4-船闸总体设计

1 第四章第四章 船闸总体设计船闸总体设计 第一节第一节 船闸规模船闸规模 一 船闸基本尺度 船闸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 闸室有效长度 有效宽度和门槛水深必须满足船舶安全进出闸和停泊的条件 并应 满足下列要求 1 船闸设计水平年内各阶段的通过能力满足过闸船舶总吨位数量和客货运量要求 2 满足设计船队 能一次过闸 3 满足现有运输船舶和其他船舶过闸的要求 1 闸室有效长度 闸室有效长度 是指船舶过闸时 闸室内可供船舶安全停泊的长度 闸室有效长度 起止边界按下列规则确定 它的上游边界应取下列最下游界面 图 4 1 帷墙的下游面 上闸首门龛的下游边 缘 采用头部输水时镇静段的末端 其他伸向下游构件占用闸室长度的下游边缘 它的下游边界应取下列最上游界面 图 4 1 下闸首门龛的上游边缘 防撞设备的 上游边缘 双向水头采用头部输水时镇静段长的一端 其他伸向上游构件占用闸室长度 的上游边缘 图 4 1 船闸有效长度示意图 闸室有效长度等于设计最大船队长度加富裕长度 即 x L 4 fcx llL 式中 闸室有效长度 m x L 设计船队 船舶计算长度 m 当一闸次只有一个船队或一艘船单列过闸 c l 2 时 为设计最大船队 船舶长度 当一闸次有两个或多个船队船舶纵向排 列过闸时 则等于各设计最大船队 船舶长度之和加上各船队 船舶 间的停泊间隔长度 闸室的富裕长度 m 与船队的尺度 队型和吨位有关 是确定闸室有效 f l 长度的一项重要参数 根据船闸实践和船舶操纵性能 可取 对于顶推船队 cf ll06 0 2 对于拖带船队 cf ll03 0 2 对于机动驳和其他船舶 cf ll05 0 4 2 闸室有效宽度 闸室有效宽度 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 对于斜坡式闸室 其有效宽度为两侧垂直靠船设施之间的最小距离 闸室有效宽度可按下式计算 4 fcx bbB 4 cf bnbb 1 025 0 式中 船闸闸首口门和闸室有效宽度 m x B 同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 c b 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 富裕宽度 m f b 富裕宽度附加值 m 当 7m 时 1m 当 7m 时 b c bb c b 1 2m b 过闸停泊在闸室的船舶的列数 n 值得注意的是 闸室的有效宽度应不得小于按公式计算的值 并宜根据计算结果套 用现行国家标准 内河通航标准 中规定的 8m 12m 16m 23m 34m 宽度 3 门槛最小水深 门槛最小水深指在设计最低通航水位时门槛上的最小深度 与船舶 队 最大吃水 和进闸速度有关 对船舶 队 操纵性和工程造价有较大影响 船闸运用和模型试验表 明 增加富裕深度比增加富裕宽度有利 船舶 队 进 出闸时水被挤出或补充主要从 船底下流入 如富裕深度小了 则影响水量的补充 增加船舶下沉量 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 1 6 倍 即 3 1 6 4 T H 式中 H 门槛最小水深 m T 设计船舶 船队满载时的最大吃水 m 闸室最小水深应为设计最低通航水位至闸室底板顶部的最小水深 其值应不小于门 槛水深 设计采用的门槛最小水深和闸室最小水深 应充分考虑船舶 船队采用变吃水 多载时吃水增大以及相邻互通航道上较大吃水船舶 船队需通过船闸的因素 综合分析 确定 船闸富裕尺度是计算船闸尺度的重要参数 与船舶的进闸速度 航行阻力 船闸通 过能力和船闸安全运行有密切关系 富裕尺度小了 将降低船舶进闸速度 加大航行阻 力 增加进闸难度和事故 延长进闸时间 降低船闸通过能力 富裕尺度大了 会增加 工程投资 造成浪费 因此 必须选取合理的富裕尺度 式 4 1 4 和 4 中 的富裕尺度是参考国内外船闸设计 运行实践和实船试验成果拟定的 此外 船闸富裕 尺度还与船舶性能 单位功率拖 推 载量及驾驶技术等因素有关 这里提到的富裕尺 度是按正常设计条件下拟定的 在确定船闸基本尺度时 还应考虑船闸最小过水断面的断面系数 的要求 根据实 验和观察 若 值过小 则船队 船舶过闸时 可能产生碰底现象 为保证船队 船舶 安全顺利地过闸 一般要求 1 5 2 0 4 5 式中 设计最低通航水位时 闸室过水断面面积 最大设计过闸船队 船舶满载吃水时船舯断面水下部分的断面面积 如果值不满足上述要求 则应加大门槛水深 以增大闸室过水断面面积 为了适应航运事业的发展 构成四通八达统一标准的航道网 各国均对天然 渠化 河流及人工运河划分了等级 制定了统一的通航建筑物标准 我国颁布的 内河通航标 准 中 对每级航道都规定了相应的航道尺度 船闸闸室有效尺度及水上跨河建筑物的 净空尺度 因此 在工程实践中 当缺乏设计船型 船队资料时 只要确定了航道的等 级 可根据现行国家标准 内河通航标准 并经过调查研究和方案比选确定船闸的基本 尺度 4 二 