吴 英 卓，江 耀 祖，刘 火 箭，王 智 娟

(长江科学院 水力学研究所，湖北 武汉 430010)

船闸输水系统是保障船舶安全过闸的关键设施，其设计优劣直接影响到船闸工程的安全与效率。为适应不同水头、闸室尺度、输水时间、地质条件、工程投资等因素要求，现代船闸衍生出诸多的输水系统型式。船闸设计一般参照水头、闸室尺度等条件相近的已建成功船闸经验，初步选定输水系统型式。最终满足船闸输水时间要求、输水系统自身安全和过闸船舶停泊安全的输水系统布置型式的确定，一般依赖数模计算和物模试验。

表1 水头分级与适用的船闸输水系统型式(美国)Tab.1 Classification of water head and applicable shape of filling and emptying system of navigation lock(USA)

按照上述选型指标获得的体型是仅对水头(美国)，或仅对水头和输水时间(中国)适应的体型，对于适用于不同闸室尺度、地质条件等其他因素的体型又需要再加以甄别。若已建船闸中未有适合的体型参考，则必须开展水力学研究填补空白，孤山船闸即属于这一类船闸。

1 孤山船闸输水系统型式初选

1.1 船闸基本资料

孤山航电枢纽位于汉江干流夹河-丹江口枢纽回水末端河段内，上距白河梯级坝址约35 km，下距丹江口枢纽坝址179 km，开发任务以航运为主，兼顾发电等综合利用。

表2 判别系数分级与适用的输水系统型式(中国)Tab.2 Classification of discrimination coefficient and applicable shape of filling and emptying system(China)

孤山船闸为单线单级船闸，闸室有效尺寸为120.0 m×23.0 m×3.0 m(长×宽×最小槛上水深)，设计代表船型为2×500 t船队和500 t级单船。船闸上游最高通航水位177.23 m、上游最低通航水位175.00 m；下游最高通航水位169.10 m、下游最低通航水位157.40 m。船闸最高通航水头19.83 m，设计输水时间10～12 min。根据枢纽总体布置需要，船闸采用整体式闸室结构布置[2]。

1.2 型式初选

孤山船闸m=2.25～2.69，根据我国规范建议，与孤山船闸水头和输水时间匹配的输水系统型式是第二类分散输水系统。

在美国，建议第一类中的Ⅰ-(1)型分散输水系统在最大水头小于12.2 m的船闸上应用，我国采用Ⅰ-(1)型输水系统的已建船闸水头也未超过15 m[3]。因而从对水头的适应性而言，Ⅰ-(1)型分散输水系统不适用。美国的相关研究表明，Ⅰ-(2)型比Ⅰ-(1)型水流条件好，输水效率高，但由于多支孔型式繁杂，数量众多，施工及维修困难，因而在设计手册中并不推荐[3]。再考虑到我国水运快速发展的现状，孤山船闸选择闸室内水流条件较好、输水效率较高的第二类分散输水系统更好。

美国学者建议当水头大于18 m时，采用第三类分散输水系统[2]。按美国已建船闸运行经验，孤山船闸选用第三类输水系统更加恰当，水流条件会更好，更易解决闸室内船舶停泊条件问题。但第三类输水系统采用垂直分流口，分流口布置横跨整个闸室底板横断面，底板中部出现空腔，而孤山船闸采用的是整体式闸室结构布置，因闸室宽度较大，其底板中部承受较大弯矩，若中部出现空腔则闸室底板必须深挖[2]，增大了开挖与混凝土浇筑量。受结构强度以及经济等因素制约，孤山船闸不能采用第三类输水系统。

根据上述分析，考虑船闸水头、输水时间、工程布置等因素，在现有的输水系统布置型式中，只有Ⅱ-(5)型可用，因此设计选择主廊道双侧布置、双侧输水系统相对独立的水平分流2区段4纵支廊道顶部出水、盖板消能的等惯性输水系统作为孤山船闸初选布置型式，具体见图1。

