论文总字数：63613字

摘 要

桃源水电站是沅水规划梯级的第14级，上距凌津滩水电站约38km，下距常德市约35km。桃源水利枢纽工程作为沅水梯度开发的重要一站，无论是从对自然资源的利用和开发角度，还是从造福当地百姓角度而言，都具有重要意义。本设计在了解掌握桃源水利枢纽的自然环境地理条件下完成对桃源水利枢纽工程中的船闸设计。设计过程中充分考虑桃源坝址地理，水文等多种因素，充分运用土力学、水力学、渠化工程学等相关课程内容，分析船闸建设的必要性和可行性；进行船闸的总体布置与各部分有效尺度；选定各部分的结构型式；拟定输水系统的型式。并进行水力计算；对导航、靠船建筑物和其他附属设备进行选择；进行详细的结构设计，包括内力计算配筋等；计算工程主要部分结构的工程量；环境评价等。

关键词：水力计算、船闸设计、结构选型

ABSTRACT

Taoyuan Hydropower Station is the 14th level of Yuanshui planning cascade. Taoyuan Water Conservancy Project, as an important station for gradient development of Yuanshui River, is of great significance not only in terms of utilization and development of natural resources, but also in terms of benefiting local people. This design is to complete the lock design of Taoyuan Hydro-junction Project under the condition of understanding and mastering the natural environment and geography of Taoyuan Hydro-junction. In the process of design, the geographic and hydrological factors of Taoyuan dam site are fully taken into account, and the relevant courses such as soil mechanics, hydraulics and channeling engineering are fully used to analyze the necessity and feasibility of ship lock construction; the overall layout of ship lock and the effective dimensions of each part are carried out; the structural types of each part are selected; and the type of water conveyance system is worked out. Hydraulic calculation is carried out; navigation, docking buildings and other ancillary equipment are selected; detailed structural design is carried out, including internal force calculation and reinforcement, calculation of engineering quantity of main parts of the structure, environmental assessment, etc.

Key words: hydraulic calculation, lock design, structure selection

目 录

第一章 概述 1

1.1 工程地理位置 1

1.2 工程兴建缘由 1

1.3 基本设计资料 2

第二章 船闸的总体设计 8

2.1 船闸基本尺度 8

2.2船闸各部分高程 9

2.3引航道设计 11

2.4船闸的通过能力计算 15

2.5船闸耗水量计算 20

第三章 船闸输水系统设计 22

3.1 输水系统选型 22

3.2输水系统布置 23

3.3输水系统水力计算 25

3.4闸室停泊条件校核 34

第四章 船闸结构选型及尺度 40

4.1 闸门、阀门选择 40

4.2 闸首结构选型及布置 40

4.3 闸室结构布置与构造 41

第五章 闸室结构计算 43

5.1 计算情况 43

5.2 作用荷载及荷载组合 44

5.3 相关数值的确定 44

5.4 荷载计算及相关校核 46

5.5 闸室结构配筋计算 74

第六章 船闸辅助设施及布置 86

6.1 系船设备和检修设施 86

6.2 安全、防护和救助设施 87

6.3 信号和标志 88

6.4 通讯、导航和管理控制系统 88

6.5 闸区房屋和道路 88

第一章 概述

1.1 工程地理位置

桃源水电站为低水头径流式水电站，位于湖南省常德市桃源县城附近的沅水干流上，是沅水干流最末段一个水电开发梯级。电站初拟水库正常蓄水位为39.50m，利用河段落差约7.50m，总装机容量为180MW，采用9台单机容量20MW的贯流式机组，电站多年平均年发电量7.93亿kW·h，装机年利用小时数4404h。桃源水电站上游距凌津滩水电站大约38km，下游距桃源县延溪河口约为1.6km，坝址紧临桃源县城，左、右岸分别为桃源县漳江垸和浔阳垸。坝址距离常德、长沙公路里程分别约为31km和216km。

