适应通过能力发展需求的多线船闸输水系统设计与应用

严振石,李 君,宣国祥,金 英

(1.广西西江开发投资集团有限公司，广西 南宁 530022；2.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，水利部水科学与水工程重点实验室，江苏 南京 210029)

近20年来，国家对内河水运的重视提到了前所未有的高度，内河水运建设已成为国家战略，深入推进水运供给侧结构性改革、加快水运提质增效升级、补齐水运基础设施建设短板是我国今后一个时期水运行业的发展方向。

国家对内河水运的大力投入，极大促进了内河水运事业的发展，内河水运货运量增长迅猛，对通航建筑物通过能力要求愈来愈高。无论新建还是改扩建船闸工程，其闸室规模逐步增大，Ⅰ～Ⅲ级船闸所占比例越来越高。以广西西江流域为例，为实现亿吨黄金水道的目标，在原有Ⅳ级和Ⅲ级船闸基础上，目前正在逐步推进十余座Ⅰ级船闸的扩建工程，待这些船闸完建后，将形成世界范围内规模最大的巨型船闸群。

欧美国家在通航枢纽总体设计中[1-3]，通常在靠岸一侧先建设一座小船闸，同时考虑通过能力发展趋势，在靠河一侧预留第二线船闸(大船闸)位置；或者同时建设两座小船闸，待通过能力无法满足货运量发展时，再将靠河一侧船闸加长扩建为大船闸。在此设计下，可以较好地满足不同吨位船舶通航需求，有利于通航组织调度。而在我国，受到工程投资和征地移民等因素限制，往往先在靠河一侧建设小船闸，待通过能力无法满足货运量需求时再在靠岸一侧扩建大船闸，从而导致了大船走岸边、小船走河心这种不利于船舶通航安全和组织调度的结果，同时间接影响了枢纽的总体通过能力。

输水系统是船闸完成闸室充泄水过程的主要设备，其设计须满足输水时间要求以提高船闸通过能力和营运效益，并保证闸室和引航道内船舶的停泊和航行安全以及输水系统自身的安全。上述巨型船闸的输水水力指标远超国内外类似工程，对输水系统的要求提升到了新的高度。为此，在通过能力需求发展的背景下，开展适应我国特有多线船闸总体布置形式、闸室规模及输水水力指标变化的输水系统形式选择与应用研究，对于新时代内河船闸工程建设具有极其重要的意义。本文将以西江流域最具代表性的长洲枢纽四线船闸群为例开展研究。

1 长洲枢纽船闸规模论证

长洲水利枢纽是西江干线广西境内的最末一个梯级。在长达十几年的设计研究过程中，长洲枢纽船闸通航等级规模也历经多次调整。1992年，其通航规模确定为双线千吨级船闸，船闸有效尺寸分别为185 m×23 m×3.5 m(有效长度×宽×槛上水深，下同)和185 m×15 m×3.5 m，单向通过能力为1 270万t/a。1994年，交通部提出长洲水利枢纽的船闸规模应为双线千吨级船闸，闸室有效尺寸均扩大为185 m×23 m×3.5 m，设计单向通过能力为2 400万t/a。2004年，广西研究提出将双线船闸中的一线船闸从1 000吨级扩大为2 000吨级，为Ⅱ级船闸，闸室有效尺度扩大为200 m×34 m×4.5 m，二线船闸的规模为1 000吨级不变，两座船闸单向通过能力总和为 3 920万t/a。

2007年以后，广西进入打造西江亿吨黄金水道建设高峰期，长洲枢纽已建一线、二线船闸通过能力已明显不能满足过闸货运量和船舶大型化需求，经常发生船舶滞留现象，社会影响大，扩建船闸的迫切性突出。2009年底，长洲三、四线船闸工程同时动工，船闸均为Ⅰ级船闸，工程可研阶段闸室有效尺度为310 m×34 m×5.6 m，进入初步设计阶段后又调整为340 m×34 m×5.8 m，单向通过能力达9 600万t/a。2015年初，三线、四线船闸建成通航，长洲枢纽总设计通过能力达到1.36亿t，成为世界上通过能力最大的内河船闸群。

由长洲枢纽船闸规模论证过程可知，随着水运货运量的不断增长，以及政府对其发展趋势分析的不断深入，枢纽4座船闸的设计规模也在随其通过能力的需求不断调整。

2 长洲枢纽船闸群输水系统设计

根据长洲枢纽船闸不同阶段确定的规模，其输水系统设计主要经历了3个阶段。第1阶段是针对枢纽一线、二线船闸规模均为185 m×23 m×3.5 m开展，第2阶段是针对一线船闸规模调整为200 m×34 m×4.5 m开展，第3阶段则是针对三线、四线船闸规模均为340 m×34 m×5.8 m开展。

