第六章通航建筑物

第六章通航建筑物第一节通航建筑物的主要形式及特点第二节船闸的组成和类型第三节船闸的规模第四节船闸在水利枢纽中的布置第五节船闸输水系统第六节船闸的闸门、阀门第七节船闸结构形式及特点第八节升船机的类型及其工作原理第一节通航建筑物的主要形式及特点一、船闸——用水力直接提升船舶过坝的一种通航建筑物（图6-1、图6-2）。船闸组成——上下闸首、闸门、闸室等挡水建筑物；能使闸室水位升降的输水系统。（图6-4）二、升船机升船机——用机械的方法使船舶克服集中水位落差的一种通航建筑物（图6-5，6-6）。特点：（1）在运转时基本上不耗水，在水量不充沛的河流和运河上，建造升船机较为有利；（2）升船视的升降速度远较船闸闸室灌、泄水速度快，船舶通过升船机所需的时间较船舶通过船闸的时间要短；(3)在高水头通航建筑物中升船机的造价一般较小；(4)机电设备是保证升船机安全运行的一个重要部分，升船机的建造与安装要求有较高的设计与工艺水平。船闸与升船机的不同特点：（1）水力提升～机械提升（也有水力提升）；（2）船闸土建工程投资大～升船机运行费高；（3）船闸设计成熟，使用可靠～升船机数量少，运行正常率还不高；（4）船闸耗水～升船机基本不耗水；（5）船闸适应水头较小～升船机适应水头较高。世界各国通航建筑物建设经验表明：（1）水头在70m以上，宜建造升船机；（2）40m水头以下，宜采用船闸；（3）水头在40～70m之间，应进行升船机与船闸方案的比选；第二节船闸的组成和类型一、船闸的工作原理（图）二、船闸的类型根据船闸不同的特征，如闸室数目、位置、功能、输水型式、结构型式及闸门型式等等，可以分为不同的类型：1）内河船闸和海船闸①内河船闸：建设在内陆河流及人工运河上。特点：平面尺度相对较小，多承受单向水头。②海船闸：建设在封闭式海港港池口门、海运河及入海河口。特点：平面尺度大、槛上水深大、多承受双向水头，无上、下闸首之分。①单级船闸——沿船闸纵向只有一个闸室的船闸。特点：（1）过闸时间短，通过能力大；（2）运行管理方便（建筑物及设备集中）；（3）闸、阀门及起闭机械少，可靠性高；（4）占地少，便于布置（直线长度小）（5）耗水多，结构复杂，对地质条件要求高（水头高）（6）对输水系统要求高。2）单级船闸与多级船闸★带中间闸首的船闸特点：能适应于单船或船队或不同数量的船舶迅速通过闸室，节省了过闸时间，减少耗水，提高船闸通过能力。图6-11②多级船闸沿闸室轴线方向布置两个及两个以上闸室的船闸。主要有：中间渠道多级和连续多级船闸。图6-12——连续四级船闸；图6-13——三峡连续五级双线船闸。★连续多级船闸——能克服较大的水位落差，但船舶过闸时间长，通过能力小。★中间渠道多级船闸——纵向两个闸室或多个闸室之间，设有供船舶会让的中间渠道，可提高船闸通过能力和运行保证率。但是受地形、地质等条件等条件限制(图6-14)。3）单线船闸与多线船闸多线船闸——沿横向（闸门轴线方向）有两线或两线以上闸室的船闸(图6-15)。4）按输水型式划分——头部集中输水和分散输水又称短廊道输水或长廊道分散输水。船闸输水系统设计规范推荐采用判别系数：HTm式中：m——判别系数；T——闸室灌水输水时间；H——设计水头。m3.5，采用集中输水系统；m2.5，采用分散输水系统；m=2.5～3.5，应进行技术经济论证，参照类似工程选定。5）其它类型的船闸根据船闸使用特点：有广室船闸，井式船闸、省水船闸、带调节水池船闸等类型。①广室（箱）船闸闸首口门宽度小于闸室宽度的船闸，即为广室（箱）船闸。可分三种型式：（1）对称式：口门轴线与闸室轴线重合；（2）反对称式：口门轴线分别位于闸室轴线的两侧；（3）锁式：口门轴线位于闸室轴线的同一侧。适用于特殊地形。②井式船闸当船闸水头较高，地基条件较好时，为减小下游闸门的高度，在下闸首的上部建造一道横向胸墙，过闸船舶从胸墙下面进出闸室，这种船闸称为井式船闸(图6-17)。③省水船闸在闸室的一侧或两侧设置蓄水池以节省用水（图6-16-a、图6-16-b）。