董思远 王乔 张楠 何良德

摘 要：船舶过闸方式影响船闸通过能力和用水量。本文基于一次过闸时间的灌泄水时间项分析，导出了多级船闸一次过闸用水量计算公式;基于船闸省水原理，提出了双线多级互通船闸、多级带省水池船闸省水率的计算方法。研究表明，船舶到闸量较小时，互通船闸可能只需要一线非省水运行，单级互通船闸省水率小于50%。多级船闸应分别计算闸室水头分担率、互灌互泄或带省水池的闸室耗水率、运行方式影响系数，三者乘积为船闸耗水率，最终可得船闸省水率。

关键词：多级船闸;一次过闸用水量;省水池;互灌互泄;省水率

1引言

采用低坝渠化、双线互通船闸、带省水池船闸、多级船闸以及带中间闸门等型式或措施，可以节省船闸运行时的用水量。德国内卡河27个梯级船闸，其中23个梯级采用双线互通船闸[1]，美因-多瑙运河16个梯级船闸，其中13座采用带省水池船闸[2]。巴拿马运河第一、第二线[3]为双线三级互通船闸，闸室带中间闸门，第三线[4]为带省水池的三级船闸。我国省水船闸相对较少，仅有长洲三线、四线[5]、飞来峡二、三线[6]两座双线互通大型，首批小清河带省水池船闸[7]正在建设中。

目前，对多级船闸、互通船闸、省水池船闸的省水率分别给出了定义和计算方法[8]，尚未明确多级互通船闸或多级带省水池船闸省水率计算方法。本文通过一次过闸时间[9]的灌泄水时间项，导出多级船闸一次过闸用水量计算公式，可以考虑船闸运行方式对用水量的影响。分别提出了闸室和船闸省水率的计算思路，针对双线互通船闸联动的运行特点，考虑了单线运行概率及其对省水率的影响。给出了多级双线互通船闸、多级带省水池船闸的省水率计算方法和实例分析。

2普通多级船闸省水率

2.1过闸时间

2.2闸次用水量

过闸用水量是船闸耗水量主要组成部分，是指船舶过闸时，闸室灌泄水所耗用的水量。

2.3船闸省水率

耗水率Fm、省水率Em与船闸总级数以及过闸方式等因素有关。九里沟单线二级船闸m=2，设成批过闸比αm=0.5，nH、nB不影响耗水率，Fm=50%，Em=50%。三峡双线五级船闸m=5，单向运行，αm=0，Fm=20%，Em=80%。

多级船闸主要是通过降低闸室分担水头ξH，减小泄水棱体V0，达到省水效果的。在闸室分担水头一定的条件下，可以采用带省水池船闸或互灌互泄船闸，减小直接泄向下游的水体，到达节省船闸用水的目的。

3互灌互泄双线船闸省水率

3.1互灌互泄船闸省水原理

双线相互输水运行方式，先通过连通廊道进行相互输水，待两线闸室水头差减小到一定的剩余水头e后，关闭连通廊道阀门，同时开启各自的充（泄）水阀门以完成剩余的输水过程。互灌互泄的闸室不能降低连通阀门的工作水头，而且要求其能够承受双向水头。工作原理如图1所示，闸室分担水头Hc，省水高度为t，用水高度为tF。

3.2船闸省水率

互灌互泄的运行方式使得双线船闸产生了关联。双线连续多级船闸一般采用单向过闸，因此可能有双线对向、双线同向、单线单向等三种组合方式，其中αm=0。互灌互泄时，对向行驶的船舶可同时停泊在相邻闸室中，同向行驶的船舶则需要错开一个闸室。

双线船闸的相应操作同步性要求高，造成延误的可能性大。船闸连续级数越多，运行可靠度越低，对通过能力的影响甚于单级船闸。这也是巴拿马一线、二线多级船闸现在很少使用互灌互泄省水方式的原因。

