引江濟淮蜀山船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計

一、工程概況

蜀山泵站樞紐位于合肥市高新區(qū)寧西鐵路橋北側(cè)約1.5km處，為引江濟淮工程江淮溝通段最大樞紐，主要建筑物有泵站、船閘、泄水閘等，船閘布置在泵站南側(cè)，根據(jù)運量預(yù)測，遠期要建成雙線船閘，近期先建一線，預(yù)留二線船閘位置及建設(shè)條件。一線船閘、泵站平行布置，軸線中心距261.1m。引江濟淮江淮溝通段航道等級為Ⅱ級，設(shè)計代表船舶噸級為2000噸級，蜀山船閘按Ⅱ級標準建設(shè)，閘室有效尺度280m×23m×5.2m（長×寬×最小門檻水深）。

二、輸水系統(tǒng)設(shè)計水位條件

蜀山船閘輸水系統(tǒng)計算水位選擇最大水頭、最小水頭及常水頭三種水位工況，見表1。

三、閘基地質(zhì)條件

根據(jù)工程布置，閘基座落在⑨3層中等風(fēng)化～新鮮粉、細砂巖層上，磚紅色，呈柱狀及長柱狀，局部夾泥巖。該層為易崩解的軟質(zhì)砂巖，地基承載力僅700kPa，基底摩擦系數(shù)僅0.45，在干濕交替的環(huán)境下易崩解成粉細砂。

四、輸水系統(tǒng)設(shè)計

1.輸水系統(tǒng)選型

船閘輸水系統(tǒng)可分為集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)兩大類。根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》（本文以下簡稱《規(guī)范》）規(guī)定，輸水系統(tǒng)類型根據(jù)判別系數(shù)m值初步選定。當m＞3.5時，采用集中輸水系統(tǒng)；當m＜2.5時，采用分散輸水系統(tǒng)；當m為2.5～3.5時，應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟論證或參考類似工程選定。判別系數(shù)m值按下式計算：

式中：m―判別系數(shù)；

H―設(shè)計水頭（m），取H=17.26m；

T―閘室灌水時間（min）。

輸水時間T=8～10min，計算得：m=1.93～2.41＜2.5，因此輸水方式采用分散式輸水系統(tǒng)。

2.輸水系統(tǒng)方案確定

船閘分散式輸水系統(tǒng)通常有閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)和閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)兩種形式，該工程閘墻高度達31.2～34.2m，在地基承載力及基底摩擦系數(shù)低、干濕交替環(huán)境下易崩解成粉細砂的軟巖上，巖面高程遠低于閘墻頂高程，閘墻結(jié)構(gòu)采用分離式結(jié)構(gòu)如重力式、襯砌式均不適用，故選擇整體式鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)。對于整體式閘室結(jié)構(gòu)，閘底長廊道輸水系統(tǒng)基坑需要挖得更深，土石方及混凝土工程量更大，不經(jīng)濟，因此該工程選擇閘墻長廊道側(cè)支孔分散式輸水系統(tǒng)。

3.閘墻長廊道側(cè)支孔分散式輸水系統(tǒng)布置

（1）輸水閥門處廊道斷面面積

根據(jù)《規(guī)范》，輸水閥門處廊道斷面面積可按以下公式進行計算：

式中：ω為輸水閥門處廊道斷面面積（m2）；C為閘室水域面積（m2）；H為設(shè)計水頭（m），d為慣性水頭（m），μ為閥門全開時輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)，可取0.6～0.8；T為閘室輸水時間（s）；α為系數(shù)（可查表）；kv可取0.6～0.8；g為重力加速度（m/s2）。

對于蜀山船閘，C=307×23.0=7061m2，H=17.26m，d值 及 μ 值根據(jù)類似工程經(jīng)驗取分別取0.45m和0.7～0.8，α根據(jù)《規(guī)范》可得為0.56～0.53，T=8～10min=480～600s，kv＝0.7。則：.8

