船闸设计计算报告书.doc

第一章 船闸总体设计
第一章 设计资料
一 经济资 料
1、 建筑物 设计级别：
高良涧二线船闸按III级船闸、II级建筑物原则设计。
2、 货运量：
淮河1995年过闸货运量为1750万吨，年设计通过能力为1750万吨。
3、 通航状况：
通航期=360天/年，客轮及工作船过闸次数=1,船舶载重量不均匀系数=0.83，月不均匀系数=1.1，船闸昼夜工作时间小时=22小时
4、 设计船型：

见表1-1
表1-1 船 型 资 料：
船 型
顶（拖）轮马车
长×宽×吃水
驳 船
长×宽×吃水
船 队
长×宽×吃水
资料来源
1顶2
2×1000
270马力
27.5×6.1×2.46
62×10.6×2.2
160×10.6×2.46
可行性报告推荐
1拖12
12×100
250马力
23.0×4.9×1.85
24.85×5.24×1.5
321.2×5.24×1.85
江苏现状

二 水文与气象资料
1、特性水位及水位组合：见表1-2，1-3
高良涧船闸上游为洪泽湖，下游为灌溉总渠，依照江苏省水利厅规划洪泽湖调蓄及灌溉总渠控制状况及可行性研究报告提供数据进行综合分析后拟定。
表 1-2 特 征 水 位 表 （ 高程以黄河零点起算（m））
上游校核洪水位
17.0
入海水道排洪1～14000㎡/S，相称千年一遇
上游设计洪水位
（特殊通航水位）
16.0
入海水道排洪10000～1㎡/S，相称百年一遇
上游最高通航水位
16.0
不不大于二十年一遇，可行性研究报告提供蒋坝闸上水位
上游规划蓄水位
13.5

上游最低通航水位
10.8
可行性报告提供通航保证率97.6%
下游校核高水位
11.2
节制闸逼迫行洪1000㎡/S，引江水位淮安闸上校核水位
下游设计高水位
10.8
节制闸逼迫行洪800㎡/S，引江水位淮安闸上校核水位
下游最低通航水位
8.5
淮安闸上最低通航水位

表1-3 水 位 组 合 表
组合状况
上 游
下 游
水位差
设计I
16.0
10.8
5.2
设计II
13.5
8.5
5.0
校核
17.0
11.2
5.8
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砂性土，土层概况见表1-4
表1-4 闸址处土层概况表
地 面 ～6.0
粘土（黄色、黄灰色、棕色），夹薄砂土层腐蚀、贝壳
6.0 ～ -3.0
黄色、棕色粉沙、粘土、亚粘土、夹砂礓土质不均匀、软硬变化较大
-3.0以 下
黄色或棕色细砂、中砂、有亚粘土夹层及夹铄砂

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，依照水工建筑物抗震设计规范SDJ—78“对于级挡水建筑物，应依照其重要性和遭震害危害性可在基本烈度基本上提高一度”规定，考虑到本船闸属洪泽湖防洪线上挡水建筑物，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状况
水运可直达工地，公路运送亦以便，除木材外，其她材料供应充分，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 船闸基本尺度
船闸基本尺度涉及闸室有效长度、有效宽度及门槛水深。
依照设计船型资料，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。计算成果如下：
船闸基本尺度计算表（单位：）
组合状况
船队长度
富裕长度
有效长度
船队宽度
富裕宽度
有效宽度
1顶+2×1000并列
160
11.6
172
21.2
1.35
23
1顶+2×1000与
1拖+12×100并列
172.1
7.16
180
21.1
1.34
23
1拖+4×500
78.5
4.36
134
17.6
1.2
19
依照以上三种组合，综合考虑本航线上已建船闸尺度、内河航运暂定原则、货运密度变化等方面状况，取闸室有效长度为210，考虑镇定段长度20，则闸室长度230，闸室有效宽度取23。由船舶吃水得槛上水深Hc≥1.6×2.46=3.94，考虑留有一定富裕取4.5，闸室有效尺度230×23×4.5。

