船闸毕业设计

衢江姚家航电枢纽01船闸总体设计及下闸首结构计算第1页共104页绪论本船闸设计是拟在衢江姚家枢纽的一个船闸工程。衢江是浙江省最大河流——钱塘江南源兰江的主流，集水面积11477.2km2，河流全长257.9km。由于滩多、水浅，航道条件差，水运业日益萧条。目前通航船只为3t～12t。据交通部门预测，衢江年运量到2010年可达到200万吨，主要物资有石灰石、莹石、化肥、木材、水泥、煤炭和钢材等。鉴于目前的航道状况，无法满足远期货运量的要求。目前，塔底、小溪滩都已开工建设，安仁铺、红船豆、游埠梯级也已完成前期设计工作，加快姚家梯级水利枢纽建设，尽早使衢江航道全面通航显得尤为迫切。姚家枢纽是衢江干流开发中的第六级也是最下游一级枢纽。工程是以航运和水力发电为主，结合改善水环境及灌溉条件等综合利用工程。该工程由泄洪闸、船闸、发电厂房等建筑物组成，电站装机4×4.1MW，多年平均发电量约6533万KW.h。船闸设计标准为500t级。衢江水量充沛，水力资源丰富。建设姚家水利枢纽工程，可以充分利用衢江水力资源，年发电量达6533万KW.h，电站装机16.4MW，能对电网起到一定的调峰作用。本工程的建设可以有效缓解金华市目前用电紧张的局面。水力资源是可再生的清洁能源，本工程的建设符合国家的能源产业政策。其位于衢江下游段，河流呈东西流向，南岸为下店村，北岸为姚家村。工程横跨衢江，本段水流湍急，江面宽约500m，两岸为堤坝，姚家段堤脚有宽约40m的滩地，地面高程约29～29.50m。工程区地层分布白垩系上统基岩和第四系冲积堆积层。地下水为松散岩土类孔隙潜水，主要分布在第四系地层中。由大气降水补给，并排泄于河道。姚家枢纽工程实施后，可为恢复和提高衢江的航运能力奠定基础，并可加快上游砂石资源和矿产资源开发，促进兰溪市及衢江两岸广大地区经济更快地发展。衢江的船闸建设基本上都是与水电枢纽建设相配套的，故而在枢纽选址及船闸在枢纽总体平面布置中的位置受到水电部门的一定制约，船闸的总体布置有点困难，而其困难点主要突出在上下引航道的布置及其与河流主航道的衔接上。因此本船闸工程的设计难度是很大的，需要结合模型试验及参照以往相类似工程的经验，选择适合的解决办法。水利枢纽的布置，主要是确定水利枢纽中各主要建筑物之间的位置。枢纽工程总体布置设计，应在确保通航要求的基础上，根据工程建设任务要求，以充分发挥工程综合衢江姚家航电枢纽01船闸总体设计及下闸首结构计算第2页共104页利用效益，正确处理进期与远期、上游与下游以及干流与支流等关系。0.1枢纽的组成及功能衢江姚家航电枢纽的主体建筑物包括船闸、泄水建筑物、电站。船闸在枢纽中的布置应满足通航水流条件，保证船舶进出闸安全、迅速方便。船闸布置在河床稳定，冲淤变化不大的顺直河段。通航建筑物上，下游引航道及闸室应布置在同一条直线上，并要求引航道顺直，保证船舶快速过闸。0.2枢纽布置原则按《渠化枢纽总体布置设计规范》(JTJ220-98)，布置时应考虑下列因素：1、地形、地质、水文及泥沙条件；2、上、下游航道衔接条件；3、主要水工建筑物的使用要求；4、淹没损失及环境影响；5、施工难易，施工期长短及施工期通航条件；6、分期投产及其衔接条件；7、使用管理条件；8、工程量及投资。0.3坝址方案确定根据《钱塘江流域综合规划》及《钱塘江中游“三江”梯级开发规划》，规划枢纽坝址位于姚家村上游马鞍山嘴河道最窄处。从规划坝址河段地形上分析，可供选择坝址比较的河段局限于马鞍山嘴以下约1000m范围，该河段相对顺直，河床宽度渐变，向下逐渐增宽，河宽约300m~500m。该河段在平面上呈“Z”字形，平顺段上、下均为转弯段，坝址位置只能在该段河道中选择。故有上下坝址两种方案选择。上坝址（规划坝址，比较方案）：位于马鞍山嘴，左岸为马鞍山山体，右岸介于下应村与下店村之间，坝轴线垂直于水流方向。该坝址河床断面窄而深，上游处有一大拐弯，河宽仅250m，流速大，坝址处流态相对较下坝址复杂。