大型超高水头船闸输水系统型式研究与展望

吴英卓，江耀祖， 姜伯乐， 王智娟

(长江科学院 水力学研究所，武汉　430010 )

大型超高水头船闸输水系统型式研究与展望

吴英卓，江耀祖， 姜伯乐， 王智娟

(长江科学院 水力学研究所，武汉430010 )

摘要：高水头船闸输水水流携带巨大能量，可能对船闸输水系统运行安全及闸室内船舶停泊安全产生危害，选择合理的输水系统型式对保障工程安全至关重要。随着大型超高水头单级船闸——大藤峡船闸的开工建设，研究发现目前已成功运行的输水系统型式不能满足该工程需要，亟需消能效果更好的输水系统。结合大藤峡船闸工程相关研究，参考国内外已建高水头船闸输水系统布置的成功经验，总结了高水头船闸不同输水系统型式与船闸运行水头和闸室尺度规模的匹配关系，介绍了适应大藤峡船闸工程特点的自分流全闸室出水4区段等惯性输水系统型式，提出了消能效果更好的带内消能工的输水系统新体型，可供类似超高水头大型船闸的设计和研究借鉴。

关键词：大型超高水头船闸；输水系统型式；自分流；全闸室出水；内消能工

1研究背景

近年来在通航河流上已建、在建和拟建的一些运行水头超过30 m的高水头船闸，有长江三峡船闸[1]、乌江银盘船闸[2]、乌江白马船闸[3]、大渡河安谷船闸[4]和黔江大藤峡船闸[3]等，特别是处于设计阶段的大藤峡船闸和已建成的三峡船闸均是水头(或级间水头)超过40 m的超高水头船闸。其中三峡船闸为连续5级船闸，其中间级最大水头45.2 m，闸室尺度280 m×34 m，是世界上闸室尺度最大的超高水头多级船闸；大藤峡船闸最大水头40.25 m，闸室尺度与三峡船闸相同，是世界上闸室尺度最大的超高水头单级船闸。

对三峡船闸，通过采用4区段8纵支廊道顶部出水盖板消能等惯性输水系统，再结合加大输水阀门段埋深、阀门后廊道采用突扩腔体、门楣通气以及快速开启阀门的运行方式等综合措施，成功地解决了输水系统水流空化及闸室内船舶停泊安全问题。大藤峡船闸虽然最大水头低于三峡船闸，但因单级船闸充水时上游水位恒定、泄水时下游水位恒定的特点，使其闸室单次充泄水体达到三峡船闸的1.8倍，在充水时间基本相同时，充水过程中进入闸室的水流能量更大，采用与三峡船闸一样的输水系统布置型式能否满足工程需要，须系统地进行水力学研究验证。

此外，随着我国西部开发带来的经济繁荣，西部通航河流的货运量大幅上升，许多已建枢纽有了扩建通航建筑物的需求，而西部河流两岸山体高陡、河床窄深的特性使得修建多级船闸存在布置困难、工程投资大等问题，且当规模、水头相近时，单级船闸的工程投资、技术难度与建造升船机相比要低，因此修建水头接近或超过40 m的超高水头单级船闸成为经济发展的迫切需要。

本文对已有高水头船闸输水系统型式展开系统比较，提出了消能效果更好的船闸输水系统布置型式，可为今后类似超高水头单级船闸的设计提供借鉴。

2高水头船闸输水系统研究及应用现状

船闸输水系统必须与船闸闸室尺度和水头相匹配，因此型式众多。早期的高水头船闸，闸室尺度较小的多采用简单分散输水系统，如前苏联建成的乌斯基-卡米诺阿尔斯基单级船闸[5](闸室尺度为100 m×15 m，最大水头为42 m)以及我国的万安单级船闸[6](闸室尺度为175 m×14 m，最大水头为32.5 m)均采用了闸底长廊道输水系统；对于闸室尺度较大的船闸多采用较为复杂的输水系统布置型式，如美国的约翰德[7]、冰港[8]、下纪念碑[9]及小鹅船闸[10](闸室尺度为206 m×26.2 m，最大水头34.5～30.8 m)均采用了闸底前后横支廊道输水系统；随着闸室尺度进一步加大又出现了更加复杂的闸底纵横支廊道输水系统布置型式，如我国的葛洲坝2#船闸[11](闸室尺度为280 m×34 m，最大水头27 m)。显然为适应船闸大型化和高水头化发展，与之相匹配的输水系统型式越来越复杂，且随着更大尺度更高水头船闸的出现，上述输水系统布置型式已很难满足过闸船舶停泊安全要求。