④带调节水池船闸调节水池溢水廊道补水廊道三、船闸的引航道(图6-18)作用：（1）保证船舶安全、顺利地进出船闸；（2）供等待过闸的船舶安全停泊；（3）使进出闸船舶能交错避让。要求：（1）足够的水深及相应的平面尺度和形状；（2）良好的掩护及水流条件。单线船闸引航道平面布置对称型反对称型不对称型(图6-19)引航道型式（1）对称型引航道的轴线与船闸轴线重合(图6-19a)，根据引航道宽度又分全对称式和半对称式。（2）反对称型引航道是上、下游引航道向不同的岸侧拓宽(图6-19b)。这类引航道对单向过闸较为有利。（3）不对称型引航道是上、下游引航道向同一岸侧拓宽，一个方向的船舶进出闸都是直线，另一个方向的船舶进出闸沿曲线行驶(图6-19c)。四、船闸的组成船闸主要由闸室、闸首和引航道等三个基本部分及相应的设备所组成(图6-7、图6-8、图6-9)。(1)闸室：指船闸上、下闸首和两侧闸室墙环绕而形成的空间。作用是供船舶停泊使用。为了保障过闸船舶的稳定停泊和安全升降，沿闸室墙设有系船设备和辅助设备。（2）闸首：是将闸室与上下游引航道隔开的挡水建筑物。分上、中、下闸首，在闸首布置有闸门、输水系统、闸阀门等起闭机械等设备。作用：挡水和灌泄水。（3）引航道：是连接闸首与主航道的一段航道。分上、下引航道，引航道内有导航建筑物及靠船建筑物。作用：引导船舶迅速、安全地进出闸室。第三节船闸的规模一、船闸基本尺度船闸基本尺度是指闸室有效长度、闸室有效宽度及门槛水深(图6-20)。1、闸室有效长度——船舶过闸时，闸室内可供船舶安全停泊的长度。（图示）闸室有效长度计算：LX=lc+lf式中：Lx——闸室有效长度（m）；Lc——设计最大过闸船队长度（m）；Lf——富裕长度（m）；2、闸室有效宽度——闸室内两侧墙面最突出部分之间的最小距离。斜坡式闸室:有效宽度为两侧垂直靠船设施之间的最小距离。闸室有效宽度计算式：式中：Bx——闸室有效宽度（m）；Σbc——同次过闸船舶并排总宽度（m）；bf——富裕宽度（m）。fcxbbB——设计最低通航水位时门槛上的最小深度。门槛水深应满足：H≥1.6T式中：H——门槛水深(m)；T——设计最大过闸船(舶)队满载吃水。3、门槛水深4、断面系数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n的要求。根据试验和观察，若n值过小，则船队(舶)过闸时，可能产生碰底现象。为保证船队(舶)安全预利地进闸，一般要求：n=Ω/Φ≥l.5～2.0式中:Ω——最低通航水位时，闸室过水断面面积(m2)Φ——最大设计过闸船队(舱)满载吃水时船舯断面水下部分的断面面积(m2)。若有下列情况之一时，应论证研究修建双线或多线船闸（图6-21、图6-22）：(1)单线船闸设计(实际)通过能力不能满足设计水平年内货运量需要；(2)在运输特别重要的航道上，不允许因船闸检修、冲沙和挖泥等因素造成航道断航。二、船闸线数三、船闸级数具有下列情况之一时，应考虑多级船闸方案（图6-23、图6-24、图6-25）：（1）采用单级船闸受技术条件的限制，特别是受阀门水力条件和闸门技术条件的限制；（2）受船闸所处位置的地形条件的限制，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）地质条件限制，兴建高水头单级船闸有困难；（4）河流缺水，需要节省船闸耗水量，建省水船闸又不经济时。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：H≤20m，单级船闸(H为水头)；20m＜H≤40m，单级或双级船闸；H＞40m，双级或多级船闸。设中间渠道的多级船闸是多级船闸中的另一种型式。根据船舶所处地区的地形、地质等条件，可在各闸室间设中间渠道以过渡（图6-26）。思考题：1、简述船闸上、下行的过闸原理；2、什么叫船闸有效长度和宽度(包括公式)；3、船闸基本尺度指哪些？它们如何表达?4、简述通航建筑物型式与设计水头的关系？解决高水头通航建筑物输水系统型式的途径？