2.1 长洲二线船闸输水系统设计

长洲二线船闸设计水头H为15.55 m，设计输水时间T为10 min，根据《船闸输水系统设计规范》[4]中输水系统选型公式：

(1)

计算可得判别系数m=2.54。根据规范要求，可采用集中输水系统，也可采用分散输水系统，鉴于长洲枢纽为水运交通的重要工程，且船闸规模较大，通航保证率要求较高，对集中输水系统来说，该船闸的水头显然较高，因此考虑采用分散输水系统方案。因其m值大于2.4，因此选择第一类分散输水系统——闸墙长廊道侧支孔形式。

闸墙长廊道侧支孔输水系统对非岩石基础船闸，由于闸墙采用混凝土重力式，因此在闸墙底部布置主廊道是经济的，在闸墙主廊道上接侧支孔也较为方便，结合长洲二线船闸实际地质条件和结构设计，采用此种输水系统形式是合适和经济的[5]。闸墙长廊道侧支孔输水系统在美国最先发明也是最为常用的输水系统形式，其水力设计也较为成熟，但其应用水头在美国设计手册[6]中规定不超过9.2 m，闸室门槛水深不小于6 m；同时，该输水系统对阀门单边运行或双边不同步运行的适应性较差，阀门单边运行时一侧完全无水出流，另一侧即进水侧出水支孔的水流直接冲至对面闸墙，在闸室内形成较大横向水面坡降，船舶所受横向力较大，不利于船舶停泊安全。对于长洲二线船闸15.55 m的设计水头和仅有3.5 m的槛上水深而言，闸墙长廊道输水系统能否适应其更高的水力指标是输水系统设计中需考虑的重要问题。

为解决闸墙廊道侧支孔输水系统在我国大型船闸的适用性问题，针对我国闸室设计初始水深较小的特点，放弃了美国对这一输水系统的自由射流消能原理(即针对其船闸初始水深较大的特点，利用船底富裕水体空间进行水流扩散消能)，首次在23 m宽的船闸中提出通过消力槛强迫消能以及调整水流的横向分配，并系统研究了出水口消力槛布置形式和方法。研究结果表明，侧支孔出口外设置消力槛对闸室水流条件的调整作用明显，尤其对船闸单侧输水情况效果更佳。根据船闸尺度及水力指标的不同，消力槛高度可在0.35～0.50 m变化，同时消力槛的高度宜为侧支孔高度的0.4～0.7倍，消力槛距出水口距离宜在1.0～2.0 m。通过本项创新技术研究，极大地提高了消能效率，成功地解决了这一输水系统形式在我国初始水深较小条件下的应用问题，实现了闸墙长廊道侧支孔输水系统在大型船闸中的应用，并且已将此类输水系统的应用水头由美国规定的9.2 m提高至目前长洲二线船闸的15.55 m。

经模型试验[7]最终确定的长洲二线船闸消力槛高度为0.5 m，距侧支孔出口2.0 m，输水系统具体布置见图1。

图1 长洲二线船闸闸墙长廊道侧支孔输水系统(高程：m； 尺寸：mm。 下同)

2.2 长洲一线船闸输水系统设计

一线船闸设计水头与二线船闸一致，均为15.55 m，闸室规模经调整后设计输水时间调整为12 min。根据输水系统选型公式计算可得，一线船闸m值为3.05，因此可采用集中输水系统，也可采用分散输水系统，但考虑到调整后的一线船闸规模较二线船闸增大了1.6倍，其水力指标亦有较大增加，因此必须采用分散输水系统，并且二线船闸所采用的闸墙长廊道侧支孔输水系统已达到其应用的上限，其水力特性已不能满足一线船闸输水要求。同时由于闸室宽度由23 m增加至34 m，闸墙长廊道侧支孔输水系统中存在的单边阀门开启或双边阀门不同步开启下闸室内横向水面坡降较大问题将进一步放大。为此，须采用其它类型输水系统。

考虑一线船闸仍采用重力式闸墙结构形式，在闸墙内布置廊道较为经济，同时考虑闸室内水流分配问题，在侧支孔输水系统基础上在侧支孔外增加横向出水廊道，即采用第二类分散输水系统中的闸墙长廊道闸室中部横支廊道输水系统。为解决一线船闸高水力指标下的闸室水流消能问题，在传统的横支廊道侧支孔单明沟消能基础上，提出了复合式横支廊道双明沟消能的新措施，即在横向出水廊道的侧向出水孔外设置两道或多道明沟进行消能，第一道明沟的尺度及布置须满足原单明沟布置的相关要求及规定，相邻明沟之间设置带有透水孔的消力槛，通过改变消力槛上的透水孔面积进一步调整闸室的横向水流分布。这种布置的优点是将原单明沟消能的空间增大了一倍甚至多倍，同时在平面上扩大了水流耗散的面积，从而可获得较好的水流条件，提高了停泊在闸室内过闸船舶安全性，并可减少廊道数，简化闸室结构。

