目 录

一、工程概况 ....................................................... 1 二、设计依据 ....................................................... 3

2.1 自然条件 .........................................................................................................................3

2.1.1 地形、地貌和地质条件 .........................................................................................3 2.1.2 水位（大沽高程）及水头......................................................................................3 2.1.3 水文和气象...........................................................................................................3 2.1.4 地震 .....................................................................................................................4 2.2 工程要求 .........................................................................................................................4

2.2.1船队、船型及货运量..............................................................................................4 2.2.2建筑物等级............................................................................................................4 2.2.3计算船闸通过能力的基本数据 ...............................................................................4 2.2.4 材料供应及施工技术条件......................................................................................4 2.2.5 各种材料的物理指标.............................................................................................5

三、船闸总体布置 ................................................... 6

3.1 船闸建设位置和具体形式 ................................................................................................6 3.2 船闸各主要结构的高程....................................................................................................6

3.2.1 闸室墙结构的高程 ................................................................................................6 3.2.2 闸首结构的高程....................................................................................................6 3.2.3 引航道的高程 .......................................................................................................6 3.3 船闸的平面尺寸 ..............................................................................................................6

3.3.1 船闸闸室的平面尺寸.............................................................................................6 3.3.2 引航道的平面尺寸 ................................................................................................7

四、 船闸水工建筑物设计 ............................................ 9

4.1 闸门选型 .........................................................................................................................9 4.2 闸首选型 .........................................................................................................................9

4.3 引航道建筑物选型......................................................................................................... 10 4.4 闸室结构选型................................................................................................................ 10

4.4.1 闸室墙结构技术经济分析.................................................................................... 10 4.4.2 闸室墙的选型 ..................................................................................................... 11 4.4.3 闸室底板的选型.................................................................................................. 12 4.5 防渗结构的布置 ............................................................................................................ 12

4.5.1 闸首的防渗布置.................................................................................................. 12 4.5.2 闸室墙的防渗布置 .............................................................................................. 13 4.6 闸室墙设计验算 ............................................................................................................ 13

4.6.1 渗透稳定性强度验算........................................................................................... 13 4.6.2 抗滑、抗倾和抗浮稳定性验算............................................................................. 13 4.6.3 地基承载力和基底应力验算 ................................................................................ 16 4.7 按突出坝上游布置方式进行闸室墙设计验算 .................................................................. 17

4.7.1 渗透稳定性强度验算........................................................................................... 17 4.7.2 抗滑、抗倾和抗浮稳定性验算............................................................................. 17 4.7.3 地基承载力和基底应力验算 ................................................................................ 18 4.7.4 小结 ................................................................................................................... 19 4.8 船闸辅助设备................................................................................................................ 19

五、 船闸通过能力设计 ............................................. 21

5.1 过闸时间计算................................................................................................................ 21 5.2 通过能力计算................................................................................................................ 22

六、 船闸输水系统设计 ............................................. 23

6.1 输水系统的选型 ............................................................................................................ 23 6.2 输水系统水力计算......................................................................................................... 24 6.3 船闸耗水量验算 ............................................................................................................ 25

七、 设计依据及参考文献 ........................................... 27

一、工程概况

北运河水系位于海河流域北部，东经115°30’～118°30’、北纬39°05’～41°30’之间，西界为永定河，东界为潮白河，南至海河。北运河纵贯京津冀都市圈，沿程流经北京市的通州区、河北省的香河县、天津市的武清区、天津市的北辰区以及天津市部分市区。北运河发源于燕山北部军都山南麓昌平、延庆一带，流域面积6166km2，其中山区面积为952km2，占流域总面积的16%，平原面积5214km2，占流域总面积的84%。以北京市通州区北关闸为界，北关闸以上称温榆河，以下始称北运河。2007年北关拦河闸下移800m重建，称新北关闸。北运河干流即从新北关闸（以下均指新北关闸）至天津市区子北汇流口，河道全长141.9km。本次工程研究范围自北关闸至北辰区的屈家店闸，全长127km。

考虑到北运河未来与京杭大运河南段沟通的可能性，北运河船型采用京杭大运河标准船型。考虑到北运河综合整治对环保要求的特点，主要考虑通航集装箱船，不考虑其它具有污染性的干散货船，但可以通航液体散货船。V级航道集装箱船装载16标箱，相当于载重量为300t的货船，VI级航道集装箱船型标准船型中未列出，故按100t油船和客

1

船考虑。

两个梯级渠化方案，一个是设4座保水型船闸，包括榆林庄闸、杨洼闸、木厂闸和新三孔闸；另一个是两船闸方案，即在木厂闸和新三孔闸处设各一个保水型船闸，拆除杨洼闸和榆林庄闸。

2

二、设计依据

2.1 自然条件

2.1.1 地形、地貌和地质条件

北运河干流流域位于湖积平原，地势平缓、广阔，由西北向东南微倾斜，河道两岸仅分布一级阶地，除通州城区段以外，河道滩地多为农田，堤防外侧为农田、村庄；下游两侧多洼地。北运河河道蜿蜒曲折，堤外地面高程上游北关闸附近在20.0m左右，下游屈家店附近在3.0m左右，地面坡度为1/5000～1/10000，滩地高程与堤外地面基本一致。

新三孔闸和八孔闸坝址区持力地层主要为粉砂层和粘土层（见表2-1），承载力标准值均为80kPa。地下水对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性。

表 2-1 地基土的物理力学指标

船闸位置 三孔闸 土类型 水上 水下 砂土 26 20 C /KPA 0 天然容重KN/M3 19 浮容重KN/M3 10 2.1.2 水位（大沽高程）及水头

新三孔闸设计水位及水头见表 2-2。

表 2-2 船闸水位及水头 方案 四船闸 地点 新三孔闸 上游通航水位（M） 8.00 下游通航水位（M） 4.80 水头（M） 3.20 2.1.3 水文和气象

北运河流域属东亚暖温带大陆性季风气候区，四季分明。春季干旱多风，蒸发量大；夏季受海洋性气候及台风影响，炎热多雨，且降雨集中；秋季天高气爽，降雨稀少；冬季多北风，寒冷少雨雪。