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内的客 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 若有下列情况之一时 应论证研究修建双线或多线船闸 采用单线船闸不能满足设计水平年内过闸船舶数量 总吨位数 客货运输量 过闸的通过能力要求的 客货运量大 船舶过闸繁忙的连续多级船闸 由于单线船闸迎向运转要等待 和延长过闸时间 降低通过能力和船舶运输效率而不经济的 运输繁忙和重要航道在年通航期内 不允许由于船闸检修 疏浚 冲沙和事 故等原因造成断航的 客运 旅游等船舶多 过闸频繁 需解决快速过闸的 区间小船 渔船和农副业船舶数量多 过闸频繁影响通过能力的 长江葛洲坝水利枢纽兴建了三线船闸 见第三章图 3 1 除了满足设计水平年内客 货过坝外 还考虑了船闸检修 引航道冲沙 挖泥时能互相错开 以保证长江航运不断 的需要 京杭运河是我国南北水上运输的主通道 运输繁忙 各梯级也都兴建扩建了多线船 闸 淮安船闸是苏北运河上最繁忙的船闸之一 1995 年船舶通过量为 6105 万吨 过闸货 运量 3193 万吨 已出现较为严重的待闸现象 根据预测 到 2020 年淮安船闸船舶 货 物通过量将分别达 13120 万吨和 6960 万吨 因此 淮安段修建了三线船闸 三 船闸级数 船闸级数直接影响船闸通过能力 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 在条件允许的情况下 应优先采用单级船闸 但当枢纽水位落差较大时 水头仍然是限制建造单级船闸的决定因素 特别是船闸 水力学条件 闸门受力状况和建筑技术 更是其中的关键 此时采用多级船闸则可降低 每级船闸的水头 使复杂的技术问题相对简化 在一定条件下 多极船闸对较高的台地 地形条件能较好的适应 可减少开挖工程量 因此 当水头较大 具有下列情况之一时 5 应考虑多级船闸方案 采用单级船闸受技术条件的限制 特别是受船闸水力学条件和闸门技术条件 的限制 受船闸所处位置的地形 地质条件的限制 如地形较高 建单级船闸开挖深 度大 与枢纽中相邻建筑物连接难以处理等 3 河流缺水 需要节省船闸耗水量 建省水船闸又不经济时 影响船闸级数的因素很多 也很复杂 单级船闸与多级船闸的水头也无明确界限 一般可按下述范围考虑 当 30 采用单级船闸 为水头 当 30m 40m 经过技术和经济比较 采用单级或两级船闸 当 40 采用两级或多级船闸 上述仅是一般的使用条件 对于具体的水头限制 还要根据工程的具体条件而定 由于单级船闸具有的优越性 随着技术水平的提高 单级船闸能适应的水头亦在逐步提 高 多级船闸型式主要有连续多级船闸和设中间渠道的多级船闸两种 两个以上闸室纵向连续阶梯排列的船闸称连续多级船闸 是超高水头船闸形式之一 按水头的高低来划分级数 在一定条件下 设中间渠道的多级船闸对较高的台地地形条 件能较好地适应 可减少开挖工程量 设中间渠道的多级船闸的缺点 最主要的是可靠性差 船舶过闸慢 时间长 通过 能力小 停航检修机率多等 而且补溢水的处理 消减相邻闸室超灌超泄产生的反向水 头都是复杂的技术问题 因此 国内外的连续梯级船闸均不多 在较重要航道上建连续 多级船闸 应考虑同时兴建双线 如加拿大韦兰运河八级船闸中 4 5 6 号连续三级船 闸就采用双线 其余单级船闸均是单线 我国三峡船闸采用了连续 5 级双线船闸 是目 前世界上总水头最高 连续级数最多的大型船闸 见图 4 2 6 图 4 2 长江三峡连续 5 级双线船闸布置示意图 第二节第二节 船闸设计水位和高程船闸设计水位和高程 一 船闸设计水位 在确定船闸各部分高程之前 应先确定船闸各种设计水位 船闸设计水位通常包括 船闸设计通航水位 船闸校核水位和船闸检修水位 船闸设计通航水位 包括运河 渠化工程 水利枢纽 灌溉渠道 防洪排涝渠道等 上的船闸 包括上 下游设计最高 最低 通航水位 是船闸设计的主要依据之一 船闸 设计通航水位应根据水文特征 航运要求 船闸级别 航道条件 两岸自然条件 综合 利用要求等因素综合分析确定 1 上游设计最高通航水位 船闸上游设计最高通航水位应按表 4 1 规定的设计洪水频率 并考虑下列因素分析计 算确定 1 满足航运的需要和船舶安全畅通的要求 2 改善上游航道滩险的需要 3 综合利用水资源时上游水位的要求 4 回水淹没的损失以及对重要城镇 铁路 公路 厂矿 农业基地 文物古迹 环境保护等的影响 5 工农业生产和城镇生活用水对上游来水的影响 6 水电站运行 船闸灌水和风浪等引起的水化变化 7 船闸或船闸所在枢纽的特殊运行的水位情况 8 由于河床淤高引起的水位变化 7 船闸设计最高通航水位设计洪水频率 表 4 1 船闸级别 洪水重现期 a 100 2020 1010 5 频率 1 55 1010 20 对水利水电枢纽不得低于正常蓄水位 对航运枢纽不得低于正常挡水位和设计挡水 位 对出现高于设计最高通航水位历时很短的山区性河流 级船闸的洪水重现期可采 用 10 年 级船闸可采用 5 3 年 级船闸可采用 3 2 年 在平原地区运输 繁忙的 级船闸设计最高通航水位 通过论证洪水重现期可采用 20 10 年 山区中 小型船闸经论证允许溢洪的 