水口坝下水位治理工程通航船闸设计研究

扈晓雯，侯继平，薛双运

（中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014）

1 通航规模

闽江干流规划为Ⅳ级航道，根据福建省内河航道发展规划方案，本工程区两坝间河段以及坝下连接航道按Ⅳ级航道标准建设，通航标准船队为2×500 t级顶推船队，航道标准为：航道底宽≥50 m，航道水深1.9 m，航道最小半径330 m。

设计水位：上游最高通航水位18.66 m（重现期2年洪水，Q＝16 900 m3/s），上游最低通航水位7.64 m（水口水电站下泄航运基流，Q=308 m3/s）；下游最高通航水位18.20 m（重现期2年洪水，Q=16 900 m3/s），下游最低通航水位-1.00 m（预测河道继续下切后的下游水位）。遇超过重现期2年洪水或7级以上大风时停航。

船闸有效尺度：根据GB50139-2004《内河通航标准》规定，Ⅳ级航道设计最大船舶吨级为500 t，相应船闸级别为Ⅳ级。按一次通过1个500 t级货船+1个2×500 t级一顶两驳标准船队纵向排列设计，兼顾满足船队编组及设计远景货运量要求，船闸有效尺度确定为：200.00 m×12.00 m×3.00 m（长×宽×槛上水深），通航净空8.00 m。

设计年远景运量：年过坝货运量400万t；年过木、竹运量200～250万m3；日上、下行客运各1次。

2 建设方案研究

为解决水口水电站枢纽下游水位抬高问题，设计进行了多种方案的研究。在水口坝下水位治理工程方案研究阶段，曾经进行了水口通航建筑物下游导航墙改造方案及水口坝下枢纽综合治理方案，于2008年8月通过福建省发改委组织的审查，最终审定为坝下枢纽综合治理工程方案。在工程可行性研究选坝设计阶段，进行了工程建设方案设计研究，对不同坝址的枢纽进行了航运、航电方案的技术经济比较论证，从工程技术条件、施工征地、移民安置、环境保护、水土保持、发电水头、单位千瓦投资、单位电能投资等方面综合分析研究，设计推荐水口水电站枢纽坝下水位治理工程不考虑布置发电设施，采用航运方案，于2008年12月通过福建省发改委组织的审查。

新建航运枢纽方案的主要建筑物包括：壅水建筑物、挡水坝、船闸和左岸护坡等。工程建成后，要求水口水电站下游通航最低水位为7.64 m，新建的水口坝下船闸通航能力与上游水口水电站双线通航建筑物的通航能力相匹配。

水口坝下通航船闸设计最大水头为8.60 m，根据设计通过能力，设计输水时间要求小于10 min。据此，设计进行了输水系统选型比较及水力特性计算分析研究。经水力特性参数对比，选定了闸墙长廊道侧支孔输水系统方案。

3 船闸总体布置

水口坝下通航建筑物采用单线一级船闸，根据枢纽坝址河床宽度及设计远景货运量的需求，船闸采用加长方案，布置在整个枢纽的右岸，左临壅水堰，右临316国道，船闸中心线与坝轴线垂直，中心桩号为坝右0+016.00 m。

船闸全长1 158 m，主要由上下闸首、闸室及上下游引航道组成，见图1。闸首（闸室）根据使用和布置要求均采用整体坞式结构，结构最大总宽度为34.6 m。上下闸首口门净宽12 m，左右边墩各宽10 m。由于闸首边墩较窄，边墩内开设了许多孔洞或外悬牛腿，以满足机电设备和金属结构布置与检修要求，部分闸门的启闭室采用内藏式。通航工作门采用人字闸门型式，通航检修门采用平板门型式，输水廊道的工作阀门及检修阀门为平板门型式。工作闸门采用液压启闭，检修闸门采用台车启闭；工作阀门及检修阀门均采用液压启闭。操作方式采用集中电气控制。