表1　　国内外部分采用等惯性输水系统高水头船闸特征统计

注：带上标1的船闸处于在建阶段，带上标2的船闸处于设计阶段，其它为已建成；多级船闸最大水头栏中括号内数值为级间最大水头。

自20世纪50年代法国建成第1座等惯性输水系统船闸后，等惯性输水系统就因输水效率高、闸室内船舶停泊条件好而被后续高水头船闸广泛采用，并且随着闸室尺度及水头的不同，衍生出许多不同的布置型式，但基本可归纳为2区段出水、4区段出水、8区段出水3类等惯性输水系统布置(基本型式示意图见图1)。其中2区段及4区段布置均有成功运用实例[12-14]，而8区段布置仅进行过研究。

图1　等惯性输水系统基本型式示意图Fig. 1　Basic patterns of dynamically balanced fillingand emptying system

表1列出了国内外部分采用等惯性输水系统高水头船闸特征值。从表1可发现，已建成并成功运用的等惯性输水系统船闸中，闸室长度<200 m均采用了2区段的布置型式，闸室长度≥200 m则均采用了4区段的布置型式，并且这2种输水系统应用在单级船闸中水头均未超过40 m。前苏联曾在特制的水头为70.0 m、闸室尺寸为150 m×18 m的船闸模型上，研究过迄今为止最为复杂的8区段等惯性输水系统，以及在此基础上改进的带蓄水池的船闸方案。由此可看出，随着闸室尺度和水头的加大，相应与之匹配的等惯性输水系统型式将趋于复杂。

根据已建高水头船闸资料，适应水头在40 m以下的高水头船闸输水系统型式已较为成熟；适应级间水头超过40 m的超高水头多级船闸的输水系统也有成功实例，如三峡船闸的4区段等惯性输水系统及五强溪船闸的2区段等惯性输水系统；而国内外已建水头超过40 m的单级船闸仅有1953年建成的乌斯基-卡米诺阿尔斯基船闸一座，但因其采用了带中间消能室的闸底长廊道输水系统，造成输水水流严重掺气，闸室内停泊条件恶劣。为解决船舶过闸问题致使输水时间长达45 min，属于输水系统型式选择不当的案例。因此对于水头超过40 m的超高水头单级船闸而言，没有成功的输水系统布置型式可供借鉴。

3大型超高水头单级船闸输水系统型式研究

大藤峡船闸是典型的超高水头大型单级船闸，该船闸输水系统设计方案采用了与葛洲坝1#船闸以及三峡船闸类似的4区段8纵支廊道顶部出水盖板消能等惯性输水系统型式[1]。输水系统第1分流口采用立体分流体型，第2分流口采用水平与立体组合分流型式[15]，输水阀门段廊道为 “底扩”体型[1]，阀门段埋深20 m，闸室内出水孔区域面积占闸室总面积60%。

图2　自分流全闸室出水方案输水系统布置Fig.2　Layout of filling and emptying system with autonomic diversion outletsin the whole shiplock

相关试验成果表明:该设计方案船闸输水流量大(Qmax>1 000 m3/s)、输水时间短;采用与三峡船闸相同的阀门开启时间tv=2 min快速开启阀门运行方式时，输水时间T较15 min的设计允许值少近4 min，但闸室内船舶停泊条件较差，系缆力超标1倍左右，即使将阀门开启速度放慢至tv=12 min，系缆力仍超标13%以上，并且输水阀门后突扩腔压力偏低，如最高通航水头下双阀采用tv=2 min快速开启输水时，突扩腔各典型测点最低时均压力为1.32×9.8 kPa(充水阀门段)、5.48×9.8 kPa(泄水阀门段)；采用tv=8 min较慢速度开启输水时，突扩腔各典型测点最低时均压力为0.65×9.8 kPa(充水阀门段)、-0.13×9.8 kPa(泄水阀门段)，瞬时最低压力均为负压，类比相似工程原型与模型压力差异，在考虑模型缩尺效应后可判定阀门工作条件较差。