其上游设计最高通航水位 可根据具体情况通过论证后确 定 但不应低于船闸建设前航道的通航标准 2 上游设计最低通航水位 船闸上游设计最低通航水位应按表 4 2 规定的保证率并考虑下列因素分析计算 并应 与枢纽的死水位和最低运行水位相比较取低值 1 满足航运的需要和船舶安全畅通的要求 2 枢纽建成后对下游河床下切或下游河床冲淤变化引起的同级流量相应的水位降 低或升高 3 引排水引起的水位变化和有关方面对水位的特殊要求 4 下游航道整治 疏浚引起的水位变化 5 重要建筑物或河道条件对水位的限制和影响 6 枢纽运行调节 船闸泄水及风浪波动引起的水位变化 7 位于潮汐河段的船闸 建闸后引起的潮位变化 8 交汇河口高水位或洪水顶托的影响 船闸设计最低通航水位标准 表 4 2 船闸级别 保证率 99 9898 9595 90 3 下游设计最高通航水位 船闸下游设计最高通航水位 应采用表 4 1 规定的设计洪水频率相应的最大下泄流量 对应的下游最高水位 并应考虑与确定上游设计最高通航水位时相同的因素 在下游有 梯级衔接时尚应考虑受下一梯级回水的影响 4 下游设计最低通航水位 船闸下游设计最低通航水位 在下游为天然河道时 应采用表 4 2 规定的保证率 并 应考虑与确定上游设计最低通航水位时相同的因素 枢纽下泄的最小瞬时流量必须满足 8 下游河段设计最低通航水位相应流量 在下游有衔接梯级时应采用下一梯级上游设计最低通航水位回水到船闸的相应水位 5 船闸上 下游校核高水位 船闸上游校核高水位可采用枢纽的校核洪水水位或非常运用水位 船闸下游校核高 水位可采用枢纽的校核洪水位或非常运用时最大下泄流量相应的下游最高水位 不受枢 纽影响的船闸 可按船闸级别 参照有枢纽的同级别情况 研究分析校核洪水位或非常 运用时的水位确定上 下游校核高水位 6 船闸下游校核低水位 船闸下游校核低水位可采用枢纽最小瞬时下泄流量相应的下游最低水位 7 船闸上 下游检修水位 船闸检修水位 是船闸检修期间的上限水位 也是船闸建筑物设计水位之一 当水 位超过检修水位时 船闸不能抽干闸室的水进行检修 检修水位是控制船闸连续检修时 间的标准水位 也是船闸设计标准之一 检修水位定低了 难以满足检修的需要 特别 是在枯水期 多为运输旺季 往往不允许停航检修 京杭运河苏北段船闸曾检修水位定 低了 且所定水位多出现在运输旺季不宜停航检修 检修水位定高了 则增加工程量和 投资 船闸上 下游检修水位 应根据船闸的规模 重要性 航运要求 水文情况 枢纽 运行条件与检修情况 检修能力和检修延续时间等综合分析确定 8 船闸施工水位 船闸施工水位应根据施工能力与强度 施工进度安排 河道洪 中 枯水期的水文 情况 地形条件 施工导流与施工围堰设施等情况 以保证安全施工和满足施工要求为 原则 对不同的施工期限和工程部位 经论证比较后综合分析确定 施工围堰的洪水设 计标准可参照水利 水电有关现行标准确定 二 船闸各部分高程 船闸高程包括船闸顶部高程和底部高程 由于各部分建筑物的位置和作用不同 故 确定高程的依据也不同 1 船闸闸门门顶高程 1 位于枢纽挡水前缘闸首工作闸门门顶高程应满足枢纽挡水要求 其高程采用枢 纽上游校核水位加安全超高 如果另设有挡水闸门 则工作闸门门顶高程可采用上游设 9 计最高通航水位加超高 事故闸门门顶高程为上游最高洪水位加安全超高 2 船闸非挡水前缘闸首的工作闸门门顶高程按通航要求 采用上游设计最高通航 水位加安全超高 多级船闸第二道闸首以下各级闸首门顶高程采用各级闸室的设计最高通航水位加安 全超高 3 由于溢洪船闸在上游水位高于设计最高通航水位时 船闸溢洪过流 故溢洪船 闸上闸首门顶和第二道闸首门顶高程均采用上游设计最高通航水位加超高 4 检修闸门门顶高程采用检修水位加安全超高 根据国内船闸设计和运用实践 闸首门顶超高可采用表 4 3 的数值 船闸闸门顶最小安全超高值 m 表 4 3 船闸等级 超高值 0 5 0 3 表中未计及闸门外的波浪和水面涌高值 当闸门外有波浪和水面涌高时 门顶超高 应为上表中的超高值加浪高和水面涌高 波浪高度参照有关规范和专著计算 或是采用 试验资料 水面涌高参照试验资料或类似工程的实例资料采用 2 闸首墙顶高程 船闸闸首墙顶高程根据闸门门顶高程 结构布置和构造 交通要求 邻近挡水建筑 物高程等确定 并不得低于闸门和闸室墙顶部高程 门型不同 对门顶以上墙的高度要 求也不同 如人字门闸首墙顶高程要考虑人字门顶枢的构造和布置要求 横拉门闸首墙 高程主要根据门顶设桥与否 横拉门入门库检修的要求确定 当按以上原则确定的闸首 墙顶低于闸室墙顶高程时 则应取与闸室墙顶平齐 位于枢纽工程中的船闸 其挡水前缘的闸首墙顶高程应不低于枢纽工程建筑物挡水 前缘的顶部高程 3 闸室墙顶高程 船闸闸室墙顶高程根据过闸船舶安全停泊 闸面布置和交通要求而定 由于船闸灌 泄水时 水面涨落很快 为防止过闸船舶在船闸泄水 水位降落时 船舷挂住墙顶 造 成事故 故闸室墙顶高程应为上游设计最高通航水位加超高 其超高值取不小于设计过 闸船舶 队 空载时最大干舷高度 表 4 4 所列驳船空载干舷高度可在确定闸室墙顶高 程时参考 驳船空载干舷高度 表 4 4 驳船吨级 t 10030050010003000 