(1.重庆交通大学 河海学院，重庆 400074； 2.重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016)

船闸是克服集中水位落差的重要通航建筑物，在中等水头(10 m左右)中常采用闸墙廊道输水型式[1-2]。为了使闸室水流分布均匀，船闸闸墙廊道通常对称布置于闸室两侧[3-4]，而目前学术界对于单侧闸墙主廊道输水系统的研究较少。美国是采用此类船闸输水系统最多的国家，均采用侧向出水孔、明沟消能的型式，水头均小于15 m[5]。我国在2003年建成了首座使用单侧闸墙主廊道闸底横支廊道输水系统的桂林春天湖船闸[6]，但其水头较低(4.55 m)，闸室尺寸小(18 m×9 m×0.75 m, 长×宽×门槛水深，下同)，且仅用单只阀门控制输水，在阀门检修时需停航，不能保证船闸的正常运行。南京水利科学研究院对长洲三、四线并列船闸单侧闸墙长廊道输水系统布置型式进行了研究，在三、四线船闸之间布置了两根闸墙长廊道，可通过开启连通廊道的阀门来实现双线船闸相互灌泄水，该研究为单侧闸墙廊道输水系统设计提供了良好的借鉴[7]。

草街航电枢纽工程位于重庆市合川区草街镇，是嘉陵江上规模最大的航电枢纽，已建的一线船闸位于嘉陵江左岸，规划的二线船闸紧邻左侧的已建渝合高速公路和右侧的一线船闸布置，如按常规的两侧闸墙廊道方式布置二线船闸，不仅会引起渝合高速公路改道，而且会大范围开挖山体，使得二线船闸的建设费用大幅度增加。因此，草街二线船闸宜采用单侧闸墙廊道输水布置型式。新建草街二线船闸闸室有效尺寸为180 m×23 m×3.5 m，上游最高通航水位203.0 m，下游最低通航水位176.3 m，最大水头26.7 m[8]。草街二线船闸进、出水口及阀门段布置为两独立的输水廊道，闸室段为单一廊道，其间通过岔管相连，可实现两只阀门独立运行，与长洲三、四线船闸廊道布置型式不同。由于本文研究的输水系统布置型式新颖，加之草街船闸水头大，水力指标要求高，技术难度大，因此，对草街高水头单侧闸墙主廊道闸底横支廊道输水系统布置和水力学特性展开研究，对保障草街二线船闸工程的顺利实施，促进船闸技术发展，为类似工程提供借鉴，均具有十分重要的意义。

1 草街二线船闸输水系统布置

根据地形、地质条件，结合闸室尺度、运行水头、输水时间等因素，二线船闸采用单侧闸墙主廊道闸底横支廊道输水系统，布置于右侧闸墙底部。为了保证阀门检修时船闸能正常运行，将进、出水口及阀输水系统门段布置为两独立的输水廊道，闸室段为单一廊道。

两进水口垂直布置于上游右导墙，在上闸首末端，两廊道通过岔管汇合成单一主廊道，沿闸室边墙延伸至下闸首，再通过岔管分成两独立廊道，两出口垂直布置于下闸首导墙上。闸室段闸底横支廊道与主廊道通过不同半径的圆弧相连。输水系统整体布置见图1。

1.1 进水口布置

船闸上游右导墙左、右两侧各垂直布置6个进水支孔，支孔尺寸为2.2 m×4.4 m(宽×高，下同)，总面积116.16 m2。进水口顶部高程188.25 m，最小淹没水深3.55 m。

1.2 充水阀门和充水阀门廊道段布置

工作阀门尺寸为3.0 m×4.4 m，总面积26.4 m2。为减小阀门段的负压，门后输水廊道采用更适合于高水头船闸的上、下突扩体型[9-11]，尺寸为3.0 m×11.0 m，阀门底高程为163.8 m，廊道顶部的最小淹没深度为4.5 m。充水阀门段廊道与上游进水口廊道通过鹅颈管连接，两廊道经工作阀门、突扩体后，在下检修阀门后通过岔管(见图2)汇合为单一廊道。

1.3 闸墙主廊道布置和闸室横支廊道布置

闸墙单一主廊道尺寸为5.0 m×6.0 m，面积30.0 m2。闸室段(长140 m，占船闸有效长度的78%)布置7根锥形变断面的横支廊道，横支廊道高度保持在2.2 m不变，进口宽度为2.2 m，末端宽度1.0 m；各横支廊道两侧各布置10个出水面积相等的支孔，出水支孔尺寸为0.34 m×0.70 m。各进、出口均采用半径为0.3 m圆弧连接。横支廊道与闸墙主廊道经圆弧相连，各横支廊道的进口流量分配通过不同的圆弧半径来控 制，自上游起横支廊道进口圆弧半径依次为1.5，1.5，1.0，1.0，0.5，0.5 m和0.5 m。

