引江济淮蜀山船闸输水系统设计

一、工程概况

蜀山泵站枢纽位于合肥市高新区宁西铁路桥北侧约1.5km处，为引江济淮工程江淮沟通段最大枢纽，主要建筑物有泵站、船闸、泄水闸等，船闸布置在泵站南侧，根据运量预测，远期要建成双线船闸，近期先建一线，预留二线船闸位置及建设条件。一线船闸、泵站平行布置，轴线中心距261.1m。引江济淮江淮沟通段航道等级为Ⅱ级，设计代表船舶吨级为2000吨级，蜀山船闸按Ⅱ级标准建设，闸室有效尺度280m×23m×5.2m（长×宽×最小门槛水深）。

二、输水系统设计水位条件

蜀山船闸输水系统计算水位选择最大水头、最小水头及常水头三种水位工况，见表1。

三、闸基地质条件

根据工程布置，闸基座落在⑨3层中等风化～新鲜粉、细砂岩层上，砖红色，呈柱状及长柱状，局部夹泥岩。该层为易崩解的软质砂岩，地基承载力仅700kPa，基底摩擦系数仅0.45，在干湿交替的环境下易崩解成粉细砂。

四、输水系统设计

1.输水系统选型

船闸输水系统可分为集中输水系统和分散输水系统两大类。根据《船闸输水系统设计规范》（本文以下简称《规范》）规定，输水系统类型根据判别系数m值初步选定。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为2.5～3.5时，应进行技术经济论证或参考类似工程选定。判别系数m值按下式计算：

式中：m―判别系数；

H―设计水头（m），取H=17.26m；

T―闸室灌水时间（min）。

输水时间T=8～10min，计算得：m=1.93～2.41＜2.5，因此输水方式采用分散式输水系统。

2.输水系统方案确定

船闸分散式输水系统通常有闸墙长廊道侧支孔输水系统和闸底长廊道侧支孔输水系统两种形式，该工程闸墙高度达31.2～34.2m，在地基承载力及基底摩擦系数低、干湿交替环境下易崩解成粉细砂的软岩上，岩面高程远低于闸墙顶高程，闸墙结构采用分离式结构如重力式、衬砌式均不适用，故选择整体式钢筋混凝土坞式结构。对于整体式闸室结构，闸底长廊道输水系统基坑需要挖得更深，土石方及混凝土工程量更大，不经济，因此该工程选择闸墙长廊道侧支孔分散式输水系统。

3.闸墙长廊道侧支孔分散式输水系统布置

（1）输水阀门处廊道断面面积

根据《规范》，输水阀门处廊道断面面积可按以下公式进行计算：

式中：ω为输水阀门处廊道断面面积（m2）；C为闸室水域面积（m2）；H为设计水头（m），d为惯性水头（m），μ为阀门全开时输水系统的流量系数，可取0.6～0.8；T为闸室输水时间（s）；α为系数（可查表）；kv可取0.6～0.8；g为重力加速度（m/s2）。

对于蜀山船闸，C=307×23.0=7061m2，H=17.26m，d值 及 μ 值根据类似工程经验取分别取0.45m和0.7～0.8，α根据《规范》可得为0.56～0.53，T=8～10min=480～600s，kv＝0.7。则：.8

初步确定输水阀门尺寸（宽×高）为2×4.5m×4.5m，总面积为40.5m2。

（2）输水系统主廊道和闸室出水孔段布置

输水阀门廊道断面面积确定后，在选择主廊道断面面积以及侧支孔断面面积时，有两个比值必须加以注意，即：

原则上，α值越大，输水系统出水孔段的损失越小；β值越小，越有利于前后支孔出水均匀，但将增加出水孔段水头损失，根据美国陆军工程兵团的经验，一般取β=0.95。

取主廊道断面（宽×高）为2×5.0×5.0=50.0m2，闸墙每侧设30个侧支孔，分为2组，上游至下游孔口尺寸（宽×高）分别为（0.72×1.20）m2（15 孔 ）、（0.60×1.20）m2（15 孔 ），总面积为47.52m2，这样α、β值分别为1.24和0.95。

《规范》规定出水孔间距宜为闸室宽度的1/4，因此确定出水支孔间距为23×1/4=5.75m，每侧布置30个出水孔，这样出水孔总长为30×5.75=172.5m，约占闸室有效长度的61.6%。

按《规范》要求，侧支孔长度L≥2～4D，D为出水支孔直径或断面宽度，取支孔断面最大宽度D=0.72m，则 L ≥ 1.44～2.88m， 取 L=3.0m， 支孔断面采用标准的与闸墙垂直的水平布置，为减少水力损失，支孔进口断面采用三面修圆，圆弧半径为0.30m，出口断面三面修圆，圆弧半径也采用0.30m，水平方向按3.0°角扩散。出水侧支孔出口设置消力槛，选择槛高0.50m，距出水口1.0m。

为使施工方便，蜀山船闸取闸墙廊道底高程-1.20m，与闸室底高程一致，加上闸墙廊道的高度5.0m，下游最低通航水位时廊道淹没水深为2.0m，与水头比为0.17，最大设计水头工况时廊道淹没水深为2.8m，与水头比为0.16。