10 空载干舷高度 m 1 01 4 1 6 1 71 6 1 73 0 3 3 我国各地船型复杂 同吨位的各类船舶的空载干舷高度也不同 有些已建的船闸闸 室墙顶高程偏低 使致闸墙顶部栏杆被撞坏 值得船闸设计者注意 4 闸室底板顶部高程 船闸闸室底板顶部高程不应高于船闸上 下闸首门槛顶部高程 5 闸首门槛顶和引航道底高程 上 下闸首门槛顶高程分别为上 下游设计最低通航水位减门槛最小水深 上 下游引航道底高程分别为上 下游设计最低通航水位减引航道设计最小水深 闸首门槛顶和引航道底高程是保证船闸安全通畅运行的重要标准 特别是闸首门槛 顶修建后要再加深很困难 而且影响设计最低通航水位的因素极为复杂 较难准确的估 计 因此 除了选好设计最低通航水位外 在确定门槛顶高程和引航道底高程时 还应 留有充分的富裕量 我国有的船闸因闸门槛顶高程定得过高 因而水深不够 5 导航建筑物和靠船建筑物顶及引航道堤顶高程 上 下游导航建筑物和靠船建筑物顶高程分别为上 下游设计最高通航水位加超高 其超高值不宜小于设计船舶 队 的最大空载干舷高度 有防洪要求的引航道堤 岸 顶高程应与挡水闸首墙顶高程一致 第三节第三节 船闸通过能力和船闸通过能力和耗水量耗水量 一 船闸通过能力一 船闸通过能力 船闸通过能力系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 一般情况下 船闸通过能力应计算设计 水平年内近期 中期 远期通过客 货 运量能力和船舶总吨位能力 并以年单向通过 能力表示 1 单向年过闸船舶总载重吨位 4 6 NG n P 2 1 式中 单向年过闸船舶总载重吨位 t 1 P 日平均过闸次数 n T n 60 船闸日工作时间 h 应根据船闸实际工作情况确定 对昼夜通航的情况 下 可取 20 22h 11 T 船闸一次过闸时间 min 这是影响船闸通过能力的重要参数之一 后面 将专题讨论 年通航天数 d 根据船闸的具体情况确定 N 一次过闸平均载重吨位 t 通常按设计水平年内各期设计船型及其组合的G 船舶排列法计算 即根据各设计水平年运量大小 货物种类 结合船闸有效尺度进行组 合 计算各种不同组合的一次过闸载货吨位 再求出其平均值 因此 船闸各个时期的 通过能力 应选用相应各时期的一次过闸平均吨位进行计算 就我国目前船舶发展情况而言 用该方法计算所得的一次过闸平均载重吨位与实际 情况存在差异 主要原因是 过闸船舶类型杂乱 选择的设计船型与实际船型差异较 大 船舶到闸具有随机性 实际船舶过闸组合与设计船型的过闸组合差别也大 2 单向年过闸客货运量 4 7 NG nnP 2 1 02 式中 日非运客 货船过闸次数 0 n 船舶装载系数 与货物种类 流向和批量有关 可根据各河流统计或规划 资料选用 无资料情况下可采用 0 5 0 8 运量不均匀系数 各地区差异很大 无资料时 可取 1 3 1 5 有统计资 料时可按公式 4 10 计算 4 8 年平均月货运量 年最大月货运量 对受潮汐影响的船闸及承受双向水头的船闸 当具备开通闸条件时 可设开通闸 开通闸的运行时间可根据实际情况确定 开通闸通过能力的计算应考虑开通闸运行通过 能力的提高 设中间渠道的多级船闸的通过能力可按单级船闸计算 单线连续多级船闸或双线连 续多级船闸应按其运行方式计算通过能力 3 影响船闸通过能力的因素 1 船闸的技术水平 也就是设计确定的技术条件 或称技术指标 包括 船闸设 计总水头和船闸级数 单级 连续多级 设中间渠道的多级 船闸线数和布置 船闸输 水系统和灌泄水时间 闸门型式 启闭设备的先进性 可靠性及启闭时间 闸室有效尺 度 引航道尺度和布置 导航和靠船建筑物布置 通航水流条件和泥沙防治的效果 信 号 航标配置 通讯和交通管理控制系统条件等 这些因素集中反映在船舶一次过闸时 间 T 通航水流条件和泥沙防治效果影响通航期 年通航天数 因此它是衡量船闸设计先 12 进与否的一个重要指标 2 外部条件 过闸船型船队的类型和组成 各类船舶的尺度 载量和技术条件 过闸货物的品种 批量 流向及不均匀性 上下游航道尺度 滩险情况 水流条件 跨 河建筑物净空 两岸堤防情况 洪 枯水期停航天数及年通航期 上 下游港口的能力 及对到闸船舶均衡性的影响 3 船闸管理水平 管理人员的技术水平 熟练程度 工作效率 通讯联络 控制 系统的灵敏性 事故处理及检修能力和技术水平等 4 提高船闸通过能力的途径 在设计阶段 尽可能减小一次过闸时间 首先 提高船闸的技术水平 合理确定船 舶 队 与船闸尺度的关系 选择合适的输水系统型式和闸阀门型式 缩短开 关 闸 门的时间以及闸室灌 泄 水时间 其二 提高船队进出闸速度 缩短船队进出闸时间 而提高船队进出闸速度 缩短船队进出闸时间 除了船舶本身的操纵性能和驾驶员水平 外 关键是合理的引航道布置和尺度 导航和靠船建筑物的布置 船闸的富裕尺度以及 良好 完善的通讯 导航和控制系统设施 对高水头船闸 应尽量采用单级船闸 在单 级水头超过技术可能 必须采用多级船闸时 宜采用设中间渠道的多级船闸 在营运阶段 要注意提高船闸管理水平 提高船闸的维修保养 检修能力 缩短检 修时间 增加船闸通航天数 尽量延长每年的通航天数 N 同时应该注意发挥船闸的潜力 