渠化工程课程设计

《渠化工程学》课程设计

1 设计目的

课程设计的目的在于巩固和加深课堂中所学的基本概念和基本理论，了解渠化工程（主要指船闸）设计的一般原则、步骤和方法，树立正确的设计思想，培养和提高计算、绘图的基本能力。 2 设计任务

通过渠化工程课程设计，可以将所学的基础课和专业基础课同专业知识有机的结合起来，使学生更好地明确学习目的，加深专业印象，为今后从事航道及通航建筑物的勘测、规划、可行性研究、设计、施工和科学研究工作打下坚实的基础，以达到本专业培养目标的要求。 3 基本内容与要求

船闸总体平面布置及设计标准

船闸及引航道在枢纽中的布置 1.船闸的布置 （1）布置原则：

①船闸在通航期内应有良好的通航条件，满足船舶安全迅速通畅过闸，并有利于运行管理和检修；

②遵照综合利用、统筹兼顾的原则，正确处理船闸与溢流坝、泄水闸、电站等建筑物之间的关系和矛盾，优化布置，以发挥最大的综合效益；

③根据国民经济发展规划，做到远近结合，既要满足设计水平年内航运的需要，又要考虑远景发展，充分留有余地；

④在满足航运要求的前提下，应尽量选择经济合理、工程投资少、能就地取材、施工方便的方案；

⑤对大、中型和水流泥沙条件复杂的工程应进行模型试验，优选布置方案。 (2)布置方式：采用闸坝并列式。 2.引航道的布置

（1）引航道的布置方式：采用对称型式。 （2）引航道尺度

1）引航道宽度0B ：单线船闸且停泊段只一侧停泊等候进闸的船舶 因为，0B ≥211b b b b c c ?+?++=+++*= 所以，取0B =40m 2）引航道长度 ①导航段长度1l ： 因为，1l ≥c L =160m

所以，取1l =160m ②调顺段长度2l ：

因为，2l ≥c L )0.2~5.1(=～*160=240～320 m

所以，取2l =320m

③停泊段长度3l ： 因为，3l ≥c L =160m

所以，取3l =160m

④过渡段长度4l ：

因为，4l B ?≥10=10*（60-40）=200m 所以，取4l =200m ⑤制动段长度'4l ：

因为，'4l =C L α 且取α=

所以，'4l =3*160=480m 3）引航道的最小水深0H ：

因为本设计船闸为Ⅰ级船闸，所以引航道最小水深应满足 1.5T H 0≥（T 表示设计最大船舶（队）满载吃水）。即 1.5T H 0≥=*2=3m ，取0H =3m 。 4）弯曲半径和弯道加宽

①引航道的最小弯曲半径R ： 因为，C 4L R ≥=4*160=640m 所以，取R =640m ②弯道加宽值B ?：

因为，）B 2R （L B 02C +=?=）40640*2（1602+= 所以，取B ?=20m

3.口门区的防沙和水流条件要求 （1）口门区的防沙：

船闸宜布置在顺直稳定河段，上、下游引航道口门应尽可能避开易淤积部位，尤其是凸岸淤积区及回流、环流淤积区。如因当地条件限制，找不到合适的河段时，则应通过论证，证明可采取工程措施达到通航要求，才可布置。对泥沙淤积影响较大的船闸，应考虑布置防淤清淤设施，以保证引航道尺度。 （2）口门区的水流流速：

口门区是过闸船舶进出引航道的咽喉。因此在通航期内，引航道口门区的流速、流态应满足船舶（队）正常航行的要求。并应尽量避免出现不良的流态，如泡漩、乱流等，如因条件限制不能避免时，则须采取措施，消减到无害程度。在《船闸总体设计规范》中，引航道口门区水面最大流速限值见下表。

因为本设计船闸为Ⅰ级船闸，所以平行航线的纵向流速不应大于s ，垂直航线的横向流速不应大于s ，且回流流速不应大于s 。 船闸型式选择 1.船闸线数和级数

（1）船闸线数：船闸线数是船闸规模的重要部分，应根据船闸设计水平年的客、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。本设计船闸采用单线船闸。 （2）船闸级数：船闸级数直接影响船闸的通过能力。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。由于单级船闸较多级船闸具有过闸时间短、

