唐河水台子枢纽船闸输水系统研究

仝 佗

(中交水运规划设计院有限公司，北京 100007)

船闸输水系统是船闸工程中至关重要的一环，其设置的合理与否直接影响到船闸工程能否可靠、安全运行。国内外学者针对船闸输水的特点进行了一系列研究，在工程水力学的基础上发展成船闸水力学这门学科。各国和国际组织在船闸的选型和设计上根据不同水头工况采取了多种标准，但普遍存在选型保守、闸室停泊条件差和经济性不佳等方面的问题[1]。船闸输水系统主要包括集中输水系统和分散输水系统2种输水型式，对介于两者之间的局部分散输水系统进行过研究，但未在实际工程中应用[2]。根据不同适应范围，集中输水系统和分散输水系统又可细分为很多种类型，如何选择合适的输水系统是船闸输水系统设计最为关注的问题，目前国内外船闸输水系统选型没有统一的方法和标准[3]。本文结合唐河水台子船闸工程的特点，对输水系统型式进行了研究和比选，并进行了水力计算和物理模型试验研究。

1 项目概况

唐河位于南阳盆地东侧，主流潘河源于方城县北部七峰山南麓，至社旗县城东南河口村与赵河汇流后称唐河。唐河流域是河南省主要经济带和城镇带，分布有丰富的矿产资源，水运需求对航道的开发与利用提出了更高的要求。河南唐河从鄂豫省界水台子至社旗焦家河口全长138 km(天然河道长度)，其中省界至唐河县城85 km，唐河县城至社旗焦家河口53 km。唐河航道曾被视为连接鄂、豫两省的黄金水道，20世纪50年代有上千支帆船航行，60年代后由于上游来流量减小，水位下降，加上无力整治，致使唐河逐渐断航，当地船舶被迫到外省参加运输。

唐河省界至社旗航运工程(省界至马店段)属于复航工程，航道设计等级为IV级航道，航道尺度：航道底宽50 m，最小水深2.3 m，弯曲半径不小于330 m。

水台子枢纽为唐河省界至社旗航运工程(省界至马店段)第一个枢纽，水台子枢纽推荐坝址拟布置在鄂豫省界的新野县王庄镇唐河水台子村段，枢纽坝线距水台子大桥下游1.2 km，枢纽由连接坝段、泄水闸及船闸等组成。

水台子枢纽船闸布置在泄水闸右侧的滩地上，之间设51 m宽隔流堤。船闸轴线与坝轴线垂直正交。船舶进、出闸方式采用“曲线进闸、直线出闸”的过闸方式。船闸由上、下游引航道，上、下闸首及闸室组成，全长904 m。船闸尺度为180 m×23 m×4.0 m(闸室有效长度×净宽×门槛最小水深)。上闸首位于坝轴线处，左侧通过隔流堤与泄洪闸连接，右侧与右岸滩地连接，为枢纽挡水建筑物的组成部分[4]。设计代表船型见表1。

表1 设计船型主尺度表Tab.1 Dimensions of typical ships

表2 水台子枢纽船闸特征水位(85高程基准)Tab.2 Characteristic water level (85 elevation datum) of Shuitaizi shiplock

2 设计水位

水台子枢纽船闸特征水位和船闸设计水位组合见表2和表3。

表3 船闸设计水位组合(85高程基准)Tab.3 Shiplock design water level combination (85 elevation datum) m

3 输水系统型式的选择

水台子船闸最大水头时的水位组合为：上游最高通航水位-下游最低通航水位，设计水头H=9.16 m。

依据《船闸输水系统设计规范》[5]中输水系统类型的判别公式

(1)

式中：T为输水时间，min，T=8～10 min；H为水头，m；m为判别系数，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，m=2.5-3.5时应进行技术经济论证，参照类似工程选用。计算得m=2.64-3.30 m，根据相关规范及同类工程经验，兼顾考虑输水效率及船闸基础，本次设计对第一类分散输水系统-闸墙长廊道短支孔方案及集中输水系统进行技术经济论证。

4 输水系统比选

4.1 第一类分散输水系统-闸墙长廊道短支孔方案

该类型输水系统型式输水廊道布置在闸墙侧，通过侧支孔出水。依据《船闸输水系统设计规范》(JTJ306-2001)[5]，输水阀门处廊道断面面积可按以下公式计算

(2)