经模型试验[8]最终确定的长洲一线船闸输水系统具体布置见图2。

图2 长洲一线船闸闸墙长廊道闸室中部横支廊道输水系统

2.3 长洲三、四线船闸输水系统设计

长洲三、四线船闸在设计之初有多种建设方案，包括同步建设并列布置、先后建设分开布置，其可选建设位置包括岸边和台地等，上述建设方案和所处位置的地质条件将对输水系统设计产生较大影响。因此在工程可研阶段和初设阶段针对不同建设方案开展了输水系统设计研究。

长洲三、四线船闸最终确定的设计水头为17.28 m，设计输水时间为12 min。根据输水系统选型公式计算可得，三、四线船闸m值为2.88，同样可采用集中输水系统，也可采用分散输水系统。但考虑其水力特点及重要性，最终推荐采用分散输水系统方案。结合工程实际地质条件和建设方案，推荐了两种输水系统形式，一是闸底长廊道输水系统，以利用基础开挖较深的条件减小闸墙工程量；二是单侧闸墙长廊道闸底横支廊道输水系统，以利用双线并列布置特点，将输水系统布置在两线船闸之间，便于管理、并可减小部分闸墙工程量。

由于长洲三、四线船闸规模巨大，船闸运行时的耗水量及输水流量较大，每线船闸输水体积达23万m3,仅三、四线船闸运行就将每天耗水1 000万m3,引航道最大下泄流量达1 400 m3/s。由此将带来两大问题：一是船闸耗水量巨大，不仅消耗水资源，也对枢纽的发电效益造成一定影响；二是船闸引航道内的水流条件难以满足船舶安全航行及停泊的要求。结合新建长洲三、四线船闸并列布置的特点，提出了在两线船闸输水系统间设置连通廊道的省水布置方案，以实现两线船闸相互输水，并通过模型试验和原型观测等解决了闸室停泊条件、连通阀门工作条件及连通廊道进出口水流条件等难题。提出了满足并列船闸单独输水和相互输水水力条件的互通省水布置形式，包括连通廊道阀门布置及进出口布置。在此布置下，研究了最佳输水方式以提高输水效率，提出的互通省水布置下输水方式为：两座船闸之间先通过连通廊道进行相互输水，待两座船闸间水头差减小到一定程度后，关闭连通廊道输水阀门停止两座船闸间的输水，同时开启每一座船闸的充、泄阀门以完成剩余的输水过程。在输水方式优化研究中，提出了连通阀门及各自单独运行的阀门启闭速率和互通输水终止时的水头。在互通省水运行方式下，与单线船闸正常运行方式相比，各项水力指标均有较大幅度降低，最大流量下降40%，输水水流条件较好；系缆力有所下降，闸室内船舶停泊条件较好；阀门后廊道最低压力增加约10 m水柱，阀门工作条件大大改善；引航道平均流速降低40%，船闸进出水口与引航道内水流平稳。实现互通输水后，每线船闸可节水30%，两线船闸节水60%以上，每天可减少耗水量600万m3,经济和社会效益巨大。

经模型试验[9]确定的长洲三、四线船闸闸底长廊道输水系统和单侧闸墙长廊道闸底横支廊道输水系统布置分别见图3、4。根据比选，最终确定采用闸底长廊道侧支孔双明沟消能输水系统形式以及两线船闸互通省水布置。

图3 长洲三、四线船闸闸底长廊道输水系统

图4 长洲三、四线船闸单侧闸墙主廊道闸底横支廊道输水系统

3 结语

1)船闸输水系统形式选择须综合考虑船闸通过能力需求、平面布置方案、闸室规模、工作水头、地质条件、船闸结构形式、运行管理等方面，为每座船闸选择最适合其特点的输水系统，以得到输水安全与效率的最佳结合。

2)由于我国内河水运规划水平与国外相比有所差距，因而经常导致船闸通过能力无法适应内河水运发展；并且与欧美国家不同，在船闸总体布置时，大多将等级低的船闸布置于靠河侧，后期扩建时则将等级高的船闸放置于靠岸侧，使得船闸扩建时工程量较大，且后期运行调度管理难度增大，枢纽总体通航效益无法得到充分发挥。因此，在今后船闸规划设计时应着重考虑船闸建设总体布局。