多年平均气温11.3℃～12.7℃，1月份温度最低，月平均气温-5.0℃～-5.3℃,7月份温度最高，月平均气温25.8℃～26.1℃。无霜期206d左右，最大冻土深度62cm～70cm，多年平均日照时数2651小时～2744小时。多年平均风速为3.0～3.5m/s，历年最大风速24m/s。多年平均蒸发量1133mm～1200mm。多年平均降雨量561～585mm，汛期降雨量占全年的80%～85%，且多以暴雨形式出现在7、8月份。降雨年际变化也很明显，丰枯比达数倍之多。

3

2.1.4 地震

本地区属于非地震区，不做专门的防震设计，仅按构造要求进行抗震设防。

2.2 工程要求

2.2.1船队、船型及货运量

北运河规划近期货运量为160万吨，集装箱可按平均每箱8吨折合。按V级航道设计，见表2-3。

表 2-3 设计船型尺度 设计船型尺度（M） 航道等级 V 级航道 船舶吨级 总长 L 16TEU 船 40～42 型宽 B 6.6 设计吃水 T 2.0 2.2.2建筑物等级

根据《船闸水工建筑物设计规范》（JTJ307）规定船闸建筑物等级见表 2-4。

表 2-4 船闸建筑物等级

船闸等级 V 级 主要水工建筑物 3 次要建筑物 4 临时建筑物 5 2.2.3计算船闸通过能力的基本数据 【船舶装载系数】：0.7 【运量不均衡系数】：1.3 【一次过闸运量】：512t 【年通航天数】：270 天 【两班制日工作时间】：14 小时 【三班制工作时间】：21 小时

【过闸航速】：单向：进闸 0.5 米/秒，出闸 0.7 米/秒

双向：进闸 0.7 米/秒，出闸 1.0 米/秒

【每天非货船过闸次数】：2 次 2.2.4 材料供应及施工技术条件

表 2-5建筑材料及购买地 建筑材料 土方 石料 混凝土

购买地 就地取材 离城镇较近 ↓ 4

蓟县 就地购买 离城镇较远 钢材 其他装饰材料 2.2.5 各种材料的物理指标

混凝土 γ=24.0kN/m3；钢筋混凝土 γ=24.5kN/m3；

浆砌块石 γ=22.0kN/m3；水泥砂浆或干砌块石 γ=20kN/m3。

5

现场拌合 钢材市场 市场

三、船闸总体布置

3.1 船闸建设位置和具体形式

（一）建设位置

船闸布置选择突出于坝下游的布置形式，以减少工程量，降低造价。船闸由上、下游引航道，上、下闸首和闸室构成。 （二）具体形式

由于单线船闸足以满足设计水平年内的过闸船舶数量、总吨位数和客货运输量的通过能力要求，不必建设双线或多线船闸。

新三孔闸设计水头为3.2m，小于30m，采用单级船闸即可。 综上，采用单线单级船闸。

3.2 船闸各主要结构的高程

3.2.1 闸室墙结构的高程

①船闸闸室墙顶高程=上游设计最高通航水位+超高值=8m+1.4m=9.4m

②船闸闸室底高程必须低于闸首门槛顶高程，取1.6m。故上闸首设帷幕墙，墙高3.2m。 3.2.2 闸首结构的高程

①船闸非挡水前缘闸首的闸门顶高程=上游设计最高通航水位+安全超高=8m+0.3m=8.3m

由于闸首墙顶高程不应小于闸室墙顶高程，故取闸门顶高程为9.4m ②船闸上闸首门槛高程=上游设计最低通航水位-门槛水深=8m-3.2m=4.8m ③船闸下闸首门槛高程=下游设计最低通航水位-门槛水深=4.8m-3.2m=1.6m 3.2.3 引航道的高程

①船闸上游引航道导墙顶高程=上游设计最高通航水位+超高值=8m+1.4m=9.4m ②船闸下游引航道导墙顶高程=下游设计最高通航水位+超高值=4.8m+1.4m=6.2m ③船闸上游引航道底部高程=上游设计最低通航水位-引航道设计最小水深=8m-3.2m=4.8m

④船闸下游引航道底部高程=下游设计最低通航水位-引航道设计最小水深=4.8m-3.2m=1.6m

3.3 船闸的平面尺寸

3.3.1 船闸闸室的平面尺寸

6

（一）船闸闸室有效长度

由公式LX = lC + lf

其中设计船舶长度lC取两个16TEU船的设计总长2×42m+富裕长度2m=86m； 按顶推船队设计，富裕长度lf =2+0.06lc =7.16m； 按拖带船队设计，富裕长度lf =2+0.03lc =4.58m； 按机动驳和其他船队设计，富裕长度lf =4+0.05lc =8.60m；

故船闸闸室有效长度LX不应小于94.60m，取整数，故LX=95m。镇静段长度为10m。 （二）船闸闸首口门和闸室有效宽度

由公式BX=∑bC+bf，按双列过闸考虑，∑bC取两个16TEU船的型宽2×6.6=13.2m。富裕宽度bf=Δb+0.025(n-1)bC=1+0.165=1.165m，故船闸闸室有效宽度BX不应小于14.365m，取16m。

船闸闸首口门宽度同闸室有效宽度，取16m。 （三）船闸门槛最小水深和闸室最小水深

船闸门槛最小水深应为设计最低通航水位至门槛顶部的最小水深，并应满足设汁船舶、船队满载时的最大吃水加富裕深度的要求。

由公式H/T≥1.6,其中T取单个16TEU船的设计吃水2.0m，故船闸门槛最小水深H应不小于3.2m，取H=3.2m。

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，其值应不小于门槛最小水深，取3.2m。

综上，船闸闸室水域尺寸为105×16×3.2m。 3.3.2 引航道的平面尺寸

上下游引航道设计为不对称型，引航道由直线段（包括导航段、调顺段、停泊段）、过渡段与制动段组成。坝中央有一泄水闸，规模较小，泄流时，河道内产生的水流对船舶航行影响不大，可不考虑其对引航道内船舶的影响，故下游无需建造长导堤，但下游引航道应增加一定长度。 （一）引航道长度L

