1、航道工程課程設計航道工程課程設計 題目： 西江某水利樞紐船閘總體設計 學院： 船舶工程學院 專業： 港口航道與海岸工程 學號： 20110121 姓名： 日期： 2015年1月 目錄1.設計基礎資料41.1設計依據41.2設計標準、規范41.3設計背景41.4設計資料41.5設計船型52.船閘總體設計52.1船閘基本尺度的確定52.1.1閘室有效長度52.1.2閘室有效寬度62.1.3船閘門檻最小水深72.1.4船閘最小過水斷面的斷面系數82.1.5閘首長度92.2船閘各部分高程的確定92.2.1閘門門頂高程92.2.2閘室墻頂高程92.2.3閘首墻頂高程102.2.4閘首檻頂高程102.2.

2、5閘室底板頂部高程和引航道底部高程112.2.6導航和靠船建筑物頂部高程112.2.7引航道堤頂高程122.3引航道平面布置及尺度確定122.3.1引航道平面布置122.3.2引航道尺度132.4船閘通過能力計算142.4.1船隊進出閘時間142.4.2閘門啟閉時間152.4.3閘室灌、泄水時間152.4.4船舶、隊進出閘門間隔時間152.4.5船閘通過能力162.5船閘耗水量計算163.閘首、閘閥門及輸水系統選擇173.1閘門的選型及基本尺度計算173.1.1門扇長度ln183.1.2門扇厚度tn183.2輸水系統初步設計183.2.1輸水閥門處廊道斷面面積183.3閘首結構初步設計193.

3、3.1閘首布置及構造193.3.2邊墩設計194.閘室結構形式初步設計195.船閘總體布置原則206.船閘布置圖206.1船閘總平面布置圖（附圖1）206.2船閘縱斷面布置圖（附圖2）201.設計基礎資料1.1設計依據航道工程課程設計指導書1.2設計標準、規范船閘總體設計規范，JTJ305-2001，人民交通出版社 內河通航標準，GB50139-2004，中華人民共和國建設部 船閘閘閥門設計規范，JTJ308-2003，人民交通出版社 船閘水工建筑物設計規范，JTJ307-2001，人民交通出版社 船閘輸水系統設計規范，JTJ306-2001，人民交通出版社1.3設計背景西江某水電樞紐是西江下

4、游河段廣西境內的最后一個規劃梯級，樞紐橫跨兩島三江，是一座以發電為主，兼有航運、灌溉等綜合利用的大型水利樞紐工程。根據交通部對西江航運的規劃，航道等級將從級提高為級航道，因此船閘為滿足不斷增長的貨運量需要，將原1號船閘規模由 1000t 級擴大為 2000t 級。1.4設計資料表1.4：設計資料數據一覽表序號工程項目指標備注1設計水平年20282船閘級數單級3通航規模級4航道設計標準（m）130×2.6×560航寬×航深×彎曲半徑5船隊尺度（m）186.0×32.4×2.61頂4艘2000t級分節駁6船閘年通過能力（萬 t）3000遠

5、期7最大過船噸位2000t8船閘設計標準4×2000t船隊一次通行過閘9通航期（天）35010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正常蓄水位（m）23.913通航凈空（m）1014地形地質建基巖體主要為砂巖，巖體完整性較好，裂隙不甚發育。15水文降雨量及氣溫資料從略。1.5設計船型表1.5 主要設計船型一覽表船隊編號船型組隊方式船隊尺度（m）A1頂4×2000t2排2列186.0×32.4×2.6B1頂2×2000t2排1列182.0×

6、16.2×2.6C1頂2×500t2排1列110.0×10.8×1.6D貨船1000t貨船49.9×15.6×2.8A為主要設計船隊，B、C、D為兼顧船隊。2000t2000t2000t2000tA：2000t2000tB： 500t500tC：圖1.5：主要設計船隊示意圖2.船閘總體設計2.1船閘基本尺度的確定2.1.1閘室有效長度根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：3.1.5 船閘閘室有效長度不應小于按下式計算的長度，并取整數。式中 閘室有效長度(m)；設計船隊、船舶計算長度(m)，當一閘次只有一個船隊或一艘船舶單列過

7、閘時，為設計最大船隊、船舶的長度;當一閘次有兩個或多個船隊船舶縱向排列過閘時，則為各設計最大船隊、船舶長度之和加上各船隊、船舶間的停泊間隔長度； 富裕長度(m)，頂推船隊2+0.06；拖帶船隊2+0.03；貨船和其他船舶4+0.05；根據設計船隊尺度以及船閘設計標準進行過閘船型組合，船閘設計標準為一次通行過閘4×2000t。表2.1.1 閘室有效長度計算表船隊組合船隊長度lc（m）富裕長度lf（m）閘室有效長度Lx（m）A1艘4×2000t船隊186.013.16199.16BB2艘2×2000t船隊并列182.012.92194.92BCD1艘2×20

