船闸

摘要船闸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。 船闸又称“厢船闸”,由闸室、闸首、闸门、引航道及相应设备组成。船只上行时,先将闸室泄水,待室内水位与下游水位齐平,开启下游闸门,让船只进入闸室,随即关闭下游闸门,向闸室灌水,...

船闸

船闸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

船闸又称“厢船闸”,由闸室、闸首、闸门、引航道及相应设备组成。船只上行时,先将闸室泄水,待室内水位与下游水位齐平,开启下游闸门,让船只进入闸室,随即关闭下游闸门,向闸室灌水,待闸室水面与上游水位相齐平时,打开上游闸门,船只驶出闸室,进入上游航道。下行时则相反。

船闸是利用水的浮力将船舶运送过坝,通过能力大,应用广,适用于过坝货运量大和过坝船舶尺寸较大,地形较平缓的情况。

船闸类型

(1)按船闸纵向梯级级数划分,船闸可分为单级船闸和多级船闸。单级船闸只有一个闸室,其优点是过闸时间短,船队周转快,通过能力大,便于建筑物和设备集中管理,适用于水头不大于15~20m、岩基上不大于30m的情况。当水头较高时,若仍采用单级船闸,则过闸用水量大,向闸室灌泄水时,水流流速大,不利于船队停泊,恶化输水系统的工作条件,还会使闸首、闸室及闸门的结构复杂化,这时宜将水头沿船闸纵轴线方向分成若干梯级(称水级)修成多级船闸。例如我国三峡水利枢纽中为双线5级船闸,总水头110余米。多级船闸沿纵轴线方向含有多个闸室(2个或2个以上),其水级划分应尽量使各级船闸结构统一,以便于制造、安装和管理。

(2)按枢纽中并列的闸室数目,船闸可分为单线船闸和多线船闸。前者是在一个水利枢纽中只建一座船闸即只有一条通航线路,实际工程中大多如此。但当通过枢纽的货运量较大,单线船闸不能满足要求,或航道特别重要,不允许船闸因检修而停航时,则需修建双线或多线船闸。我国长江上的三峡、葛洲坝水利枢纽均采用了双线船闸。对双线船闸,二者闸室可并列,共用一个隔墙,利用一方泄水为另一方灌水,节省闸室工程量和过闸耗水量。

(3)按闸室结构型式不同,船闸可分为广厢式船闸、具有中间闸首的船闸、井式船闸和省水船闸等。

1)广厢式船闸。闸首口门宽度小于闸室宽度,这样闸门尺寸可小些,启闭机容量较小,节省造价。但船队进出闸室需有横向移动,操作复杂,过闸时间延长,多用于以通过小型船队(舶)为主的小型船闸。广厢式船闸有对称式和反对称式两种型式。

2)具有中间闸首的船闸。它是在上下闸首之间的闸室中增设一个中间闸首,将闸室分为两个部分。当过闸船舶少时,只用上、中闸首和前闸室,而后闸室作为下游引航道的一部分,可节省过闸用水量和过闸时间,当过闸船舶多时,应用上、下闸首,不用中闸首,将前后闸室作为一个闸室使用。这种型式船闸适用于过闸船舶的数目在年内分配不均的情况。

3)井式船闸是在下闸首工作闸门顶以上建胸墙,以挡上部水,胸墙下留有过闸船舶所需的净空高度(最大设计船舶在下游最高通航水位时进出闸室需要的高度)。闸门宜采用平面直升式。这种型式船闸多用于水头较高又地基较好的单级船闸。

4)省水船闸。它是在闸室的一侧或二侧设蓄水池,蓄水池与闸室用输水廊道连通,闸室泄水时,闸室中的部分水量逐级泄入各个蓄水池暂存,待闸室灌水时,又将其灌入闸室重新利用,从而节省过闸用水量。蓄水池数目越多,面积越大,可节省的水量也越多。为使水流在闸室与蓄水池之间都能自流,闸室水面与相应级蓄水池水面之间,应有一定高差。这种型式船闸多用于水源不足,过闸耗水量受到限制的情况,尤其是在需抽水补水的运河越岭河段上。

船闸结构缝

船闸在各部分结构物之间,结构长度太大处或工作条件、外形、重量有较大差别处,均应设沉降缝,温度缝一般与沉降缝结合布置,间距为10~25m,并应尽量采用相同的分段长度。

船闸总体布置

船闸在枢纽中的布置应满足枢纽总体规划要求。在平面上,船闸纵轴线一般与坝轴线垂直,并将闸室布置于坝体下游;船闸宜临岸布置,不宜设在溢流坝、泄水闸、电站等两过水建筑物之间,与过水建筑物相邻时,必须设置足够长度的分水墙;上下游引航道口门区应尽量布置在不易淤积的部位,使引航道与主航道平顺连接。

船闸由闸室、闸首和引航道三个基本部分组成。位于上游端的闸首和引航道称为上闸首和上游引航道;位于下游端的称下闸首和下游引航道。

船闸结构型式

1.闸室

闸室的基本尺寸包括闸室有效长度、有效宽度和船闸门槛处水深。

闸室一般采用直立式的,由侧墙和底板构成,两侧闸室墙面垂直或接近垂直,闸室横断面基本呈矩形。按底板与两侧闸室墙连接方式不同,闸室有整体式和分离式两种型式。前者通常采用钢筋混凝土坞式和悬臂式结构,闸室底板与闸室墙刚性连接为一体,在闸室底板中间设分缝和止水。为了增大闸室过水断面,改善船队的泊稳条件,闸室底板厚度可由闸墙处向闸室中央处逐渐减薄。这种型式适用于闸室墙高度与闸室宽度比值较大(尤其≥0.6)的情况。后者闸室墙与底板分开设置,常用的闸室墙,在岩基上有重力式、衬砌式和混合式几种;在土基上有重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式等。分离式底板一般采用透水形式,常用的有砌石底板(厚0.25~0.4m)和设有排水孔的预制混凝土块底板(厚0.15~0.3m),下设反滤层,底板下每隔一定距离设横撑,以利于固定反滤层和帮助闸室墙维持抗滑稳定。