尽量延长船闸日工作时间 增大 值 引进信息化管理手段 提高船闸的运行 调度水 平 减小船闸空等和船队的停滞候闸时间 合理组织货流和船舶调度 每次过闸都应尽 量利用闸室有效面积 做到满室过闸 尽量提高一次过闸船舶的平均吨位 二 船舶过闸时间二 船舶过闸时间 一次过闸时间是指船舶过闸时 船闸完成循环运行操作所需的时间 取决于船舶进 出闸时的运行速度和船闸的技术指标 过闸方式有单向和双向两种 过闸时间也要分别 计算 1 单级船闸一次过闸时间 1 单向一次过闸时间 当船舶 队 由下游向上游单向通过船闸时 假定闸室已泄水 闸室内为下游水位 且下闸门已打开 则完成一次单向过闸程序所需的各项作业时间如下 1 同闸次最后一个船舶 队 由下游进入闸室的时间 min 2 t 13 2 关闭下闸门的时间 min 1 t 3 闸室灌水时间 min 3 t 4 开启上闸门的时间 min 1 t 5 同闸次最后一个船舶 队 与第一个船舶 队 出闸启动时间间隔 min 5 t 6 同闸次最后一个船舶 队 由闸室驶向上游引航道的时间 min 4 t 7 关闭上闸门的时间 min 1 t 8 闸室泄水时间 min 3 t 9 打开下闸门的时间 min 1 t 10 同闸次最后一个船舶 队 与第一个船舶 队 进闸启动时间间隔 min 5 t 假定闸门启 闭 时间相等 闸室灌 泄 水的时间相等 如果同闸次只有一个船 舶 队 过闸 则不需考虑船舶 队 之间与启动时间间隔 在经过上述 10 项作业后 完成了一个单向过闸时间循环 因此 船舶 队 单向通过船闸所需的总时间 T1为 4 9 543211 224tttttT 2 双向一次过闸时间 双向过闸是指一个方向的过闸船舶 队 出闸后 另一方向等候过闸的船舶 队 迎向进闸 过闸程序前 6 项与单向过闸相同 由于船舶 队 进出闸行驶距离和速度与 单向过闸不相同 所以进闸时间为 出闸时间为 接着继续完成的作业程序如下 2 t 4 t 7 同闸次最后一个船舶 队 与第一个船舶 队 进闸启动时间间隔 min 5 t 8 同闸次最后一个船舶 队 自上游驶入闸室时间 min 2 t 9 关上闸门时间 min 1 t 10 闸室泄水时间 min 3 t 11 开下闸门时间 min 1 t 12 同闸次最后一个船舶 队 与第一个船舶 队 出闸启动时间间隔 min 5 t 13 同闸次最后一个船舶 队 驶出闸室进入下游引航道时间 min 4 t 14 同闸次最后一个船舶 队 与第一个船舶 队 进闸启动时间间隔 min 5 t 按以上 14 个程序 双向一次过闸 两方向各通过一个船舶 队 的总时间为 4 12 5 43 212 42224tttttT 3 单级船闸船舶平均过闸时间 单级船闸船舶平均过闸时间应根据船闸实际运行中船闸单向和双向过闸的闸次比率 确定 当单向过闸与双向过闸次数相等或相近时 可采用下式确定 14 4 21 2 1 2 1 TTT 10 2 连续多级船闸一次过闸时间 连续多级船闸的过闸方式有单向 双向和成批过闸三种 单线多级船闸通常采用成 批过闸方式 双线多级船闸在双线运行时 一般采用单向过闸方式 1 单向过闸 多级船闸的单向过闸实际上是单向连续过闸 即一系列船舶 队 彼此相隔一个闸 室鱼贯式通过船闸 在单向连续过闸过程中 前后两个船舶 队 仅相隔一个闸室 因 此 船舶 队 通过一个闸室所消耗的时间为 4 11 653213 124ttmtttT 式中 T3 连续多级船闸船舶通过一个闸室所耗时间 M 连续多级船闸级数 船舶 队 从一个闸室进入另一个闸室所耗时间 行驶距离为闸室长加中间闸 6 t 首长 行驶速度可以取比单级船闸单向进闸速度低 sm 1 0 其余符号意义同前 式 4 14 中 实际运行中很难做到过闸船舶连续鱼贯过闸的条件和过闸速 46 tt 度相同 而要受其中航速低或一闸通过几个船舶过闸时间的控制 所以 13 TT 船舶单向通过连续多级船闸的时间为 4 12 6 543214 112tmtmtmttmtT 2 双向过闸 连续多级单线船闸双向过闸是一个船队 或一组船队 从下游通过全部闸室驶向上 游与等待进闸的船队错让后 下行船队从上游通过全部闸室驶往下游 反之亦然 其操 作程序及过闸时间与每一船舶 队 单向通过连续多级船闸相同 但要增加一个相反方 向的程序和时间 并且进出闸时间有变化 65 43 215 1 2122224tmtmtmttmtT 式中 T5 上 下行各一次的双向通过连续多级船闸总时间 其余符号意义同前 3 成批过闸 连续多级船闸双向过闸时间随级数增加而增长 级数越多 过闸时间越长 船闸通 过能力越小 为了既能缩短过闸时间 提高通过能力 单线多级船闸通常采用成批过闸 15 方式 这种过闸方式是向一个方向连续通过一批船舶 队 后 改变过闸方向 连续向 另一方向通过另一批船舶 队 设每批上行和下行过闸的船舶数为和 每批船队中 前 n 1 个船队的每个 u n d n 船队由第一个闸室到第二个闸室的间隔时间均为 每批船队中最后一个船队的过闸时 3 T 间即为连续多级船闸双向过闸时一个船队一次过闸时间 2 5 T 则上行每批船舶 队 过闸时间为 2 1 5 3 T TnT uu 下行每批船舶 队 过闸时间为 2 1 5 3 T