取低值。 3．下游设计最高通航水位 设计洪水频率相应的最大下泄流量 对应的下游最高水位 有梯级衔接时尚应考虑受下一梯级回水的影响。
Lc 2 B 2R B0
弯道加宽：
弯道中心角大于35°时， ⊿B适当加大 3．导航和靠船建筑物布置
五、施工期通航问题 通航方式与设施： （1）先建船闸通航； （2）修建临时船闸通航； （3）临时船闸结合导流明渠通航的综合方式。
三峡工程施工通航方案：
施工期通航采用明渠结合临时船闸的方案，采用分三期导流方 案进行施工。
(5)跨越(或穿越)船闸和船舶停泊区的建筑物以及电力线路等应不影响船闸 的正常使用和安全，尽量避免水、陆交通的相互干扰。
三、船闸通航水流条件
1．通航水流条件的概念:流速、流态及分布范围
2．引航道口门区
3．通航水流条件的标准：表4-5 4．泄水波和风浪 5．船闸灌、泄水不稳定流
四、船闸的引航道布置
一、船闸布置方式 船闸布置方式一般可分为闸坝并列式和闸坝分离式两大类。 1．闸坝并列式布置
按船闸闸室与坝轴线相对位置，还可分为船闸伸向坝轴线上游和 坝轴线下游两种。
2．闸坝分离式布置
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第二节 船闸设计水位和各部分高程
船闸设计水位通常包括船闸设计通航水位、船闸校核水位和船闸检修水位。
一、船闸设计水位
船闸设计通航水位应根据水文特征、航运要求、船闸级别、航道条件、两 岸自然条件、综合利用要求等因素综合分析确定。
(4)客运、旅游等船舶多，过闸频繁，需解决快速过闸的；
(5)区间小船、渔船和农副业船舶数量多，过闸频繁影响通过能力的。
三、船闸级数
船闸级数直接影响船闸通过能力。船闸级数的选择，应根据船闸总水头、 地形、地质、水源、水力学等自然条件和可靠性、技术条件、管理运用 条件等，通过经济技术比较确定。
当水头较大，具有下列情况之一时，应考虑多级船闸方案：
1．上游设计最高通航水位
设计洪水频率（表4-1） 下的洪水流量
上游洪水位
对水利水电枢纽不得低于正常蓄水位，对航运枢纽不得低于正常挡水位
和设计挡水位。
2．上游设计最低通航水位
通航保证率 （表4-2）
上游最低通航水位
还应与枢纽的死水位和最低运行水位相比较取低值。
3．下游设计最高通航水位
设计洪水频率相应的最大下泄流量
（1）单向一次过闸时间： T 1 4 t1 t2 2 t3 t4 + 2 t5 （2）双向一次过闸时间： T 2 4 t 1 2 t 2 2 t 3 2 t 4 4 t 5
T222t1t2t3t4+2t5
（3）单级船闸船舶平均过闸时间：
T
1 2
(T1
T2
2)
2．连续多级船闸一次过闸时间
(1)位于枢纽挡水前缘闸首工作闸门门顶高程应满足枢纽挡水要求。 (2)船闸非挡水前缘闸首的工作闸门门顶高程按通航要求。 (3)检修闸门门顶高程采用检修水位加安全超高。 2．闸首墙顶高程 船闸闸首墙顶高程根据闸门门顶高程、结构布置和构造、交通要求、邻近挡水 建筑物高程等确定，并不得低于闸门和闸室墙顶部高程。 3．闸室墙顶高程 闸室墙顶高程应为上游设计最高通航水位加超高。安全超高见表4-4（干舷高度） 4．闸首门槛顶和引航道底高程 闸首门槛顶高程分别为相应设计最低通航水位减门槛最小水深。引航道底高程 分别为相应设计最低通航水位减引航道设计最小水深。 5．闸室底板顶部高程 6．导航建筑物和靠船建筑物顶及引航道堤顶高程
3．门槛最小水深 ： H 1 .6
T
1.5~2.0
二、船闸线数