①导航段l1≥LC=85m，取86m；

②调顺段l2=(1.5～2.0)LC=(1.5～2.0)×86=129～172m，取130m； ③停泊段l3≥LC=86m，取86m；

④过渡段l4≥10ΔB，ΔB——引航道直线段宽度与航道宽度之差，本航道为单线船闸可不作考虑；

7

⑤制动段l’4=αlC，取α=2.5，则l’4=2.5×86m=215m，取220m得引航道总长520m，下游加长为550m。 （二）引航道宽度B0

单线船闸不对称型引航道宽度（两停一行）应按下式计算

B0 ≥ bc + bc1 + bc2 +2Δb1

其中，设计最大船舶宽度bC=6.6m，两侧等候过闸船舶总宽度bC1=bC2=6.6m，船舶之间的富裕宽度Δb1=bC=6.6m。

得引航道宽度应不小于33m，取B0=35m。 （三）引航道最小水深H0

由公式H/T≥1.4，其中T取单个16TEU船的设计吃水2.0m，故引航道最小水深H应不小于2.8m，取H=3.2m。

8

四、 船闸水工建筑物设计

4.1 闸门选型

上、下闸首均采用横梁式平面人字闸门，在上闸首的上游设检修闸门，检修闸门为叠梁式闸门。 （一）门扇长度

有公式Ln=（????+2c）/2cos??，其中闸首门口宽度????=16.0m，由门扇的支垫座与枕垫座的支承面至门龛外缘的距离c=0.0625????=1.0m；闸门关闭时门扇轴线与闸室横轴的交角??=22. 5。，得门扇长度Ln=9.74m。 （二）门扇厚度

适宜厚度为(1/10～1/8)Ln=0.97～1.22m,取门扇厚度为1m。 （三）门扇高度

由公式h=H+hk+k+m，其中上游设计洪水位与下游最低通航水位之间的水位差H=3.2m，船闸的槛上水深hk=0m，超高k=0.4m，闸门面板底与门槛顶的高差m=0.2m，得门扇高度h=3.8m。

4.2 闸首选型

为保证闸首具有足够的整体刚度，避免由于闸首边墩相对沉降而影响船闸的正常工作，在土基上，上、下闸首均采用整体式结构，边墩与底板刚性连接。

闸首纵向可分为门前段、门龛段和闸门支持墙段三部分。 （一）门前段长度 l1 对人字门闸首，门前段长度l1=（1.0～2.0）+C1，其中C1为检修闸门槽宽度，取1.0m，l1=1.5m。

（二）门龛段长度 l2 对人字门闸首，门龛段长度l2=(1.1～1.2)×(Bk+d)/2cosθ，其中????为闸首口门宽度，取16m；d为门龛深度，取1.5m；θ为闸门与船闸横轴线夹角，取22.5°。得l2=10.42～11.37m，取l2=10.5m。

（三）闸门支持段长度 l3

对人字闸门的支持段长度，目前设计仍假定在其独立工作条件下进行稳定和强度验算确定的，其大概范围为l3≈(0.4～2.1)H=1.28～6.72m，假定l3=4.0m。

9

综上，闸首总长 L=l1+l2+l3=16m。 （四）边墩厚度

适宜厚度为(2～3)倍廊道宽，即3～4.5m，为安全起见，取5.0m。 （五）闸首宽度

闸首宽度B=2B1+Bk=2×5.0+16=26m （六）底板厚度

适宜厚度为(1/4.5～1/3.5)倍边墩自由高度，即(1/4.5～1/3.5)×4.6=1.02～1.31m，取1.2m。

由于门龛段需向下开挖，开挖深度0.5m，此处为底板最薄处，厚度为1.2m，其余部分厚度均大于1.2m。

4.3 引航道建筑物选型

为引导船舶从水域宽度较大的引航道安全通畅地进入宽度较小、较窄的船闸，在引航道导航段内应布设导航建筑物，位于进闸航线一侧引导船舶进闸的称主导航建筑物，位于主导航建筑物对面，用以引导受侧向风、水流等影响而偏离航线船舶的导航建筑物称为辅导航建筑物。为供进闸船舶在进闸前停泊系靠，在引航道停泊段内应布设系靠船建筑物。

（一）主导航建筑物

本设计中，主导航建筑物可兼做不对称型引航道单向过闸的靠船建筑物。主导航建筑物长度应与导航段长度相同，取86m。 （二）门辅导航建筑物

辅导航建筑物的长度略小于主导航建筑物，为60m。 （三）靠船建筑物

引航道停泊段内，应布置船舶双向过闸用的靠船建筑物。靠船建筑物长度应采用一个设计最大船舶长度，取42m。

4.4 闸室结构选型

4.4.1 闸室墙结构技术经济分析

本设计针对材料来源、地质条件、施工技术、使用要求及技术特点等方面进行深入的论证。见表4-1。

表 4-1结构选型方案比较表

方案 项目 梯形闸墙 10

浆砌块石重力式悬臂式闸墙 扶壁式闸墙 板桩式闸墙 结构简图 石料（用量较大）钢筋混凝土(用量主要材料及用量 钢材水泥（用量较较少) 小） 地板受力条件好、节省钢材和水泥，地基反力小，用料优点 能应荷载变化、稳定可靠，使用较广 过水断面 渗长度 不能承受拉应力，需专业打桩设备，墙身断面大，对地缺点 基要求高，石料需从别地运来，工程量大、投资大 适用于闸室墙高与宽度之比大于0.5的船闸 结构复杂、用钢量钢材用量大，薄壁大，施工技术要求结构、抗弯能力有较高 限、耐久性差 省，底板薄、增大低 工速度快，增加防对地基承载力要求基，构件预制、施断面小、节省造价，件、特别是较弱地中等) 较大) 适用于各种地基条钢筋混凝土(用量较少)钢绞线(用量钢筋混凝土(用量4.4.2 闸室墙的选型 （一）闸室墙选型

考虑到新三孔闸坝址区持力地层主要为粉砂层和粘土层，承载力标准值均为80kPa，承载能力不高，不宜采用重力式结构。闸室宽度为16m，闸室高度(9.4m?1.6m)=7.8m，故闸室墙高与闸室宽度之比小于0.5，不在悬臂式结构的适用范围内。地下水对混凝土无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具弱腐蚀性，适当提高保护层厚度后可以采用大量钢筋混凝土材料，但不宜采用钢板桩结构。钢材可就近到钢材市场中购买，混凝土采用现场拌合，此举也有益于保证混凝土施工质量。另外，随着保护当地块石的政策的施行，石料的来源也受到限制，考虑保护环境所投入的成本后，综合成本价格高于混凝土材料。