通过能力大、故障较少、检修停航时间较短，占线路较短、枢纽布置较易（如需设冲沙建筑物等）和管理方便等优点，因而是最广泛采用的形式。本设计船闸采用单级船闸。

2.船闸建设规模及标准

（1）船闸的基本尺度：船闸的基本尺度是指船闸正常通航过程中，闸室可供船舶安全停泊和通过的尺度，包括闸室有效长度、有效宽度和门槛水深。

①闸室有效长度x L ：闸室有效长度x L 等于设计最大船队长度加上富裕长度，即：

x c f L L L =+ 式中：f L —闸室的富余长度（m ）。对于顶推船队：c l 06.02L f +≥ 所以，闸室有效长度x L =160+（2+*160）=。取x L =172m 。

②闸室有效宽度x B ：闸室有效宽度x B 是指闸室内两侧墙面最突出部分之间的最小距离，为闸室两侧闸墙面间的最小净宽度。

f c b b +∑=x B c f b n b b )1(025.0-+?=

式中：c b ∑—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c b ; b ?—富余宽度附加值（m ），因为7m 8.10≤=m b c ，所以1m ≥?b ，取

b ?=1m ；

n —过闸停泊在闸室的船舶列数。

所以，闸室有效宽度f c b b +∑=x B =，取x B =12m

③门槛最小水深H ：门槛最小水深是指在设计最低通航水位时门槛上的最小深 度。我国船闸设计规范采用门槛水深大于等于设计最大船舶（队）满载吃水的 倍，即

1.6T H ≥

所以，门槛最小水深 3.2m 2*1.6H =≥，取H=4m 。 ④船闸最小过水断面的断面系数η：

1.5～

2.0≥Φ

Ω=η

式中： Ω — 最低通航水位时，船闸过水断面面积㎡

Φ — 最大设计过闸船舶（队）满载吃水时船舶断面水下部分

的断面面积（㎡）

所以，船舶的最小断面系数ΦΩ=η=（12*4）/（*2）≈，满足要求。 （2）船闸设计水位和各部分高程 1）船闸设计水位：

2）船闸各部分高程 ①船闸闸门顶高程：

根据国内船闸设计和运用实践，闸首门顶超高可采用下表的数值：

上闸首闸门顶高程＝校核洪水位＋超高＝＋＝

下闸首闸门顶高程＝上游设计最高通航水位＋超高＝203+＝ ②闸首墙顶高程：

上闸首墙顶高程＝上闸首闸门顶高程＋构造高＝+1＝ 下闸首墙顶高程＝下闸首闸门顶高程＋构造高＝+1=

③闸室墙顶高程＝上游设计最高通航水位＋空载干舷高度＝203+= ④闸室底板顶部高程＝下游设计最低通航水位－闸室设计水深＝＝ ⑤闸首门槛顶高程：

上闸首门槛高程＝上游设计最低通航水位－门槛水深＝200-4＝196m 下闸首门槛高程＝下游设计最低通航水位－门槛水深＝＝ ⑥引航道底高程：

上游引航道底高程＝上游设计最低通航水位－引航道最小水深＝200-3＝ 下游引航道底高程＝下游设计最低通航水位－引航道最小水深＝＝ ⑦导航建筑物和靠船建筑物顶高程：

上游导航建筑物顶高程＝上游设计最高通航水位+最大空载干舷高度＝203+＝ 下游导航建筑物顶高程＝下游设计最高通航水位+最大空载干舷高度＝+＝192m 船闸通过能力和耗水量

1.船闸通过能力：船闸通过能力是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）船舶过闸时间（单级船闸）

1）进出闸时间：船队进出闸时间，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。

双向进闸距离是船队自引航道中停靠位置至闸室内停泊处之间的距离，双向出闸距离是船队自闸室内停泊处至双向过闸靠船码头的距离。单向进闸距离是船队自引航道中停靠位置至闸室内停泊处之间的距离，出闸时，是船队自闸室内停泊处至船尾驶离闸门之间的距离。其距离可分别按下式近似确定：