上闸首位于挡水前缘，是坝体的一部分，顺水流向长30 m，通航工作门采用人字闸门，闸顶高程32.00 m，布置有交通桥、台车轨道梁、电缆沟梁及机房。

图1 船闸平面布置图Fig.1 Plane layout of ship lock

下闸首顺水流向长28 m，通航工作门也采用人字闸门，闸顶高程32.00 m，布置有交通桥、台车轨道梁、电缆沟梁机及机房。左边墩上部布置有阀室检修交通井，左边墩下部布置有集水井；右边墩上部布置有检修门库，右边墩下部布置有集水井。

闸室长200 m，由10个结构段组成，每个结构段长20 m，采用整体钨式结构，见图2。闸墙顶宽3.50 m，底宽7.50 m，两侧闸墙边墩内下部设有输水廊道，断面尺寸2.5 m×2.8 m（宽×高）。在廊道顶部设置了ϕ100 mm的通气孔，输水廊道内的水体通过出水支孔，经闸室底板上设置的消力槛消能进入闸室内。每个结构段闸墙内侧均设有系船环槽，闸室顶部设置有电缆沟槽，沟通上下闸首电缆连接。

上、下游引航道采用不对称式的平面布置型式，上游引航道长度450 m，其中上游主导航墙长120 m，隔流墩长120 m，调顺段长110 m，靠船墩段长100 m；上游辅导航墙长80 m，采用弧形翼墙与右岸连接。下游引航道长度450 m，其中下游主导航墙长120 m，调顺段长230 m，下游靠船墩段长100 m；上游辅导航墙长40 m，采用弧形翼墙与右岸连接。

图2 闸室墙典型断面Fig.2 Cross section of chamber wall

4 输水系统选型

水口坝下船闸上游通航水位与水口水电站通航建筑物下游最低通航水位7.64 m衔接，下游通航水位根据下游河床演变预测水位确定为－1.0 m，并经福建省交通运输厅项目审核审批文件闽交港航[2010]9号文确认。因此，水口坝下船闸设计水头为8.64 m，设计水头小于10 m，按常规可选择集中输水系统方案。但考虑到水口坝下船闸闸室有效长度为200 m，属于加长型非标准尺寸，船闸闸室长宽比达到16.7∶1，因此，闸室充水时的纵向水面坡降较大，水流条件较为复杂。

根据总体布置和JTJ306—2001《船闸输水系统设计规范》输水系统类型的选择公式m=判断及要求，对水口坝下船闸的输水系统型式进行了分析，确定了该船闸可能采用的两种输水系统型式——闸墙长廊道侧支孔输水系统和短廊道集中输水系统。在分析这两种输水系统国内外发展概况的基础上，计算了该船闸输水廊道阀门段尺寸，并结合具体工程条件，布置和确定了输水系统的主要尺寸，进而采用数学模型对两种输水系统的水力特性进行了计算分析对比。

水力计算分析结果表明：水口坝下船闸采用的输水系统的整体布置设计基本是合理的，各输水水力特征的计算值可以满足设计要求。其中分散输水系统水力指标较高，集中输水系统相对较低，考虑到水口坝下船闸在同规模船闸中具有闸室长宽比大、要求输水时间短、闽江航运地位重要等因素，最终选定国际上较为先进且得到广泛应用的闸墙长廊道侧支孔输水系统型式。

对所选定的输水系统做了进一步计算分析论证，提出输水系统各部分详细尺寸及布置，得到了输水系统阻力系数、流量系数、输水系统、换算长度和闸室超高（降）等水力参数以及由初始波浪力所确定的阀门全开时间、输水系统的输水水力特性。计算成果表明：通过设计研究所提出的输水系统型式布置能满足设计输水时间、船舶在上、下游引航道和闸室的停泊和航行安全以及船闸输水阀门安全运转的要求。