8、00t船隊與1艘2×500t船隊并列，和一艘1000t貨船182.012.92194.92所以，閘室的有效長度取200m。2.1.2閘室有效寬度根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：3.1.8船閘閘首口門和閘室有效寬度不應小于按下列兩公式計算的寬度，并宜采用現行國家標準 內河通航標準（GB50139-2004）中規定的8m，12m，16m，23m，34m寬度。 式中 Bx 船閘閘首口門和閘室有效寬度(m)； 同一閘次過閘船舶并列停泊于閘室的最大總寬度(m)。當只 有一個船隊或一艘船舶單列過閘時，則為設計最大船隊或船舶的寬度； 富裕寬度(m)； 富裕寬度附加值(m)，當bc7

9、m時，lm；當7m時， 1.2m； 過閘停泊在閘室的船舶的列數。根據設計船隊尺度以及船閘設計標準進行過閘船型組合：表2.1.2 閘室有效寬度計算表船隊組合船隊總寬度（m）富裕寬度（m）閘室有效寬度Bx （m）A1艘4×2000t船隊32.41.533.9BB2艘2×2000t船隊并列32.41.634.0BCD1艘2×2000t船隊與1艘2×500t船隊并列，和一艘1000t貨船31.81.633.4所以，閘室的有效寬度取34.0m。2.1.3船閘門檻最小水深根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：3.1.9 船閘門檻最小水深應為設計最低通航水位

10、至門檻頂部的最小水深，并應滿足設汁船舶、船隊滿載時的最大吃水加富裕深度的要求，可按下式計算，閘室最小水深應為設計最低通航水位至閘室底板頂部的最小水深，其值應不小于門檻最小水深。設計采用的門檻最小水深和閘室最小水深，在滿足計算的最小水深值基礎上，應充分考慮船舶、船隊采用變吃水多載時吃水增大以及相鄰互通航道上較大吃水船舶、船隊需通過船閘的因素，綜合分析確定。式中 門檻最小水深(m)； 設計船舶、船隊滿載時的最大吃水(m)。則：1.6=1.6×2.6=4.16m，取=4.5m。所以，船閘的門檻最小水深取4.5m。綜上，船閘尺度為：閘室有效長度(m)閘室有效寬度度(m)船閘門檻最小水深(m)

11、200344.52000t2000t2000t2000t組合1： 2000t2000t2000t2000t組合2：500t500t1000t2000t2000t組合3：2.1.4船閘最小過水斷面的斷面系數在確定船閘基本尺度時，還應考慮船閘最小過水斷面的斷面系數n的要求，根據實驗和觀察，若n過小，則船隊（舶）過閘時，可能產生碰底現象。為保證船隊（舶）安全順利地進閘，一般要求： 1.52.0式中 最大設計過閘船隊滿載吃水時水下部分斷面面積 (m2)；最低通航水位時,閘室過水斷面面積(m2), 。則：=34×4.5=153m2； =32.4×2.6=84.24 m2； n =1.

12、82，符合安全要求。2.1.5閘首長度根據受力和結構特點，閘首在長度方向上一般由3段組成：門前段長度l1，當工作閘門采用人字閘門、檢修門槽設于閘首外與導墻接縫時，門前段的長度最小，一般為1.0m左右。門龕段長度l2，根據船閘閘閥門設計規范7.1.5，門龕長度由門扇長度和富余長度確定，其富余長度應考慮對閘門啟閉力的影響，不宜小于1/20門扇長度。人字閘門軸線與船閘橫軸線交角取22.5°，閘室有效寬度為34m，則門扇長度可估算為（34÷2）÷cos22.5°=18.4m，取20m。取富余長度2m，所以門龕長度為22.0m。閘門支持段長度l3，約等于（0.42

13、.1）倍的設計水頭，設計水頭取為18.85m，所以閘門支持段長度取為10.0m。則：閘首長度為l1+ l2+ l3=33.0m，取34.0m。2.2船閘各部分高程的確定2.2.1閘門門頂高程根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：4.2.1 船閘擋水前緣閘首工作閘閘門頂部高程應為上游校核高水位加安全超高值確定。4.2.2 船閘非擋水前緣閘首的閘門頂部高程應為上游設計最高通航水位加安全超高值。4.2.3 船閘閘門頂部最小的安全超高值，I-IV級船閘不應小于0.5m,V一VII級船閘不應小于0.3m，對于有波浪或水面涌高情況的閘首門頂高程應另加波高或涌高影響值。此船閘閘門是非擋水閘門，且船