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，本船闸取200 m×23 m=4 600 m2；H为设计水头，m，取9.16 m；d为阀门全开后惯性水头，取为0.3 m；T为闸室充水时间，取8 min；g为重力加速度，m/s2；μ为阀门全开时输水系统的流量系数，取为0.8；α和kv为系数，查规范表α取0.53，kv取0.75。

根据计算得阀门处廊道断面面积为：ω=2×3.0 m×3.4 m(高×宽)=20.4 m2。

输水阀门处廊道断面面积确定后，在选择主廊道断面面积以及出水支孔断面面积时，有2个比值必须加以注意。即

根据工程实践，α值与输水系统主廊道各段的损失成反比关系；β取值减小，各出水支孔之间出流越均匀，但将增加出水孔段水头损失[6]，根据美国陆军工程兵团的经验，一般取β=0.95。本工程主廊道断面设计为(2-3.5) m×3.8 m(高×宽)，闸墙每侧设21个短支孔，分为3组，上游至下游孔口尺寸分别为(0.80×0.80)m2(7孔)、(0.80×0.76)m2(7孔)、(0.80×0.72)m2(7孔)，总面积为25.54 m2，根据计算，α值为1.31，β值为0.96。

侧支孔设置在闸室中部，进、出口均修圆扩大。由于从调整水流及消能的角度来说，合适的消力槛高度与距离不但与支孔高度、闸室宽度及闸室水深有关，而且它们二者之间也互有影响，消力槛过高或过近对此种输水系统水力特点的影响较大。本工程消力槛高度设计为0.35 m，距出水口距离1.50 m。

闸墙长廊道侧支孔输水系统的出水孔段长度一般为闸室有效长度的1/2～2/3。同时我国船闸设计规范规定：出水孔间距宜为闸室宽度的1/4[5]，综合上述因素，最后确定侧出水支孔间距为5.65 m，出水孔总长为5.65×21=119 m，占闸室有效长度66%。

4.2 集中输水系统

本工程属于中等水头，若采用传统的集中输水系统，则闸室内船舶泊位条件相对较差且输水时间较长。本工程采用带有局部分散效果的集中输水系统，该输水系统既具有集中输水系统工程量较省、施工方便的优点，又具有局部分散输水系统可降低初始波浪力、提高阀门初始开启速度、缩短输水时间和不设镇静段的优点[7]。

根据《船闸输水系统设计规范》(JTJ306-2001)[5]，输水阀门处廊道断面尺寸按下式计算

(3)

式中：闸室充水时间T取10 min，其余参数均与式(2)中相同。

根据计算可得阀门处廊道断面面积ω=20.85 m2，阀门面积取2×3.4 m×3.0 m=20.4 m2。

上闸首输水系统进水口采用顶面进水方式，顶面进水孔尺寸为中间稍大、两侧略小的布置，廊道尺度为(2-5.5) m×3.4 m(宽×高)。两侧短廊道接连接廊道进入闸室，连接廊道设侧向出水口，在闸室连接段处的出水双明沟内分别设置4道消力槛(共8道)，其中两侧近壁处设置短槛，中间位置设置长槛。

下闸首输水系统采用门龛侧面输水廊道进水口，出水口采用对冲式消力槛。输水系统布置见图1～图3。

图1 集中输水系统平面布置图(高程：m；尺寸：mm)

图2 集中输水系统上闸首布置图(高程：m；尺寸：mm) 图3 集中输水系统下闸首布置图(高程：m；尺寸：mm)

输水系统主要特征尺寸见表4。

表4 集中输水系统布置特征尺寸Tab.4 Layout characteristic dimensions of centralized water filling & emptying system

4.3 方案比选

根据《船闸水工建筑物设计规范》(JTJ307-2001)，水头较大、闸墙较高、地基条件较差或地震烈度较高的情况可采用整体式结构[8]。由于本工程为粗砂，非岩石地基，因此闸室结构适合选用对地基承载力要求较低的坞式结构型式。

表5 两种输水系统闸首及闸室结构方案工程量及投资比较表Tab.5 Comparison of engineering quantity and investment of lock head and chamber of two kinds of water filling & emptying system

结合两种输水系统型式，当采用短廊道集中输水时，闸室结构选用钢筋混凝土坞式结构(侧墙不布置输水廊道)，当采用闸墙长廊道分散输水时，闸室结构也选用钢筋混凝土坞式结构(侧墙布置输水廊道)，并对两种结构方案进行比较。两种输水系统工程量及投资比选见表5。