1.2 工程兴建缘由

沅水流域规划始于上世纪50年代，中南勘测设计研究院(以下简称中南院)受有关单位委托，先后编制完成了诸多报告，并且通过了相关部门的审查。沅水下游凌津滩～桃源河段河道长度约40km，两岸为低山丘陵地区，河势基本顺直，落差约7.5m，平均坡降0.185‰，具备梯级开发条件。但受当时桃源河段两岸堤防标准低的影响，以及受当时低水头贯流机组制造水平限制，上述沅水规划凌津滩坝址以下河段均未规划水电开发梯级。

1998年洪水后，桃源县城堤防标准提高到20年一遇。与此同时，我国不断自行发展设计、制造超低水头灯泡贯流式机组的相关技术，目前为止已经制造出世界一流水平的最大直径达到8.0m转轮直径的机组，与此同时最小也可以制造出1.0m的发电水头。这些因素为凌津滩以下河段开发低水头径流式水电站创造了有利条件。同时，根据湖南省能源资源的特点和目前社会经济的快速发展，能源紧缺的矛盾将日益突出的形势，以及优化湖南省能源结构和节能减排的需要，沅水凌津滩以下河段水力资源的开发和利用价值凸显。

1.3 基本设计资料

1.3.1 流域概况

沅水流域跨湘、黔、渝、鄂四省市，干流分南北两源，南源为主流。其中半数以上的流域面积在湖南省境内，占到了整个沅水流域的60%左右，与此同时，贵州省占比33.5%，重庆市占比5%，湖北省占比最少。沅水整个干流总长度大约为1028km，落差之和甚至达到1033m，其中在湖南省境内的干流长度较长，能够达到568km，与此同时落差之和为187m左右。

沅水流过的地区地势由西南向东北倾斜，山地面积较多。干流洪江以上为上游，多为高山峻岭，海拔1000m左右，河谷深切，岸坡陡峻，河宽50m～150m，平均比降1.61‰。中游总长约388km，大多为丘陵地形，河宽比较宽，平均比降为0.34‰；下游地区总长约92km，平均比降0.152‰，河宽最大可达1400m，此地区为低矮丘陵区，特点是河谷开阔，呈阶梯发育，桃源位于该地段，地势低洼，属于滨湖冲积平原地貌。

1.3.2 气象

桃源县多年前就建有气象站及水文站，气象数据水文数据丰富。故我们所用数据均采用桃源县气象站及水文站所采集数据，详细数据见表1-1。

表1-1 桃源水利枢纽气象水文数据

1.3.3 水文

对桃源水电站年最大流量数据进行各月发生频次分析，发现以下规律：5～7月数据约占总数的86.3%，6～7月数据约占总数的66.7%，并且在此两个月内发生了本年度所有的洪峰流量大于25000m³/s的大型洪水，详细数据见表1-2。

表1-2 桃源坝址设计洪水成果表单位：m³/s

1.3.4 泥沙

本阶段收集整理分析了桃源水文站1951～2003年悬移质泥沙测验资料，1974年、1994年凤滩水库、五强溪水库分别下闸蓄水，因此桃源站1995～2003年代表五强溪建库后情形，1974～1994年代表凤滩建库后、五强溪建库前情形，1951～1973年基本代表凤滩建库前的天然状态。

统计桃源站水文站1951年到2003年悬移质泥沙测验资料，上游梯级对桃源站悬移质泥沙输沙量、含沙量影响较大。1951～1973年桃源站多年平均含沙量、输沙率分别为0.236kg/m³、491kg/s，1995～2003年桃源站多年平均含沙量、输沙率分别为0.062kg/m³、138kg/s。坝址悬移质泥沙颗粒级配采用桃源站1965~2007年资料分析计算。

1.3.5 工程地质

1.3.5.1区域地质

坝址水文地质条件总体较简单，无可溶性岩层出露，平原型河谷地下水位埋深浅。地下水主要有砾岩、砂岩、砂质泥岩、粉砂岩中的基岩裂隙水和第四系松散层中的承压水、孔隙潜水，局部尚有上层滞水。