上述成果表明设计方案输水廊道尺寸偏大，造成进入闸室的输水流量及水流能量偏大。因此，通过物模对输水系统型式及阀门运行方式进行了如下优化：①将输水主廊道面积缩小约7%、阀门孔口面积缩小约13%，以控制输水流量；②缩减闸室内出水孔(充水系统出口)以及泄水箱涵出口(泄水系统出口)面积各30%，调整充泄水阀门段前后阻力分配，以提高阀门段廊道压力[14，16]；③扩大出水孔布置区域范围，使有出水孔区域面积与闸室总面积比由设计方案的60%提高至65%(三峡船闸为62%)，以减小单位水体比能；④优选阀门运行方式，充水阀采用慢速开启(tv=6～8 min)，泄水阀采用快速开启(tv=2～4 min)。经采用以上综合措施，控制了船闸输水流量(Qmax≤850 m3/s)，并且输水时间满足T≤15 min的设计要求并略有富余；提高了充泄水阀门段突扩腔压力，最高通航水头下tv=8 min双阀开启充水，突扩腔各典型测点最低时均压力为8.69×9.8 kPa，瞬时最低压力亦为正压，tv=2 min双阀开启泄水，突扩腔各典型测点最低时均压力为9.03×9.8 kPa，瞬时最低压力为4.00×9.8 kPa；改善了闸室内船舶停泊条件，纵向系缆力已满足规范要求，但仍存在横向系缆力偏向一侧且超标的问题。表明常规的4区段等惯性输水系统布置型式已不能适应该工程需要，必须探索新型的输水系统布置型式。

分析造成闸室停泊条件仍不理想的原因基本为以下3方面：①闸室内出流的分散程度仍不够，单位水体比能过大；②闸底有出水孔区域与无出水孔区域会形成一定的水面坡降，使闸室水面产生扰动;③通过第2分流口的水流流速过高与分流口体型不匹配，使得进入闸室不同区域水流的均匀度不够。根据上述分析可知，进一步降低船舶系缆力的途径为优化第2分流口体型及进一步加大有出水孔区域的范围。

为此对第2分流口体型通过数模和物模进行了优化，将通过水平隔板与垂直隔板控导的分流方式，修改为简单的大空腔水流自行分流方式，该简单的大空腔体型减小了第2分流口的平面尺寸，使得闸室内布置出水孔的廊道长度得到有效延伸。这一新的船闸输水系统称之为自分流全闸室出水4区段等惯性输水系统，其具体布置型式见图2。

研究成果表明，自分流全闸室出水方案，在最高通航水头下，采用tv=6～10 min双阀开启充水、tv=2～4 min双阀开启泄水，充水时间为12.85～14.19 min、泄水时间为13.19～13.87 min[17]，满足设计输水时间T≤15 min要求；输水廊道关键部位流速满足规范要求；闸室内3 000 t单船最大纵向系缆力34～27 kN、最大横向系缆力9～8 kN，满足纵向系缆力≤46 kN、横向系缆力≤23 kN的规范要求，且有较大富余,2×2 000 t船队最大纵向力29～21 kN、最大横向系缆力5～3 kN，满足纵向系缆力≤40 kN、横向系缆力≤20 kN的规范要求，且有较大富余；充泄水阀门段、分流口各典型测点时均压力均为正压，压力状况良好，如最高通航水头下tv=8 min双阀开启充水，阀门段突扩腔各典型测点最低时均压力为9.63×9.8 kPa，瞬时最低压力为正压，tv=2 min双阀开启泄水，阀门段突扩腔各典型测点最低时均压力为8.58×9.8 kPa，瞬时最低压力为正压；分流口区域压力状况良好，特别是第2分流口的廊道时均压力较高(≥12.80×9.8 kPa)、压力脉动小，说明采用大空腔降低流速分流的方式，分流口自身无空蚀破坏之忧。