在葛洲坝3号船闸水力学研究阶段，对图1所示的输水系统进行过研究[4-7]。研究结果表明：闸室内船舶停泊条件较差，为解决闸室内船舶系缆力较难达

图1 孤山船闸设计方案输水系统布置(尺寸单位：cm)Fig.1 Layout of the filling-emptying system at design scheme

标的问题，布置了多个横向联通管联通左右侧出水孔廊道，达成了闸室内左右侧输水系统水流的互通(见图2)，相应起到了均衡出流的目的。孤山船闸因整体式闸室结构要求，闸室底板中心线区域不宜出现空腔，因此取消了联通管，成为左右侧完全独立的输水系统。对于宽度较大的孤山船闸而言，单阀输水时闸室横断面水面坡降会更大，解决事故单阀运行条件下闸室内船舶停泊条件与通航效率之间的矛盾难度加大。同时通过垂直隔板分流的水平分流口，输水中达成上、下半闸室流量分配均匀的难度本身较大，易导致闸室停泊条件难于满足规范要求。因此必须开展孤山船闸输水系统布置型式研究，通过数模验证初选布置型式的合理性并进行优化，最终通过物理模型试验获得能满足输水时间要求、输水系统自身安全和过闸船舶停泊安全的输水系统布置型式和阀门运行方式。

图2 输水系统类比示意Fig.2 Analogy diagram of the filling-emptying system

2 孤山船闸输水系统布置型式研究

2.1 新型输水系统定型

水平分流的2区段4纵支廊道顶部出水输水系统只适用水头较低的原因，除了与该系统左右侧完全独立有关，还与其水平分流口的分流均匀度较差有关[5]。孤山船闸闸室宽度较大，其分流口的分流状况对闸室内船舶停泊条件影响更大，因此针对分流口体型开展了三维数模计算。数模计算发现：图1所示水平分流口可实现充水分流均匀，但泄水汇流均匀性较差，对应泄水最大流量Qmax，分流口汇流百分比为上半闸室纵支廊道汇入33%，下半闸室纵支廊道汇入67%，显然泄水时闸室水面会出现倾向于下游的纵比降，对闸室内船舶停泊安全产生危害。

出现泄水时上、下半闸室进流不均衡的原因为水流经分流口汇入主廊道时与分流垂直隔板发生碰撞后水流转向，对于下半闸室纵支廊道内水流而言，转向后汇入主廊道顺畅下泄，而上半闸室水流被隔板转向后趋势指向上游，造成该区段水流汇入主廊道后下泄阻力增大。显然改变隔板长度和分流口边壁体型可调整阻力大小，但因该分流口已做到充水分流均匀，为达成泄水均匀，所做改变必会对充水分流的均匀性产生影响。因此根据以往分流口研究经验[8-10]，考虑取消分流隔板，同时缩小分流口进口宽度至与主廊道同宽，以均衡分流口进口横断面水流分布，达成水流自分流的充、泄水均衡。

为达到闸室内各区段进、出流均匀的效果，除优化分流口体型外，还需同时配合闸室内输水系统布置的调整。鉴于渐变廊道对提高出水孔出流均匀性有帮助[11-12]，将出水孔廊道修改为进流端断面大、封闭端断面小的渐变体型；考虑到加大闸室内出流的分散程度能降低单位水体比能，对解决闸室内船舶停泊条件问题有利，亦可相应缩短输水时间，提高输水效率[13-14]。因此采用渐变出水孔廊道体型和更加分散的出水孔布置，出水孔廊道长度突破规范要求，由设计方案中闸底出水区段总长度占闸室长度72%加长为占84%，单支出水孔廊道长度由51.25 m加长至60 m，相应每支廊道出水孔由12孔增至13孔。