船闸线数是船闸规模的重要部分，选择依据：船闸设计水平年内的客、 货运量，过闸的船型船队组成，地形地质条件，船闸所在河流的重要性 等因素，结合船闸尺度及通过能力、船闸级数，综合论证选择。 若有下列情况之一时，应论证研究修建双线或多线船闸：
3．影响船闸通过能力的因素 (1)船闸的技术水平； (2)外部条件； (3)船闸管理水平。
4．提高船闸通过能力的途径 （1）提高船闸的技术水平； （2）提高船队进出闸速度，缩短船队进出闸时间； （3）提高船闸管理水平。
二、船舶过闸方式和过闸时间
过闸方式：单向过闸；双向过闸；成批过闸。
1．单级船闸一次过闸时间
6．船闸下游校核低水位
下游校核低水位，可采用枢纽最小瞬时下泄流量相应的下游最低水位。
7．船闸上、下游检修水位
船闸检修水位，是船闸检修期间的上限水位，也是船闸建筑物设计水位之一。当水 位超过检修水位时，船闸不能抽干闸室的水进行检修。
8．船闸施工水位
施工导流
二、船闸各部分高程
船闸高程包括船闸顶部高程和底部高程 1．船闸闸门门顶高程
章船闸总体设计
节船闸规模 节船闸设计水位和各部分高程 节船闸通过能力和耗水量 节船闸在水利枢纽中的布置
第一节 船闸规模
《船闸总体设计规范》JTJ305—2001; 《内河通航标准》（GBJ139-90）
一、船闸基本尺度
1．闸室有效长度：
Lx lclf
2．闸室有效宽度 ：
Bc bcbf
国家标准《内河通航标准》中规定的宽度:8m、12m、16m、23m、34m。
(1)采用单线船闸不能满足设计水平年内过闸船舶数量、总吨位数、客货运 输量过闸的通过能力要求的；
(2)客货运量大，船舶过闸繁忙的连续多级船闸，由于单线船闸影响运转要 等待和延长过闸时间，降低通过能力和船舶运输效率而不经济的；
(3)运输繁忙和重要航道在年通航期内，不允许由于船闸检修、疏浚、冲沙 和事故等原因造成断航的；
(1)采用单级船闸受技术条件的限制，特别是受船闸水力学条件和闸门技术 条件的限制；
(2)受船闸所处位置的地形、地质条件的限制，如地形较高，建单级船闸开 挖深度大，与枢纽中相邻建筑物连接难以处理等；
(3)河流缺水，需要节省船闸耗水量，建省水船闸又不经济时。 影响船闸级数的因素很多，也很复杂，一般可按下述范围考虑：
第三节 船闸通过能力和耗水量
一、船闸通过能力
船闸通过能力系指单位时间内船闸能通过的货物总吨数(过货能力)或船舶 总数(过船能力)，是船闸的一项重要经济技术指标。
1．单向年过闸船舶总载重吨位
P1 n NG 2
2．单向年过闸客货运量
P2 1(nn0)NG
2
年 年最 平大 均月 月货 货运 运量 量
对应的下游最高水位
有梯级衔接时尚应考虑受下一梯级回水的影响。
4．下游设计最低通航水位
相应通航保证率
下游设计最低通航水位；历年的下游航道最低水位或者
深潭水位；枢纽下泄的最小瞬时流量相应水位。
多级船闸应采用下一梯级上游设计最低通航水位回水到船闸的相应水位
5．船闸上、下游校核高水位
船闸上游校核高水位，可采用枢纽的校核洪水水位或非常运用水位。船闸下游校核 高水位，可采用枢纽的校核洪水位或非常运用时最大下泄流量相应的下游最高 水位。
2
单级船闸实际计算用水量：V1(V01V0)0.75V0 22
2．闸阀门漏水量：
q eu
3．船闸一天内平均耗水量： Q nV q 86400
3．设中间渠道的船闸一次过闸时间
三、船闸耗水量
船闸的耗水量是船闸的一项重要的经济技术指标。
船闸的耗水量包括船舶过闸用水量和闸、阀门漏水量两部分。 1．单级船闸（直立闸墙）单向一次过闸的用水量：
V 0 C H ( 1 .1 5 ~ 1 .2 0 )L x B x H
双向一次过闸用水量：
V
1 V0