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1、三峡工程双线五级船闸设计钮新强,童迪,宋维邦(长江水利委员会长江勘测规划设计院,武汉,430010)【摘要】简要介绍了三峡双线五级船闸总体设计及总体布置,高水头船闸的输水技术, 全衬砌船闸结构的关键技术问题,大型人字门及启闭设备和复杂运行条件下的监控技 术。船闸自2003年投入运行,运行实践证明,设计采用的技术先进、合理、可靠。三 峡船闸的设计建设,发展了船闸工程的设计理论与实践,使世界船闸工程技术达到了 新水平。【关键词】三峡工程;双线五级;船闸设计【中图分类号】TV61【文献标识码】A【文章编号】1009-1742(2001)07-0085-061、刖言长江是我国第一大河。按照规划,长江
2、为I级航道,常年通航,年运量约占全国内 河总运量的80%。在三峡工程修建以前,上 游从宜昌至重庆长约660km河道,险滩众多, 水流条件复杂,最大只能通航由800t至 1000t驳船组成的3000t级船队,航道年单 向通过能力仅约1000万t。三峡工程建成 后,上游库区航道,通航条件得到根本改善, 万吨级船队每年约有一半时间,可以从下游 直达九龙坡港;大坝下游航道,通过枢纽流 量调节,枯水期航道的通航条件,得到了显 著改善,长江中、上游航道的通过能力,年 单向可提高到5000万t。三峡船闸主要建筑物的等级为I级,设 计总水头113m,最大通航流量56700m3/s, 设计水平年2030年的规划
3、通过坝址的货运 量,年单向达到5000万t。船闸采用双线五 级连续布置,闸室输水的最大工作水头 45.2m.闸室有效尺寸按照通过万吨级船队 设计,为280mX34mX5m (长X宽X槛上最 小水深)。船闸在坝址左岸深切开挖的岩槽 中修建,开挖边坡的最大高度170m,闸首和 闸室全部采用衬砌式结构。三峡双线五级船 闸是目刖世界上在满足船闸上、下游通航条 件、解决闸室快速安全输水和解决船闸结构 技术方面难度特大的大型船闸。2、船闸总体设计三峡船闸总体设计,主要针对影响三峡 水利枢纽和船闸的整体效益、船闸技术的可 行性和先进性,以及工程量造价等,带全局 性的重大技术问题进行研究和决策。针对枢 纽坝址
4、复杂的水流、泥沙条件、船闸113m 的总设计水头和主体结构在深挖岩槽中修 建的特点,在船闸设计的总体上进行设计研 究,解决以下主要问题。2.1多沙河流上船闸的工程布置三峡枢纽的坝址,出于接近直角的急弯 河段,船闸线路在上、下游与长江主流之间, 大角度相交,在引航道口门区形成大于通航 标准的横向流速,不能满足船舶安全进出引 航道口门的要求;在汛期,长江水流中大量 含沙,工程运行一定年限后,泥沙淤积将改 变航道的通航尺度和水流条件,导致引航道 口门区要求的通航水流条件不能得到保证。船闸线路的位置,通过大范围、多方案 比较研究,确定采用位于坝址左岸制高点坛 子岭左侧的线路。通过在上、下游引航道右 侧
5、,修建隔流堤,优选引航道口门的位置, 调整引航道口门轴线与主河道水流之间的 夹角,使引航道口门区的水流条件能长期满 足通航要求。对泥沙淤积爱行问题,在汛期利用溢流 坝泄洪,以大流量排沙,减少引航道泥沙淤 积。在不考虑枢纽上游修建坝的条件下,大 量模型试验表明,船闸引航道在工程运行几 十、乃至上百年后,泥沙淤积才有可能碍航, 泥沙淤积的部位主要在引航道口门以外,在 三峡工程下游的葛洲坝枢纽船闸引航道上, 已被成功运用的“动水冲沙”措施,在三峡 船闸上,不可能取得显著效果;对三峡工程 至远期才有可能发生的泥沙淤积碍航问题, 经过了研究分析,确定采用以机械清淤为主 和将临时船闸改建为冲沙闸,在汛末降
6、低下 游水位,进行小流量冲沙为辅,并在三峡船 闸的右侧,预留了在需要时可以加建冲沙隧 洞,以增加冲沙流量的条件可能性,保证率 三峡船闸直至水库泥沙淤积平衡以后,船闸 引航道仍能保持通航尺度的要求。2.2超高水头船闸的输水方式三峡船闸113m总设计水头的输水方式, 关系到船闸在枢纽中的布置,解决船闸水力 学问题的难度和运行管理的条件、通过能 力、工程量和造价,以及船闸工程的可行性 和技术的先进性。首先考虑的问题是必须对 船闸的总设计水头进行合理分级,三峡船闸 先后研究了三级船闸分开布置、四级和五级 船闸连续布置,以及连续布置的三级省水船 闸等多种方案。对船闸总水头的分级主要考 虑了坝址的地形、地
7、质条件和船闸上、下游 水位组合等,并考虑了当前船闸输水技术的 水平,按分级水头明显高于已建的世界上高 水头船闸。但通过努力,在技术上确有一定 把握的远策,采用将总设计水头等分为五 级,两线船闸并列连续五级布置,在中间级 的最大工作水头为45.2m时,船闸最大一次 充、泄水水体为23.7万m,充、泄水时间 控制在12min以内的分级方式。通过自主创 新,将输水系统与闸墙结构分开布置,采用 以增加阀门顶部淹没水深为基本的技术措 施,结合引用其他高水头船闸先进的输水技 术,解决了三峡船闸超高水头的输水问题。 2.3岩石地基上的船闸的结构形式按照选定的船闸线路,闸槽需在山体深 切开挖形成,船闸结构采用
