某灌區(qū)取水樞紐船閘設(shè)計

郭 廓

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新 123000）

某灌區(qū)取水樞紐船閘設(shè)計

郭 廓

（遼寧省阜新水文局，遼寧阜新 123000）

該取水樞紐設(shè)計要保正年來水量能夠滿足灌區(qū)3 000 hm2農(nóng)田灌溉及樞紐下游的已建電站的發(fā)電要求。同時還要滿足水路和陸路方面的效益規(guī)劃要求，為了配合云河取水樞紐工程進行正常通航，保證船舶順利通過航道上集中水位落差，在航道修建一建筑物船閘。船閘是利用向兩端有閘門控制的航道內(nèi)灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差的廂形通航建筑物。文章以實際調(diào)查的水量，地質(zhì)資料和水文條件狀況為基礎(chǔ)，立足于安全、經(jīng)濟可行性進行設(shè)計。

關(guān)鍵詞：取水樞紐；船閘；設(shè)計

1 基本設(shè)計資料

樞紐以上控制流域面積7 531 km2，水源豐富。河道常年水位在35.5～36.5 m之間。

灌區(qū)進水閘以5%的洪水作為停止引水標準。進水閘引水時（相應(yīng)灌溉頻率P=75%時，相應(yīng)的沖沙流量為1 090 m3/s）相應(yīng)的河道流量Q=600 m3/s。此流量尚供下游發(fā)電之用。

河道伏水站月平均含沙量為1.46 kg/m3，最大月平均含沙量為7月3.3 kg/m3，年平均輸沙量為1.04×106t。推移質(zhì)平均粒徑dcp=3.70 mm，最大粒徑dmax=50 mm。泥沙容重γs=25.97 kN/m3。

樞紐附近地質(zhì)情況：由地質(zhì)剖面圖知在樞紐軸線位置的320 m河槽范圍以內(nèi)，由東向西約有長230 m的覆蓋層（為砂卵石層）最厚達11 m，最薄5 m，平均約8 m；下面為砂壤土，最大深度約40 m，小為5 m，平均厚約20 m；再往下為分砂泥質(zhì)巖，緊接的90 m范圍河槽部分，最深覆蓋層約5 m，最淺1 m，平均約3 m左右；下面便是玄武巖，風(fēng)化層2～3 m。

沿河一帶由于河道常年有水，故地下水位相對較穩(wěn)定，一般在35.5 m左右。

灌溉渠道設(shè)計成果：渠道渠底高程36.00 m；最大引水流量Q=50 m3/s；灌溉期正常擋水位38.00 m，相應(yīng)下游水位37.82 m；渠道縱坡i=1/7 000；渠道邊坡m=2；渠道底寬 B=14 m；渠道頂部高程39.50 m；渠道頂部寬6 m；渠道水位44.00 m。

2 船閘設(shè)計

2.1 船閘的選型

河道的過壩建筑物選用對稱式光室（閘）船閘，其組成部分分為：閘室、上下閘首、輸水系統(tǒng)、引航道、導(dǎo)航建筑物、靠船建筑物等，以及相應(yīng)的設(shè)備配置。查《專門水工建筑物》船閘分級指標，知該船閘為VII級。查《取水工程》知，設(shè)計船隊尺度為：60 m×6.5 m×0.7 m（長×寬×吃水），船閘有效尺度：長70 m、寬8 m，門檻水深1.2 m。

2.2 船閘的設(shè)計通航水位

2.2.1 設(shè)計最高通航水位

取P=10%，即十年一遇的洪水也能滿足通航要求，此時，洪峰流量：Q=3 510 m3/s。

1）上游水位

溢流壩段的流量：

Q1=Q－a Q沖沙=3 510－0.8×1 090=2 638 m3/s式中：Q1溢流壩段流量，m3/s；Q為洪峰流量，m3/s；a為流量利用系數(shù)，a=0.75～0.9。

假定 P1/Hd＞1.33，則 md=0.502，設(shè)堰為自由出流σs=1。

式中：P1為上游堰高，m；Hd為設(shè)計水頭，m；md為流量系數(shù)。

側(cè)收縮系數(shù)：

試算，求Hd=3.28 m

式中：ε1為側(cè)收縮系數(shù)；Ka為邊墩側(cè)收縮影響系數(shù)；Hd為設(shè)計水頭，m；n為閘孔數(shù)目；b為單個閘孔凈寬，m；g為重力加速度。

由于P1/Hd=4.07/3.28=1.34＞1.33

故上游水位：

H=3.28+37.07=40.35 m

式中：H為上游水位，m；37.07 m為堰頂高程，在攔河壩設(shè)計中求出。

2）下游水位：

查下游水位與流量曲線知，下游水位為38.8 m。

2.2.2 設(shè)計最低通航水位

取P=95%，洪峰流量Q=630 m3/s，其流量可近似認為是河道流量。則，計算得出上游水位：38.3 m，下游水位：36 m。

2.3 船閘各部位高程的確定

2.3.1 船閘的頂部高程

1）閘門高程

上閘首閘門頂高=上游最高水位（頻率為5%的洪水水位）+浪高+超高=41.1+0.2+0.3=41.6 m。

下閘首閘門頂高=上游最高水位（頻率為5%的洪水水位）+超高=41.1+0.3=41.4 m。

2）閘首邊墩頂高程

設(shè)為與上閘首閘門頂高同高，即40.85 m。

3）閘室墻頂高程

閘室墻頂高程=上游最高通航水位+船弦木高+超高=40.35+0.71/3+0.3=40.9 m。

4）上引航道內(nèi)的導(dǎo)航墻和靠船墩的頂高

為上下游最高通航水位+設(shè)計船隊的最大干舷高度

上游：40.35+0.7×1/3=40.6 m，

下游：38.8+0.7×1/3=39 m。

2.3.2 船閘的低部高程

1）上下閘首門檻頂高程

上閘首門檻頂高程=上游設(shè)計最低通航水位-門檻水深=38.3-1.2=37.1 m。

下閘首門檻頂高程=下游設(shè)計最低通航水位-門檻水深=36-1.2=34.8 m。

2）閘室底部高程

采用河床底高程，即33 m。

3）上下游引航道底部高程

其應(yīng)分別低于上下閘首門檻頂高程，采用河床底高程，即33 m。

2.4 船閘輸水系統(tǒng)