14、閘為級船閘，則安全超高值不小于0.5m。則： 上閘首閘門頂部高程上游設計最高通航水位安全超高值 23.9m+0.5m 24.4m（取24.5m） 下閘首閘門頂部高程上游設計最高通航水位安全超高值 23.9m+0.5m 24.4m（取24.5m）2.2.2閘室墻頂高程根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：4.2.6 船閘閘室墻頂部高程應為上游設計最高通航水位加超高值，超高值不應小于設計過閘船舶、船隊空載時的最大干舷高度。最大干舷高度可參照下表: 長江分節駁船空載干舷高度 駁船噸級（t）10030050010003000空載干舷高度（m）1.01.41.61.71.61.73.03.3設

15、計船隊中最大駁船噸位在2000t，參考設計船隊的滿載吃水2.6m，出于安全考慮，取空載干舷高度為2.7m。則：閘室墻頂高程上游設計最高通航水位+超高 23.9m+2.7m 26.6m（取26.7m）2.2.3閘首墻頂高程根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：4.2.4 船閘閘首墻頂部高程應根據閘門頂部高程和結構布置等要求確定，并不得低于閘門和閘室墻頂部高程。位于樞紐工程中的船閘，其擋水前緣的閘首頂部高程應不低于與相互連接的樞紐工程建筑物擋水前緣的頂部高程。設結構安裝高度為1m。則：上閘首墻頂高程門頂高程結構安裝高度24.5m1.0m25.5m下閘首墻頂高程門頂高程結構安裝高度24.5

16、m1.0m25.5m由于閘室墻頂高程為26.7m，所以取閘首墻頂高程為26.7m。2.2.4閘首檻頂高程根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：4.2.5 船閘上、下閘首門檻的高度應有利于船閘運用和檢修，頂部高程應為上、下游設計最低通航水位值減去門檻最小水深值。4.2.9 船閘上、下游引航道和口門區及連接段的底部高程應為上、下游設計最低通航水位減去引航道設計最小水深值。則：上閘首門檻的頂部高程上游設計最低通航水位門檻水深18.6m4.5m14.1m 下閘首門檻的頂部高程下游設計最低通航水位門檻水深5.05m4.5m0.55m。(取0.5m)2.2.5閘室底板頂部高程和引航道底部高程根據

17、船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：4.2.7 船閘閘室底板頂部高程不應高于上、下閘首門檻頂部高程。則：取船閘閘室底板頂部高程為0.5m。根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：4.2.9船閘上、下游引航道和口門區及連接段的底部高程應為上、下游設計最低通航水位減去引航道設計最小水深值。5.5.3 級船閘引航道最小水深應按下式計算: 式中 H0在設計最低通航水位時，引航道底寬內最小水深(m)； T 設計最大船舶、船隊滿載吃水(m)。則：H01.50T=3.9m（取4.0m）上游引航道底部高程=上游設計最低通航水位-引航道設計最小水深值 =18.64=14.6m(取14.1m)下游

18、引航道底部高程=下游設計最低通航水位-引航道設計最小水深值 =5.054=1.05m2.2.6導航和靠船建筑物頂部高程根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：4.2.8船閘上、下游導航和靠船建筑物的頂部高程應為上、下游設計最高通航水位加超高值，超高值不宜小于設計過閘船舶、船隊空載時的最大干舷高度。則：船隊空載時最大干舷高度取為2.7m；上游導航建筑物頂高程=上游設計最高通航水位超高=23.9m2.7m=26.6m（取26.7m）下游導航建筑物頂高程=下游設計最高通航水位超高=23.8m2.7m=26.5m（取26.6m）2.2.7引航道堤頂高程本船閘引航道堤岸沒有防洪功能，故取引航道堤

19、頂高程導航建筑物堤頂高程則：上游引航道堤頂高程=26.7m；下游引航道堤頂高程=26.6m。綜上，船閘各部分高程整理如下：表2.2.7 船閘各部分高程表序號船閘各部分高程高程（上游，m）高程（下游，m）1閘門門頂高程24.524.52閘首墻頂高程26.726.73閘首檻頂高程14.10.504閘室墻頂高程26.75閘室底板頂部高程0.56導航和靠船建筑物的頂部高程26.726.67引航道底部高程14.11.058引航道堤頂高程26.726.62.3引航道平面布置及尺度確定2.3.1引航道平面布置根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：5.4.2 引航道的平面布置應根據船閘的級別、線數、