船闸上游进水口利用上游引航道和上闸首底高程之间已有的3.63 m高差采用正面进水方式，正面进水口面积为2×（5.5 m×2.8 m）（宽×高）=30.8 m2。上闸首充水廊道阀门后通过水平及垂直转弯与闸室出水孔段廊道相连接，水平转弯时将输水廊道宽度由2.0 m扩大至2.5 m。充水主廊道面积为2×（2.5 m×2.8 m）（宽×高）。充水水力特性计算结果表明：上游引航道最大平均流速0.30 m/s，符合规范要求；上游引航道的设计船队纵向系缆力仅为1.7～3.5 kN，上游引航道内船舶停泊条件满足规范要求。

闸室出水段廊道通过水平转弯与垂直转弯，上与充水主廊道、下与泄水主廊道相连接。底高程-3.30 m，顶高程-0.50 m，最大水头时淹没水深0.5 m。闸室出水段廊道断面面积为2×（2.5 m×2.8 m）（宽×高）=14.0 m2。闸室出水支孔每侧闸墙36孔，共72孔，孔口尺寸分别为：0.35 m×0.50 m，间隔4.0 m，总长140.0 m，占闸室有效长度70%，72×（0.35 m×0.50 m）（宽×高）=12.6 m2。闸室内出水段出水孔外侧设一消力槛，消力槛高0.20 m，距出水口距离1.25 m。

船闸下闸首出水口廊道底高程采用与泄水阀门一致以简化布置，泄水阀门后平底转弯至出水口，为使出水口水流尽可能均匀，出口设中导墙，导墙的起点略偏向弯段外侧。由于最大水头达8.6 m以上，因此下闸首采用第三类消能设施。考虑到下游引航道底高程与闸底高程一致，选用格栅式消能室，消能室内设两道挑流槛，以均匀出流并可使单边输水时出水支孔能较均匀出流。闸室出水孔段廊道通过水平及垂直转弯与下闸首泄水廊道相连接，水平转弯时将输水廊道宽度由2.5 m减小至2.0 m。泄水主廊道面积为2×（2.5 m×2.8 m）（宽×高）。出水口通过水平转弯与泄水主廊道连接，并将廊道宽度由2.0 m调整为5.4 m，在转弯段设置分流墩。顶面格栅出水，消能室内设置两道高度分别为0.6 m及1.2 m的挑流槛。出水口孔口总面积为36.0 m2，泄水水力特性计算结果表明：下游引航道最大流速0.65 m/s，下游引航道为5.2～11.2 kN。因此，下游引航道内船舶停泊条件均满足规范要求。

除计划大修外，船闸一般不断航检修，因此在输水工作阀门上游或下游设有检修阀门，确保一侧输水阀门或阀门段出故障时，另一侧输水阀门及廊道仍能正常运行。阀门段检修时的排水通过排水钢管汇入下闸首集水井，由下闸首阀室控制。

5 结 语

通过对船闸设计方案研究、总体布置优化及输水系统选型设计，确定了水口坝下枢纽综合治理航运建设方案，进行了航运方案通航船闸总体布置，针对在同规模船闸中具有闸室长宽比大（16.7∶1）的特点，重点进行了船闸输水系统选型分析研究论证，主要结论如下：

（1）水口水电站坝区、新建坝下水位治理工程坝区及两枢纽间通航水流条件均基本满足船舶安全通航的要求，布置基本合理，可作为坝下水位治理工程的设计方案。

（2）船闸总体布置通过枢纽整体水工模型试验验证，通航条件为最高通航流量Q=10 000 m3/s。试验表明当7 000 m3/s≤Q≤10 000 m3/s，上、下引航道流速指标均出现了一定程度的超标，该流量下船舶航行时需谨慎驾驶，避开边壁回流区及急流区。当Q=16 900 m3/s，口门区流速较大范围超标，船舶航行困难。

（3）经对船闸输水系统长短廊道不同型式的水力特性进行分析比较，水口坝下船闸采用闸墙长廊道侧支孔的输水系统型式是合适的，具有优良的水力指标。

（4）设计提出的输水系统布置，经船闸水力学分析计算比较及各部分结构体型优化，选定的输水系统能满足设计输水时间、船舶在上、下游引航道、闸室的停泊和航行安全以及船闸输水阀门安全运转的要求。