第三节 船闸各某些高程
船闸各某些高程不但要保证船舶能安全、顺利通过，并且要保证船闸运转操作安全和以便。在这个前提下还要减少工程造价。船闸各某些高程可参照《船闸总体设计规范》中关于内容计算拟定。
1、 上游引航道底高程=上游最低通航水位－引航道最小水深=10.8－4.5=6.3
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）
=16.0+2.4=18.4
3、 上闸首门顶高程=上游校核洪水位＋安全超高=17.0+0.5=17.5
当门前产生立波时，上闸首门顶高程=上游设计洪水位＋＋2＋安全超高=16.0＋0.26＋0.96＋0.5=17.72，取17.8。上式中为波浪中心线超过静水位高度，2为波高，可按下式计算，，
，式中为墙前水深，=16.0－6.3=9.7，为波长，
为风速，为吹程，与闸前水面宽度关于，取3
4、 上闸首墙顶高程=门顶高程＋构造安装高度=17.8+1=18.8
5、 上闸首门槛高程=上游最低设计通航水位－门槛水深10.8－4.5=6.3
6、 闸室墙顶高程=上游最高通航水位＋超高（空载干弦）=16+2.4=18.4
设立0.9高胸墙，则实体墙顶高程为17.5
7、 闸室底高程=上游设计最低通航水位－闸室设计水深=8.5－4.5=4
8、 下闸首门顶高程=上游最高通航水位＋超高=16.0＋0.5=16.5
9、 下闸首墙顶高程=门顶高程＋构造安装高度=16.5＋1=17.5，下闸首顶高程不低于闸室墙顶高程，则取18.4
10、下闸首门槛高程=下游设计最低通航水位－门槛水深=8.5－4.5=4
11、下游引航道底高程=下游最底通航水位－引航道最小水深=8.5－4.5=4
12、下游引航道顶高程=下游最高通航水位＋超高（空载干弦）=10.8＋2.4=13.2
船闸各某些高程如下图所示

第四节 引航道尺度
引航道作用在于保证船舶安全、顺利地进出船闸，供等待过闸船舶安全停泊，并使进出闸船舶能交错避让。引航道平面布置，直接影响船舶进出闸时间，从而影响船闸通过能力。在拟定引航道平面布置时，应依照船闸工程级别、线数、设计船型船队、通过能力等，结合地形地质、水流、泥沙及上下游航道条件综合考虑。
依照高良涧二线船闸闸址处地形条件，采用反对称型引航道布置。
(一) 引航道长度
1、 导航段
，为顶推船队全长，1顶+2×1000级船队长=160
2、 调顺段
（1.5～2.0）=240～320，取280
3、 停泊段
（重要考虑拖带船队长），考虑到解队过，解队后船队长171.2，取180
4、 过渡段
，为引航道宽度与航道宽度之差，二级航道宽为70，引航道宽度37.1（取40），则=30，=300
5、 制动段
用估算，为船队进入口门航速，普通取2.5～4.5，则3×160=480
(二) 引航道宽度
考虑一侧靠船，设计最大船宽10.6，一侧等待过闸船队总宽度=10.6，富裕宽度，则引航道
(三) 引航道最小水深
，即=1.5×2.46=3.69，考虑留有一定富裕，取4.5

第五节 船闸通过能力
1、 舶（队）进出闸时间
船舶（队）进出闸时间，可依照其运营距离和进出闸速度拟定。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距离；
单向进闸距离=70+25+210=305
单向出闸距离=20+25+210=255
双向进闸距离=280+160+25+210=675
双向出闸距离=210+20+25+160+280=695
依照《船闸总体设计规范》查得
单向进闸 单向出闸
双向进闸 双向出闸
则，
，
2、 闸门启、闭时间
闸门启、闭时间与闸门型式和闸首口门宽度关于，当闸首口门宽度20～30时，约为2～3，取2
3、 闸室灌、泻水时间
船闸灌泻水时间与水头、输水系统型式、闸室尺度关于，取=9.0
4、 船舶（队）进出闸门间隔时间
船舶（队）进出闸门间隔时间取5.0
则：单向过闸时间 10.2+4×2+2×9+6.1+2×5=52.3
双向过闸时间 2×16.1+4×2+2×9+2×11.6+4×5=101.4
事实上，由于上行与下行船舶（队）均难以保证到闸均匀性在设计中普通采用船舶（队）单向过闸与双向过闸所需时间平均值来计算昼夜过闸次数，过闸时间
船闸日平均过闸次数
取25次
船闸年通过能力