横支廊道两侧设置双明沟消能工，明沟宽度3.35 m，挡槛高度为3.2 m。在正对出水孔的第一道明沟消力槛上开孔，每道消力墙出水孔(10个)尺寸为0.4 m×0.6 m(宽×高)。闸室内横支廊道及支孔布置见图3。

1.4 出水口布置

左侧一支泄水廊道在突扩廊道体后水平转弯至下闸首出水口，采用一支横支廊道、双明沟消能布置型式。横支廊道采用锥形变断面布置，进水首端断面尺寸为6.0 m×5.0 m，末端为3.0 m×5.0 m。为使出流均匀，出口设分流导墙，导墙的起点略偏向弯段外侧。横支廊道设20个侧向出水孔，各出水支孔尺寸为0.7 m×2.0 m。

右侧一支泄水廊道在突扩廊道后通过与旁侧泄水廊道相连接，分3支孔泄入河道，旁侧泄水廊道支孔尺寸为5.0 m×1.5 m，泄水口外设消力池消能。

2 物理模型试验

根据重力相似准则，建立了比尺为1∶40的局部物理模型，模拟范围包括闸室段纵向廊道及横支廊道、上游进水口和阀门等，对各横支廊道进口分流比进行了研究，并对横支廊道进口圆弧半径进行优化。

同时，本试验还建立了比尺为1∶25的船闸整体输水系统模型试验，在船闸上、下游水位组合为203.0～176.3 m情况下，拟定了阀门双边开启时间tv=3,5 min和8 min、单边阀门tv=8 min连续开启、8 min间歇开启等多种工况，进行了闸室充、泄水非恒定流和恒定流试验研究。

图1 草街二线船闸单侧闸墙廊道输水系统布置(单位：m)Fig.1 Arrangement of water filling and emptying system with a unilateral long culvert in lock wall for Caojie second-line ship lock

图3 草街二线船闸闸室横支廊道及支孔布置(单位：m)Fig.3 Arrangement of lateral manifolds and orifices in chamber for Caojie second-line ship lock

图2 岔管布置(单位：m)Fig.2 Arrangement of bifurcated pipe

2.1 局部物理模型试验成果

闸室水流的均匀程度与各横廊道的布置密切相关。本次试验实测了不同流量级各横支廊道进口流速分布，进而研究各支廊道的流量分配规律，横支廊道进口流量分配如图4～5所示。图中qi(i=1,2,3…,7)为自上游至下游横支廊道进水支管流量。

从图4可以看出，在原设计的支管进口圆弧半径布置情况下，当充水流量Q=38.0～230.7 m3/s时(原型，下同)，q1(上游第1支廊道流量)与各支廊道流量差的最大百分比在15%～19%之间；当充水流量Q=323.8 m3/s时，q1与q4差值的最大百分比高达24%，与其余各支廊道流量的百分比也达10%以上，支孔间流量分配不均匀，因此需要对横支廊道的布置进行优化。

图4 横支廊道进口流量分配规律(原设计方案)Fig.4 Flow distribution of all the lateral manifolds inlets (original layout scheme)

考虑廊道内水流惯性的影响，在保持横支廊道进口面积不变的情况下，调整进口圆弧半径，调整后横支廊道进口半径分别为第1、2根R上=3.0 m，R下=2.0 m，第3～5根R上=2.0 m，R下=1.4 m；第6、7根R上=1.0 m，R下=0.7 m。修改后的横支廊道进口流量分配如图5所示，同样当充水流量Q=38.0～230.7 m3/s时，q1与各廊道流量差的最大百分比仅为12%，当充水流量Q=323.8 m3/s时，q1与各廊道流量差的百分比也仅在10%左右。由此可见，修改调整后的横支廊道进口圆弧半径比较合理，各支廊道的流量分布较为均匀。

2.2 整体物理模型试验结果

2.2.1输水系统水力特性

在阀门双边同步匀速开启tv=3,5,8 min情况下，实测的闸室充水时间分别为：11′30″、12′05″和13′35″；泄水时间为12′30″、12′55″和14′30″。草街二线船闸如按阀门双边tv=5～8 min速率运行时，考虑模型缩尺效应[12]，原型的泄水时间为12 min左右，基本满足通过能力要求。

阀门双边开启tv=5 min，闸室充、泄水最大流量分别为339.6m3/s和289.3 m3/s，闸室水面最大上升速度分别为6.7 cm/s和5.7 cm/s；计算闸室内惯性超高、降分别为0.44 m和0.28 m，单、双边充(泄)水时系统平均流量系数分别为0. 784，0.726(0.775，0.605)。双边阀门5 min匀速开启闸室充水水力特性曲线如图6所示。