TnT dd 成批过闸每一循环的总时间为 而在成批过闸每一循环的总时间中 共通过 du TT 了 个船舶 队 因此 成批过闸时每一船舶 队 通过连续多级船闸的平均时间 u n d n 为 du nn TT TT 35 36 2 从上式可知 每批过闸船舶 队 的批量越多 每个船舶 队 的平均过闸时间相 对越短 但每个过闸船舶 队 在闸前等待过闸时间就越长 延长船舶航行周期 降低 船舶周转率 增加运输成本 因此 成批过闸船舶 队 的批量要适度 4 连续多级船闸船舶一次过闸平均时间 一次过闸时间应根据单向过闸 双向过闸和成批过闸三种过闸方式所占的闸次比率 及过闸方式转换所需的换向时间等因素确定 同时 在连续多级船闸三种过闸方式的 T3 T4 T5 T6 计算中应考虑船舶过闸时间受各级中最慢一个船队过闸时间控制的影响 3 设中间渠道的船闸一次过闸时间 设中间渠道的多级船闸的一次过闸时间可按单级船闸计算 船舶 队 从下游到上 游 或相反 的过闸总时间应含通过中间渠道的时间 但不影响船闸本身的通过能力 三 船闸耗水量三 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 过闸用水是指船舶过闸时 闸室灌泄水所耗用的水量 与 船闸水头 船闸尺度 过闸船舶排水量 过闸方式 过闸次数等因素有关 闸阀门漏水 是指船闸闸 阀门止水不密实 从上游向下游流失的水量 与水头大小 止水构造及其 安装质量 使用年限 维护保养情况等有关 1 单级船闸单向一次过闸的用水量 16 4 13 CHV 0 式中 单级船闸单向一次过闸的用水量 m3 0 V 闸室水域面积 m2 C 计算水头 m 该水头不宜采用船闸设计水头 可根据上下游水位历时 H 选用接近于平均的水头 当计算一次过闸最大用水量时 采用船闸设计水头 单级船闸双向一次过闸时 用水量为单向一次过闸用水量的一半 4 14 0 0 2 1 VV 在单向过闸和双向过闸机会均等的情况下 一次过闸用水量采用单 双向过闸用水 量的平均值 4 15 0 00 0 75 0 2 1 VVVV 2 闸阀门漏水量 euq 式中 闸门 阀门漏水量 m3 s q 止水线每米上的渗漏损失 m3 s m 当水头小于时 取em10 当水头大于时 取 0015 0 emsm 0020 0 3 m10002 0 emsm 003 0 3 闸门和阀门边沿止水线的总长度 m u 3 船闸一天内平均耗水量 4 16 q nV Q 86400 75 0 0 式中 船闸一天内平均耗水量 m3 s Q 一昼夜过闸次数 n 其余符号意义同前 第四节 船闸在水利枢纽中的布置 凡为满足防洪 发电 航运 灌溉 引水等需要 在河流 含渠化河流 运河 灌 溉渠道 上修建具有综合用途的水工建筑物 都称水利枢纽 船闸在水利枢纽中的布置 主要研究和解决以下问题 1 船闸在水利枢纽的位置 2 船闸引航道布置及与上 下游航道的连接 3 船闸与水利枢纽建成后对环境 特别是对河势的影响 4 通航水流条件和改善措施 泥沙淤积和防治 5 船闸与同枢纽中各相邻主要建筑物位置的相互关系 6 船闸与河岸的关系等 这些问题往往是相互制约的 应根据地形 地质 水文 航道等条件 主要建筑 17 物的使用要求和施工条件等 统一协调 妥善处理 寻求最优的布置方案 达到投资 少 运行安全 管理方便 检修容易 施工方便的目的 因此 船闸在水利枢纽中布 置时应遵循下述原则和要求 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 一 船闸布置方式 由第三章第六节可知 枢纽的总体布置方式主要分为集中布置和分散布置 因此 按船闸与所在枢纽中拦河坝 溢流坝 电站等的相互关系 船闸布置方式一般可分为 闸坝并列式和闸坝分离式两大类 1 闸坝并列式布置 船闸布置在河床或河滩上 与其他水工建筑物紧靠 即为闸坝并列方式 图 4 3 当河床宽度足够布置拦河坝 泄水建筑物 电站及船闸时 往往将船闸与这些建 筑物布置在一起 这种布置方式的优点是占地少 开挖工程量较少 同时可与其他水 工建筑物在同一围堰内施工 但采用这种方式布置时 要注意船闸与其它泄水建筑物 之间的关系 有时需要修筑较长的导堤将船闸引航道与河道分开 以减少泄水建筑物 之间水流的相互影响 保证船舶的安全 顺利地进出船闸 18 图 4 3 闸坝并列式布置示意图 在闸坝并列布置方式中 按船闸闸室与坝轴线相对位置 还可分为船闸伸向坝轴 线上游和坝轴线下游两种 当船闸突出于坝轴线的上游时 由于上游引航道进 出口离溢流坝较远 所需建 造的上游导堤较短 但由于上游水深往往较深 导堤往往很高 此外 这种布置方式 便于公路或铁路直线地从下闸首通过 可降低跨越船闸的桥梁高程 尤其当船闸水头 较高时 无需建造很高的桥台 即可满足通航净空的要求 这种布置方式的主要缺点 是 由于闸室位于坝的上游 闸室墙承受较大的水压力 闸室结构比较复杂 其次 为使从溢流坝下泄的水流流速在下游引航道进出口处减缓到允许的范围 下游需建造 很长的导堤 当船闸突出于坝的下游时 闸室墙承受的水压力较小 闸室结构可以较为简单 下游引航道进出口离溢流坝较远 所需下游导堤的长度可以缩短 这种布置方式的缺 点是 当公路 铁路跨越船闸时 