综上所述，结合表4-1的内容，扶壁式闸室结构较为适用。 （二）扶壁式闸室墙结构尺度

闸室总长为105m，取镇静段长10m，底板顶高程为1.6m，闸墙顶高程为9.4m，闸室墙高为9.4?1.6=7.8m。扶壁结构高7.8m。闸室分为五段，分缝间距为21m。立板墙厚0.5m；肋板厚度取0.4m，顶宽取1.0m；底宽取4.0m，趾板前端厚度取50cm，内底板厚度取1.4m，

11

肋板中心线间距取3m。立板、肋板和底板等连接部位应设置加强斜托。立板和底板根据强度要求配筋，肋板采用素混凝土。 （三）闸室结构的其他构造要求 ①闸墙的保护措施

闸墙表面采用C30的混凝土抹面；在最低通航水位以上的闸墙，即标高+4.0m以上的闸墙采用钢护木护面。 ②胸墙

为保证闸上工作人员的安全，并减少实体闸墙的高度，沿墙顶部设置与墙正面齐平的胸墙。胸墙高度为1.2m，厚度应根据船舶撞击力而定，暂取为0.3m。 ③建筑物分缝

为防止混凝土收缩，温度变化和船闸纵向不均匀沉陷引起的附加应力，导致结构发生裂缝，须沿闸室长度方向在闸墙和闸底的钢筋混凝土中设置伸缩、沉降缝。伸缩、沉降缝间距为20m，缝宽2cm。伸缩、沉降缝位于结构形式改变处，如闸室和闸首间、闸首和导航墙间；伸缩、沉降缝应做成垂直贯通的永久缝，缝内设置垂直和水平止水。垂直止水布置在墙内，水平止水布置在闸底板内。 4.4.3 闸室底板的选型

本设计为土基基础，采用分离式闸室、不透水的双铰式底板。闸底由两边闸墙的前趾与中间底板以搭接形式组成两个假想铰，并在铰接处设止水以形成不透水的分离式结构。接缝宽20mm，接缝处设1道止水，缝中填沥青油毛毡。

中底板厚度为闸室宽度的1/12～1/8，即1.33～2.00m，取1.4m；中底板宽度一般为闸室宽度的3/5～4/5，即9.6～12.8m，取12m。

4.5 防渗结构的布置

4.5.1 闸首的防渗布置

由于船闸为突出坝下游布置，闸首为挡水线的一部分，须在闸首两侧回填土内设置黏土防渗墙。防渗墙与边墩间设止水，墙长度为9m。墙厚由防渗要求和受力情况确定。

为减少渗流的不利影响，在船闸闸首前设置水平防渗设备铺盖。采用黏土铺筑的柔性铺盖，上游端厚0.5m，向下游端逐渐加大，在闸首接触处做成倾斜面接缝，并在其间设止水。长度为设计水头的2～3倍，即6.4m～9.6m，取9m。在铺盖层上设置反滤层及块石护面。

为增加地基抗渗能力和防止产生渗透变形，防止土颗粒被渗流带走，在下闸首渗流逸出处设置反滤层。分层反滤层自上而下由中石、小石、中粗砂共三层构成， 其中

12

19?40mm中石子厚15cm，2?10mm小石子厚15cm，中砂层厚20cm。 4.5.2 闸室墙的防渗布置

在墙后回填土中设置排水暗管，采用预制混凝土管，管外径30cm，壁厚5cm，管的下部开有小孔，孔径10cm。排水管纵坡为1:200。墙后回填土中的排水管起始点布置在距上闸首5m处，距墙背距离为3m，排水管出口的高程应高于下游最低通航水位0.5～1.0米，取5.5m。沿排水管每隔30m设置检查井。

4.6 闸室墙设计验算

4.6.1 渗透稳定性强度验算

船闸的渗流计算可简化为平面问题，采用渗流系数法进行渗透稳定性强度验算，其渗流稳定应满足下列公式：

L ≥ CH L = ∑Ll + ∑mLv

式中，L为地下轮廓线的化引总长度，渗径系数C=9，计算水头H=3.2m，地下轮廓线水平段长度Ll=105m+2×16m+9m=146m，地下轮廓线垂直段长度Lv=2×2m=4m，垂直段换算为水平长度段的换算系数m=1.0，得：L=152m≥CH=9×3.2=28.8m L=∑Ll + ∑mLv=148m+1×4m=152m

即船闸满足渗透稳定性。 4.6.2 抗滑、抗倾和抗浮稳定性验算

取最不利情况，闸室内无水，闸室墙后水位为下游检修水位+4.8m。钢筋混凝土容重γ=24.5kN/m3，钢筋混凝土浮容重γ’=14.5kN/m3，保证闸室墙的抗滑稳定，闸室墙后采用抛石棱体回填，认为下游检修水位以上部分回填料性质同地基土，下游检修水位以下部分填料为石料，石料的浮容重γ=10kN/m3。立板和底板根据强度要求配筋，肋板采用素混凝土

（一）、作用于船闸水工建筑物上的荷载

①、建筑物自重及上部填料自重

13

如图 4-1 所示，将闸室结构分块儿计算各部分自重： 立板： G1=4.6m×0.5m×24.5kN/m3=56.35kN/m

G2=3.2m×0.5m×14.5kN/m3=23.20kN/m

肋板： G3=1.0m×4.6m×0.4m×24kN/m=44.16kN

G4=1/2× 2.06m×4.6m×0.4m×24kN/m=45.58kN G5=3.06m×3.2m×0.4m×14kN/m3=54.91kN G6=1/2×1.44m×3.2m×0.4m×14kN/m=12.87kN

(单宽) G7=35×(G3+G4+G5+G6)/105=52.503kN/m 底板： G8=1.40m×2.5m×14.5kN/m=50.75kN/m

G9=2×(0.5m+1.4m)×4.5m×14.5kN/m=61.99kN/m

回填： G10=4.6m×4m×(3m-0.4m)×19kN/m3= 908.96kN G11= 1/2× (3m+2.23m)×4.6m×0.4m×19kN/m=91.43kN G12=3.2m×4m×(3m-0.4m)×10kN/m=332.80kN G13=1/2×3.2m×0.4m×2.23m×10kN/m3=14.28kN