单向进闸：）

1（L L 1C 1α+==172*(1+= 单向出闸：）

’1（L ’L 1C 1α+==172*(1+= 双向过闸：212C 22）

1（L ’L L l l +++==α=172*(1++160+320= 根据《船闸设计规范》差得单向进闸速度1V =s ，单向出闸速度1’V =s ，双向进闸速度2V =s ，双向出闸速度2’V =s 。

进出闸时间可按下式计算： 单向进闸：111/t V L ===

单向出闸：114'/'t V L === 双向进闸：221/t'V L === 双向出闸：224'/'t'V L ===

2）开启、关闭闸门时间2t ：闸门启闭时间与闸门型式和闸首口门宽度有关，当闸首口门宽为12m 时，取2t =2min 。 3）闸室灌泄水时间3t ：船闸灌泄水时间与水头，输水系统型式，闸室尺度等有关，取3t =8min 。 4）船队进出闸间隔时间：取5t =5min 。

5）单向一次过闸时间：54321122

4T t t t t t ++++==+4*2+2*8++2*5= 双向一次过闸时间：

5432124

’224’2T t t t t t ++++==2*+4*2+2*8+2*+4*5= 6）过闸时间：单级船闸一次过闸时间可按下式计算：

）2

T T （21

T 21+==

（2）日平均过闸次数n 可按下式计算：

60

n T

τ?=

=21*60/=，取n=26

（3）一次过闸平均载重吨位G ：根据运量预测，一顶+2*1000t 船队约占30%，一顶+2*500t

船队约占50%，一顶+2*300t 船队约占20%

G=2000*30%+1000*50%+600*20%=1220t

（4）船闸通过能力P ：

β

αNG n ）n （21P 0-==*(26-2)*352*1220*=333（万t/年）

2.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）单级船闸单向一次过闸的用水量

①单级船闸单向一次过闸的用水量：CH V 0==（172*12）*（）=526323

m ②单级船闸双向一次过闸的用水量（用水量为单向一次过闸用水量的一半）：

0021

’V V =

=263163m ③39474)’V (2

1’V'0

00=+=V 3m (2)闸阀门漏水量：u e q =

式中：e —止水线每米上的渗漏损失（3m /s/m ），当水头小于10m 时，其e=～3

m s/m ，当水

头大于10m 时，取e=～3

m s/m u —闸门和阀门边沿止水线的总长度（m ），即

①闸门止水线：m h n 10430*37*232l =+=+

②阀门止水线：2*3*=15m

所以，q=*（104+15）=3

m （3）船闸一天内平均耗水量：

12.490.3578640026

*52632*0.75q 86400n 0.75V Q 0—

=+=+=

3m

输水系统型式选择及水力计算 船闸输水系统型式选择：船闸输水系统的型式可分为集中输水系统和分散输水系统两类型。输水系统类型可根据以下判别系数初步选定：

H

T m =

式中：H —设计水头（m ）

T —闸室灌水时间（min ）

因为 1.5825.5

8

==

m ，所以才用分散输水系统。 分散输水系统

1.分散输水系统的水力特性：

分散输水系统是通过设置在闸室墙或底板内的纵向输水廊道，以及与之相连的分支廊道和出水支孔，将水流灌入或泄出闸室内。与集中输水系统相比，分散输水系统的出水口沿一定长度分度，水流均匀进入闸室，可大大减少水流作用力，特别是波浪力。同时由于廊道较长，水流惯性力影响较大，导致各出水支孔出流不均匀，而且随流量和时间变化。在阀门开启初期水流为加速流，惯性阻滞流速的增加，使得各出水支孔的出流沿水流方向减少。随着惯性逐渐减小，压力增加，在廊道断面及各支孔断面不变情况下，后面支孔出流逐渐增多并超过前面支孔。而后惯性的作用又转为阻滞流速的减小，后面支孔的出流更加的到加强。由于各出水支孔为非恒定流，再加上出水支孔一般布置在闸室的一定范围内，因而形成闸室内的波浪运动及纵向水流而对船舶产生波浪力及流速力。 2.分散输水系统的型式：

