涡阳船闸输水系统布置及水力计算分析

李向前，帅志斌，陈莹颖

（1.安徽省港航集团有限公司，安徽 合肥 230092；2.安徽省亳州港航投资有限公司，安徽 亳州 236800；3.南京水利科学研究院 通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029）

涡阳船闸改建工程按Ⅲ级（1000 吨级）标准原位拆除老闸重建新闸，闸室有效尺度为240×23×4.5m（长×宽×门槛水深），设计单向年通过能力2056 万吨[1]。新建涡阳船闸设计水头为4.00m（对应水位组合为船闸上游28.34m 至下游24.34m），最大水头为5.52m（对应水位组合为船闸上游28.34m 至下游22.82m），设计要求输水时间为8～9min[2]。

1 输水系统类型、布置及主要尺寸

1.1 输水系统类型

根据《船闸输水系统设计规范》[3]（简称“规范”）中的输水系统型式选择公式：

式中：m 为输水系统类型判别系数，T 为闸室输水时间（min），H 为船闸运行水头（m）。

计算可得，m=3.83～4，大于3.5，涡阳船闸可采用短廊道集中输水系统方案[3]。我国中、低水头船闸绝大多数采用集中输水系统型式，该型式具有费用较省的优点。

1.2 输水阀门处廊道断面面积

根据规范，短廊道输水系统的输水阀门处廊道断面面积可按下式计算：

式中：ω 为输水阀门处廊道断面面积（m2）；C为计算闸室水域面积（m2）；H 为运行水头（m）；μ为输水阀门全开时的流量系数；T 为闸室充水时间（s）；α 为系数，按规范中表格选用；kv=tv/T，tv为输水阀门开启时间；g 为重力加速度（m/s2）。

对于涡阳船闸，C ＝6373.3m2；H ＝4.00～5.52m；μ 参考其他类似已有船闸研究成果取为0.75；T=8～9min=480～540s；α 为与阀门有关的系数，查规范中相应表格得α=0.545；kv取0.7。代入以上数据，计算得出ω=23.5～24.5m2。根据计算结果并结合以往类似船闸工程经验，输水阀门处廊道尺寸定为：2～3.5×3.5m（宽×高）＝24.5m2。

1.3 输水系统布置及各部位主要尺寸

上闸首采用闸首门槛槛上进水，廊道进口布置在上游侧面，进口断面尺寸为4.8×3.5m（宽×高），廊道底高程17.55m，顶高程21.05m，廊道进口最小淹没水深为5.35m。水流在廊道进口处水平转弯90°，进入阀门段廊道，阀门段廊道尺寸为3.5×3.5m（宽×高），廊道底、顶高程与进口相同。输水廊道经过充水阀门后，再通过水平转弯90°将廊道出口总宽扩为6.0m，廊道底、顶高程保持17.55m、21.05m 不变，并在转弯段的起点至出口设置了分流墩，墩头宽0.3m，墩尾宽0.6m（为使出水口水流尽可能均匀，隔墩的起点略偏向弯段外侧），由此廊道出口尺寸为2～2×2.7×3.5m（2～宽×高）=37.8m2，廊道出口最小淹没水深为1.77m。上闸首两侧输水廊道出口水流经过分流墩后对冲消能，再经格栅消能室顶面和正面出水支孔，然后进入闸室。格栅消能室外布置10.0m 长镇静段，然后与闸室停泊段联接，闸室底高程为18.32m。

下闸首泄水时廊道进口布置在两侧，进水口尺寸也为2～4.8m×3.5m（宽×高），廊道底高程17.22m，顶高程20.72m。进口廊道通过90°水平转弯与泄水阀门段廊道联接，泄水阀门段廊道尺寸为2～3.5m×3.5m（2～宽×高）。泄水阀门后廊道通过90°水平转弯联接下闸首出水口，廊道出口总宽扩为6.6m，中间设有分流墩，墩头宽0.3m，墩尾宽0.6m（为使出水口水流尽可能均匀，分流墩起点同样略偏向弯段外侧）。两侧输水廊道出口水流经过分流墩后对冲消能，廊道出口尺寸为2～2×3.0×3.5m（2～宽×高）=42.0m2，廊道高度始终保持3.5m 不变。同时，出水口外设消力槛消能，考虑到下游引航道的不对称性，设置3 道不对称消力槛以调整出流，消力槛的高度自左侧至右侧分别为0.5m、1.1m及0.3m。

由此，上闸首充水系统和下闸首泄水系统平面布置如图1 和图2 所示。

图1 上闸首充水系统布置图

图2 下闸首泄水系统布置图

图3 充水水力特性曲线（设计水头H=4.00m）

2 输水水力计算

根据计算得到的输水阀门开启时间（最大水头时，按设计船舶计算，输水阀门开启时间近5min），从安全角度出发，参考已建同类船闸实际运行经验，并考虑不同运行水头时阀门开启速度尽量一致，便于运行管理，初步建议涡阳船闸输水阀门运行方式为：充、泄水阀门双边匀速连续开启时间均为6min。

涡阳船闸在设计水头（H=4.00m）和最大水头（H=5.52m）条件下运行，充、泄水阀门开启时间为6min 时，闸室输水时间、输水最大流量、闸室断面最大平均流速等特征值见表1，充、泄水时闸室水位和流量变化过程线如图 3 和图4 所示。

表1 充、泄水时闸室水力特征值

图4 泄水水力特性曲线（设计水头H=4.00m）

由表 1 可见，涡阳船闸在设计水头4.00m 条件下运行，输水阀门开启时间为6min 时，闸室充、泄水时间均可满足8min的设计要求；最大水头5.52m条件下运行，输水阀门开启时间同样为6min 时，闸室充、泄水时间也均可满足9min 的设计要求。

根据闸室输水最大流量计算可得廊道进口断面最大平均流速为3.43m/s，闸室充、泄水时的最大水面升降速度为1.89cm/s，上述水力特征值均满足规范要求。

根据规范，集中输水系统消能段后宜设镇静段，镇静段的长度可按下式计算：

式中：B 为经验系数，与船闸输水消能型式有关，对于涡阳船闸拟采用的格栅消能室消能集中输水系统，B 取0.1～0.3；EP 为理论最大比能（kW/m2）。

通过水力计算可得不同水位组合工况，闸室横断面最大比能为28.4kW/m2，由此计算得到镇静段的长度L为2.84～8.52m，因此，涡阳船闸格栅消能室外布置的镇静段长度为10.0m 是合理的。

3 结论

（1）根据涡阳船闸的整体布置、水头、输水时间和设计船舶等，涡阳船闸具备采用格栅消能室的条件，采用顶部及正面出水的短廊道格栅消能室消能型式集中输水系统布置合理可行，且性价比较佳。

（2）提出了涡阳船闸输水系统各部位尺寸，建议涡阳船闸充、泄水阀门双边匀速连续开启时间均为6min。

（3）船闸输水过程水力计算结果表明：充、泄水阀门在船闸不同运行水头时开启时间均为6min 是合适的，提出的输水系统输水水力特性均可满足设计输水时间和规范要求。