由于蜀山船闸规模很大，若远期双线船闸同时运行，其耗水量及输水流量较大，引航道内水流条件较难满足，且其输水阀门为平面阀门，阀门工作条件亦较为严峻，因此，考虑到双线船闸布置的特点，将两线船闸闸墙廊道通过两根连通廊道相连，并设置阀门以控制两线船闸间的输水，从而达到省水、改善引航道水流条件和闸首输水阀门工作条件的目的，连通廊道阀门段尺寸亦为：2×4.5m×4.5m（宽×高）=40.5m2。

（3）进、出水口布置

对于分散输水系统，其进水口型式一般有闸首边墩及槛上多支孔、导墙上多支孔及引航道底部横支廊道进口三种布置型式。

闸首边墩及槛上多支孔进口布置在闸首范围内，其上游引航道导墙的断面可大大减小从而降低工程投资，但其进口面积分布受到较大限制，水流比较集中，容易形成进口漩涡，且当船闸水头或取水流量较大时引航道内的水流条件难以满足过闸船舶安全要求。因此，此种进水口布置一般用于水头较低、输水流量较小的船闸。

导墙上多支孔进口取水时水流相对分散，能适应取水量较大的分散输水系统，也是目前分散输水系统中应用最为广泛的进水口型式，但其要求的淹没水深较大，结构也相对复杂。

引航道底部横支廊道进口型式适用于引航道较宽、水头高、输水流量大的船闸，但要保证其有足够的淹没水深，同时需注意进水口的泥沙淤积问题。

考虑到蜀山枢纽船闸最终将采用双线并列布置，位于其中隔墩或辅导航墙上的进水口可采用两线共用或独立布置两种方式。将两线船闸进水口连通即共用进水口的布置方案可改善一线船闸单独输水时引航道内的水流条件，但也存在一定隐患：一是当两线船闸同时运行，由于两线船闸实际运行特性不可能完全一致，因此共用进水口将带来一些不可预见的水力学问题；二是当两线船闸错开运行时，若一线船闸充水时另一线船闸处于船舶进闸状态，则由于共用进水口将会给另一线船闸进闸船舶的航行安全也带来一定的安全隐患。

由于蜀山枢纽属于中水头枢纽，进水口若采用引航道底部横支廊道布置，则由于其引航道底高程较高，淹没水深相对较小，因而可能产生进水口淤积或堵塞，且不便检修。而由于其输水流量较大，因此闸首边墩及槛上多支孔进口布置很难满足进口水流条件的要求。同时，为确保双线船闸的运行安全，不推荐采用双线船闸共用进水口的布置方案，因此其进水口布置最终考虑采用导墙上垂直多支孔布置。

按《规范》要求的分散输水系统进口流速不宜大于2.5m/s，按最大充水流量计算，蜀山船闸进水口面积需大于180.4m2，因此考虑采用导墙上垂直多支孔布置型式。取进水口（宽×高）为（2×6×4×4.5）m2，总面积216m2，这时进水口最大断面平均流速约为1.90m/s。取输水系统进水口顶高程11.20m（相应的底高程6.70m），在设计最大水头时淹没水深为12.66m，为设计水头的0.73倍，在上游最低通航水位时淹没水深为6.2m，为对应水头的0.53倍，均满足规范进水口淹没水深大于0.4倍水头的要求。

分散输水系统的出水口布置与进水口布置基本类似，主要有闸首边墩及槛上多支孔、导墙上多支孔及引航道底部横支廊道进口等几种布置型式。

（4）阀门段输水廊道布置

充水阀门段廊道与进水口通过垂直转弯相连接，充水阀门淹没在垂直转弯以下，之后再通过垂直和水平转弯与闸室出水段廊道连接，同时将输水廊道宽度由4.5m扩大至5.0m，高度也由4.5m调整至5.0m。

取充水阀门处廊道顶高程-0.20m，下游最低通航水位时阀门处廊道顶淹没水深为6.0m，与对应水头比为0.51，最大设计水头工况时阀门处廊道顶淹没水深为6.8m，与最大设计水头比为0.39。

下闸首泄水阀门段廊道通过垂直转弯和水平转弯与闸室出水廊道相连接，垂直转弯将廊道高度由5.0m调整为4.5m，水平转弯将廊道宽度由5.0m调整至4.5m；泄水阀门后再通过一次水平转弯与下闸首出水口消能室相连接，出水口断面面积取阀门处廊道断面面积的2倍，即2×4.5m×4.5m=40.5m2，为使出水口水流尽可能均匀，在泄水阀门后水平转弯设中间隔墩，隔墩的起点略偏向弯段外侧。

五、结语

据统计，蜀山船闸是国内外采用闸墙长廊道侧支孔出水分散式输水系统水头最高的船闸，与类似工程相比较，属较大突破和创新，根据闸址特殊的地质条件，通过优化工程布置，水力计算的各项指标满足规范要求，输水系统可行、经济、安全。设计过程中还进行了数模计算和水工模型试验，结果表明蜀山船闸的输水系统设计能够满足船闸安全运行