船闸设计计算说明书(新三孔闸)

二、
2.1
2.1.1
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。
多年平均气温11.3℃～12.7℃，1月份温度最低，月平均气温-5.0℃～-5.3℃,7月份温度最高，月平均气温25.8℃～26.1℃。无霜期206d左右，最大冻土深度62cm～70cm，多年平均日照时数2651小时～2744小时。多年平均风速为3.0～3.5m/s，历年最大风速24 m/s。多年平均蒸发量1133mm～1200mm。多年平均降雨量561～585mm，汛期降雨量占全年的80%～85%，且多以暴雨形式出现在7、8月份。降雨年际变化也很明显，丰枯比达数倍之多。
（1）导航段长度
导航段长度应大于设计最大船泊的长度，即： （3-7）
取
（2）调顺段长度
调顺段是进出船闸的船舶从引航道线转到船闸轴线或从船闸轴线转到引航道航线，或曲线进闸船舶由停靠轴线转到船闸轴线所需的长度。需满足：
（3-8）
即：
取
（3）停泊段长度
停泊段长度应满足：
（3-9）
取
（4）过渡段长度
过渡段的长度应按下式(3-10)确定：
（3-4）
（3-5）
式中： ——船闸闸首口门和闸室有效宽度（m）；
——同一闸次过闸船舶并列停泊于闸室的最大宽度（m），此设计中考虑双向过闸，则为设计最大船队或船舶的宽度 ，取 ；
——富裕宽度（m）；
——富裕宽度附加值（m）；
当 时， ； 时， ，
此设计中 ， ，故取 ；
——过闸停泊在闸室的船舶列数；
此设计中 ，故：
。
所以船闸闸首口门和闸室有效宽度：
故：按照规范要求取
3、船闸门槛最小水深
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，满足设计船舶、船队满载时的最大吃水加富裕深度的要求，按公式（3-1）计算：
（3-1）
计算结果为：
故：可取 。
4、最小过水断面的断面系数
为保证船舶、船队安全顺利地过闸，一般要求：
（3-6）
式中： ——设计最低通航水位时，闸室过水断面面积（ ），此设计中 ；
——最大设计船队、船舶满载吃水时船舯断面水下部分的断面面积（ ），此设计中 。
故：
最小过水断面的断面系数满足要求，不需再调整门槛水深。
综上：可取船闸闸室的有效尺度为 (长×宽×门槛水深)。
3.3.2
1、引航道的长度
引航道一般由导航段、调顺度、停泊段、过渡段、制动段组成。
6.6
2.0
2.2.2
根据《船闸水工建筑物设计规范》（JTJ307）规定船闸建筑物航级如表2-4所示。
由此确定V级船闸闸首、闸室按3级建筑设计，导航建筑物按4级设计，临时建筑物按5级设计。VI级船闸闸首、闸室按4级建筑设计，导航建筑物按5级设计。
表2-4船闸建筑物航级
船闸航级
主要水工建筑物
次要建筑物
(3-10)
式中，△B——引航道宽度与航道宽度之差，而本航道为单线船闸，可不做考虑。
（5）制动段长度
制动段长度可按下式(3-11)估算：
(3-11)
其中： ——顶推船队的制动距离系数，根据经验当航速为 时， 可在 之间选用，本设计中取
故： 取
所以引航道长度
2、引航道宽度
单线船闸引航道宽度应按双向过闸确定，即出闸船舶与停在靠船建筑物等候进闸的船舶错让时所需要的宽度，停泊段采用两侧停船进行计算。
故：闸门顶部高程 。
2、闸首墙顶高程
新三孔船闸的闸首不用于挡水，不得低于闸门和闸室墙顶部高程。
故：闸首墙顶部高程 。
3、船闸上、下闸首门槛顶部高程
闸首上、下闸首门槛顶部高程为上、下游设计最低通航水位值减去门槛最小水深值。门槛最小水深由公式（3-1）计算：
（3-1）
式中： ——门槛最小水深（m）；
——设计船舶、船队满载时的最大吃水（m），此设计中 。
本设计中导航和靠船建筑物无隔流要求，导航建筑物采用墩板式结构，靠船建筑物采用独立墩式结构。
3.2
3.2.1
1、闸室墙顶部高程
船闸闸室墙顶部高程为上游设计最高通航水位加超高值，且其超高值不应小于设计过闸船舶、船队空载时的最大干舷高度。其中新三孔闸通过的最大船舶为16TEU船，相当于载重量为300t的货船，船舶空载时的最大干舷高度为 。
图2-2两船闸方案水位水头示意图