初步確定輸水閥門尺寸（寬×高）為2×4.5m×4.5m，總面積為40.5m2。

（2）輸水系統(tǒng)主廊道和閘室出水孔段布置

輸水閥門廊道斷面面積確定后，在選擇主廊道斷面面積以及側(cè)支孔斷面面積時，有兩個比值必須加以注意，即：

原則上，α值越大，輸水系統(tǒng)出水孔段的損失越小；β值越小，越有利于前后支孔出水均勻，但將增加出水孔段水頭損失，根據(jù)美國陸軍工程兵團的經(jīng)驗，一般取β=0.95。

取主廊道斷面（寬×高）為2×5.0×5.0=50.0m2，閘墻每側(cè)設(shè)30個側(cè)支孔，分為2組，上游至下游孔口尺寸（寬×高）分別為（0.72×1.20）m2（15 孔 ）、（0.60×1.20）m2（15 孔 ），總面積為47.52m2，這樣α、β值分別為1.24和0.95。

《規(guī)范》規(guī)定出水孔間距宜為閘室寬度的1/4，因此確定出水支孔間距為23×1/4=5.75m，每側(cè)布置30個出水孔，這樣出水孔總長為30×5.75=172.5m，約占閘室有效長度的61.6%。

按《規(guī)范》要求，側(cè)支孔長度L≥2～4D，D為出水支孔直徑或斷面寬度，取支孔斷面最大寬度D=0.72m，則 L ≥ 1.44～2.88m， 取 L=3.0m， 支孔斷面采用標準的與閘墻垂直的水平布置，為減少水力損失，支孔進口斷面采用三面修圓，圓弧半徑為0.30m，出口斷面三面修圓，圓弧半徑也采用0.30m，水平方向按3.0°角擴散。出水側(cè)支孔出口設(shè)置消力檻，選擇檻高0.50m，距出水口1.0m。

為使施工方便，蜀山船閘取閘墻廊道底高程-1.20m，與閘室底高程一致，加上閘墻廊道的高度5.0m，下游最低通航水位時廊道淹沒水深為2.0m，與水頭比為0.17，最大設(shè)計水頭工況時廊道淹沒水深為2.8m，與水頭比為0.16。

由于蜀山船閘規(guī)模很大，若遠期雙線船閘同時運行，其耗水量及輸水流量較大，引航道內(nèi)水流條件較難滿足，且其輸水閥門為平面閥門，閥門工作條件亦較為嚴峻，因此，考慮到雙線船閘布置的特點，將兩線船閘閘墻廊道通過兩根連通廊道相連，并設(shè)置閥門以控制兩線船閘間的輸水，從而達到省水、改善引航道水流條件和閘首輸水閥門工作條件的目的，連通廊道閥門段尺寸亦為：2×4.5m×4.5m（寬×高）=40.5m2。

（3）進、出水口布置

對于分散輸水系統(tǒng)，其進水口型式一般有閘首邊墩及檻上多支孔、導(dǎo)墻上多支孔及引航道底部橫支廊道進口三種布置型式。

閘首邊墩及檻上多支孔進口布置在閘首范圍內(nèi)，其上游引航道導(dǎo)墻的斷面可大大減小從而降低工程投資，但其進口面積分布受到較大限制，水流比較集中，容易形成進口漩渦，且當船閘水頭或取水流量較大時引航道內(nèi)的水流條件難以滿足過閘船舶安全要求。因此，此種進水口布置一般用于水頭較低、輸水流量較小的船閘。

導(dǎo)墻上多支孔進口取水時水流相對分散，能適應(yīng)取水量較大的分散輸水系統(tǒng)，也是目前分散輸水系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的進水口型式，但其要求的淹沒水深較大，結(jié)構(gòu)也相對復(fù)雜。

引航道底部橫支廊道進口型式適用于引航道較寬、水頭高、輸水流量大的船閘，但要保證其有足夠的淹沒水深，同時需注意進水口的泥沙淤積問題。

考慮到蜀山樞紐船閘最終將采用雙線并列布置，位于其中隔墩或輔導(dǎo)航墻上的進水口可采用兩線共用或獨立布置兩種方式。將兩線船閘進水口連通即共用進水口的布置方案可改善一線船閘單獨輸水時引航道內(nèi)的水流條件，但也存在一定隱患：一是當兩線船閘同時運行，由于兩線船閘實際運行特性不可能完全一致，因此共用進水口將帶來一些不可預(yù)見的水力學(xué)問題；二是當兩線船閘錯開運行時，若一線船閘充水時另一線船閘處于船舶進閘狀態(tài)，則由于共用進水口將會給另一線船閘進閘船舶的航行安全也帶來一定的安全隱患。