因为设计水头H=20～30m ，所以采用较复杂式分散输水系统。 3.分散输水系统的布置原则：

（1）闸室出水段中心宜与闸室面积的中心重合，闸墙长廊道侧支孔和闸底长廊道顶支孔输水系统的出水段宜设置在闸室中部，其长度为闸室长度的1/2～2/3； （2）输水系统的进出口应布置为流线型，以提高输水效率。进口断面的最大平均流速不宜大于s ，进口淹没水深应大于倍设计水头，并应该考虑进口水面的局部跌落。出口的淹没水深宜大于，布置应能分散水流，减弱出口水流的紊动并达到引航道内流速分布均匀的目的；

（3）中、高水头船闸的上、中闸首帷墙立面宜做成斜面，以避免当闸室水面上升至帷墙顶面平台时，水域面积有较大的突变，从而恶化船舶的停泊条件； （4）分散输水系统的阀门段前后应有一定长度的直线段，以使水流顺直均匀地通过。同时阀门段及其以后的廊道顶部高程必须布置在下游最低通航水位以下，并有一定淹没水深，不容许掺入大量空气而恶化船舶的停泊条件；

（5）阀门段高程应满足阀门工作条件要求，门口廊道型式应根据工作条件选择，有扩大、向上渐扩和突然扩大三种型式，其布置应通过模型试验确定；

（6）阀门后廊道压力较低时，上中闸首的下游侧检修门与工作门的距离宜大于廊道高度的3倍，必要时需在检修门井内作防止掺气的封闭措施；

（7）当上、中闸首输水阀门廊道段的压力较低或出现负压时，其后的检修阀门门槽距工作阀门的距离应大于廊道高度的3倍，以避免检修阀门井掺气。必要时需在检修阀门井内廊道顶部高程处加设防治掺气的封闭措施；

（8）输水系统的主廊道断面一般可大于输水阀门处廊道断面，以增大输水系统的流量系数；

（9）闸墙长廊道室内输水系统的布置尤其是出水支孔的布置应尽可能对称，横支廊道宜交错布置；

（10）条件允许时，应优先考虑采用部分或全部由引航道外取水的旁侧进口和由

引航道外的旁侧出口的布置。 船闸水力计算

1.输水系统设计及水力计算

（1）本设计输水系统采用全段横支廊道出水盖板消能输水系统。根据《船闸输水系统设计规范》确定输水系统廊道各细部尺寸（如进出口、转弯、直线段、阀门段等断面），其布置及尺寸见附图1。 （2）水力计算

1）输水阀门处廊道断面面积： ①对于分散输水系统，由于廊道较长，输水过程中水流产生的惯性水头影响较大。因此，在水力计算中应考虑惯性水头的影响，即：

v t g

d

H C T )1(2d 2＝

αμω-+-+

式中：ω—输水阀门处廊道断面面积（2m ）

C —对于单级船闸，22064m 12*172C ==Ω=（Ω：闸室水域面积） H —设计水位差（m ）

d —惯性水头，分散输水系统的惯性水头可达～。取d=。

μ—阀门全开后输水系统的流量系数，初步设计时可取为～.取μ=。

α—与阀门型式和流量系数有关的系数，可按《渠化工程》表5-5选用。

本设计采用反向弧型阀门，α=。

T —闸室灌、泄水的总时间，T=960s 。 v t —阀门开启时间（s ），取v t =60s 。 所以，输水阀门处廊道断面面积ω=2m ，即阀门处廊道断面尺寸为*3（宽*高）。 ②阀门开启时间v t （s ）：

g

2）

H -H （2C t V v αμω=

=60s

式中：V H —阀门全开时水位差（m ），取V H =24m 2）输水系统的阻力系数和流量系数：

①流量系数c

vn t ’1

ζζζμ++==

式中：vn ζ—与时间t 相当的阀门开度为n 时的阀门局部阻力系数，可按不同阀门

型式由《渠化工程》表5-4选取。取vn ζ=0;