(单宽) G14=35×(G10+G11+ G12+G13)/105=449.16kN/m

综上，单侧闸室墙自重为G=G1+G2+G7+ G8+ G9+G14=682.516kN/m ②、土压力

土基上的扶壁式结构，墙后填土按主动土压力计算，以地下水位线+4.8m为分界线分为两层，取填料表面人群荷载为q=5kPa： 第一层土：砂性土

主动土压力系数

地面荷载力系数Kq=1

上端单位面积土压力强度e’1=(1×5kPa)×0.36=1.81kPa

下端单位面积土压力强度e”1=(1×5kPa+19kN/m3×4.6m)×0.36=33.46kPa 土压力水平分力E1x=E1×cosδ=81.12kN×cos8.7°=80.19kN/m 土压力垂直分力E1y=E1×sinδ=81.12kN×sin8.7°=12.22kN/m 第二层土：抛石棱体

主动土压力系数

地面荷载力系数Kq=1

14

上端单位面积土压力强度e’2=(1×5kPa+19kN/m3×4.6m)×0.16=14.82kPa 下端单位面积土压力强度

e”2=(1×5kPa+19kN/m3×4.6m+10kN/m3×4.6m)×0.16=22.20kPa

土压力合力E2=2×(e’2+ e”2)×h1=2×(14.82kPa+22.2kPa)×4.6m=85.17kN/m 土压力水平分力E2x=E2×cosδ=85.17 kN×cos15°=82.26kN/m 土压力垂直分力E2y=E2×sinδ=85.17kN×sin15°=22.04kN/m

综上，单侧闸室墙所受的土压力水平分力Ex=E1x+E2x=80.19kN/m+82.26kN/m=162.458kN/m

单侧闸室墙所受的土压力垂直分力Ey=E1y+E2y=12.22kN/m+22.04kN/m=34.27kN/m ③、静水压力

静水压力Wx=1/2????2=1/2×10kN/m3×4.6m×4.6m=105.80kN/m ④、扬压力

计算建筑物及回填料自重时已经考虑扬压力。

由于闸室左右闸室墙后水头相等，故垂直船闸长轴线两侧的渗透压力为零。 （二）船闸的抗滑稳定性验算

由公式Kc=f∑??/∑??验算船闸的抗倾稳定性。式中，结构与地基接触面的抗剪摩擦系数f =0.45，作用于结构上全部荷载对滑动面法向投影的总和

∑??=G+Ey=682.516+34.27=716.782kN/m，作用于结构上全部荷载对滑动面切向投影的总和∑??=Ex+Wx=162.458+105.8=268.258kN/m，故Kc=f∑?? /∑??=（0.45×716.782）（/268.258）=1.202，大于规范中给出的抗滑安全系数 （三）船闸的抗倾稳定性验算

由公式Ko=MR/Mo验算船闸的抗倾稳定性。式中，MR为对计算截面前趾的稳定力矩之和MR=(G1+G2)×2.25+(G3/3)×3.0+(G4/3)×4.09+(G5/3)×3.885+(G6/3)×5.679+G8×1.25+G9×4.184+G14×4.50+EY×6.5=2899.461kN ?m/m，????为对计算截面前趾的倾覆力矩之和????=Ex×4.154+Wx×1.60=844.084kN?m/m，故抗倾稳定性系数

Ko=MR/Mo=2899.461/844.084=3.435，大于规范中给出的抗倾安全系数1.4，满足抗滑要求。 （四）船闸的抗浮稳定性验算

当闸室采用不透水闸底时，需进行抗浮稳定验算。由公式Kr=V/U验算船闸的抗倾稳定性。式中，整个闸室所受到向下的垂直力总和

V=G+Ey=2×682.516kN/m+12m×1.4m×14.5kN/m+68.533kN/m=1677.164kN/m,扬压力总和U=16m×(4.8m-0.2m)×10kN/m=736kN/m, 故抗浮稳定性系数

kr=V/U=1677.1641/736=2.279，大于规范中给出的抗浮安全系数1.05，满足抗浮要求。

15

4.6.3 地基承载力和基底应力验算

取最不利情况，闸室内水位与上游最高水位齐平，为+8m，闸室墙后水位为下游检修水位+4.8m。钢筋混凝土容重γ=24.5kN/m3，钢筋混凝土浮容重 γ’=14.5kN/m3；地基土为砂性土，主动土压力，保证闸室墙的抗滑稳定，闸室墙后采用抛石棱体回填，认为下游检修水位以上部分回填料性质同地基土，下游检修水位以下部分填料为石料，石料的浮容重γ=10kN/m。立板和底板根据强度要求配筋，肋板采用素混凝土。 （一）作用于船闸水工建筑物上的荷载 ①建筑物自重及上部填料自重

建筑物总自重为G=2 ×682.516kN/m+12m×1.4m×14.5kN/m3 =1608.632kN/m ②土压力

水平土压力相抵消，只考虑两侧的竖向土压力，计算方法同上。 土压力垂直分力Ey=2×34.266kN/m=68.533kN/m ③静水压力

闸室墙两侧的水平静水压力相等，合力为零。作用在底板上的静水压力差为： Wy=??????=10kN/m3×16m×(8-4.8)m=512kN/m ④扬压力

计算建筑物及回填料自重时已经考虑扬压力。

由于闸室左右闸室墙后水头相等，故垂直船闸长轴线两侧的渗透压力为零。 （二）船闸的地基承载力验算 ①验算整体地基承载力

作用于闸室墙底面的竖向合力??d=G+Ey+Wy=1608.632+68.533+512.00=2189.164 kN/m，地基极限承载力的竖向分力????=80kPa×25m=2000kN/m，地基承载力安全系数K=Fk/Vd=2000/2189.164=0.914，小于规范中给出的砂性土地基承载力安全系数2.0，不满足地基承载力要求。故施工中应先对地基进行加固处理，使地基极限承载力[R]大于176kPa。

②验算局部最大地基承载力

作用在船闸基底以上水平合力为零，不存在偏心。即e=0。 故局部最大、最小地基应力为

=(2189.164/25)×(1+0)