式中：—日非运客、货船过闸次数，取1
—年通航天数（360天） —次过闸平均载重吨位（4000吨）
—船舶装载系数（0.83） —运量不均匀系数

满足通过能力规定

第六节 船闸附属设施
船闸附属设施及其布置可参照《船闸总体设计规范》中关于内容。
1、 系船设备
闸室、引航道等处靠船建筑物靠船一侧，设立龛式系船柱。系船柱不突出墙面。
闸室墙、引航道等靠船建筑物顶部设立固定系船柱。在闸室内布置，首尾系船柱距闸室有效长度两端距离为10m；在闸室墙墙面上设立固定系船柱其纵向间距为1.5m,横向间距为15m；此外在闸室墙上每隔40m设立浮式系船柱。
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，为了保证安全，在上闸首设立防洪门，兼做检修门用；船闸闸室闸室墙前沿设护轮坎。闸室两侧设立两道嵌入式爬梯，爬梯距闸首距离取10m。
3、 信号和标志
船闸按昼夜通航规定设立信号和标志，每道工作闸门上、下游均设立水尺。
4、 控制通信
高良涧二线船闸距本来老船闸近5km,在设计时为了充分为了充分发挥两个船闸综合效益，合理调度船舶运营，建议在两个船闸之间设立一种远方调度站，同船闸上总调度室一起调度船舶运营。
5、 房屋和道路
船闸周边分别设立生产、辅助生产、生活等用房，并结合船闸建设规划作出统一总体设计，其布置规定合理紧凑，管理以便。
船闸各部位之间，应依照需要设立内部道路和对外公路，高良涧船闸破洪泽湖大堤而建，原有二级公路必须重建。
6、 环保
船闸设计应贯彻执行《中华人民共和国环保法》关于规定，做到船闸工程设计与环保设计同步进行，保护环境。船闸环保和绿化设计，应依照国家关于政策、法规、并参照现行行业原则《港口工程环保设计规范》关于规定。
船闸施工期由于吹填或基坑开挖，场地填筑等产生粉尘，以及施工机械产生噪音，对环境构成威胁时，应采用防治保护办法。
闸区范畴内应进行近、远期绿化总体规划，其陆域绿化覆盖系数应不不大于30%。
7、 消防和救护
船闸设计应执行《中华人民共和国消防法》关于规定，设立专用消防设施。闸首等部位设立消防栓、灭火器、灭火材料等关于器材。船闸应设专用消防通道、消防水泵等。船闸房屋设计应符合现行国标《建筑设计防火规范》关于规定。

第二章 船闸输水系统
第一节 输水系统选取、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。鉴别系数

采用集中输水系统，结合已建船闸输水型式采用环形短廊道输水。依照《船闸输水系统设计规范》集中式输水系统布置原则，可初步拟定输水系统尺寸。
1、 输水廊道进口
输水廊道进口应布置在水下一定深度，普通低于设计最低通航水位如下0.5～1.0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水流掺气而加剧水流紊乱。为减少水流进口损失，在廊道进口修圆，修圆半径为（0.1～0.5）（为输水廊道进口宽度），取0.5。
2、 输水廊道弯曲段
廊道弯曲段重要设计任务是选取适当曲率半径，特别是内侧曲面曲率半径。依照规范，取进口转弯段内侧曲率半径1.5，外侧6，转弯中心线4；出口转弯段内侧曲率半径2，外侧8，转弯中心线5.5。
3、 输水廊道出口
为减小输水廊道出口水流流速，扩大水流对冲面积增长消能效果，并减少出口损失，廊道出口断面面积取阀门断面面积1.5倍（6）。为使出流均匀增长消能效果，在转弯起点即开始扩大并增设导墙。导墙位于廊道正中而略偏向外侧0.2。
为使廊道出口处水流平稳，增长对冲消能效果，并提高廊道内侧曲面压力，廊道出口沉没水深普通上闸首不不大于1.0～2.0，下闸首应不不大于0.5～1.5。
4、 输水廊道直线段
在廊道转弯段之间，应有一定直线段长度，重要是为了使阀门后水流可以得到充分扩散，同步便于布置输水阀门和检修阀门。直线段长度普通为（1.3～2.5） 图 2-1
二 消能工
集中输水系统消能工布置应使水流可以充分消能和均匀扩散，并不妨碍输水系统泄流能力。依照背面水力计算中求出流速和水头，查规范可采用简朴消能工。选用消力槛消能。
输水系统及消能工布置简图见图2-1

第二节 船闸输水系统水力计算
1、 水阀门处廊道断面面积

式中：—计算水域面积 255×23=5865
—设计水头 取5.0
—阀门全开时输水系统流量系数，可取0.6～0.8，取0.7
—系数，锐缘平板阀门=0.7时，取0.56
—可取0.6～0.8，取0.8
—闸室灌水时间，取8.0
则；
2、 输水系统阻力系数和流量系数
流量系数
式中：—时刻t时输水系统流量系数
—时刻t时阀门开度时阀门局部阻力系数，可按表A.0.4选用
—阀门井或门槽损失系数，平面阀门取0.1，这里用0.1×2（两个门槽）
—阀门全开后输水系统总阻力系数
输水系统总阻力系数涉及进口、进口弯、出口弯、扩大、出口等局部阻力系数和沿层摩阻损失阻力系数，即

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中提供计算办法计算选用，其中：
—对于边沿微带圆弧形进口时为0.2～0.25，取0.25
—进口转弯可由公式计算，其中为转角（），为系数与廊道形状及转弯曲率半径关于，当时，可查得=0.47，则=0.47
—可用上面办法求得，为0.4
—可用公式计算，式中、为先后计算断面面积分别为4×3.5和6×3.5，为系数，与圆锥顶角关于，由几何关系可知为（计算过程详见底稿），则查表得=0.14，则可以求出=0.016
—对于多支孔出口，为0.7～0.9，需将出口处阻力系数换算为阀门处廊道断面阻力系数乘以，则当出口阻力系数为0.8时实际阻力系数为0.36
—忽视沿层阻力影响，取=0
则 =0.25+0.47+0.4+0.016+0.36+0=1.496
当阀门全开时 =0.77
3、 输水阀门启动时间