'ζ—阀门井或门槽的阻力系数，对反向弧型阀门'ζ=0;

c ζ—阀门全开后阀门段以外的输水廊道系数。2

i

i

）（ωωζζ∑=c =。 a.进口处阻力系数0.11=ζ

b.圆滑转弯处阻力系数0.243=ζ

c.扩大处阻力系数0.814=ζ

d.收缩处阻力系数0.55=ζ

e.出口处阻力系数0.76=ζ

②输水系统的阻力系数2

i

i

）（ωωζζζ∑==c = 3)输水廊道换算长度：）（i

i

ωωl l p ∑= 根据《船闸输水系统设计规范》，由于本设计船闸出水支孔的数量大于15，所以p l =*8=4m 。

4）惯性超高值：C

l p

ωμ2d =

式中：C —闸室水域面积，C=172*12=20642m

μ—阀门全开时输水系统的流量系数，μ= ω—输水阀门处廊道断面面积，ω=2m p l —输水廊道换算长度，p l =4m 所以，闸室水面惯性超高值d=1mm 2.水力特性曲线的绘制：绘制水力特性曲线一方面可以了解输水过程中所有水力特性的变化情况及其最大值，另一方面可以进一步进行水力计算的需要，如核算船舶停泊条件、阀门工作条件等。 （1）流量系数与时间的关系曲线

1）假定阀门匀速开启，且开启时间为60s ，则阀门开度与时间的函数关系为

t 60

1n =；

2）ζ与阀门开度的关系：

3）流量系数与时间的关系曲线：c

vn t ’ζζζμ++=（'ζ=0，c ζ=）

（2）水位差与时间的关系曲线

1）阀门全开后，当考虑惯性影响时，任一时段末的水位差可按下式计算：

d C

g t h h -?-

+=2

12)22d (μω

式中：2h —计算时段末的水位差（m ）；

1h —计算时段开始的水位差（m ）；

t ?—计算时段（s ），一般可取为10～30s 。取t ?=20s ； mt μ—计算时段的平均流量系数；

d —惯性水头（m ），取d=。

（3）流量与时间的关系曲线

1）流量与时间关系曲线可通过下列公式计算求得：

)(2Q t t t t d h g +=ωμ

dt

dv g l d p t *=

式中：t μ—时刻t 的流量系数； t h —时刻t 的水位差（m ）； t d —时刻t 的惯性水头（m ）； p l —输水廊道换算长度（m ）；

v —阀门段廊道断面平均流速（s m /2

）

3.闸室内停泊条件的验算 （1）闸室内船舶的停泊条件

1）分散输水系统的水流是在较大范围内分散流入或流出闸室，水流对船舶的作用力较小，尤其是在泄水时它的值更小，因此分散输水系统泄水时，闸室内船舶的停泊条件一般可不加考虑，而只验算灌水时的停泊条件。

2）闸室灌水初期，波浪力最大，此时流速力和局部力几乎为零，因此闸室灌水时，过闸船舶的停泊条件可按下式核算：

L P )

(2P ≤-=

x t gH

DW k c v r b ωω

式中：b P —灌水初期的波浪作用力，KN ； W —船舶(队)的排水量，t ；

r k —与阀门型式有关的系数，对反向弧型阀门取； ω—输水阀门处廊道断面面积，2m ；

D —波浪力系数；按《渠化工程》表5-6选取，取D=； c ω—初始水位时闸室过水断面面积，2m ； H —设计水头，m ；

v t —输水阀门开启时间，s ；

x —船舶中腰水下横断面面积，2m ；

L P —允许系缆力的纵向水平分力，KN 。根据《渠化工程》表5-1选取，

L P =40KN 。

33KN )

2*10.84*12(*6025.5

*9.8*2*）80*2*10.8（*0.3*7.25*0.623P 因为=-=

b

所以L P P ≤b ，满足泊稳要求。 闸阀门及启闭机型式选择 闸门型式选择及门扇尺寸确定 1.闸门型式的选择：

本设计船闸采用平面人字闸门，在平面人字闸门中，门扇结构成平面形式，其主横梁受轴向力和弯矩的共同作用。根据门扇结构梁格的布置方式，本设计采用横梁式，其水平的主横梁是它的主要承重构件，在主横梁间布置竖立次梁。水压力由面板和次梁传给主横梁，然后再由主横梁通过斜接柱、门轴柱上的支垫座和枕垫座形成三角拱而传至闸首边墩。 2.门扇尺寸的确定

（1）门扇长度：门扇的计算长度n l 是门扇支垫座的支承面到两扇门叶互相支承的斜截面的距离。其值可由下式求得：

θ

cos 22l n c B k +=

式中：k B — 闸首边墩墙面间的口门宽度（m ）；

c — 由门扇的支垫座与枕垫座的支承面至们龛外缘的距离，通常c=（～）k B ；

θ — 闸门关闭时门扇轴线的倾角，此倾角的大小直接关系到门扇结构所受的轴向压力与传递到闸首边墩的水平推力以及门扇计算长度n l 的大小。国内已建船闸中，θ一般选用??20或5.22。取θ=?20。

所以， 7m 20cos 2）

12*0.05（*212l n =?