20、設計船型船隊、通過能力等，結合地形、地質水流、泥沙及上、下游航道等條件研究確定。引航道的平面布置可采用反對稱式、對稱式、不對稱式3種形式。由于本船閘為級船閘，屬于單線船閘，貨運量較大，無明顯單向貨流，故采用反對稱型引航道。船舶曲線出閘，直線進閘，進閘速度快，船閘的通過能力較大。2.3.2引航道尺度1.引航道的長度1) 導航段長度：式中 l1導航段長度(m); lc設計船隊（舶）的長度，對頂推船隊為全船隊長，對拖帶船隊或單船為其中最大的船舶長度。則：lc=186.0m，l1取190m。2) 調順段長度l2 （1.52.0）lc則：l2取300m。3) 停泊段長度考慮到部分船隊在停泊段重組，取2倍

21、船長。則：l3取380m。綜上，引航道直線段的總長度L= l1l2l3=870m。4) 過渡段長度l4及制動段長度l4，為引航道寬度與航道寬度之差，航道寬為130 m，引航道寬度120 m，則=10 m，=100 m；用估算，為頂推船隊制動距離系數，一般取2.54.5，則3×186.0=558，取560 m。為減少引航道的工程量，過渡段l4及制動段l4重合使用。2.引航道的寬度根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：5.5.2.1 單線船閘引航道的寬度，應根據下列型式確定：反對稱型引航道寬度：式中 B0設計最低通航水位時，設計最大船舶、船隊滿載吃水船底處的引航道寬度(m)；

22、bc設計最大船舶、船隊的寬度(m)； 一側等候過閘船舶、船隊的總寬度(m)； 船舶、船隊之間的富裕寬度，取= bc； 船舶、船隊與岸之間的富裕寬度，取=0.5 bc；則：=113.4m，取120m。圖2.3.2 引航道尺度計算示意圖3.引航道最小水深根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：5.5.3級船閘引航道最小水深應按下式計算:式中 H0在設計最低通航水位時，引航道底寬內最小水深(m)； T設計最大船舶、船隊滿載吃水(m)。則：H03.9m，取H0為4.0m。2.4船閘通過能力計算2.4.1船隊進出閘時間船舶（隊）進出閘時間，可根據其運行距離和進出閘速度確定。對單向過閘和雙向過閘方

23、式應分別計算：1) 單向過閘，進閘為船舶、船隊的船首自引航道中停靠位置至閘室內停泊位置之間的距離，單向出閘距離為船舶、船隊的船尾自閘室內停泊位置至閘門外側邊緣的距離；2) 雙向進閘，距離是船舶、船隊自引航道中停靠位置至閘室內停泊位置之間的距離，出閘為船舶、船隊自閘室內停泊位置至靠船建筑物之間的距離。單向進閘距離L1=190m+300m+34m+186m=710m；單向出閘距離L4=200m+34m=234m；雙向進閘距離L1=190m+300m+34m+186m=710m；雙向出閘距離L4=190m+300m+34m+186m=710m；根據船閘總體設計規范表6.1.5查得單向進閘 單向出閘雙

24、向進閘 雙向出閘則： 23.67min 5.57min 16.90min 11.83min2.4.2閘門啟閉時間閘門的啟、閉時間與閘門型式和閘首口門寬度有關，當閘首口門寬度大于23m時，t2取為36min，取為3 min。2.4.3閘室灌、泄水時間船閘灌瀉水時間與水頭、輸水系統型式、閘室尺度有關，t3取=8.0 min。2.4.4船舶、隊進出閘門間隔時間根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）：6.1.8船舶、船隊進出閘間隔時間，系指同一閘次第一個船舶、船隊與最后一個船舶、船隊啟動的間隔時間。當無實測資料時可采用310min。由于本船閘設計每閘次只通過一個船隊，無間隔時間，但考慮實際情況

25、，取t5為2min。綜上：單向過閘時間T1=4t2+ t1+2 t3+ t4+2 t5=4×323.672×85.572×261.24 min雙向過閘時間T2=4t2+2t1+2t3+2t4+4 t5=4×32×16.902×82×11.834×293.46min實際上，由于上行與下行船舶、隊均難以保證到閘的均勻性在設計中一般采用船舶、隊單向過閘與雙向過閘所需時間的平均值來計算晝夜過閘次數。則：過閘時間 = 53.99 min2.4.5船閘通過能力船閘日平均過閘次數：n = 式中 -船閘每晝夜的平均工作時間(h)，