式中：—系数，对锐缘平板阀门取0.725
—输水阀门处廊道断面面积 3.5×4×2=28
—波浪力系数，当船舶（队）长度接近闸室长度时，取1
—船舶（队）排水量，计算阀门启动时间时用单船2×1000×1.3=2600
—船舶容许系缆力，按《船闸输水系统设计规范》表2.2.1拟定，取32
—初始水位时闸室横断面积4.5×23=103.5
—船舶（队）进水横断面积2.46×10.6×0.9×2=46.9，其中0.9为船舶断面系数
则：
4、 闸室输水时间
闸室输水时间应依照拟定流量系数和阀门启动时间核算

式中：—闸室水域面积 255×23=5865
—阀门全开时输水系统流量系数，取0.8
—输水阀门处断面面积28
—系数，按表3.3.2拟定，取0.53
—阀门启动时间，4.8
则：
5、 闸室输水水力特性曲线
船闸水力特性曲线涉及流量系数与时间关系曲线、闸室水位与时间关系曲线、流量与时间关系曲线、能量与时间关系曲线、比能与时间关系曲线以及闸室与上下游引航道断面平均流速与时间关系曲线。
计算公式可参见《船闸输水系统设计规范》附录C中关于规定，详细计算过程可以编程计算。详见附录1水力计算程序。将计算成果绘成水力曲线如下：
1）、流量系数与时间关系曲线
流量系数可由公式计算，其中可由阀门启动度变化拟定。计算成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
当忽视阀门启动过程惯性水头影响时，阀门启动过程中任一时刻段末水头可按下式计算：

则闸室水位可用上游水位－水头，计算成果如下图：

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：

详细计算成果见下图：

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

5）、比能与时间关系曲线
比能与时间关系曲线可由下式计算：

计算成果见下图：

6）、流速与时间关系曲线
灌泄水过程各时刻闸室与引航道断面平均流速可按下式计算：

计算成果见下图：

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船舶将受到水流作用力作用，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大小及其变化因素是相称复杂。它不但与输水系统型式、阀门启动方式关于，并且与船舶大小、编队方式、系缆办法以及船舶在闸室和引航道内位置关于。当前，缆绳拉力拟定还不能从理论分析上得到满意解答，而只能对某些简朴状况作很粗略近似计算。详细缆绳拉力拟定还需借助水工模型实验。
进行缆绳拉力估算时，普通作如下某些假设：
1、 船舶位于闸室纵轴线上；
2、 船舶竖向位移对缆绳水平拉力不产生影响；
3、 船舶绑系得很牢固，在水流作用下不产生水平方向移动，缆绳拉力等于闸室灌泄水时作用于过闸船舶上所有水流作用力。
计算公式可参照《船闸输水系统设计规范》中3.3.7关于内容，计算过程如下：
船舶、船队在闸室内停泊条件可按《船闸输水系统设计规范》中3.3.7公式进行核算

闸室灌水时
式中：
—船舶、船队所受水流作用力（）
—灌泄水初期波浪力作用（）
—取0.725，锐缘平面阀门
—输水阀门处廊道断面面积28
—波浪力系数，当船舶、船队长度接近闸室长度时取1
—船舶、船队排水量2×1000×1.3=2600
—设计水头5.0
—输水阀门启动时间6.4min
—初始水位闸室横断面面积4.5×23=103.5
—船舶、船队浸水横断面面积2.46×10.6×0.9=23.47
则：
满足停泊稳定规定

闸室泄水时
—泄水时闸室水面坡降所产生作用力，可按下式（附录D.0.1）计算：

式中：
—校正系数取1.2
—水密度1 t/m
—时刻t闸室水深，可由闸室水位与时间关系曲线求得11.379－4=7.379
－闸室宽度23
—换算船底如下水深=5.166
—泄水流量，取最大流量110.059
—船尾离上闸首距离230－160=70
—船舶、船队换算长度
—闸室水域长度255
—船尾处单宽流量
—船首处单宽流量
则：

—由闸室纵向流速所产生作用力

—船舶、船队排水量方形系数
—剩余阻力系数，金属船取
—船前流速不均匀系数，闸室泄水取1.0
—系数，
—摩擦系数，金属船取
—船舶浸水表面积110.87（2×2.46+0.9×10.6）=1603.1
—水力半径，
—谢才系数，
—闸室过水断面面积，7.379×23=169.717
=2.921

满足
停泊稳定规定
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