+=

（2）门扇高度：门扇高度是指闸门面板底至顶的距离，其值可由下式决定：

m k h k ±++=H h

式中：H —上游设计洪水位与下游最低通航水位之间的水位差； k h —船闸的槛上水深；

k —闸门面板顶在上游设计洪水位以上的超高，一般取～；

m —闸门面板底与门槛顶的高差，通常取m=～；当闸门关闭，门底止水

位于门槛侧面时取正值，在门槛顶面时取负值。

所以，30.2m 0.20.5425.5h =+++=，取h=30m 。 （3）转轴中心的确定：

1）在确定门扇旋转中心位置时，应使闸门的支垫座与枕垫座的支承面有良好的接触条件。在闸门转动时能立即脱开，以减小启闭时的摩阻力，而当闸门关闭时它们又能相互挤紧，以传递主横梁的反力，并使门侧止水效果良好。同时还应使门扇全开时能完全隐入门龛内，以免过闸船舶碰坏门扇。因此，在安装闸门时，必须精确的校正门扇转轴中心的位置。

2）当闸门支承部分的型式不同时，确定转轴中心的方法也不一样。当门轴上装设支垫座时，转轴中心的位置可按以下步骤进行：

①绘出门扇关闭时的轴线、轮廓线以及支垫座与枕垫座支承面的法线，即反力A R 的作用线（与门扇轴线成θ角）；

②绘出门扇开启时的轴线，此轴线的位置可从闸墙边缘按门扇全部隐于门龛

中并使门扇各部分保持10～20cm的余隙而求得；

③从两轴线的交点上作其相应补角的等分线，则转轴O应位于此补角的等分线上；

④将反力

R作用线向上游平行移动，距离为m=4～10cm，平行于反力作用线A

的线，与补角等分角线交于O，即为转轴位置。这就使得当门扇开启时，支垫座易于离开枕垫座，而当关门的最后瞬间两者才互相接触而抵紧；

⑤校核转轴O是否位于止水内侧的法线（垂直于闸首边墩表面）以内，否则应将止水向外移动一段距离，以免开门时止水被闸墙卡住。

阀门型式选择及尺寸确定

1.阀门型式的选择：

本设计采用反向弧形阀门。在构造上反向弧形阀门与弧形闸门基本相同，只是将弧面朝向下游。它主要由面板、主梁、次梁、肋板、支臂等组成。为改善流态，门扇和支臂可以用薄板完全包封，做成流线型。

2．反向弧形阀门的轮廓尺寸

（1）阀门面板的曲率半径：一般取决于阀门处廊道孔口高度h，在工程实践中常取曲率半径R等于（～）h，取R=。

（2）阀门支绞中心的高程：应使支绞及支绞大梁不受水流的直接冲击，一般略高于廊道顶面约（～）h，取阀门支绞中心的高程为=。

（3）门顶高程：与门顶止水及止水埋设构件的型式、布置有关。一般在廊道顶面以上～，取门顶高程为。

（4）阀门井的轮廓尺寸：应便于阀门的安装和检修，井内应有供井下检修工作的场地及进入井内的爬梯。阀门井的长度可取为阀门弧面最大弦长加～，其侧向的富余宽度一般为～。

闸阀门启闭机型式选择

1.闸门的启闭机械：本设计采用刚性拉杆式启闭机械。

2.阀门的启闭机械：本设计采用液压启闭机械启闭，通过刚性拉杆将阀门与油缸的活塞杆相连。

闸室结构设计

闸室结构型式选择

船闸闸室是由上、下闸首的两侧闸墙环绕而形成的空间，是船闸实现其调整水位、升降船舶、使船舶克服航道上集中水位落差的结构。由闸室墙和闸底构成。为保证过闸船舶能随闸室水面安全地升降和可靠地停泊，闸室中设有系船设备和其他辅助设备。本设计船闸采用分离式闸室结构（选用透水闸底），即闸墙和闸底分别设置。其闸墙型式采用重力式。