由表5可看出，采用带有局部分散效果的集中输水方案比分散输水方案更节省工程量及投资，结构整体性较好，但也存在输水时间相对较长、水流条件稍差、闸室墙局部廊道侧支孔段施工较为复杂等缺点；分散输水系统水力条件较好，输水时间短，船闸通过能力大，其缺点为下闸首底板较厚，钢筋用量较多，闸室墙施工较复杂，土方开挖及回填均较多，工程量及投资较大。因此，综合考虑两种输水系统优缺点，本工程选用集中输水作为设计推荐方案。

5 物理模型试验

物理模型试验初步拟定充水阀门双边匀速开启试验工况为tv=5 min、6 min、7 min；泄水阀门双边匀速开启试验工况为tv=6 min、7 min、8 min。

最大设计水头时，闸室充水完成时间分别为9.22 min、9.68 min、10.13 min，基本满足设计输水完成时间要求，此时充水廊道最大流速分别为6.14 m/s、5.73 m/s、5.60 m/s，符合设计规范要求。闸室泄水完成时间分别为9.40 min、9.86 min、10.22 min，基本满足设计输水完成时间要求，此时泄水廊道最大流速分别为6.49 m/s、6.48 m/s、6.07 m/s，均符合设计规范要求。

根据模型试验，输水时闸室仍然存在一定的惯性超高(降)，截止闸室充泄水完成，当充水阀门双边开启时间为5 min时，惯性超高达最大值0.27 m，超出规范0.25 m的要求；当充水阀门双边开启时间延长至6 min、7 min时，惯性超高值有所下降，分别为0.17 m、0.02 m，满足规范要求。当泄水阀门双边开启时间为6 min时，惯性超降最大值0.28 m，超出规范0.25 m的要求；同样当泄水阀门双边开启时间延长至7 min、8 min时，闸室惯性超降值(绝对值)有所减小，分别为0.12 m、0.05 m，满足规范要求。闸室水力特征值见表6。

表6 闸室输水水力特征值Tab.6 Hydraulic characteristic values of lock chamber

表7 船舶双列并排停放停泊条件特征值(充水阀门双边开启)Tab.7 Characteristic values of berthing conditions for double-row berthing of ships (double opening of water-filled valves)

船舶系缆力试验选择设计船型中1 000 t级单船及2×500 t级船队进行试验。试验设定1 000 t级单船与2×500 t级船队并列停放于闸室上游，以1 000 t级单船作为试验测量船型，进行双边充水试验，试验工况及系缆力特征值见表7。

由表7可以看出，当充水阀门以7 min双边匀速开启时，1 000 t级单船所受各向系缆力均满足规范要求；当充水阀门以6 min双边匀速开启时，船舶所受纵向及后横向系缆力满足规范要求，阀门开启后约246 s时，前横向系缆力达到最大值16.72 kN，较规范要求有所偏大。

船闸输水具有非常显著的非恒定流特征，由于模型试验缩尺效应的存在，工程原型与模型间的差别尚无法准确计算和预测[9]。根据物理模型试验可以看出，采用带有局部分散效果的集中输水系统，既具有结构工程量比分散输水型式少的优点，又具备分散输水系统水流条件好的一些特点，船闸在闸室内的停泊条件优于其他集中输水系统指标[10]。

6 结论

(1)本工程为中等水头船闸，输水系统应根据相关规范及同类工程经验，兼顾考虑输水效率及船闸基础，对分散输水系统和集中输水系统进行技术经济论证；(2)相较于集中输水系统，分散输水系统具有结构整体性及抗震性能较好、水力条件好、输水时间短、船闸通过能力大等优点，但造价相对较高；而集中输水系统工程量及投资均较省，因此本工程推荐采用具有局部分散效果的新型短廊道集中输水系统；(3)根据物理模型试验结果，当充水阀门双边匀速开启时间为7 min时，输水完成时间、对应最大流量、断面平均流速均满足设计及规范要求；当充水阀门以7 min双边匀速开启时，1 000 t级单船所受横向系缆力及纵向系缆力均满足规范要求；船闸上闸首廊道进口采用横支廊道顶支孔布置，进水条件良好，因此本工程采用具有局部分散效果的新型短廊道集中输水系统是合适的。