船闸设计要点分析

摘 要：我国近年来航道整治工程规划规模庞大，航道向着网络化方向发展，配套的船闸建设项目也日益增多，船闸设计在项目建设中起着至关重要的作用。文内结合湖北省汉江崔家营航电枢纽工程船闸设计工作对设计过程中几个方面的要点进行了分析。

关键词：船闸 航电枢纽 施工图 有限元

船闸一般由闸首、闸室、导航靠船建筑物及运行管理辅助生产生活建筑物组成。在设计过程中上述各组成部分相互依存，不应偏倚。在设计过程中需要重点研究的主要是以下几个方面：船闸规模、船闸闸位选择、船闸总体布置、船闸水工建筑物设计、船闸辅助生产及生活设施设计、船闸施工组织设计。下面结合湖北省汉江崔家营航电枢纽工程船闸设计工作对上述几个方面进行简要论述。

工程概述

崔家营航电枢纽位于汉江中游丹江口－钟祥河段、湖北省襄樊市下游17km处，是湖北省内汉江干流9级梯级开发中的第5级，上距丹江口水利枢纽142km，下距河口515km，是一个以航运为主，兼发电、灌溉、供水、旅游等综合开发功能的项目。其建设项目有：船闸、泄水闸、电站及挡水坝。

枢纽总布置自右至左分别为：右岸连接坝段（长89.5m）、船闸（44.0m）、泄水闸（长474.5m）、厂房（长167.55m）、门机检修平台（长40m）、土坝（长1358.85m），坝轴线总长2174.4m。

船闸：船闸布置在汉江主河道右侧，船闸轴线与坝轴线正交，船闸等级为Ⅲ级，按通航双排双列一顶四驳船队设计，闸室有效尺：180×23×3.5m（长×宽×门槛水深）,引航道底宽75 m。设计水头8.82 m，采用闸墙长廊道短支管分散输水系统。船闸设计年通过能力：768万吨。上游最高通航水位为62.73m，最低通航水位为62.23m。下游最高通航水位为61.21m，最低通航水位为53.91m。

泄水闸：布置于船闸和电站厂房之间，闸址位于主河床上，前缘总宽474.5m。泄水闸采用平底闸型式，由闸室段、上游防冲板、闸下护坦、下游海漫和下游防冲槽等组成，闸底板顶高程48.23m。泄水闸共布置20孔20×14.5m（宽×高）的泄水孔口，消能形式采用9孔底流消能护坦消能，闸顶高程70.5m。坝顶门机采用大门机方案。

电站厂房：为河床式，布置于主河道左侧，右连泄水闸，左接土石坝。电站厂房安装6×15MW灯泡贯流式水轮发电机组，厂房分缝采用一机一缝。安装场位于主厂房左侧，门机检修平台紧临安装场布置。开关站布置于厂房左侧门机检修平台下游。鱼道紧靠电站厂房左侧布置，进出口各设两平板闸门。

左岸土石坝：建在河心洲、左河汊和左岸Ⅰ级阶地、漫滩上，地面高程53.0～63.0m，左接汉江防洪大堤，右接电站厂房。土坝采用塑性混凝土防渗墙砂砾石坝，坝顶高程为67.2m，坝顶宽度为7.0m。

在溢流闸坝下游与副厂房顶设一宽度为7.0m的交通桥与两岸非溢流土坝连接，通过两岸公路与外沟通、厂房进厂采用平面进厂方式。

船闸建设规模

船闸建设规模除满足所在航道过闸运量要求外，还需与所在航道及相通航道网的通行船舶相适应。因此在确定船闸建设规模时必须进行相应航道上营运船舶调查并对船舶营运组织方案进行分析，以确定航道及航道网上设计船舶类型。通过对航道影响区的运量分析和经济分析，准确预测设计水平年的过闸运量。在完成运量预测和船型确定后才能最终确定船闸建设规模。

汉江为长江支流，现状由于航道条件较差，运量较小，规划汉江丹江口以下段为1000t级航道，运量预测结果为2010年、2020年和2030年通过崔家营枢纽船闸的货运量分别为344万t、521万t和599万t。根据对营运组织方案进行分析，推荐的设计船型为1顶4×1000t双排双列顶推船队。

按照船闸总体设计规范的计算方法计算船闸过闸货运量，最终确定船闸建设规模如下：

设计年通过能力768万t，船闸有效尺度为23×180×3.5m（闸室宽度×闸室有效长度×槛上水深）。

船闸闸位选择

船闸闸位选择主要应考虑以下几个方面：航道整治总体布置需要；地方规划；地形、地质条件；船闸安全运行要求；经济、技术方面合理性。

崔家营航电枢纽工程在进行闸址比较后确定了最终的推荐闸址，在推荐闸址，船闸闸位分别拟订了布置在河道左侧、右侧等几个方案进行技术经济比较，最终确定船闸布置在河道右侧（现状河道的主河槽位置）。该闸位的主要优点是：船闸所在位置为现状河道的主河槽，上下游航道稳定；船闸所在位置基岩埋深较浅，有利于船闸建设；将基础挖深较大的电站布置在河道左侧可有效减少整个项目的基础处理工程量。同时也可减少发电对船闸通航水流条件的影响；船闸距离枢纽管理区较近，有利于船闸运行管理；枢纽造价较低。