8、不同的形式,对 工程造价有显著的影响。船闸结构按常规采 用分离重力式或整体式,在技术上相对比较 简单,也有丰富的经验,但岩石开挖和混凝 土浇筑的工程量大、造价高。三峡船闸基岩 为闪云斜长花岗岩,比较完整,湿抗压强度 高,具备承受荷载的能力,但必须保证岩体 与闸墙间能联合受力和控制岩坡变形,需要 解决的技术难度大。经研究,通过对岩体采 用加固支护、边坡表面封闭、地下水疏排和 开挖爆破控制等综合技术以及研究衬砌闸 墙与岩体联合受力的机理,采取保证闸墙与 墙后岩体可靠联合工作和控制变形的工程 技术措施,三峡船闸决定将闸首和闸室墙全 部采用衬砌式结构,形成了新颖的“全衬砌 式船闸”。通过两线船闸采用全
9、衬砌式结构 并列连续五级布置,船闸的线路与枢纽其他 工程和施工总布置的矛盾较小,船闸运行管 理集中、方便,为工程明显地节省了工程量 和投资,提升了船闸结构的技术水平,并为 在河道上游基岩坝址修建船闸中采用全衬 砌式结构提供了技术经验。3、船闸总体布置3.1线路选择及其布置三峡船闸先后在左岸研究了 I至IV线4 条线路,4条线路的主体结构,均位于山体 深切开挖的岩槽中。经比较,最后选用的IV 线,引航道口门轴线与主河道水流之间的夹 角较小,线路更平顺,比其他线路,能更好 地适应水库淤积平衡后口门区的水流条件。选定线路主体结构直线段长度1621m. 船闸线路总长6442m。上游引航道中心线由 一闸
10、首上游面往上为930m直线段,接半径 为1000m,圆心角42的弯段,再接450m 长直线段,至上游隔流堤头,引航道全长 2113m,正常段底宽180m,航道底高程130m。 上游引航道口门以上,为530m长的口门区, 口门底宽220m,往上游再接半径为1200m, 圆心角为28的弯段后,用切线与库区航线 相接。上游引航道右侧,布置有长2680m的 隔流堤。下游引航道中心线从六闸首下游面往 下为930m的直线段,接半径为1000m,圆心 角54的弯段,再接850m的直线段,至下 游隔流堤头,引航道全长2708m,正常段底 宽180m,航道底高程56.50m。下游引航道 口门以下,为530m长的
11、口门区,口门宽度200m,往上游再接半径1000m、圆心角为10布置有长3550m的隔流堤。三峡船闸总体布的弯段后与主河道连接。下游引航道右侧,置图见图1.图1三蛛胡闸总悼布置图Hg. 1cf Three邙株 skip - kick3.2建筑物及设备布置三峡双线船闸每线船闸由上下游引航 道及其导航、靠船建筑物及主体结构段的6 个闸首,5个闸室组成。3.2.1主要建筑物布置三峡双线船闸的主体建筑物,深切挖的 闸槽中布置,均为分离衬砌式结构。在双线 船闸之间,保留有底宽为57m的岩体隔墩。 一闸首闸顶高程185.00m,二、三、四闸首 闸顶高程分别为179.00m、160.00m、 139.00m
12、,五闸首闸顶高程为116.67m。一至五闸室结构段长分别为265、 263.5、265.5、265.5、254.2m。墙顶高程 分别为 179.00、160.00、139.00、116.67、 96.62m。分别在南北边坡及中隔墩岩体内,布置 输水主廊道。上游正向金水箱涵对称船闸中 心线布置在引航道底部,输水系统的泄水, 为两条横穿隔流堤的泄水箱涵,将闸室水体 直接泄入长江,并在六闸首闸墙内布置辅助 泄水廊道。每条输水廊道设有6组阀门井, 门井均在岩体内开挖,钢筋混凝土衬砌形 成。3.2.2金属结构及启闭设备三峡船闸自上游至下游依次布置一闸 首事故检修门及其桥式启闭机,一至六闸室 人字门及其液
13、压启闭机,六闸首下游浮式检 修门;人字门高度37.5-38.5m,单扇闸门的 宽度20.2m,一闸首人字门的最大淹没水深 35m。输水系统依次布置有进水口拦污栅、 各级输水反弧门及液压启闭机、输水反弧门 的上下游检修闸门、六闸首辅助泄水廊道工 作阀门及启闭机和上游检修闸门;输水反弧 门孔口尺寸,一、六闸首为4.5mX5.5m(宽 X高),二至五闸首为4.2m X 4.5m(宽X高)。 人字门采用卧缸液压启闭机启闭,输水反弧 门采用竖缸液压启闭机启闭,两套设备共用 一套液压系统。3.2.3电气设备每线船闸各设置1套监控系统,监控系 统由现地控制层和集中监控层组成。集中监 控层由集中控制装置、通航
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