四、船闸设计水位1、上下游设计最高水位船闸作为枢纽建筑物的一部分，挡水建筑物防御洪水标准应与枢纽主题建筑物一致。非溢洪船闸——上游设计最高水位通常采用水利枢纽的校核洪水位（即非常运用洪水位）；允许溢洪的山区河流船闸——上游最高水位可取和上游最高通航水位相同的标准，目的是降低工程造价。船闸下游设计最高水位——可采用枢纽最大下泄流量相应的下游最高水位。2、上、下游设计最高通航水位设计上游最高通航水位——船闸正常运用的上限水位，又是船闸建筑物的设计标准之一。上游设计最高通航水位视船闸（航道）等级一般按表6-1所列频率的洪水标准采用。最高通航水位的选择，除按照航道、船闸的等级确定外，还须考虑其它一些因素，比如通行船舶数量，运输繁忙程度等。下游设计最高通航水位——船闸正常运用的下游上限水位，可采用上游设计最高通航水位相同的标准，但也应考虑其它的一些因素确定。如下游有梯级时，应考虑下游梯级回水的影响。五、船闸高程的确定船闸高程包括船闸闸首、闸室、闸门和引航道建筑物等的顶部高程和底部高程。1．船闸闸门门顶高程门顶高程=上游设计高水位+超高(1)担负枢纽挡水的（闸首）工作闸门，门顶高程应采用枢纽上游校核水位加超高；如果另设有挡水闸门，则工作闸门门顶高程可采用上游设计最高通航水位加超高。（2）第二道闸首(含单级船闸下闸首)工作闸门——采用上游设计最高通航水位加超高；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超高。（3）溢洪船闸闸首门顶高程采用上游设计最高通航水位加超高。（4）事故闸门门顶高程为上游最高洪水位加超高；检修闸门门顶高程等于检修水位加超高。根据国内船闸设计和运用实践，闸门门顶超高可采用表6-3数值（p99）。（2）第二道闸首(含单级船闸下闸首)工作闸门采用上游设计最高通航水位加超高；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超高。（3）溢洪船闸闸首门顶高程采用上游设计最高通航水位加超高。（4）事故闸门门顶高程为上游最高洪水位加超高；检修闸门门顶高程等于检修水位加超高。2、闸首墙顶高程墙顶高程=门顶高程+构造高（≥闸室顶高程）挡水前缘闸首墙顶高程应与同枢纽其他挡水建筑物挡水要求一致。3、闸室墙顶高程闸室墙顶=最高通航水位+超高（超高≥设计过闸船舶的最大空载干弦高度）表6-4是长江分节驳船空载干舷高度，可作为确定闸室墙顶高程时参考（p99）。上、下闸首槛顶高程——分别为上、下游设计最低通航水位减船闸门槛水深。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最小水深。（两者共同点？）4、闸首槛顶和引航道底高程5、导航建筑物和靠船建筑物顶高程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。其超高值一般为设计船舶的最大空载干舷高度。有防洪要求的引航道堤(岸)顶高程与挡水闸首墙顶高程一致。1．引航道长度引航道——导航段、调顺段、停泊段、过渡段、制动段组成(图6-28)。前三段一般要求为直线段，后两段可根据地形灵活布置，且可部分重合计算。六、引航道尺度（1）导航段导航段L1紧靠闸首。船舶出闸时，在船尾尚未驶出闸首前必须沿船闸轴线直线行驶，不能转向。因此，导航段长度Ll应满足:L1≥Lc式中：Lc——设计船队（船只）的长度，对顶推船队为全船队长，对拖带船队或单船为其中最大的船舶长度。导航段的航道宽度为适应船舶的转向，应从闸首边界开始逐渐拓宽。(2)调顺段是进出闸船舶从引航道航线转到船闸轴线或从船闸轴线转到引航道线，或曲线进闸船舶由停靠轴线转到船闸轴线所需要的长度。调顺段的长度可采用：L2=(1.5～2.0)Lc。或按下式计算：CRCllc42式中：C—出闸船舶(队)航线中心线与停靠等待进闸船舶(队)中心线的间距；R—船舶(队)曲线行驶时，航线的弯曲半径，一般取R=3Lc。（3）停泊段停泊段L3是供等待过闸的船舶(队)停靠并与出闸船舶(队)避让交错的一段航道，其