26、取22h。n =24.44 min，取n為24次。單向年過閘船舶總載重噸位：單向年過閘客貨運量：式中 P1單向年過閘船舶總載重噸位（t）； P2單向年過閘客貨運量（t）； n0日非運客、貨船過閘次數，取2次； n日平均過閘次數；N年通航天數，取350天；G一次過閘平均載重噸位（t），取設計最大過閘船隊噸位的80%；船舶裝載系數，取0.8；運量不均衡系數，取1.3。則：雙向通過能力為2P2=3033萬t，滿足要求。2.5船閘耗水量計算船閘一天內平均耗水量可根據船閘總體設計規范（JTJ305-2001）6.2.1計算：式中： 一天內平均耗水量(m3/s)；V一一次過閘用水量(m3)，必要時應考慮上

27、、下行船舶、船隊排水量差額；q 閘門、閥門的漏水損失(m3/s)；e 止水線每米上的滲漏損失m3/(s.m )， 當水頭小于10 m時取0.00150.0020m3/(s.m )，當水頭大于10 m時取 0.0020.003m3/(s.m )；u 閘門、閥門止水線總長度(m)；單級過閘一次過閘用水量V采用下式進行計算：V0=C×H式中： V0單級船閘一次過閘平均用水量（m3）； C閘室水域面積（m2）=上、下閘首閘門之間的水域長度（m）×水域寬度（m）； H計算水頭（m），采用上下游平均水位差，為6.83m。 單級船閘雙向一次過閘時，用水量為單向一次過閘用水量的一半。 認為

28、單向過閘：雙向過閘=1:1。V0= V0C=（20021×2）×34=8228 m2H= = 6.83 mV0=C×H=56197 m3V0=V0 =28099 m3V0=V0 +V0=42148 m3u=18.1×2(23.90.5)×3= 106.4m（取110m）e取0.002 m3/(s.m )=0.22 m3/s綜上，船閘一天內平均耗水量為10.95 m3/s。3.閘首、閘閥門及輸水系統選擇3.1閘門的選型及基本尺度計算人字閘門具有耗鋼材少，能封閉高、寬尺寸都比較大的孔口，運轉靈活可靠等優點，常用作承受單向水頭、在靜水條件下啟閉的工作

29、閘門，在大中型船閘中運用廣泛。本船閘水頭較高，且在靜水條件下啟閉，故選用人字閘門。人字閘門由兩個門扇組成，圍繞其端部的豎軸旋轉啟閉，設計閘門型式采用鋼制人字閘門，門扇軸線與引航道軸線夾角為 22.5°，設計水頭18.85m。設計閘門高度為 24m，門扇長度為 18.4m。3.1.1門扇長度ln = =20.24m（取20m）3.1.2門扇厚度tntn = (0.10.125) ln =22.5m（取2.2m）3.2輸水系統初步設計船閘輸水系統對船舶過閘時間有著較大的影響，輸水系統的型式選擇根據判別系數初步選定，判別系數按下式計算：式中： m判別系數； H設計水頭（m），根據上下游的自

30、然通航水位，設計水頭為18.85m； T閘室灌水時間（min），初步選取 8min； 則：m =1.84。根據船閘輸水系統設計規范（JTJ306-2001）：當m 2.5時，采用分散輸水系統，初步選用閘墻長廊道側向支孔輸水系統。分散輸水形式，可較大縮短閘室長度，節約工程成本，同時由于分散輸水系統是通過長廊道分散輸水，閘室內水流平穩，改善了閘室內船舶停靠的泊穩條件。閘墻長廊道側向支孔輸水系統布置簡單，造價較低，采用廣泛。但是此系統對閘門開啟不同步或單側閘門開啟的適應性較差，應注意優化。采用數目較多，斷面積較小的出水支管，采用明渠消能，消能效果較好。按照規范要求，進口段進口頂的淹沒水深需大于 0.

31、4倍的設計水頭，設計水頭為 18.85m，即進口段淹沒水深需大于 7.54m，取8m。、級船閘出口最小淹沒水深為 1.5m，取4m。 3.2.1輸水閥門處廊道斷面面積分散輸水系統的輸水閥門處廊道斷面積，可按下式估算：式中： 輸水閥門處廊道斷面面積（m2）； C計算閘室水域面積（m2），對單級船閘取閘室水域面積8228 m2； Lc閘室水域長度 242m； H設計水頭 18.85m。則：=39 m2，取48 m2。3.3閘首結構初步設計船閘閘首一般設有輸水廊道、閘門、閥門、閘閥門啟閉機械及其相應的設備等，閘首的布置及尺寸與所選用的閘門形式、輸水系統等有密切關系。閘首結構按其受力狀態可分為整體式結構和分離式結構。在土基上為避免由于邊墩不均勻沉降而影響閘門正常工作，