数模计算结果表明，取消分流隔板后，分流口随即达成汇流均匀。分析原因为：泄水时上、下半闸室进水孔廊道水流完全对称地进入分流口，再经分流口汇合后泄入主廊道，各区段泄流阻力已基本相同，表明水流自行分流的自分流口体型对闸室泄水时实现上、下半闸室进流均匀有利。但因取消强制分流的隔板，充水时分流口的分流均匀性受到影响。研究发现适当缩小分流口进口宽度，适当增加出水孔廊道段阻力——调小出水孔廊道断面与输水阀门段面积比α、出水孔面积与输水阀门段面积比β，对分流均匀有利。α=3.24，β=2.95时，下半闸室进流67%，上半闸室进流33%；将出水孔廊道宽度减小，α、β值分别减小至2.11、1.44后分流口分流已基本均匀，上、下半闸室进、出流量相差3.0%～3.6%。计算表明，进一步减小β值至1.15，可使上、下半闸室进、出流量更加均匀(仅相差0.6%)，但考虑过大阻力对输水时间的不利影响，最终选择α=2.11、β=1.44的输水系统布置型式。综上分析，针对孤山船闸特点，输水系统推荐采用分流更加均匀、出流更加分散的“等惯性2区段出水+无隔板自分流口+加长渐变出水孔廊道”的型式(见图3)。

图3 自分流全闸室出水等惯性输水系统(尺寸单位：m)Fig.3 Filling-emptying system of self-splitting at the full chamber

2.2 物理模型验证

2.2.1输水系统布置与物理模型设计

为验证新型自分流2区段4纵支廊道全闸室出水等惯性输水系统在孤山船闸中的适用性，建立1∶20的整体物理模型开展水力学模型试验，分析该输水系统的输水水力特性与船舶停泊条件，物模验证方案主要结构特征尺寸见表3。

2.2.2闸室充泄水水力特性与停泊条件

1∶20物理模型验证试验结果表明：图3型式输水系统正常运行工况采用tv=5～8 min速度双阀匀速同步开启方式充水、tv=2～5 min速率双阀匀速同步开启方式泄水，事故单阀运行工况采用tv=8～10 min速度单阀匀速开启充水、左阀以tv=10 min或tv=4～6 min速度开至n=0.7开度停机的局部开启方式泄水，闸室输水时间、闸室及下游引航道停泊条件及输水系统关键部位流速均满足设计及规范要求，阀门井及检修门井不会出现脱空带气且阀门段底缘空化数大于临界空化数，船闸输水主要水力特征值见表4。

最高通航水头下事故单阀充水，阀门以tv≥6 min速度开启，各泊位500 t单船及2×500 t船队最大纵向力不大于25 kN，最大横向力不大于13 kN，系缆力满足规范要求。双阀输水闸室内船舶最大系缆力见表5。

表3 物模验证方案主要结构特征尺寸Tab.3 Main structural feature size of the model verification scheme

表4 最高通航水头船闸输水水力特征值

表5 最高通航水头双阀充水闸室内船舶最大系缆力Tab.5 Maximum mooring force of the ship in the chamber at the maximum water head

为了解自分流口汇流均匀性，物模试验测量了闸室泄水时闸室内2×500 t船队停泊条件，阀门采用tv=4 min速度开阀，单阀泄水最大系缆力纵向小于10 kN，横向小于3 kN，表明新型自分流口汇流均匀。

闸室内船舶系缆力测量结果表明：自分流全闸室出水的输水系统通过恰当的分流口自分流体型和出水孔廊道段阻力均衡了各区段的进、出流流量分配，闸底出水孔布置区域的扩展，更加分散了出流并提高了消能率，很好地解决了左右侧独立布置的输水系统闸室内船舶停泊条件较差问题。

根据研究结果推荐，孤山船闸在最高通航水头下运行正常，双阀以tv=5 min速度匀速开启充水、以tv=2 min速度开启泄水，充水时间为10.5 min、泄水时间为10.4 min；充水过程中闸室内停泊的设计代表船舶500 t级单船和2×500 t级船队最大系缆力分别为纵向10 kN和19 kN；横向8 kN和9 kN，泄水时纵向小于10 kN，横向小于3 kN。与设计输水时间小于12 min、船舶纵向力小于25 kN、横向力小于13 kN的设计及规范要求相比，富裕较大。特别是事故单阀运行工况，在满足闸室内船舶停泊条件要求的前提下，可在20 min内完成输水，很好地解决了较大闸室宽度的船闸采用左右侧完全独立输水系统，单阀运行闸室内停泊条件差的难题。

