张 震，王勤振

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

本论文研究的航道在20世纪50年代航运较发达，60年代后上游来流量减少，水位下降，加之无力整治，导致其逐渐断航。现通过建设5个梯级枢纽对河段进行渠化。该枢纽为低坝，不考虑拦蓄洪水的功能，主要由挡水、泄水和通航建筑物组成。枢纽船闸级别为Ⅳ级，设计代表船型为500吨级货船和一顶2×500吨级顶推船队，兼顾通航1 000吨级船舶。由于船闸规模较大，要求水力指标较高，需通过输水系统模型试验加以研究，以确保船闸运行及过闸船舶的安全。

1 枢纽船闸输水系统形式的选择

依据JTJ 306—2001《船闸输水系统设计规范》[1](简称“规范”)中输水系统类型的判别公式：

(1)

式中：m为判别系数，当m>3.5时采用集中输水系统，当m<2.5时采用分散输水系统，当m在2.5～3.5时应进行技术经济论证，参照类似工程选用；T为输水时间(min)，T值在8～10 min；H为水头(m)。由式(1)计算可得：m值在2.64～3.30，介于2.5～3.5之间，可采用集中输水系统，也可采用分散输水系统[2-3]。考虑某枢纽输水效率、船闸基础特点及同类工程经验[4]，初定采用局部分散输水系统。

对于大型船闸，须基于综合水力指标确定输水系统形式，计算m值时应考虑闸室规模对输水系统形式的影响。该枢纽船闸尺度为180 m×23 m×4.0 m(闸室有效长度×净宽×门槛最小水深)，最大设计水头9.16 m，设计输水时间为8～10 min。由于水头较高，根据总体布置和规范的规定及要求，对船闸输水系统进行水力学分析，确定输水系统布置形式及各部位细部尺寸，并通过输水系统模型试验进行验证。输水系统m值在2.5～3.5，可选用闸墙长廊道短支管分散输水系统或集中输水系统。闸墙长廊道输水系统形式适用于混凝土重力式闸墙，因为在闸墙底部布置主廊道是经济的，在闸墙主廊道上接短支孔也较为方便。这种布置因需兼顾闸室的充水和泄水，因而廊道断面不变。但该输水系统形式对阀门单边运行的适应性较差，单边运行时一侧完全无水出流，另一侧(进水侧)出水支孔的水流经消力槛消去部分能量后继续冲至对面闸墙，在闸室内形成水面横向坡降，使船舶所受的横向力较大。由于本船闸水头较高(H=9.16 m)，且输水时间要求较短(T在8～10 min)，布置集中输水系统的难度较大，拟采用新型短廊道集中输水系统。该输水系统既具有可降低初始波浪力的优点，又具有局部闸底消能效率高、可降低局部水流作用力、不设镇静段的优点[5]。

结合2种输水系统布置形式，分别对闸首、闸室结构形式进行比选，最终决定采用新型短廊道集中输水系统，节省工程量及投资(图1、2)。船闸部位特征尺寸见表1。

表1 船闸局部分散输水系统设计方案特征尺寸

图1 输水系统总体布置

图2 上、下闸首局部布置(高程：m；尺寸：mm)

2 输水系统水力特性试验与成果分析

2.1 闸室输水水力特性

船闸水力学模型范围包括船闸上/下闸首、闸室、输水系统、进/出水口、上/下游部分引航道。

依据枢纽船闸结构和输水系统布置初步设计进行模型制作(图3)。为便于观察，输水廊道、闸室内出水支孔段、部分闸室边墙均选用有机玻璃制作；上、下闸首用灰塑料板和红松制作；闸室用角钢框架结构和灰塑料板合成；上、下游引航道模型边墙用砖砌成，引航道内地形用水泥沙浆抹面；试验代表船型选取1 000吨级单船及2×500吨级船队，船模采用红松、铁皮制作，几何比尺1:30，并按排水量进行配重。

最大设计水头9.16 m，充、泄水阀门双边匀速开启时，闸室输水水力特征值见表 2。

表2 闸室输水水力特征值

通过模型试验结果分析可知，最大设计水头时，试验设定充水阀门双边开启时间tv分别为5、6、7 min，闸室充水完成时间T分别为9.22、9.68、10.13 min，基本满足设计输水完成时间要求。此时闸室充水最大流量Qmax分别为125.34、116.98、114.22 m3/s，相应的充水廊道最大流速vmax分别为6.14、5.73、5.60 m/s，符合设计规范要求。

最大设计水头时，试验设定泄水阀门双边开启时间tv分别为6、7、8 min，闸室泄水完成时间T分别为8.67、9.77、10.13 min，基本满足设计输水完成时间要求。此时闸室泄水最大流量Qmax分别为132.47、132.15、123.84 m3/s，相应的泄水廊道最大流速vmax分别为6.4、6.48、6.07 m/s，均符合设计规范要求。