由于蜀山樞紐屬于中水頭樞紐，進水口若采用引航道底部橫支廊道布置，則由于其引航道底高程較高，淹沒水深相對較小，因而可能產(chǎn)生進水口淤積或堵塞，且不便檢修。而由于其輸水流量較大，因此閘首邊墩及檻上多支孔進口布置很難滿足進口水流條件的要求。同時，為確保雙線船閘的運行安全，不推薦采用雙線船閘共用進水口的布置方案，因此其進水口布置最終考慮采用導(dǎo)墻上垂直多支孔布置。

按《規(guī)范》要求的分散輸水系統(tǒng)進口流速不宜大于2.5m/s，按最大充水流量計算，蜀山船閘進水口面積需大于180.4m2，因此考慮采用導(dǎo)墻上垂直多支孔布置型式。取進水口（寬×高）為（2×6×4×4.5）m2，總面積216m2，這時進水口最大斷面平均流速約為1.90m/s。取輸水系統(tǒng)進水口頂高程11.20m（相應(yīng)的底高程6.70m），在設(shè)計最大水頭時淹沒水深為12.66m，為設(shè)計水頭的0.73倍，在上游最低通航水位時淹沒水深為6.2m，為對應(yīng)水頭的0.53倍，均滿足規(guī)范進水口淹沒水深大于0.4倍水頭的要求。

分散輸水系統(tǒng)的出水口布置與進水口布置基本類似，主要有閘首邊墩及檻上多支孔、導(dǎo)墻上多支孔及引航道底部橫支廊道進口等幾種布置型式。

（4）閥門段輸水廊道布置

充水閥門段廊道與進水口通過垂直轉(zhuǎn)彎相連接，充水閥門淹沒在垂直轉(zhuǎn)彎以下，之后再通過垂直和水平轉(zhuǎn)彎與閘室出水段廊道連接，同時將輸水廊道寬度由4.5m擴大至5.0m，高度也由4.5m調(diào)整至5.0m。

取充水閥門處廊道頂高程-0.20m，下游最低通航水位時閥門處廊道頂淹沒水深為6.0m，與對應(yīng)水頭比為0.51，最大設(shè)計水頭工況時閥門處廊道頂淹沒水深為6.8m，與最大設(shè)計水頭比為0.39。

下閘首泄水閥門段廊道通過垂直轉(zhuǎn)彎和水平轉(zhuǎn)彎與閘室出水廊道相連接，垂直轉(zhuǎn)彎將廊道高度由5.0m調(diào)整為4.5m，水平轉(zhuǎn)彎將廊道寬度由5.0m調(diào)整至4.5m；泄水閥門后再通過一次水平轉(zhuǎn)彎與下閘首出水口消能室相連接，出水口斷面面積取閥門處廊道斷面面積的2倍，即2×4.5m×4.5m=40.5m2，為使出水口水流盡可能均勻，在泄水閥門后水平轉(zhuǎn)彎設(shè)中間隔墩，隔墩的起點略偏向彎段外側(cè)。

五、結(jié)語

據(jù)統(tǒng)計，蜀山船閘是國內(nèi)外采用閘墻長廊道側(cè)支孔出水分散式輸水系統(tǒng)水頭最高的船閘，與類似工程相比較，屬較大突破和創(chuàng)新，根據(jù)閘址特殊的地質(zhì)條件，通過優(yōu)化工程布置，水力計算的各項指標滿足規(guī)范要求，輸水系統(tǒng)可行、經(jīng)濟、安全。設(shè)計過程中還進行了數(shù)模計算和水工模型試驗，結(jié)果表明蜀山船閘的輸水系統(tǒng)設(shè)計能夠滿足船閘安全運行