3.3计算实例

巴拿马运河是连接太平洋和大西洋的重要航运通道，全长81km，1914年同时建成通航的双线船闸，包括连接大西洋的加通连续三级船闸（水头25.9m），连接太平洋的佩德罗·米格尔一级船闸（水头9.5m）、米拉弗洛雷斯连续二级船闸（水头13～20m）。

一线、二线为互灌互泄双线孪生船闸，基本尺度304.8×33.53×12.8m。双线船闸采用分散输水系统，共设三个长廊道，边墙各设一个，中墙共用一个，横支廊道互相交错布置，顶部各有5个出水孔（如图1所示）。

设e=0m，Fd=50%，Ed=50%，β=80%，Fs=60%、Es=40%，大西洋侧加通三级船闸单向运行，ξ=1/3，Fm=20%，Em=80%。

4带省水池船闸省水率

4.1带省水池船闸省水原理

以1级省水池为例，工作原理如图2所示。闸室分担的水头差Hc，闸室泄水时水体V1泄向省水池，剩余的水体VF泄向下游;闸室灌水顺序与泄水相反，将省水池内的水体V1灌入闸室，最后不足的水体VF由上游补充。

4.2 船闸省水率

根据带省水池船闸工作原理，可得闸室在一个灌泄水循环过程的用水高度tF

4.3计算实例

巴拿马运河第三线船闸于2016年竣工，在大西洋側的阿瓜克拉拉船闸、太平洋侧的可可里船闸，均为连续三级船闸，每个闸室设置3个省水池（如图3所示），基本尺度426.72m×54.86m×18.29m。闸室创新性采用了闸墙侧边两区段动态平衡系统，提高了闸墙出流的纵向均匀性。省水池的两组一对廊道分别在闸底1/4中心处水平分流，连接两侧支廊道，使得省水池灌泄水为四区段运行。

省水池面积比χ=1，n=3，不考虑剩余水头影响，闸室耗水率Fb=40%，省水率Eb=60%。巴拿马运河共有三线船闸，闸室水头分担率ξ=1/3，可采用单向过闸方式，km=1.0，船闸耗水率Fm=13.3%，省水率 Em=86.7%。

5结论

（1）船舶到闸量较小时，互通船闸可能只需要一线非省水运行。互通船闸省水率应考虑互灌互泄运行闸次比率的影响，单级互通船闸省水率小于50%。

（2）互通船闸级数越多，过闸同步操作要求越高，发生延误可能性越大，运行可靠度越低，对通过能力影响远甚于单级互通船闸。这也是巴拿马一线、二线多级船闸现在很少使用互灌互泄省水方式的原因。

（3）多级船闸应分别计算水头分担率、互灌互泄或带省水池的闸室耗水率、运行方式影响系数，三者之积为船闸耗水率，最终可得船闸省水率。

参考文献：

[1]闵朝斌. 西德的内河航道（上） [J]. 水运工程， 1986（3）： 53-58.

[2]闵朝斌. 西德内河航道（下） [J]. 水运工程， 1986（4）： 50-57.

[3]Lieut. Col.， H. F. Hodges. The Panama Canal[R]. Washington DC： Society of American Military Engineers， 1909.

[4]Rüdiger Spengler， Jesús Imedio， Rafael Pérez， et al. Panama Canal expansion project–description third set of locks project[A]. In： IABSE Symposium Report， Vol. 102[C].37th IABSE Symposium， Madrid， 2014：783-790.

[5]吴澎， 曹凤帅. 西江长洲水利枢纽3号和4号船闸总体设计[J].港工技术， 2014， 51（5）： 4-9.

[6]陈亮，王晓青. 飞来峡二、三线相互灌泄水船闸省水特性及效益分析[J]. 水运工程， 2015（6）： 106-110.

[7]佘然，夏高响. 金家堰枢纽平面布置方案比选研究[J]. 中国水运， 2018，18（9）： 147-148.

[8]G.N. Willems. Final Report of the International Commission for the Study of Locks [R]. Brussels： PIANC， 1986.

[9] JTJ305-2001， 船闸总体设计规范[S].