對于該小型船閘，設(shè)計采用迭梁門，見圖1所示。

圖1 迭梁門示意圖

利用上閘首活動插板門（單扇旋轉(zhuǎn)門和迭梁門）進行輸水，在兩道迭梁門（一為工作門，一為備修門）之間形成消能室進行消能。灌水初期，水流經(jīng)第一道迭梁門進入消能室，再由消能室進入閘室，呈二級薄壁堰流跌水消能。灌水時，單扇旋轉(zhuǎn)門突然開啟，水流跌入消能室，它起著緩和初始波的作用。當水流漫過第二道迭梁門后，構(gòu)成二級跌流消能。

2.5 船閘的引航道

2.5.1 引航道的長度

1）導(dǎo)航段長度L1

L1≥ Lc=60 m，Lc為船長，取 L1=70 m

2）調(diào)順段長度L2

L2≥（1.5～2.0）Lc=105～140 m，取 L2=110 m。

3）停泊段長度L3

L3≥ Lc=60 m，取 L3=70 m。

4）引航道長度L（見圖2）

L=L1+L2+L3=70+110+70=250（m）。

圖2 引航道示意圖

2.5.2 引航道寬度B0：（見圖2）

2.5.3 引航道上建筑物

1）導(dǎo)航建筑物

修建導(dǎo)航墻引導(dǎo)船隊進出閘，保護船隊不碰閘首邊墩，引導(dǎo)受側(cè)向風(fēng)力和橫向水流作用的船隊不偏離航線安全進閘。

2）靠船建筑物

供船舶進閘前?？康慕ㄖ?，其長度為設(shè)計船隊的總長，在船隊航行右側(cè)，采用重力式結(jié)構(gòu)。

2.6 船閘的結(jié)構(gòu)布置、選型及尺寸的確定

2.6.1 閘室結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造

采用扶壁式閘墻。見圖3所示。

圖3 閘墻示意圖

2.6.2 閘室的滲流分析

1）閘室泄水時

①在上閘首底板下從上游滲入閘室，滲透水頭決定于上游和閘室內(nèi)的水位。

②在閘墻下從回填土滲入閘室，滲透水頭決定于閘墻后地下水和閘室內(nèi)的水位差。

2）閘室灌水時

①在下閘首底板下從閘室滲入下游。

②在閘墻下從閘室內(nèi)滲入回填土。

2.6.3 防滲計算

1）閘首

由于上下游閘首的對稱性，其防滲是相同的。其最大滲透水頭差發(fā)生在設(shè)計流量時，差值為2.3 m。在閘首和閘室作反濾，以增加其能力，見圖4。

圖4 閘首防滲示意圖

L鉛直=L1-2+L3-4+L5-6+L7-8=1+（1+0.52）0.5+（1+0.52）0.5+1=4.24 m

L水平=L2-3+L4-5+L6-7=12.4 m。

查《水工建筑物》表7-1，取 C=3，CH=3×2.3=6.9 m＜8.7 m。

2）閘室墻

選取最高通航水位產(chǎn)生的滲透水頭，即40.35－35.5=4.85 m，見圖5。

圖5 閘室墻防滲示意圖

L鉛直=L1-2+L3-4+L5-6+L7-8=1+（1+0.52）0.5+（1+0.52）0.5+1=4.24（m）

L水平=L2-3+L4-5+L6-7=6（m）

查《水工建筑物》表7-1，取C=3。

CH=3×4.85=14.55 m＞6.24 m，故設(shè)置板樁以增加滲徑。

2.7 閘首結(jié)構(gòu)

由于該閘首位于柔軟巖石地基上，故采用分離式。采用人字門形式的閘首，其長度方向由三部分組成，即前沿部分、門庫部分和支持部分。前沿部分是上游引航道或下閘首與閘室的連接部分；門庫是閘門的門龕；閘門后面承受閘門壓力的是支持部分。見圖6。

2.7.1 前沿部分

式中：B1為修理門槽寬度，m。

2.7.2 門庫部分

式中：Bk為閘室的有效寬度，m；d為門庫深度，m，采用d=0.1Bk；為人字門的布置角度，采用=180～200。

圖6 閘首示意圖

2.7.3 支持部分

l3=（0.6～0.8）h1=（0.6～0.8）×8.3=4.98～6.64 m

取l13=6m。

式中：h1為支持墻在閘底上的自由高度，m。

［1］陳德亮.水工建筑物［M］.中國水利水電出版社.1995，10.

［2］丘傳忻.泵站工程［M］.武漢大學(xué)出版社.2001，11.

［3］楊進良.土力學(xué)［M］.中國水利水電出版社.2000，5.

［4］吳持恭.水力學(xué)［M］.高等教育出版社.1982，11.

［5］閆濱.水工建筑物課程設(shè)計［M］.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院.2002，9.

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