鉴于可以通过优化进出口型式解决进口流速超标及改善下游引航道停泊条件，阀门段水流空化条件可通过降低阀门段埋深和修改阀门段廊道体型优化，因此仅从闸室内的停泊条件及输水系统关键部位流速满足设计及规范要求考虑，该新型输水系统可满足更高的输水效率要求，或适应更高水头的船闸。

2.2.3分流口压力特性

对于创新性“T”型自分流口，即使它可以提供良好的分流及汇流条件，但若其自身的安全得不到保障，该输水系统就不是可应用于工程的成熟输水系统。而输水系统分流口区为水流流线剧烈变动区，若分流口体型与流场不匹配，可能造成分流口壁面压力出现强烈脉动，甚至出现时均压力为负压的情况，有产生空化空蚀的风险。因此“T”型自分流口的压力特性，是创新性输水系统布置型式研究需重点关注的水力学问题。

图4绘出了充泄水最大流量时刻分流口区域流速云图。

图4 分流口区域流速云图(单位：m/s)Fig.4 Flow rate at confluence area

选择壁面高流速区布置压力测点，捕捉低压，根据大藤峡船闸研究成果，无隔板水流自行分流、汇流的自分流口，泄水汇流低速区易出现压力失稳，造成结构疲劳(见图5)。后通过加设导流脊去除汇流形成的低速冗余水体解决了壁面压力陡降问题，因此在泄水汇流低速区壁面也布置了压力测点，试验测量该区域压力特性，以便对孤山船闸自分流口体型的合理性作进一步判断。

研究发现，孤山船闸自分流口，泄水时汇流低速区压力陡降偶有出现但下降有限(见图5)。孤山船闸汇流低速区压力表现与大藤峡船闸不同的原因主要与分流口出口流速差异密切相关，大藤峡船闸泄水时出口最大流速超过12 m/s，而孤山船闸仅在9.2 m/s左右，出口流速越高其对低流速区水体的拖曳作用力越大，越易带来压力失稳。试验表明，若将出口最大流速降至8.8 m/s，孤山船闸分流口低速区壁面压力陡降消失。因此未来应用该新型输水系统时需关注自分流口泄水出口流速对压力的影响，若出现压力失稳可通过加设导流脊去除汇流低流速区冗余水体解决。

图5 分流口汇流区壁面压力过程线Fig.5 Wall pressure process line at the confluence area of diversion port

试验结果表明，分流口区域最低时均压力为7.95×9.8 kPa，分流口充水顶冲点压力脉动最为剧烈，峰值在5.00×9.8 kPa以内，分流口区压力状况良好。根据葛洲坝1号船闸运行经验，分流口区流速控制在10 m/s以内发生空蚀概率较低，上述研究分析表明孤山船闸自分流口体型良好。

3 结 语

为适应孤山航电枢杻船闸整体式闸室结构设计需要，经研究提出了左右侧独立自分流全闸室出水2区段4纵支廊道等惯性输水系统，满足了整体式闸室结构闸底中部不宜出现空腔的结构设计要求；通过取消分流隔板、缩窄分流口断面宽度，适当加大出水廊道段阻力，使无强制分流隔板的自分流口水流自行分流与汇流均达到均匀；采用对出水孔均衡出流有利的变截面出水孔廊道体型，同时突破出水区段的长度宜为闸室长度的25%～35%的规范限制，通过加长出水孔廊道长度，使进、出流进一步分散，相应加大了出水孔上部消能水体体积，提高了出流消能率，有效降低了单阀输水时闸室内出现的横坡降，抵消了较大闸室宽度船闸采用左右侧输水系统独立布置带来的闸室横坡降对闸室停泊条件的不利影响。闸室内停泊条件良好，输水效率高。由于系缆力还有较大富裕，该输水系统布置型式可应用于水头超过20 m的高水头船闸。