=87.567kPa，大于地基极限承载力[R]=80kPa，不满足地基承载力要求，施工中应先对地基进行加固处理。故局部最大、最小地基应力为

同时，地基应力的最大值与最小值之比为1.0<5，满足规范中对地基应力不均匀性的

16

要求。

4.7 按突出坝上游布置方式进行闸室墙设计验算

按照规范，船闸一般应布置为突出坝上游形式。本设计中采用扶壁式闸室墙结构、双铰式分离不透水底板结构，经验算发现地基承载力不易得到满足，现按突出坝上游方式进行闸室墙设计验算，以供方案比选。闸室墙结构形式同原方案。 4.7.1 渗透稳定性强度验算

船闸的渗流计算可简化为平面问题，采用渗流系数法进行渗透稳定性强度验算，其渗流稳定应满足下列公式：

L≥CH L = ∑Ll + ∑mLv

式中，L为地下轮廓线的化引总长度，渗径系数C=9，计算水头H=3.2m，地下轮廓线水平段长度Ll=105m+2×16m+9m=146m，地下轮廓线垂直段长度Lv=2×2m=4m，垂直段换算为水平长度段的换算系数m=1.0，得：

L=152m≥CH=9×3.2=28.8m L = ∑Ll + ∑mLv=148m+1×4m=152m

即船闸满足渗透稳定性。 4.7.2 抗滑、抗倾和抗浮稳定性验算

取最不利情况，闸室内无水，闸室墙后水位为下游检修水位+4.8m。 （一）作用于船闸水工建筑物上的荷载 取单侧闸室墙为研究对象。 ①建筑物自重及上部填料自重

单侧闸室墙自重为G = 548.477 kN/m ②土压力

土基上的扶壁式结构，墙后填土按主动土压力计算，以地下水位线8.0m为分界线分为两层，取填料表面人群荷载为q=5kPa：

单侧闸室墙所受的土压力水平分力Ex=94.51kN/m 单侧闸室墙所受的土压力垂直分力Ey=24.264kN/m ③静水压力

静水压力Wx=1/2????2=1/2×10kN/m3×7.8m×7.8m=304.20kN/m ④扬压力

计算建筑物及回填料自重时已经考虑浮托力。

17

由于闸室左右闸室墙后水头相等，故垂直船闸长轴线两侧的渗透压力为零。 ⑤由底板提供的水平挤压力

混凝土抗压强度取1.10kPa(相当于C20混凝土的轴心抗压强度)，则由底板提供的水平最大挤压力为Fy=1.10kPa×1.4m=1540kN/m。 （二）船闸的抗滑稳定性验算

由于底板所能提供的最大水平压力大于水平土压力及静水压力之和，故船闸能够满足抗滑要求。

（三）船闸的抗倾稳定性验算

由公式Ko=MR/Mo验算船闸的抗倾稳定性。式中，????为对计算截面前趾的稳定力矩之和????=2275.488kN?m/m，????为对计算截面前趾的倾覆力矩之和????=1159.139kN?m/m，故抗倾稳定性系数Ko=MR/Mo=1.963，大于规范中给出的抗倾安全系数1.4，满足抗滑要求。 （四）船闸的抗浮稳定性验算

当闸室采用不透水闸底时，需进行抗浮稳定验算。由公式Kr=V/U验算船闸的抗倾稳定性。式中，整个闸室所受到向下的垂直力总和V=G+Ey=1389.083kN/m，扬压力总和U=16m×(8m-0.2m)×10kN/m3=1248kN/m,故抗浮稳定性系数Kr=V/U=1.113，大于规范中给出的抗浮安全系数1.05，满足抗浮要求。 4.7.3 地基承载力和基底应力验算

取最不利情况，闸室内水位与上游最高水位齐平，为+8m，闸室墙后水位为上游检修水位+8m。取整个闸室为研究对象。

（一）作用于船闸水工建筑物上的荷载 ①建筑物自重及上部填料自重

建筑物总自重为G=2 ×548.477kN/m+12m×1.4m×14.5kN/m3=1340.554kN/m ②土压力

水平土压力相抵消，只考虑两侧的竖向土压力，计算方法同上。 土压力垂直分力Ey=2×24.264kN/m=48.529kN/m ③静水压力

闸室墙两侧水位相等，故静水压力相等，合力为零。 ④扬压力

计算建筑物及回填料自重时已经考虑浮托力。

由于闸室左右闸室墙后水头相等，故垂直船闸长轴线两侧的渗透压力为零。 （二）船闸的地基承载力验算

18

①验算整体地基承载力

作用于闸室墙底面的竖向合力??d=G+Ey+Wy=1340.554+4.529+0=1389.083kN/m，地基极限承载力的竖向分力????=80kPa×25m=2000kN/m，地基承载力安全系数

K=Fk/Vd=2000/1389.038=1.44，仍小于规范中给出的砂性土地基承载力安全系数2.0，不满足地基承载力要求。故施工中应先对地基进行加固处理，使地基极限承载力[R]大于176kPa。

②验算局部最大地基承载力

作用在船闸基底以上水平合力为零，不存在偏心。即e=0。 故局部最大、最小地基应力为

= (1389.038/25)×(1+0)

=55.563kPa，小于地基极限承载力[R]=80kPa，满足地基承载力要求。同时，地基应力的最大值与最小值之比为1.0<5，满足规范中对地基应力不均匀性的要求。 4.7.4 小结

根据以上计算，即使采用突出坝上游的方式布置船闸，整体地基承载力仍难满足，且该种情况下水头较大，闸首、闸室墙结构复杂，施工不便、造价高，故一般工程上多采用突出坝上游方式布置船闸。

综上，建议仍采用突出坝下游的方式布置船闸，并在施工前对地基进行加强处理。

4.8 船闸辅助设备

为保证船舶安全、迅速过闸，还需分别按情况设一些辅助设备，如安全防护设备、系船设备、照明、通道、检修设备、电气设备等。

此外，为了对建筑物进行全面、经常、系统的观察和测量，还要设置一些观测研究设备。一般有建筑物沉陷变位观测设备，水位量测设备等。其项目按具体要求设置。 ①系船设备

由于设计水头小于5m，仅在闸室、引航道、锚地和前港的靠船建筑物靠船一侧设置固定系船钩，位于建筑分段中线，从设计最低通航水位时的设计最大船队满载干舷高度处开始，至墙顶以下1m处的范围内，按1.8m等距分层设置系船钩。