水样水质分析结果表明：上下坝址沅水河水对混凝土无腐蚀，但水溪、甘潭支流水样均存在对混凝土的溶出型中等腐蚀，水溪水样尚有一般酸性型弱腐蚀。

1.3.5.2地震概况

通过区域、近场区断裂活动分析，场地地震安全性和区域构造稳定性评价的主要结论如下：

（1）工程区位于鄂黔台向斜和江南台背斜相接处，南北夹于雪峰、武陵两大新华夏系复式背斜之间，属常（德）桃（源）断陷盆地构造稳定地块。

（2）工程近场区30km内无活动性断裂，坝址区发育的浔阳坪断裂，无历史地震记录与活动迹象，工程区属地震活动微弱的稳定区。

1.3.6 水位

根据近期发展情况选取桃源水电站正常蓄水位为39.50m，选择桃源水电站死水位为39.30m，详细数据见表1-3。

表1-3 桃源水电站通航特征参数表

1.3.7 岩石（体）物理力学特征

1.3.7.1 岩石物理特性指标

岩石物理特性指标详见表1-4。

表1-4 岩石物理性质指标试验标准值与地质建议值

1.3.7.2 岩石饱和抗压强度及承载力

岩石饱和抗压强度及承载力详见表1-5。

表1-5 岩石（体）力学参数试验平均值与建议值

1.3.7.3抗剪（断）强度参数

抗剪（断）强度参数详见表1-6。

表1-6 岩石（体）及结构面抗剪（断）强度

1.3.7.4覆盖层参数

（1）坝址左右岸阶地及江心洲上部细粒土层：承载力0.18MPa，与建筑物摩擦系数0.25~0.40，天然干密度1.55 g/cm³～1.65g/cm³，比重2.60～2.65。

下部砂卵砾石层：承载力0.45MPa，与建筑物摩擦系数0.50~0.55，干密度2.20g/cm³。

（2）河床遍布砂卵砾石层相关地质参数建议值：

承载力0.40MPa，与建筑物摩擦系数0.50，干密度2.10g/cm³。

（3）上部细粒土层发生流土破坏的允许水力坡降为0.55。对于管涌型不连续级配砂卵砾石取其渗透变形允许水力坡降为0.10～0.20。

（4）河床覆盖层砂卵砾石渗透系数k＝50 m/d～120m/d；左右岸阶地及双洲二元结构下部砂卵砾石渗透系数k＝40 m/d～60m/d；左右岸阶地及双洲二元结构上部细粒土层渗透系数k＝0.5 m/d～3.0m/d。

1.3.8 通航标准及条件

根据《湖南省内河航运发展规划》及《沅水桃源水电站通航技术要求论证报告》，沅水常德以上河段为四级航道，通航建筑物船闸为Ⅲ级，近期最大通航流量为10000m³/s，远期最大通航流量按洪水重现期10年一遇设计。

桃源水电站坝址河段为Ⅳ级航道，但考虑到沅水流域已建梯级通航建筑物现状、区间客货源分布、近期实际货运量以及本工程枢纽通航建筑物具备较好的改造条件等因素，桃源水电站通航建筑物拟采用按远期规划。

桃源水电站通航建筑物采用Ⅲ级船闸，相应水工建筑物级别为：主要建筑物为Ⅲ级，次要建筑物为Ⅳ级。船闸年货运量设计年货运量为250万t（其中下行200万t）。设计船队方案：1000t驳船。

1.3.8.1 过坝运量预测

根据对运量的流量流向的预测，计算出枢纽的过坝运量预测表见表1-7。

表1-7 设计水平年过坝运量预测表 单位：万t

1.3.8.2 船型及船队规划

近远期主要发展船型及船队规划见表1-8、表1-9。

表1-8 主要发展船型表

表1-9 典型船队表

第二章 船闸的总体设计

2.1 船闸基本尺度

2.1.1

：

式中：—— ； 

     ——；

——。

；

取闸室的长度。

2.1.2 闸室有效宽度：

可按以下式计算，取8、12、18（或16m）、20、23、32m；

式中：——； 

——的宽度；

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