图5 横支廊道进口流量分配规律(修改方案)Fig.5 Flow distribution of all the lateral manifolds inlets (modified layout scheme)

图6 闸室充水水力特性曲线(tv=5 min，双充)Fig.6 Filling hydraulic characteristic curves in lock chamber with double valves operation (tv=5min)

2.2.2突扩体廊道压力

试验详细观测了充、泄水输水系统廊道压力特性，实测了闸室充、泄水时，双边阀门5，8 min开启及单边阀门8 min匀速开启工况下廊道各测点压力，试验结果表明突扩体段廊道压力分布具有如下特点。

(1) 在门楣不通气的情况下，最大负压出现在阀门后突扩体廊道顶部及升坎凸弧处，对应测点的压力随阀门开启时间增大而减小，闸室泄水时廊道压力低于充水时，阀门双边开启低于单边开启。

(2) 在工作阀门后，廊道压力值沿水流方向呈先减小后增大的趋势，最低压力出现在阀门开度n=0.3～0.4时，约为2倍阀门高度的廊道顶部。

(3) 根据试验资料，以5，8 min开启双边充水阀门时，阀门后廊道各测点最低压力值仅个别点小于-3.0 mH2O，大部分测点的压力值在规范[13]允许范围内；而以5，8 min开启双边泄水阀门及以8 min开启单边充、泄水阀门时，阀门后廊道部分测点负压高达9 mH2O，图7为某特征点在门楣是否通气情况下的压力过程线(tv=5 min，双边泄水)，该特征点位于泄水阀门后4.65 m的廊道顶部。从图7中可以看出，在门楣不通气方案下，特征点的最大负压高达9 m H2O，门楣通气后，减小到2.6 mH2O，可见，采用门楣通气后，廊道负压急剧减小，满足规范中规定的负压小于3 mH2O的要求。

图7 压力过程线对比曲线(tv=5 min，双边泄水)Fig.7 Comparison of pressure with double valves operation in emptying process(tv=5 min)

2.2.3闸室船舶停泊条件

从闸室纵向流量分配来看，充水初期，闸室前部横支廊道段先出水；紧接由闸室中、后部的横支廊道出水，其出流量与前端没有明显差别；就闸室宽度方向而言，由于横支廊道采取变截面设计，因此闸室内未出现明显的横比降。

各横支廊道上沿闸室宽度的1号支孔流速均略小于末端支孔流速，闸室横向出流尚均匀；纵向的第1，3，7横支廊道对应支孔的出流流速值相差不大，闸室纵向各横支廊道的出流量较为均匀。在阀门单边充水时，闸室纵、横向流态均较双边充水时有明显改善。

在最不利水位组合工况下，试验以3，5，8 min双边开启充水阀门，分别测量了100 t单船、500 t单船和2×1 000 t船队停于闸室内上、中、下游3个位置(靠右闸墙)的系缆力，在同一船舶停放位置，针对相同船舶进行了多组次观测，并对各最大系缆力取平均值。

在各阀门开启方式下，100 t单船纵向力、前横向力、后横向力分别为4.95，1.82，1.91 kN，500 t单船为11.87，4.78，5.97 kN，2×1 000 t船队为19.46，6.56，8.26 kN，远小于规范[13]允许值，说明船闸充水时闸室纵、横向出流较为均匀，能够满足船舶安全系泊的要求。双边阀门3 min匀速开启时，500 t单船停靠于闸室中部的系缆力过程线见图8。

图8 500 t单船停靠于闸室中部的系缆力过程线(tv=3 min)Fig.8 Mooring force of a 500t boat berthing in the middle of the lock chamber(tv=3 min)

3 结 论

本文以草街二线高水头船闸为依托，对单侧闸墙主廊道、阀门体型及高程布置、闸室横支廊道各部位尺度布置，输水廊道各部位压力特性，主廊道及横支廊道各支孔的流量分配及闸室船舶停泊条件等进行了全面系统的研究，主要研究结论如下。

(1) 提出高水头单侧闸墙主廊道闸底横支廊道输水系统的合理布置型式，研究成果为草街二线船闸工程设计提供科学依据，同时，可为类似工程的设计提供借鉴。

(2) 对横支廊道进口圆弧半径与流量分配规律进行研究，提出了等面积变圆弧半径的横支廊道进口布置型式，使闸室各横支廊道进口流量更趋均匀。

(3) 在设计水位203.0～176.3 m组合工况下，船闸输水时间、廊道压力、闸室船舶停泊条件等水力学特性指标可满足规范和设计要求。