上游洪水位壅高值相同的前提下，枢纽布置向右岸拓浚宽度较下坝址宽得多，右岸拓浚工程量大，左岸因布置电站，需要布置装配场及进出厂区的道路，因此，山体开挖工程量巨大，工程投资相对也大。从工程布置相对合理性方面考虑，电站需布置在左岸；船闸需布置在右岸，便于今后兴衢江姚家航电枢纽01船闸总体设计及下闸首结构计算第3页共104页建二线船闸留有余地。船闸布置在右岸，上游引航道长度较短，且该坝址横向流速速也大，影响船只航行。为此在这一岸布置船闸对衢江航运船只较为不利。该坝址河道窄，施工导流布置，施工条件较下坝址差。下坝址（推荐方案）：位于马鞍山嘴下游约500m处，距上坝址约730m，轴线右岸距下店村约150m，坝轴线垂直于水流方向。该坝址处河宽约470m，处于“Z”字形河段中部较平顺段，河床断面基本呈“U”形。受上游马鞍山体的影响，该坝址处洪水期主流稍偏右，相对上坝址来说水流较为平顺，流态相对要好，流速较小。坝址左河床有一宽约45m的滩地，高程约29.0m。在两坝址上游洪水位壅高值相同的前提下，枢纽布置向右岸拓浚宽度较上坝址小，右岸拓浚工程量小，工程投资相对也小。从工程布置相对合理性方面考虑，船闸与电站的布置正好与上坝址相反，电站需布置在右岸，不涉及房屋拆迁。船闸则布置在左岸，姚家村距防洪堤约150m，该范围正好可作为今后兴建二线船闸的预留地。船闸布置在左岸，上游引航道长度较长，处于这一岸对衢江航运船只通航较为有利，且该坝址横向流速较小，有利于船只航行。该坝址河道相对较宽，施工导流布置，施工条件较上坝址好。若上下坝址正常蓄水位相同，则两坝址对库内上游的排涝和浸没影响基本相同。下坝址因左岸防洪堤内地势较低，需增加坝址~马鞍山嘴段长600m的防洪堤基础防渗处理工程量。右岸地势较高，不存在浸没影响。从地质钻探成果看，上、下坝址基岩面高程均在20.0m，变化不大，坝基处理及基岩开挖差距不大。经综合分析比较，本阶段选用下坝址方案。上、下坝址位置见图0.1.0.4枢纽总体布置坝址以上集雨面积较大，洪峰流量大，洪水涨幅明显。为确保衢江行洪，本工程的建设不能消弱上游衢江两岸防洪堤原有的防洪能力，工程的总体布置要利于河道行洪，尽可能使坝址处河道的行洪宽度及过水断面积与原河道基本相同。受上游左岸山体影响，坝址河段主槽位于中间稍偏右，河床平均高程约22.0～22.5m，河宽约480m。左侧河床相对较高，有宽约45m的河滩地，左岸已建有防洪堤，堤顶高程约35.5m，堤内姚家村距堤脚约150m。坝址右岸也有已建成的防洪堤，堤顶高程约35.5～35.9m。下店村位于坝址上游约150m，有公路与320国道相连，交通便捷。根据工程特点，本枢纽建筑物布置与选型要考虑行洪方便，非汛期挡水，汛期敞开行洪，挡水泄洪建筑物须布置在河道中央。考虑到本工程的首要任务是航运开发，为确保工程衢江姚家航电枢纽01船闸总体设计及下闸首结构计算第4页共104页安全及航道运行安全、维护管理方便、设计施工经验丰富等方面考虑，主体挡水建筑物推荐泄洪闸方案。衢江航道规划的航道等级为Ⅳ级，通航船只为500t级，结合衢江航道的特点及枢纽闸址处地形特点、水流条件等，工程总体布置对船闸布置在左岸和右岸进行综合定性分析比选。0.4.1枢纽总体布置方案比较1)布置方案方案一：船闸布置在左岸，电站布置在右岸。总体布置自左至右依次为船闸、泄洪闸、电站。方案二：船闸布置在右岸，电站布置在左岸。总体布置自左至右依次为电站、泄洪闸、船闸。2)方案比较方案一：枢纽闸址河段地形在平面上呈左岸微凸，右岸微凹，船闸布置在左岸相对较平顺。考虑到左岸有马鞍山体，为通航船只进出船闸方便，布置时不宜太往左靠，因此，船闸靠老防洪堤脚布置，保持原有防洪堤的完整性，上游引航道长约600m；下游有足够的河段用来布置下游引航道，且下闸首偏向河道内侧，有利于船只通行。根据航运量预测，到2020年前须修建二线船闸才能满足货运量的需求，船闸布置于左岸，现状堤内为农田，便于划定左岸防洪堤脚向姚家村侧约200m宽度为兴建二线船闸的预留地。