图4为最大设计水头时充泄水阀门双边匀速开启时间与输水完成时间关系曲线。由于所采用的输水系统形式介于集中输水系统和分散输水系统之间，因此，输水时闸室仍然存在一定的惯性超高(降)，当充水阀门双边开启时间tv为5 min时惯性超高达最大值d为0.27 m；当充水阀门双边开启时间tv延长至6、7 min时，惯性超高值d有所减小，分别为0.17、0.02 m；当泄水阀门双边开启时间tv为6 min时惯性超降最大值d为0.49 m，同样当泄水阀门双边开启时间tv延长至7、8 min时，闸室惯性超降值d有所减小，分别为-0.18、-0.05 m。因此当充、泄水时闸室水面超高、超降值d超出规范0.25 m的要求时，充、泄水后期须采取平水开启人字闸门或提前关闭输水阀门等工程措施。

图4 最大设计水头下输水时间与阀门开启时间关系

综合闸室内船舶停泊条件试验成果及闸室输水水力特性试验成果，推荐阀门运行方式为：输水系统充水阀门双边匀速开启时间tv为6 min，泄水阀门双边匀速开启时间tv为7 min。

2.2 闸室船舶(队)停泊条件

船闸输水过程中闸室内船舶(队)停泊条件主要受充水工况控制，对某枢纽船闸而言，船舶停泊条件控制工况应为最大设计水头工况。船舶系缆力试验选择设计船型中1 000吨级单船及2×500吨级船队进行试验。试验设定船舶(队)在闸室内不同排列方式，并进行双边充水试验，试验工况及系缆力特征值见表3。

由表3可知，最大设计水头9.16 m条件下，当1 000吨级单船单列排列在闸室上游段、充水阀门双边开启时间分别为tv=5 min时，最大纵向系缆力为32.42 kN，大于规范允许值32.00 kN。

表3 闸室内船舶(队)停泊条件特征值(充水阀门双边开启)

但当充水阀门双边开启时间分别为6、7 min时，最大纵向系缆力分别为26.30、16.10 kN，最大前横向系缆力分别为6.58、7.31 kN，最大后横向系缆力分别为6.80、3.69 kN；当单船单列排列在闸室下游段、对应充水阀门双边开启时(tv为6、7 min)时，最大纵向系缆力分别为14.93、10.95 kN，最大前横向系缆力分别为2.82、3.47 kN，最大后横向系缆力分别为8.22、3.69 kN；1 000吨级单船以单列方式停泊在闸室内时，所有纵、横系缆力均满足规范要求。

当1 000吨级单船以双列方式停泊在闸室内时，对应充水阀门双边开启时间tv=6 min，当单船停泊在闸室上游段时纵向系缆力达到最大值22.43 kN时，对应阀门开启时间tv=6 min，单船停泊在闸室上游段时后横向系缆力达最大值为8.39 kN，仍小于规范规定的纵、横向允许系缆力。

针对2×500吨级船队，对应充水阀门双边开启时间tv=6 min，船队停泊在闸室上游段所受纵向系缆力达最大值12.23 kN，对应充水阀门双边开启时间tv=6 min，停泊在闸室下游段的船队所受前横向系缆力达最大值9.50 kN，仍小于规范规定的纵、横向允许系缆力。

2.3 进、出水口水流条件

枢纽船闸上闸首廊道进水口采用横支廊道顶支孔布置，最大设计水头9.16 m的条件下，上游进水口顶淹没水深为12.9 m，当充水阀门分别以6、7 min匀速开启时，进水口最大平均流速为1.72 m/s(tv=6 min)，在最大流量发生前、后进水口偶见少量表面旋转水流，并未形成有害串气漩涡，不影响船闸正常运行。

最大设计水头条件下，对应泄水阀门不同的开启方式，下游引航道流速特征值见表4。当泄水阀门以tv=6 min双边开启时，消能段最大壅水值为0.55 m，泄流时水流水平扩散完好，流速分布较为均匀，无回漩现象。

表4 不同阀门开启方式下游引航道流速特征值

3 结论

1)船闸采用局部分散输水系统的整体布置设计合理可行，达到了预期的目标和要求。

2)最大设计水头9.16 m时，推荐输水系统充水阀门双边匀速开启时间为6 min，泄水阀门双边匀速开启时间为7 min。当充水阀门双边匀速开启时间为6 min时，输水完成时间为9.68 min，最大纵向系缆力26.30 kN(单船单列停泊于闸室上游段)，最大横向系缆力9.50 kN(船队单列停泊于闸室上游段，前横向系缆力)。

3)船闸上闸首廊道进口采用横支廊道顶支孔布置，进水条件良好，在最大流量前后进水口偶见少量表面旋转水流，但未形成有害串气漩涡，不影响正常运行。出水口水流水平扩散良好，无回漩现象。