船闸总体布置

船闸总体布置的内容是：船闸的平、纵、横方向的布置，其目的是为船闸安全顺畅运行提供必要的条件。

船闸总体布置是最能反映一个设计师风格的部分，它考验着一个设计师的设计、施工、船闸运行管理等综合素质。同时也是对船闸造价影响最大的。

船闸总体布置需要考虑与相邻建筑物的关系、与上下游航道的连接、管理与维修、船舶进出闸效率等。

船闸平面方面的布置主要是综合考虑地形及其它建筑物影响后，确定引航道的布置方式。引航道的布置方式主要有以下几种型式：单线船闸分为反对称型、对称型和不对称型。双线船闸则主要为对称式布置。

不同的引航道布置对应不同的船舶过闸方式，目前主要采用的过闸方式有两种：曲线进闸直线出闸和直线进闸曲线出闸。考虑到船舶过闸的航行方式，一般以“曲进直出”的过闸效率较高。

崔家营航电枢纽的船闸引航道综合考虑船闸运行及二线船闸的布置后采用的是不对称型布置，船舶过闸采用“直进曲出”方式。

船闸纵向方面的布置主要是根据确定的特征设计水位和船舶过闸的要求确定船闸各部位的高程。主要方法是依据船闸总体设计规范中关于船闸各部位高程确定的有关规定，适当考虑各地运行管理的经验。

船闸横向方面的布置主要是考虑辅助生产及生活方面的需要。这方面除考虑生产生活功能需要外，还应重视场地景观及环保需求。

船闸水工建筑物设计

水工建筑物设计是根据总体布置的需要，以保证船闸安全运行为目的进行的研究工作。不同的设计师针对不同的项目所采用的结构会有一定差别，国家和行业组织也没有对这方面进行强制选型规定，只是对结构的安全提出了强制要求。

1.结构选型

船闸水工建筑物设计的基础是输水系统布置，不同的输水系统对应不同的水工结构选型。输水系统的选择应按船闸输水系统设计规范进行。在该规范中，输水系统与船闸过闸运量要求是息息相关的，如果过闸运量要求较高，则相应的输水时间就要短，同样的水头差，输水时间不同，采用的输水系统也不一样。同时还要考虑对结构造价的影响。

随着国家实力的不断加强，对输水系统水力条件的要求越来越高，对造价的影响则摆在次要的位置，这种趋势越来越明显。事实上，船闸整体造价中，闸首、闸室的造价只占三分之一左右，而输水系统的影响更小，所以淡化这方面因素也是合理的。

在确定了输水系统后，结构设计则可以在满足其基本要求的条件下，根据地质情况和闸阀门的选型进行灵活设计。目的是选择一种安全、经济的结构，为建设资源节约、环境友好的工程项目贡献一份力量。

施工图阶段对崔家营航电枢纽船闸工程地质勘察显示，船闸闸首、闸室建基面位于硅质白云岩上，基岩完整，局部有裂隙，建基面所在高程以上为覆盖层。覆盖层以砂壤土及砂砾石为主。

崔家营航电枢纽船闸工程设计水头为8.82m，采用分散输水系统。考虑闸室基底为硅质白云岩，且裂隙较少，设计过程中对闸室结构进行了优化，采用了分离式闸室结构，透水底板，对底板基岩裂隙进行化学灌浆处理；闸首则采用整体性好的钢筋砼坞式结构，有利于闸门运行。

2.结构计算

船闸水工结构计算，目前主要依据的规范是船闸水工建筑物设计规范和78版的水工砼设计规范，没有采用现在普遍采用的分项系数法。随着建闸实践经验的丰富，也有采用新版水工砼设计规范的。对比较复杂的大型船闸闸首进行了有限元分析比较，有限元分析主要用于观察闸首结构的应力分布，确保钢筋配置位置准确，结构安全。

对于有限元计算在船闸结构设计中的应用目前没有统一的规定，在实际使用中各设计单位根据自己的经验进行了一些有益的探索，尚需要根据大量的实践数据进行专题研究后推广使用并进行规范。

崔家营船闸闸首采用的是整体式钢筋砼结构，闸室采用分离式重力式结构，导航、靠船建筑物也是重力式结构，因此其主要计算内容是闸首结构。设计中采用以规范规定的手算法结果为依据，参考有限元分析成果，对局部应力集中位置进行结构加强，最终完成了施工图设计。

船闸辅助生产及生活设施设计

船闸辅助生产及生活设施设计的目的是为船闸的管理和使用者提供完善的配套。

这方面的设计没有定式，也没有统一的约定，需要根据不同地区、不同管理单位的要求，在充分尊重使用者的使用习惯的基础上，引导使用者逐步淘汰落后的管理习惯，把传统和进步很好的融合。同时在设计上要考虑如何能够避免使用者不良习惯造成船闸设施的损坏，从设计的源头解决配套设施耐久性问题，做到船闸管理与过闸船舶的和谐统一。

设计师在完成这部分设计前做好类似船闸使用的调查研究工作是十分必要的，同时应与船闸使用人员进行充分交流。

船闸施工组织设计

船闸的施工组织设计是保证设计成果能转化为产品的关键，也是节约项目造价的手段。

船闸施工组织设计与地质和地形地貌有很大的关系，主要需要考虑的有：施工导流、基坑降水、主体工程施工、施工交通运输、施工工厂设施及布置及施工进度控制。

总体来讲船闸工程施工可以概括为6个字：降水、保温、变形，就是控制地下水、控制砼温度、控制安装误差和变形。

（第一作者单位：中交第二航务工程勘察设计院有限公司）