2.闸首

(1)闸首段长度。闸首沿纵向主要由门前段、门龛段、门后支持墙段三部分组成。门前段长度主要取决于检修闸门尺寸、门槽构造及检修要求,门龛段长度主要根据工作闸门的型式与尺寸确定,门后支持墙段长度主要取决于输水廊道布置、结构稳定及强度要求。

(2)闸首结构形式。闸首横断面由边墩和底板组成,也有整体式和分离式两种型式。前者边墩与底板刚性联结在一起,多建于土基、较差或具有软弱夹层的岩基上;后者在边墩与底板之间设缝,适用于建在较好的岩基上。边墩一般采用重力式、空箱式等,岩基上也可采用衬砌式。边墩厚度与门龛深度、输水廊道宽度、廊道转弯处弯曲半径、阀门尺寸及顶部启闭机布置等有关。对短廊道输水系统,边墩底部厚度应不小于输水廊道宽的3倍,门槽段最薄断面处也应不小于2.5倍廊道宽度。边墩顶部宽度取决于启闭机械布置和交通要求。闸首总宽度等于闸首口门宽度和两侧边墩厚度之和。

3.引航道

(1)引航道平面布置型式。引航道的平面布置型式一般应考虑船闸级别、线数、设计船型与船队、通过能力、地形、地质、水流、泥沙、上下游引航道情况等因素确定。常见的有反对称型、对称型和不对称型三种。

(2)引航道长度。引航道一般由直线段和过渡段(可与制动段合用)组成。直线段应布置成与船闸纵轴线平行,具体又由导航段、调顺段、停泊段三段组成。

(3)引航道宽度。引航道宽度应满足设计最大船队(舶)有航行偏差时错船所需的宽度,单线船闸引航道宽度B0应满足下式要求。

(4)引航道内最小水深H0(即在设计最低通航水位时,引航道底宽内的最小水深)应满足:

对Ⅰ、Ⅱ级船闸应H0≥1.5T。

引航道横断面一般为梯形,边坡依土质情况确定,通常取1∶2~1∶3。

船闸工作原理

当船舶从下游驶向上游时,其过闸程序:①关闭上、下游闸门及上游输水阀门;②开启下游输水阀门,将闸室内的水位泄放到与下游水位相齐平;③开启下游闸门,船舶从下游引航道驶向闸室内;④关闭下游闸门及下游输水阀门;⑤打开上游输水阀门向闸室充水,直到闸室内水位与上游水位相齐平;⑥最后将上游闸门打开,船舶即可驶出闸室,进入上游引航道。

船舶从上游驶向下游时,其过闸程序与此相反。

船闸防渗布置

采用透水底板的闸首和闸室,防渗所需的地下轮廓线长度是一空间问题,宜由渗流试验确定。在一般工程中,可将渗流计算简化为平面问题,近似采用流网法、改进的阻力系数法或直线法等计算,渗径不足时需采取防渗措施。船闸的防渗布置通常为:上闸首上游面按枢纽统一的防渗要求设计;闸室和下闸首的防渗措施,在软基上,一般采用铺盖、底板、齿墙或截水墙,防渗线一般布置在底部近闸室的前沿,并与上闸首的防渗设施相连,构成整体防渗系统。

船闸排水布置

对于水库蓄水位以下的闸墙墙后填土,应设置排水明沟或暗管(尤其是整体式闸室);对衬砌式闸室,在闸墙的底部及背部与岩石的接触面上,及闸墙的分缝处,应分别布置竖向及水平向排水管,管径不小于0.25~0.3m;对单级船闸,排水设施可布置在下游最高水位以上1~1.5m处;对多级船闸,各中间闸室排水设施的设置高程,应稍高于下一级闸室的高水位,排水设施向下游倾斜的坡度为1/200~1/500。排水暗管周围应设置反滤层,并应能便于检查与维修。

船闸过闸程序

当上行船队(舶)过闸时,开启下游输水系统使闸室水位泄至与下游水位齐平,打开下闸首闸门,船队(舶)驶入闸室,随即关闭下闸首闸门;然后开启上游输水系统向闸室内灌水至与上游水位齐平,打开上闸首闸门,船队(舶)驶出闸室。这时如有下行船队(舶)等待过闸时,待上行船队出闸后即可驶入闸室,随即关闭上闸首闸门,再由下游输水系统泄水至与下游水位齐平时,打开下闸首闸门,船队驶出闸室。上述程序运作时,一般由设在闸首边墩上的中心控制室集中管理,由电气闭塞装置远距离操纵工作闸门和输水阀门,令其启闭。

船闸输水系统的主要形式

船闸输水系统的形式较多,概括起来可归纳为两大类,即集中输水系统和分散输水系统。

(1)集中输水系统。集中输水系统,也称头部输水系统,是将输水系统的设备集中布置在闸首范围内,灌水时,水经上闸首由闸室的上游端集中流入闸室,泄水时,水从闸室的下游端经下闸首泄入引航道。

(2)分散输水系统。分散输水系统,也称长廊道输水系统,是将输水系统的设备分散布置在闸首及闸室内,通过纵向输水廊道上的出水孔灌泄水。

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