某灌区取水枢纽船闸设计

GXF360 2017-11-09

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某灌区取水枢纽船闸设计

郭廓

（辽宁省阜新水文局，辽宁阜新 123000）

［摘要］该取水枢纽设计要保正年来水量能够满足灌区3 000 hm2农田灌溉及枢纽下游的已建电站的发电要求。同时还要满足水路和陆路方面的效益规划要求，为了配合云河取水枢纽工程进行正常通航，保证船舶顺利通过航道上集中水位落差，在航道修建一建筑物船闸。船闸是利用向两端有闸门控制的航道内灌、泄水，以升降水位，使船舶能克服航道上的集中水位落差的厢形通航建筑物。文章以实际调查的水量，地质资料和水文条件状况为基础，立足于安全、经济可行性进行设计。

［关键词］关键词：取水枢纽；船闸；设计

1 基本设计资料

枢纽以上控制流域面积7 531 km2，水源丰富。河道常年水位在35.5～36.5 m之间。

灌区进水闸以5%的洪水作为停止引水标准。进水闸引水时（相应灌溉频率P=75%时，相应的冲沙流量为1 090 m3/s）相应的河道流量Q=600 m3/s。此流量尚供下游发电之用。

河道伏水站月平均含沙量为1.46 kg/m3，最大月平均含沙量为7月3.3 kg/m3，年平均输沙量为1.04×106t。推移质平均粒径dcp=3.70 mm，最大粒径dmax=50 mm。泥沙容重γs=25.97 kN/m3。

枢纽附近地质情况：由地质剖面图知在枢纽轴线位置的320 m河槽范围以内，由东向西约有长230 m的覆盖层（为砂卵石层）最厚达11 m，最薄5 m，平均约8 m；下面为砂壤土，最大深度约40 m，小为5 m，平均厚约20 m；再往下为分砂泥质岩，紧接的90 m范围河槽部分，最深覆盖层约5 m，最浅1 m，平均约3 m左右；下面便是玄武岩，风化层2～3 m。

沿河一带由于河道常年有水，故地下水位相对较稳定，一般在35.5 m左右。

灌溉渠道设计成果：渠道渠底高程36.00 m；最大引水流量Q=50 m3/s；灌溉期正常挡水位38.00 m，相应下游水位37.82 m；渠道纵坡i=1/7 000；渠道边坡m=2；渠道底宽 B=14 m；渠道顶部高程39.50 m；渠道顶部宽6 m；渠道水位44.00 m。

2 船闸设计

2.1 船闸的选型

河道的过坝建筑物选用对称式光室（闸）船闸，其组成部分分为：闸室、上下闸首、输水系统、引航道、导航建筑物、靠船建筑物等，以及相应的设备配置。查《专门水工建筑物》船闸分级指标，知该船闸为VII级。查《取水工程》知，设计船队尺度为：60 m×6.5 m×0.7 m（长×宽×吃水），船闸有效尺度：长70 m、宽8 m，门槛水深1.2 m。

2.2 船闸的设计通航水位

2.2.1 设计最高通航水位

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

1）上游水位

溢流坝段的流量：

Q1=Q－a Q冲沙=3 510－0.8×1 090=2 638 m3/s式中：Q1溢流坝段流量，m3/s；Q为洪峰流量，m3/s；a为流量利用系数，a=0.75～0.9。

假定 P1/Hd＞1.33，则 md=0.502，设堰为自由出流σs=1。

式中：P1为上游堰高，m；Hd为设计水头，m；md为流量系数。

侧收缩系数：

试算，求Hd=3.28 m

式中：ε1为侧收缩系数；Ka为边墩侧收缩影响系数；Hd为设计水头，m；n为闸孔数目；b为单个闸孔净宽，m；g为重力加速度。

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为上游水位，m；37.07 m为堰顶高程，在拦河坝设计中求出。

2）下游水位：

查下游水位与流量曲线知，下游水位为38.8 m。

2.2.2 设计最低通航水位

取P=95%，洪峰流量Q=630 m3/s，其流量可近似认为是河道流量。则，计算得出上游水位：38.3 m，下游水位：36 m。

2.3 船闸各部位高程的确定

2.3.1 船闸的顶部高程

1）闸门高程

上闸首闸门顶高=上游最高水位（频率为5%的洪水水位）+浪高+超高=41.1+0.2+0.3=41.6 m。

下闸首闸门顶高=上游最高水位（频率为5%的洪水水位）+超高=41.1+0.3=41.4 m。

2）闸首边墩顶高程

设为与上闸首闸门顶高同高，即40.85 m。

3）闸室墙顶高程

闸室墙顶高程=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）上引航道内的导航墙和靠船墩的顶高

为上下游最高通航水位+设计船队的最大干舷高度

上游：40.35+0.7×1/3=40.6 m，

下游：38.8+0.7×1/3=39 m。

2.3.2 船闸的低部高程

1）上下闸首门槛顶高程

上闸首门槛顶高程=上游设计最低通航水位-门槛水深=38.3-1.2=37.1 m。

下闸首门槛顶高程=下游设计最低通航水位-门槛水深=36-1.2=34.8 m。

2）闸室底部高程

采用河床底高程，即33 m。

3）上下游引航道底部高程

其应分别低于上下闸首门槛顶高程，采用河床底高程，即33 m。

2.4 船闸输水系统

对于该小型船闸，设计采用迭梁门，见图1所示。

图1 迭梁门示意图

利用上闸首活动插板门（单扇旋转门和迭梁门）进行输水，在两道迭梁门（一为工作门，一为备修门）之间形成消能室进行消能。灌水初期，水流经第一道迭梁门进入消能室，再由消能室进入闸室，呈二级薄壁堰流跌水消能。灌水时，单扇旋转门突然开启，水流跌入消能室，它起着缓和初始波的作用。当水流漫过第二道迭梁门后，构成二级跌流消能。