在闸室墙、引航道等靠船建筑物的顶部设置固定系船柱。其在闸室内的布置，首尾系船柱距闸室的有效长度两端的距离为10m，自上游向下游共布置4根系船柱。 ②安全防护和检修设施

在船闸各部顶面临水侧设置高度为1.2m的胸墙作为刚性安全护拦，兼具挡浪功能。 闸首两侧边墩宜在其前沿各设1道嵌人式爬梯;闸室两侧再设3道嵌人式爬梯，其第一道中线距上、下闸首边缘的距离为15m；主、辅导航墙视布置型式宜设嵌人式爬梯各

19

1道。嵌人式爬梯采用正面式，凹槽平面尺寸为0.3m×0.7m。

引航道每一个靠船墩应在朝闸首一侧，距前沿1m处设凸出式爬梯1道。闸首、闸室、导航墙等其他部位，如空箱、门库、阀门井等内部应设凸出式爬梯，空箱爬梯在出地面或顶面应设活动盖板。

闸首、闻室、导航墙爬梯高程布置，应自闸底板至闸墙顶或挡浪板顶;靠船墩应自引航道底至墩顶;空箱、门库、阀门井等视需要布置。每一梯级间距为0.25m。 ③控制、通信和动力照明

中央控制室的位置和高度，应能在控制室中清楚看到闸室和上、下游引航道船舶、船队的动态；并宜设置工业电视。在上、下闸首和控制室的控制系统中设专用的紧急开关，以备船舶过闸发生紧急情况时采取应变措施。

船闸管理部门、控制室等应设有生产调度电话、行政电话、广播通讯和计算机管理系统。

船闸辖区的房屋、闸首、闸室、引航道、锚地等建筑物及与其有关的场地，应按规定照度设置照明，其布置应有利于船舶、船队运行，并便于管理、检修和更换。

水位计井宜设在各闸首靠控制室一侧边墩墙内，每道工作闸门上、下游各设一个。水位计井底应分别位于上、下游设计最低通航水位以下1m，并分别与上、下游水体联通。井径大小取1m，水位计类型、电气设计等按需要确定，两井距离不宜太远，取7m。

20

五、 船闸通过能力设计

5.1 过闸时间计算

（一）基本参数

【船舶装载系数】：α=0.7 【运量不均衡系数】：β=1.3 【一次过闸运量】：G=512t 【年通航天数】：N=270 days 【两班制日工作时间】：14 h； 【三班制日工作时间】：21 h

【过闸航速】：单向：进闸0.5米/秒，出闸0.7米/秒

双向：进闸0.7米/秒，出闸1.0米/秒

【每天非货船过闸次数】：n0=2 次 （二）船舶单次过闸时间

平均过闸次数n=τ×60/T 双向年过闸客货运量P= (n-n0)×NG?/?，P应不小于160万吨，代入上述参数，可解得：【两班制】船舶单次过闸时间T=35.75min，【三班制】船舶单次过闸时间T’=53.63min （三）各项作业时间

①启闭闸门时间 t1= 2min

②单向第一个船舶进闸时间t2??进闸距离/船舶进闸速度=(215m+16m+105m)/0.5m/s?672s?11.2min

③闸室灌水或泄水时间 t3

④单向第一个船舶出闸时间t4=出闸距离?船舶出闸速度?(105m+16m)/0.7m/s?173s?2.88min?

⑤船舶进、出闸时间间隔 t5=3min

⑥双向第一个船舶进闸时间t’2=进闸距离/船舶进闸速度?(215m+16m+105m)/0.7m/s?480s?8min

⑦双向第一个传播出闸时间t'4?出闸距离/船舶出闸速度? (105m+16m+215m)/1.0m/s?336s?5.6min （四）闸室灌水、泄水时间

21

①单向过闸

由公式 T1=4t1+t2+2t3+t4+2t5，

可知 T1=4×2+11.2+2t3+2.88+2×3=28.08+2t3 ； ②双向过闸

T2=4t1+2t'2+2t3+2t'4+4t5 由公式

可知T1=4×2+2×8+2t3+2×5.6+4×3=47.2+2t3

平均过闸时间T=0.5×(T1+T2/2)=25.84+1.5t3应不大于上文计算的船舶单次过闸时间，故两班制时t3=6.61min，三班制时t3=18.53min。暂按两班制，船闸输水时间t3=6.6min=396s计算，则平均过闸时间T=35.74min。

5.2 通过能力计算

双向年过闸客货运量

P=NG?/?=(14×60/35.74-2)×270×512×0.7/1.3=1600623t≥1600000t?

22

六、 船闸输水系统设计

6.1 输水系统的选型

由公式m=T/ √H，其中闸室灌水时间T=6.6min，设计水头H=3.2m，得m=3.7，可选用集中输水系统。

采用短廊道集中输水不设消能室，对冲方式消能；输水廊道布置在两边墩下部，两侧廊道对称布置以充分发挥对冲消能的作用；阀门选用锐缘平面阀门。 （一）输水廊道

输水廊道由进口、进口转弯段、直线段、出口转弯段及出口组成。 ①进口段

廊道进口尺寸与阀门处输水廊道控制断面相同，进口修圆，修圆半径为（0.1～0.15b，其中廊道宽度b=1.5m，故修圆半径取为0.2m； ②进口转弯段

进口转弯段中心线的平均曲率半径不小于（0.9～1.0）倍廊道转弯段的平均宽度，取1.35m；进口内侧曲面的曲率半径取0.15H=0.48m，取0.5m； ③直线段

直线段适宜长度为(1.3～2.5)b=1.95～3.75m，由于门龛段较长，取7.95m，且在直线段设输水阀门和检修阀门； ④出口段

为减小出口的水流流速，扩大水流对冲面积以增加效能效果，输水廊道出口断面应扩大为阀门处廊道的1.2～1.6倍，故保持廊道高度不变，宽度增大到2.4m。 ⑤出口转弯段