初步设计

1.作用在船闸结构上的荷载

（1）作用荷载（取单宽）

1）自重：

G1=1*（）*25=150KN

G2=（1+4）*（）/2*25=1250KN

G3=（4+5）*（）/2*8=180KN

G4=4*6*18=432KN

G5=（4+）*（）/2*18=864KN

G6=*（）/2*8=16KN G7=11*5*25=1375KN G8=12*（）*10=480KN

KN G

G 47478

1

运==

∑

KN G

G 26747

1

检==

∑

2）土压力

（1）结合我国船闸建设经验，作用在船闸结构上的土压力状态应根据以下情况考虑：岩基上的重力式结构，由于墙身变位受到限制，主动极限平衡状态一般难以发生，墙后填土应按静止土压力计算。

（2）各土层界面上（包括地下水位线）的静止土压力强度oi P ，如图所示：

’sin -1K 0?== o1P =0kpa

o2P =10h K γ=*18*（）=234kpa

o3P =）h ’

h （K 210γγ+=234+*8*土压力合力土P =*234*（）+*（234+274）*）静水压力，如图所示：

闸室内的静水压力1P =10*（）=40KN

地下水产生的静水压力2P =10*（）=100KN

静水压力合力水运P =*100*（）- *40*（）=420KN 水检P =*100*（）=500KN

4）扬压力：

①作用于建筑物基础底面垂直向上的总水压力称为扬压力，包括浮托力和渗透压力。

②扬压力的分布如图所示：

h γ=10*H γ扬压力合力扬运P =*（90+100）*22=2090KN 扬检P =*100*22=1100KN

5）船舶荷载

①船舶荷载包括：船舶进行时，船舶对建筑物的撞击力；船舶停靠时，由系船设备传到建筑物上的系缆力。至于停靠在建筑物前的船舶受风力作用而产生的横挤力，一般比撞击力小，在船闸设计中多不予以考虑。 ②船舶的撞击力：

a.KN W k c 6.129)80*2*8.10(*1*9.09.0P 3232===

b.撞击力的分布长度可按下列公式计算：

y y 3

2

L = (d y b L L 2≤≤)

式中：y L —沿墙长方向的分布长度（m ）； y —撞击点至计算截面的高度（m ）； b —计算截面处的墙厚度（m ）；

d L —墙分块长度（m ）。 （3）船舶的系缆力：

①船舶系缆力由配缆破断力计算确定。设计时，可根据过闸船舶的载重量，按《渠化工程》表6-3选用。取系缆力值N=100KN 。

②船舶系缆力在建筑物长度方向上的分布与船舶撞击力相同。 6）闸面活荷载：

闸面活荷载的大小决定于船闸的运转方式。通常情况下，过闸船舶不用岸上曳引设备，可只考虑人群荷载，并考虑船闸检修期墙后堆放少量材料或使用轻便设备机械的要求，闸面活荷载通常取为2～5kpa 。当闸面有汽车、牵引车通行或堆放材料时，应根据具体情况确定。取闸面活荷载q=5kpa 。 （2）计算情况及荷载组合：

1）作用在船闸结构上的荷载，可能以不同组合方式出现。在设计计算时，不可能也不必要对所有的组合方式都进行计算，一般都选取起控制作用的组合方式进行计算。本设计针对运用情况、检修情况进行验算。