电站则布置在右岸，只需拆除右岸原防洪堤，不涉及房屋拆迁等政策处理难点，建电站有拓宽的余地，可确保工程后河道行洪断面积与原河道大体相等，以利行洪。电站布置在右岸，下店村有公路与320国道相连，交通便捷。方案二：枢纽闸址河段地形右岸为凹岸，船闸布置在右岸将影响上、下游引航道的布置，涉及大张坑村民房较大的拆迁量，船只通行也不顺畅。上游上店村紧靠老防洪堤，右岸地势较高，没有兴建二线船闸的位置，无法保证远期货运量的需求。二线船闸往右拓进，需涉及下店村及大张坑村大量的房屋拆迁，上下游引航道更难布置。电站布置于左岸，从地形及流态上看，受淤的可能性较右岸大，特别是尾水受淤较大，影响电站发电效益，且还需要拆除左岸原防洪堤并重建。左岸距国道远，仅有低等级的乡村公路到姚家村，运输大宗货物需兴建对外交通公路，现状交通不及右岸便利。优缺点比较：衢江姚家航电枢纽01船闸总体设计及下闸首结构计算第5页共104页方案一拓浚工程量小，投资省，枢纽建筑物布置有利于行洪、有利于通航，电站上下淤积的可能性较小，电站效益较好。兴建二线船闸涉及房屋拆迁、征地等政策处理难度较小。电站布置在右岸，现场有一定的拓宽余地，可确保建坝后河道行洪断面积与原河道大体相等，以利行洪。右岸下店村有公路与320国道相连，交通便捷。方案二拓浚工程量大，投资高，枢纽建筑物布置不利于通航，特别是二线船闸。受地形条件限制，兴建二线船闸将涉及下店村及张坑村的房屋拆迁等，政策处理难度较方案一大。电站布置在左岸，上下受淤的可能性较大，将影响电站的发电效益。左岸交通不及右岸便捷。经综合比较，本阶段工程总体布置选择方案一。枢纽布置自左至右依次为船闸、泄洪闸、电站。现将两种比较方案如图0.1.图0.1船闸方案图与坝址选择衢江姚家航电枢纽01船闸总体设计及下闸首结构计算第6页共104页第1章船闸总体设计船闸主要由闸首、闸室、引航道、导航和靠船建筑物及相应的设备组成。1.1船闸的规模1.1.1船闸的分级船闸应按设计最大船舶吨级分为7级，其分级指标见表表1.1船闸分级指标表船闸级别IⅡⅢIVVVIVII设计最大船舶吨级30002000100050030010050注:设计最大船舶吨级系指通过船闸的最大船舶载重吨(DWI)；当为船队通过时，指组成船队的最大驳船载重吨。衢江姚家航电枢纽01船闸最大船舶吨级为500吨，为IV级船闸。1.1.2设计船型本船闸的设计船只为500吨级1拖3船设计，布置方式为1×3,船舶尺寸为191*10.8*2.2（长×宽×满载吃水）最大干舷高为2.0m。最大单船船长为45m。1.1.3船闸尺度船闸尺度包括闸室有效长度、闸室有效宽度和门槛最小水深及船闸最水断面的断面系数。根据设计船型、船队，满足船闸在设计水平年限内各期（近期、远期）客货运量及过闸船舶总载重吨数确定。1)闸室有效长度fcxLLL（1-1）式中：xL——闸室有效长度（m）；cL——设计最大过闸船队、船舶的长度（m），当一闸次有两个或多个船队船舶纵向排列过闸时，则为各设计船队船舶长度之和加上各船队船舶之间的停泊间隔;fL——富裕长度（m）,机动驳20.03fcll.19120.03*191198.73xcfLLLm取为200m.衢江姚家航电枢纽01船闸总体设计及下闸首结构计算第7页共104页2)闸室的有效宽度xcfBbbfb=Δb+0.025(n-1)cb（1-2）式中：xB——船闸闸首口门和闸室有效宽度(m)；cb——一闸次过闸船舶并列停泊于闸室的最大总宽度(m)。当只有一个船队或一艘船舶单列过闸时，则为设计最大队或船舶的宽度cb；fb——富裕宽度(m)；b——富裕宽度附加值(m)，当cb≤7mm时，b≥1m；当cb＞7m时，b1.2m；n——过闸停泊在闸室的船舶的列数。xB=10.8+1.2=12m，采用现行国家标准《内河通航标准》（GBJ139）中规定的8m、12m、16m、23m、34m，取xB=12m.3)门槛水深门槛水深应满足