廊道出口转弯段中心线的平均曲率半径的适宜大小为（1.0～1.4）倍廊道转弯段的平均宽度，取1.8m；出口内侧曲面的曲率半径取（0.2～0.25）H=0.64～0.8m，取0.8m。

此外，为使出流均匀并增加效能效率，在廊道出口转弯段起点开始扩大，并在中部设置分流导墙。分流导墙布置在廊道中部偏外侧0.1m处。 （二）输水廊道高程的确定

输水廊道出口处应满足淹没水深的要求。 ①上闸首：出口处廊道顶高程：4.8m-1.0m=3.8m，

出口处廊道底高程：3.8m-2.0m=1.8m；

23

②下闸首：出口处廊道顶高程：4.8m-0.5m=4.3m，取 3.8m，

出口处廊道底高程：3.8m-2.0m=1.8m。

6.2 输水系统水力计算

（一）输水阀门处廊道断面面积

由公式，

其中闸室水域面积C=105×16=1680m，闸室水

域长度LC=105m，设计水头H=3.2m，重力加速度g=9.8m/s2，闸室灌水时间T=396s，阀门全开时输水系统的流量系数μ=0.8，对应的系数α=0.53，KV=0.6，得ω=5.97m2，则每侧廊道面积不小于2.985m2。实际取矩形断面，高2.0m，宽1.5m，输水阀门处廊道断面面积ω=2× 2.0 × 1.5 =6.0m2。

（二）输水系统的阻力系数和流量系数

局部阻力系数有：

①进口：进口处有做修圆处理，取ξen=0.2； ②拦污栅：由公式，

其中栅条厚的S=5cm，栅条净间距b=15cm，选用

长方形栅条，前端做成圆形，栅条形状系数β=1.83，得ξb=0.423； ③廊道圆滑转弯：由公式，

其中转角θ=90°，对进口转弯处系数ξ’k=0.40，得ξk=0.40；

对出口转弯处系数ξ’k=0.2525，得ξk=0.2525；

④出口：单支孔出水，取ξex=1.0；

⑤阀门：采用平面阀门，阀门井的阻力系数ξ’=0.25，当阀门开度1.0时，阀门阻力系数ξvn=0。流量系数系数计算公式为

其中????=ξen+ξb+ξk+ξex=0.2+0.423+0.40+0.2525+1.0=2.2755，当阀门完全打开后，

=0.63。

（三）输水阀门的开启时间

由公式，

其中系数kr=0.725，输水阀门处廊道断面面积ω=6.0m2，设计水头H=3.2m，初始水位的闸室横断面面积ωc=16×3.2=51.2m2，船舶浸水断面面积χ=2×6.6×2=26.4m2，波浪力系数D=0.660，重力加速度g=9.8m/s2，船舶排水量W=2×26.4×42=2217.6t，允许系缆力的纵向水平分力PL=18kN，得输水阀门开启时间tV=113s，取tV=120s。 （四）闸室输水时间

由公式，

其中闸室水域面积C=105×16=1680m2，设计水头

H=3.2m，阀门全开时输水系统的流量系数μ=0.8，输水廊道断面面积ω=6m2，对应的系

24

数α=0.53，输水阀门开启时间tV=120s，重力加速度g=9.8m/s2，得闸室输水时间T=340s=5.67min，小于根据通过船闸能力计算的三班制时闸室输水时间t3=6.6min=396s，即设计满足要求。

实际平均过闸时间T=0.5×（T1+T2/2）=25.84+1.5×5.67=34.35min。 （五）过闸船舶在闸室内的停泊条件

灌水时，由公式， 其中系数kr=0.725，输水阀门处廊道断面面

积ω=6m2，设计水头H=3.2m，重力加速度g=9.8m/s2，初始水位的闸室横断面面积ωc=16×3.2=51.2m2，船舶浸水断面面积χ=2×6.6×2=26.4m2，波浪力系数D=0.660，船舶排水量W=2×26.4×42=2217.6t，输水阀门开启时间tV=120s，得船舶所受水流作用力Pl=16.94kN，允许系缆力的纵向水平分力PL=18kN，故Pl≤PL，满足要求。 （六）上、下闸首断面最大平均流速

对上闸首，

其中闸室水域长度LC=105m，设计水头

H=3.2m，闸室输水时间T=340s，槛上最小水深SC=3.2m，得对上闸首为灌水时闸室最大的断面平均流速

对下闸首，

=0.41m/s。

其中闸室水域长度LC=105m，设计水头H=3.2m，

闸室输水时间T=340s，槛上最小水深SC=3.2m，得对上闸首为灌水时闸室最大的断面平均流速

=0.56m/s

（七）集中输水系统消能工的类型

对上闸首：最大的断面平均流速故选用无消能工型；

对下闸首：最大的断面平均流速故选用无消能工型。

=0.56m/s<0.8m/s，设计水头H=3.2m<4m，=0.41m/s<0.45m/s，设计水头H=3.2m<4m，

6.3 船闸耗水量验算

由公式，平均过闸次数

其中q=eu=0.0015×(9.74×4+3.2×3+6.4×3)=0.10164m3/s，日=14×60/34.35=24.45，单级船闸单向一次过闸的用水量

V0=CH=105×16×3.2=5376m3，一次过闸用水量(认为单向过闸和双向过闸机会均等)V=0.75V0=4032m3，得船闸一天内平均耗水量???= (24.45×4023)/86400+0.10164=1.243 m3/s.

透水闸底由护面及反滤层组成。护面采用30cm厚的混凝土板；由于地基为粘性土，反滤层由中石、小石、中粗砂共三层构成， 其中19-40mm中石子厚15cm，2-10mm小石子厚15cm，中砂层厚20cm。

25

为固定护面及反滤层各层间的相对位置，防止石块松动而导致炸死破坏，透水闸底应设置纵横格梁，采用钢筋混凝土结构。梁格尺寸为4m×8m，梁格断面尺寸为40cm×40cm。

26

七、 设计依据及参考文献

1、刘晓平，陶桂兰．渠化工程，北京：人民交通出版社，2009 2、JTJ305-2001．船闸总体设计规范 3、JTJ306-2001．船闸输水系统设计规范 4、JTJ307-2001．船闸水工建筑物设计规范 5、JTJ308-2003．船闸闸阀门设计规范

27