（1）抗滑稳定性验算

本设计采用抗剪强度计算公式，其抗滑稳定安全系数可按下式计算：

H

V f ∑∑=c k

式中：f —墙体与地基接触面的抗剪摩擦系数，取f=；

V ∑—作用于墙体上全部荷载对滑动面切向投影的总和，KN ；

H ∑—作用于墙体上全部荷载对滑动面切向投影的总和，KN 。 1） 运用情况：活扬运8

1

-P P G

V +=

∑∑=4747-2090+5*5=2682KN

N H +++=∑c 水运土P P P =5582+420++100=

1.12

2.06

.62312682

*5.0k c ≤==∑∑=

H V f 2） 检修情况：活扬检7

1

-P P G

V +=

∑∑=4267-1100+5*5=3192KN

水检土P P +=∑H =5582+500=6082KN

1.050.266082

3192

*5.0k c ≤==∑∑=

H V f 显然，闸室墙抗滑稳定性的验算结果不能满足规范规定的要求时，可采取适当措施提高闸室的抗滑稳定性。其措施有：在两侧闸墙之间的闸底处设置横撑；在闸墙基底设置齿墙；降低墙后地下水位和填土高度；或在基底更换摩擦系数较大的砂土（砂垫层）等。 （2）抗倾稳定性验算

闸室墙的抗倾稳定性按下式计算：

R

0M M k =

式中：0k —抗倾覆稳定安全系数，按船闸设计规范规定选用；

0M —对计算截面前趾的倾覆力矩，是由土压力、水压力及渗透压力等产生

的力矩（KN ·m ）；

R M —对计算截面前趾的稳定力矩，是由自重或上部荷载产生的力矩

（KN ·m ）。

1） 运用情况：

R M =活水稳G M M M ++

=（150*+1250*+180*+432*+864*+16*）+80*+25*=·m 0M =船扬水倾土M M M M +++

=5582*+125*4/3+2090*4/3++100)*=·m

2） 0k =

R

M M ==≤检修情况： R M =活G M M +

=（150*+1250*+180*+432*+864*+16*）+25*=·m

0M =扬水倾土M M M ++

=5582*+125*4/3+2090*4/3= KN ·m

0k =

R M M ==≤显然，闸室墙抗倾稳定性的验算结果不能满足规范规定的要求

时，同样需要采取适当措施提高闸室的抗倾稳定性。

（3） 截面强度验算（如图取三个截面进行截面强度验算） 1）运行情况 截面Ⅰ：

1M =（*18*6）*6/2*（6/3）=324 KN ·m 11111F V W M +=∑σ=+324/（1*1/6）= 截面Ⅱ：

2M =*18*26)*26/3*（26/3）++100)*= KN ·m

22222F V W M +=

∑σ=+（1*2

4 /6）=

截面Ⅲ：

3M =*31*274*31/3+125*4/3-80*++100)*= KN ·m

3

3333V W M +=

∑σ=+（1*2

5/6）= 因为钢筋）HRB335混凝土，C30（Pa 11.92Pa 1.081max M M ≤=σ， 所以满足运用情况的设计要求。 3） 检修情况 截面Ⅰ： 1’M =（*18*6）*6/2*（6/3）=324 KN ·m

1

1

1

1’F ’V ’W

M +=

∑σ=+324/（1*1/6）=

截面Ⅱ： 2’M =*18*26)*26/3*（26/3）=17576 KN ·m

2222’F ’V ’W M +=

∑σ=+17576/（1*

2

4 /6）= 截面Ⅲ： 3’M =*31*274*31/3+125*4/3= KN ·m

3

3

3

3’F ’V ’W

M +=

∑σ=+（1*25/6）=

因为钢筋）HRB335混凝土，C30（Pa 11.92Pa 11.11max M M ≤=σ， 所以满足检修情况的设计要求。 3.墙后排水设施和回填土的设计

（1）墙后排水设施：墙后拟采用排水管排水，排水管的起点布置在闸室起点处，排水管高程位于闸室内最低通航水位上1m 处，即高程为。

（2）回填土：墙后回填土采用原地挖方，并回填至闸室墙顶高程。即?==30',18KN/m 3?γ.

参考文献： （1）《船闸总体设计规范》，人民交通出版社，2002 （2）《船闸水工建筑物设计规范》，人民交通出版社，2002 （3）《船闸输水系统设计规范》，人民交通出版社，2002 （4）《船闸闸阀门设计规范》，人民交通出版社，2003 （5）《港口航道与海岸工程专业毕业设计指南》，鲁子爱主编，中国水利水电出版社，2000 （6）《船闸设计》，王作高主编，人民交通出版社， （7）《航道工程学Ⅱ》，詹世富主编，人民交通出版社， （8）《渠化工程学》，刘晓平、陶桂兰主编，人民交通出版社，