表2-2新三孔闸设计水位及水头方案Leabharlann 地点上游通航水位（m）
下游通航水位（m）
水头（m）
两船闸
新三孔闸
8.0
4.8
3.2
2.1.3
北运河流域属东亚暖温带大陆性季风气候区，四季分明。春季干旱多风，蒸发量大；夏季受海洋性气候及台风影响，炎热多雨，且降雨集中；秋季天高气爽，降雨稀少；冬季多北风，寒冷少雨雪。
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。
4.1.1
门扇的计算长度 是门扇支垫座的支撑面到两扇门叶相互支承的斜接面的距离。其值按公式(4-1)求得：
3.1.4
引航道采用对称型布置，即引航道轴线与船闸轴线重合，且引航道的横断面采用梯形，坡度初步拟定为1:3。引航道的停泊段的两侧均停船，即引航道按“两停一行”要求进行布置。
3.1.5
上、下闸首入口两侧设置导航建筑物。主、辅导航建筑物均采用弧形，两侧导航建筑物之间的距离由闸首口门宽度逐渐拓宽到引航道的正常宽度。
2.2.4
1、材料的供应情况如下表2-5。
表2-5建筑材料及购买地
建筑材料
购买地
土方
就地取材
石料
蓟县
混凝土
离城镇较近
就地购买
离城镇较远
现场拌合
钢材
钢材市场
其它装饰材料
市场
2、各种材料的物理指标：
混凝土γ=24.0kN/m3；
钢筋混凝土γ=24.5kN/m3；
浆砌块石γ=22.0kN//m3；
水泥砂浆或干砌块石γ=20kN/m3。
故:闸室墙顶部高程 。
2、闸室墙底板顶部高程
闸室底板顶部高程不应高于上、下闸首门槛顶部高程。
故:取闸室底板顶部高程 。上闸首设帷幕墙，则墙高为 。
3.2.2
1、闸门顶部高程
由于新三孔船闸的闸首不用于挡水，故其闸门顶部高程为上游设计最高通航水位加安全超高。新三孔船闸的等级为Ⅴ和Ⅵ级，所以安全超高值不应小于 。
新三孔闸和八孔闸坝址区持力地层主要为粉砂层和粘土层，承载力标准值均为80kPa。地下水对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。
表2-1各类土的物理力学指标
船闸位置
土类型
φ/º
c/kPa
c /kPa
饱和容重/kN/m3
浮容重/kN/m3
水上
水下
三孔闸
砂土
26
20
0
19
10
2.1.2
图2-1四船闸方案水位水头示意图
引航道直线段外为弯曲航道时，其弯曲半径不得小于最小限制，即：
(3-13)
故取：
在引航道口门区和连接段最小弯曲半径值应适当加大一个 ，计算值 可取 。
（2）航道加宽
弯曲航道上，船舶的漂角增大，航迹带宽度比直航段宽。
其加宽值为：
(3-14)
故：取
四、
4.1
本船闸上、下闸首均采用横梁式平面人字闸门，在上闸首的上游设检修闸门，检修闸门为叠梁式闸门。
（3-2）
式中： ——引航道最小水深；
——设计最大船舶的满载吃水， 。
计算结果为： 。
故：上游引航道底高程 ；
下游引航道底高程 ；
3.3
3.3.1
1、船闸闸室的有效长度
闸室有效长度不应小于按式（3-3）计算的长度，并取整数。
（3-3）
式中 ——闸室有效长度（m）；
——设计船队、船舶计算长度（m），此处 ；
临时建筑物
V级
3
4
5
2.2.3
船船装载系数0.7；
运量不均衡系数1.3；
一次过闸运量：300t【V级航道、16TEU船(300t货船)】
年通航天数270天；
工作时间：两班制14小时；三班制21小时；
过闸航速：
单向：进闸0.5米/秒，出闸0.7米/秒；
双向：进闸0.7米/秒，出闸1.0米/秒；
每天非货船过闸次数：2次。
2.1.4
此设计中暂不考虑，仅按构造要求进行抗震设防，如有必要可单独进行验算。
2.2
2.2.1
北运河规划近期货运量为160万吨，集装箱可按平均每箱8吨折合。
设计船型尺度如下表2-3。
表2-3设计船型尺度
航道航级
船船吨级
设计船型尺度（m）
总长L
型宽B
设计设水T
V级航道
16TEU船(300t货船)
40~42
——富裕长度，其中：
顶推船队 ，
拖带船队 ，
机动驳和其他船舶 。
根据公式，最终计算结果如下表3-1所示：
表3-1 闸室有效长度计算表
计算有效长度
实际取有效长度
42
6.1
48.1