图3　带内消能工的新型输水系统示意图Fig.3　New type of filling and emptying system withinternal energy dissipater

4带内消能工新体型展望

从上述研究成果可知，已有的成功运用于40 m水头下的成熟的输水系统布置型式不能满足大藤峡船闸的要求，但通过充分扩展出水孔范围以及调整输水系统局部廊道尺寸后，确定的自分流全闸室出水4区段等惯性输水系统，很好地解决了闸室内船舶系缆力超标、输水系统输水阀门后突扩腔压力偏低的问题。可以预见，随着更大尺度更高水头船闸的出现，上述输水系统布置型式又将可能不满足工程需要。因此亟待研究一种结构简单且消能效果好的输水系统型式，以适应更高的船闸运行水头。

闸室内船舶系缆力超标等一系列问题，均是因为输水水流能量过大，输水系统消能有限，进入闸室内水流的能量过大和(或)分布不均匀所致。针对上述问题，长江科学院提出了一种带内消能工的2区段高水头船闸分散输水系统新体型，见图3。这一体型较好地解决了超高水头船闸输水时进入闸室内水流能量过大的难题，使常规需采用4区段等惯性输水系统的船闸输水系统型式得到简化，另外通过内消能工调整输水系统阻力、扩大输水廊道尺寸，达到降低输水廊道流速的目的。该新型高水头船闸输水系统已获得国家发明专利[18]。

该内消能工是一种变异的突扩突缩式消能工，设置在输水系统闸室内出口区域，在输水支廊道后、出水孔前。输水水流经主廊道过分流口进入上下支廊道，通过支廊道侧壁上设置的多个分流孔进入一个封闭式消力池，消力池内可设置消力墩和消力梁，水流在消力池内先消耗部分能量，再从消力池顶板上设置的多个出水孔进入闸室，最后通过与出水孔顶设置的消能盖板碰撞再消耗部分能量。因进入闸室的水流经过内、外2次消能，并且内部消力池淹没在水下规避了水流掺气问题[19]，改善了闸室船舶停泊条件。预期经过进一步系统研究与优化，这一新的输水系统型式有望在更高水头的大型船闸中应用。

5结语

借鉴国内外已建高水头船闸输水系统布置的成功经验，通过对相似规模船闸进行类比分析及物模与数模研究，对大藤峡船闸输水系统型式进行了论证及优化，提出的自分流全闸室出水方案充分吸取了4区段等惯性输水系统对不同流量适应性强的优点，通过全闸室分散输水减小了闸室水流纵横向流动，有效降低了主要参与消能水体的比能，实测系缆力已远小于规范允许值。上述研究成果表明，自分流全闸室出水方案全面兼顾了船闸通过能力、船舶停泊安全及输水系统自身安全三大船闸运行要素，是水头超过40 m的大型单级船闸的一种可靠的输水系统布置型式。

在输水系统闸室内出口设置内消能工，规避了具有开敞水面内消能工可能出现的水流掺气问题，从理论上可解决超高水头船闸输水廊道流速过大及闸室内水流条件较差的问题；通过加设的可调控消能率的内消能工，对整个输水系统阻力进行调整，同时对输水阀门前后阻力分配也进行调整，以达到适应不同条件超高水头船闸要求的目的。但鉴于针对该输水系统型式的研究尚不充分，今后有必要进行系统研究与优化，探明输水系统阻力分配与水力特性响应关系，获取带内消能工的船闸输水系统的适用条件，为更高水头船闸的设计提供科技支撑。

参考文献：

[1]江耀祖，吴英卓，徐勤勤，等.三峡船闸关键水力学问题研究[J].湖北水力发电，2007,72(3):60-64.

[2]蒋筱民，童迪，吴英卓.乌江银盘船闸输水系统设计与试验研究[J].人民长江, 2008，39(4)：77-79.

[3]吴英卓，陈建，王智娟，等.高水头船闸输水系统布置及应用[J].长江科学院院报, 2015,32(2):58-63.

[4]付文周，陈河东.安谷水电站船闸阀门水力学研究[J].水运工程, 2009， (12)：165-167.