若跨越船闸的桥梁建在上闸首 公路 铁路虽能直 线通过 但必加高桥台 才能满足通航净空的要求 将桥梁建在下闸首 通航净空的 要求易于满足 但须绕道 这不仅会增大工程量 而且有时也难于满足公路的最小曲 率半径的要求 此外在这种布置方式中 上游常常建造很长的导提 在上述两种布置方式中 船闸突出于坝上游所需的工程量和投资较大 因此除特 殊条件外 一般都采用船闸闸室布置在挡水建筑物下游的方式 经论证需将闸室布置 在坝轴线上游时 应满足下列要求 1 通航建筑物不参与溢洪 2 加长下游引航道的导航墙长度 使下引航道口门区的水流条件满足设计要 求 2 闸坝分离式布置 19 若船闸布置在另外开挖的引河中 或利用河中的小岛与拦河坝 电站等水工建筑 物分隔而自成体系 则为闸坝分离式布置 图 4 4 闸坝分离式布置方式的优点是 船闸不占河床宽度 有利于泄水建筑物和电站 布置 船闸施工条件大为简化 一般可干地施工 无需建筑围堰 施工质量也易得到 保证 其它水工建筑物对船闸通航条件的影响较小 但是这种布置占地较多 需开挖 引河 土石方挖方量往往很大 图 4 4 闸坝分离式布置 二 船闸在枢纽布置中应注意的问题 因为天然河流形态各异 船闸在水利枢纽中布置时所涉及的因素多 情况也比较 复杂 不可能用一般的原则或若干个模式就能概括所有的情况 必须根据河流的地形 水文 地质 航道 施工等条件和枢纽中各主要建筑物的运用要求进行布置 根据国内 外已建船闸运行经验及科研试验成果 船闸在水利枢纽中布置时应注 意下述问题 1 船闸及引航道应布置在一条直线上 上 下游引航道与主航道平顺连接 有 可供过闸船舶 队 停靠 系泊的足够尺度 其长度 宽度 转弯半径和水深应符合 规定 例如 1938 年建成的邦纳维尔水利枢纽是美国哥伦比亚一斯内克河渠化工程最下 一个梯级 为发电 航运枢纽 布置有电站 2 座 泄水闸 l 座 船闸 2 座 鱼道 3 座 老船闸存在以下问题 其一是船闸尺度不足 不能满足航运需要 其二是通航条 件差 不能满足安全航行的需要 其三是布置上存在问题 引航道内没有供船舶停靠 的区段 新船闸布置研究了多种方案 并进行了整体水工模型试验 选择了将船闸尽量左 移的方案 图 4 5 使船闸的引航道长度满足布置要求 并采取切突咀 修丁坝 筑 潜坝等工程措施 改善通航水流条件 20 图 4 5 邦纳维尔水利枢纽布置示意图 2 船闸宜布置在顺直稳定河段 上 下游引航道口门尽可能避开易淤积部位 尤其是凸岸淤积区和枢纽下泄水流携带冲积物的淤积区及回流 缓流淤积区 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 我国有的船闸 由于对泥沙淤积问题没有足够重视 布置在凸岸淤积区 致 使船闸建成后不久就遭淤废 只得重建 造成大量工程投资和运输上的损失 例如鉴江江边村船闸建成后几年淤积边滩就超过 1km 最宽处约 200m 延伸到引 航道外侧 使引航道形成倒钩形 图 4 6 最后淤废 只得另建新船闸 并修建与船 闸共闸室的两孔冲沙闸 图 4 7 图 4 6 鉴江江边村老船闸淤积示意图 图 4 7 鉴江江边村新船闸冲沙闸布置示意图 3 船闸宜临岸布置 不应布置在溢流坝 泄水闸 电站等两过水建筑物之间 避开枢纽泄水建筑物泄水时对船闸引航道进出口通航条件的干扰 当船闸与溢流坝 泄水闸 电站 水轮泵站等建筑物相邻时 其间必须有足够长度的隔流堤隔开 以保 证船舶顺利地进出船闸引航道 例如莱茵河依芬兹海姆枢纽位于德国卡尔斯鲁厄城附近 在德法交界处 枢纽由 21 船闸 电站 拦河坝 泄洪闸组成 有航运 发电 防洪 灌溉等综合效益 船闸位 于河道的右侧 与坝轴线正交 闸室伸向上游 向左依次为电站 拦河坝 泄洪闸 图 4 8 船闸为双线单级 设计水头 11 m 有效尺度为 长 270m 宽 24m 门槛水 深 3 5m 上 下游引航道长各 750m 宽 125m 船闸设有中心水泵站 7 8 小时可抽 干闸室进行检修 船闸紧靠电站 为保证船闸上 下游有良好的通航条件 在上 下游引航道靠电 站侧用长导航堤隔开电站动水的影响 图 4 8 莱茵河依芬兹海姆枢纽船闸布置示意图 1 莱茵河 2 拦河坝 3 溢流坝 4 船闸 5 电站 6 上引航道 7 下引航道 8 隔流堤 4 船闸闸室宜布置在挡水建筑物的下游 同时船闸一般不应用作泄洪 在特殊 情况下必须用于泄洪时 则需在设计 布置等方面给予充分的考虑和论证 例如渠江舵石鼓枢纽位于渠江支流州河与巴河汇合口上游 2km 处的州河上 枢纽 由溢流坝 船闸 电站 泄水闸 冲沙闸组成 坝轴线总长 250m 与河道正交 船闸 按通航 2 500t 船队设计 船闸有效长 160m 宽 12m 门槛水深 2 5m 设计水头 8 17m 上 下游引航道宽 40m 直线段长 160m 船闸为单线单级 布置在右岸 与 溢流坝相邻 坝的左端为泄水闸 冲沙闸和电站 图 4 9 为使船闸建于岩基上 将 船闸闸室的大部分伸向上游 为降低船闸闸墙高度和工程量 采用了溢洪船闸 枢纽 于 1962 年 4 月建成通航 电站和冲沙闸于 1965 年建成 运用情况表明 船闸 电站 运转基本正常 但坝前和船闸上游引航道均有淤积 下游引航道口门受泄水闸下泄水 