[5]交通部科学技术情报研究所.国外过船建筑物(第一辑)[R].北京:交通部科学技术情报研究所,1972.

[6]杨本新.万安船闸设计与运行实践[J].人民长江，1996，27(11):19-21.

[7]CHAUDA A J, PERKINS L Z. Filling and Emptying System, John Day Lock, Columbia River, Oregon and Washington, Hydraulic Model Investigation[R]. Washington D C:United States Army Corps of Engineers, 1974.

[8]Division Hydraulic Laboratory Bonneville. Filling and Emptying System for Ice Harbor Lock, Snake River, Washington, Hydraulic Model Investigation[R]. Washington D C:United States Army Corps of Engineers, 1973.

[9]交通部三峡工程航运办公室.国外通航建筑物(第一辑)[R].北京:交通部三峡工程航运办公室,1989.

[10]PERKINS L Z, CHAUDA A J. Filling and Emptying System, Little Goose Lock, Snake River, Washington, Hydraulic Model Investigation[R]. Washington D C: United States Army Corps of Engineers, 1975.

[11]邓廷哲，金峰，彭爱琳.葛洲坝船闸水力学问题综合分析[J].人民长江，2002，33(2)：41-46.

[12]North Pacific Division of United States Army Corps of Engineers. Navigation Lock for Lower Granite Dam, Snake River, Washington, Hydraulic Model Investigations, Report No. TR-126-1[R]. Washington D C: North Pacific Division of United States Army Corps of Engineers, 1979.

[13]易兴华.等惯性输水系统及其在葛洲坝船闸中的应用[J].长江科学院院报,1988，5(1):37-48.

[14]吴英卓，江耀祖.银盘船闸输水系统布置型式研究[J].长江科学院院报, 2008，25(6)：6-9.

[15]吴英卓，江耀祖.三峡船闸输水系统分流口型式研究[J].长江科学院院报，1998,15(5):6-11.

[16]邓廷哲.船闸输水廊道阀门段水力学问题的分析研究[J].长江科学院院报，1989,6(2):37-43.

[17]邓廷哲.葛洲坝船闸水力学原、模型试验比较[J].长江科学院院报,1993，10(2):67-72.

[18]吴英卓，江耀祖，黄国兵,等.一种高水头船闸分散输水系统：中国，ZL 2014 1 0089973.7[P].2015-11-18.

[19]李君，张瑞凯，宣国祥.内消能工在船闸输水系统中的应用分析[J].水利水运工程学报，2008，(3):40-46.

(编辑：刘运飞)

Research and Prospect on Filling and Emptying System ofShiplock with Large-scale and Super-high Head

WU Ying-zhuo, JIANG Yao-zu, JIANG Bo-le, WANG Zhi-juan

(Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:The great stream power in shiplock filling and emptying system with high head may cause harm to the safety of shiplock operation and ship berthing. Choosing a proper type of filling and emptying system will be vital in guaranteeing engineering safety. With the construction of Datengxia shiplock which is a large single lift lock with super-high head, the existing filling and emptying systems cannot meet the shiplock requirement, and a system with better energy dissipation effect is in urgent need. According to relative researches on Datengxia shiplock and successful experiences in the layout patterns of shiplock’s filling and emptying system with high head at home and aboard, we summarize the matching relations between shiplock type and operation head as well as chamber scale, and present a new dynamically balanced system pattern fit for the main features of Datengxia shiplock, with autonomic diversion outlets in the whole chamber at 4 zones. This new type of shiplock filling and emptying system with interior energy dissipation function can provide reference for the design and study of subsequent large shiplocks with super-high head.

Key words:large-scale shiplock with super-high head; type of filling and emptying system; autonomic diversion; whole bottom water filling; internal energy dissipater

收稿日期：2015-10-08 ；修回日期：2015-11-11

基金项目：国家自然科学基金项目(51379019)

作者简介：吴英卓(1964-)，女，湖北郧西人，高级工程师，主要从事通航水力学研究，(电话)13387663107(电子信箱)ckywuyingz@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150836

中图分类号：TV135.4

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)06-0053-05

2016,33(06):53-57