流从左岸经坝下凸岸挑流的影响 形成较大回流区 影响过闸船舶 队 安全进出 所以在 1970 年将下游引航道外引墙加长 92m 运用情况还表明 由于闸室伸向上游 在泄洪时 上游的外闸室墙成为侧溢流堰 洪水经闸室自下闸首口泄出 在闸室形成 较大的纵坡降和流速 水力条件复杂 影响下闸门和下游引航道导墙的安全 还有部 分洪水经闸室墙后平台流入小沟 造成局部冲刷 这表明 闸室伸向上游有较大的缺 点 22 图 4 9 渠江舵石鼓枢纽船闸布置示意图 5 跨越 或穿越 船闸和船舶停泊区的建筑物以及电力线路等应不影响船闸的 正常使用和安全 尽量避免水 陆交通的相互干扰 例如巴西图库鲁伊船闸是托坎廷斯河三角洲上游 280km 处的图库鲁伊水电站的组 成部分之 其最主要的作用是保证托坎廷斯河和阿拉爪亚河的通航 这两条河直接 与贝伦市附近的孔迪镇海港相通 图库鲁伊水电站坝长 9574m 包括一座装机容量为 8 106 kW 的水电站 为具有 中间渠道的单线两级船闸 船闸尺度按载量 22000t 顶推船队和 5000t 江海自航货轮 设计 船闸有效尺度为 长 210m 宽 33m 门槛水深 6 0m 2 号船闸下门槛为 6 5m 船 闸年单向通过能力为 7 107t 上 下导航墙均布置在一侧闸室墙的延线上 长 140m 船闸布置在托坎廷斯河左岸 即电站左侧 图 4 10 为克服 71 5m 的水头 采用 设中间渠道的两级船闸 1 号船闸 上游船闸 最高水头为 36 5m 2 号船闸 下游船闸 最 高水头为 35 0m 两船闸由长 5463m 的中间渠道连接 l 号船闸上游水位变幅为 16m 水头变化为 19 5 36 5m 2 号船闸下游水位变幅 21 6m 水头变化为 13 35m 中间渠道是由堤坝构成的水位变幅为 1 0m 37 5 38 5m 的水库 可容闸室三次 连续灌水 渠道最小宽度为 140m 最小水深为 6 0m 全程可允许两个船队双向错让 横跨托坎廷斯河的坝上干道公路隧洞从 l 号船闸上闸首底部基础通过 而通往图 库鲁伊市的公路是从 2 号船闸的下闸首通过 图 4 10 为船闸的总体布置图 图 4 11 和图 4 12 分别为 l 号和 2 号船闸布置图 23 图 4 10 巴西图库鲁伊船闸布置示意图 1 1 号船闸 2 2 号船闸 3 中间渠道 4 辅助溢流坝 5 下引航道 6 溢流坝 7 土坝 8 电站 9 开关站 10 尾水渠道 图 4 11 1 号船闸布置图 24 图 4 12 2 号船闸布置图 三 船闸通航水流条件 1 通航水流条件的概念 船闸通航水流条件系指在通航期内 为满足船舶正常操作条件下安全通畅过闸而 对船闸引航道口门区和引航道内流速 流态及其分布范围提出的要求 主要包括 1 航闸引航道与河流 水库 湖泊中航道相连接的口门区的水流流速 纵向流 速 横向流速 回流流速 的限值 2 对船闸引航道口门区范围内波浪 泡漩等的限值 3 对船闸引航道内水流流速 纵向流速 横向流速 的限值 4 对引航道和中间渠道的不稳定流的波浪高度 比降及传播速度的限值 2 引航道口门区 船闸引航道与河流 水库 湖泊中航道相连接的一段区域 是引航道静水与河流 动水交界的水域 由于较大的流速梯度 该区域通常存在斜向水流 有的情况还会出 现泡漩等恶劣流态 当船舶航经该水域时 就会受到斜流 回流等的影响 为保证船舶安全进出引航道 需要明确限定达到的纵 横向流速标准和流态水域 的范围 因而提出了引航道口门区的概念 根据现行船闸设计规范 引航道口门区是 指引航道分水建筑物头部外一定范围内的水域 其宽度为引航道口门宽度 其长度根 据船舶 队 型式确定 拖带船队采用 1 0 1 5 倍船队长 顶推船队采用 2 0 2 5 倍船队长 当两种船队并存时 取大值 图 4 13 25 图 4 13 船闸引航道口门区位置示意图 1 船闸 2 闸坝 3 电站 4 引航道 5 口门区 6 隔流堤 3 通航水流条件的标准 1 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如表 4 5 船闸引航道口门区水面最大流速限值 m s 表 4 5 设计时 还要综合考虑上 下游引航道的不同水流条件 船舶 队 型式 船 舶的技术性能 驾驶员技术水平等因素来具体确定 1 引航道口门区的横向流速 因受枢纽泄水建筑物和导航 分水建筑物等边 界条件的影响 常常分布不均 存在较大的流速梯度 船舶驶入有横向水流的口门区 时 船舶在该横向力的作用下 将发生横向漂移 使船舶偏离航线 为克服横向水流 对船舶 队 产生的偏转力 必须操舵使船舶 队 保持航向 舵的转船力矩与船舶 队 相对航速的平方成正比 表 4 6 是船舶航速与允许横向流速的关系 不同航速船队允许的横向流速 m s 表 4 6 26 表 4 6 说明 加快船舶 队 进入口门的航速 能克服的横向流速可以提高 但 加快航速会增加船舶 队 冲程 使引航道增长 这在大多数情况下受客观条件限制 即使条件允许也不一定经济 一般的顶推船舶 队 通过引航道口门区的航速为 2 3m s 拖带船舶 队 为 1 2 2 0m s 2 在引航道口门区 对纵向流速的限值与船舶的技术性能 驾驶员技术水平 等有关 此外 由于上 下游引航道口门区