多級船閘省水率計算方法

董思遠 王喬 張楠 何良德

摘 要：船舶過閘方式影響船閘通過能力和用水量。本文基于一次過閘時間的灌泄水時間項分析，導(dǎo)出了多級船閘一次過閘用水量計算公式;基于船閘省水原理，提出了雙線多級互通船閘、多級帶省水池船閘省水率的計算方法。研究表明，船舶到閘量較小時，互通船閘可能只需要一線非省水運行，單級互通船閘省水率小于50%。多級船閘應(yīng)分別計算閘室水頭分擔(dān)率、互灌互泄或帶省水池的閘室耗水率、運行方式影響系數(shù)，三者乘積為船閘耗水率，最終可得船閘省水率。

關(guān)鍵詞：多級船閘;一次過閘用水量;省水池;互灌互泄;省水率

1引言

采用低壩渠化、雙線互通船閘、帶省水池船閘、多級船閘以及帶中間閘門等型式或措施，可以節(jié)省船閘運行時的用水量。德國內(nèi)卡河27個梯級船閘，其中23個梯級采用雙線互通船閘[1]，美因-多瑙運河16個梯級船閘，其中13座采用帶省水池船閘[2]。巴拿馬運河第一、第二線[3]為雙線三級互通船閘，閘室?guī)е虚g閘門，第三線[4]為帶省水池的三級船閘。我國省水船閘相對較少，僅有長洲三線、四線[5]、飛來峽二、三線[6]兩座雙線互通大型，首批小清河帶省水池船閘[7]正在建設(shè)中。

目前，對多級船閘、互通船閘、省水池船閘的省水率分別給出了定義和計算方法[8]，尚未明確多級互通船閘或多級帶省水池船閘省水率計算方法。本文通過一次過閘時間[9]的灌泄水時間項，導(dǎo)出多級船閘一次過閘用水量計算公式，可以考慮船閘運行方式對用水量的影響。分別提出了閘室和船閘省水率的計算思路，針對雙線互通船閘聯(lián)動的運行特點，考慮了單線運行概率及其對省水率的影響。給出了多級雙線互通船閘、多級帶省水池船閘的省水率計算方法和實例分析。

2普通多級船閘省水率

2.1過閘時間

2.2閘次用水量

過閘用水量是船閘耗水量主要組成部分，是指船舶過閘時，閘室灌泄水所耗用的水量。

2.3船閘省水率

耗水率Fm、省水率Em與船閘總級數(shù)以及過閘方式等因素有關(guān)。九里溝單線二級船閘m=2，設(shè)成批過閘比αm=0.5，nH、nB不影響耗水率，F(xiàn)m=50%，Em=50%。三峽雙線五級船閘m=5，單向運行，αm=0，F(xiàn)m=20%，Em=80%。

多級船閘主要是通過降低閘室分擔(dān)水頭ξH，減小泄水棱體V0，達到省水效果的。在閘室分擔(dān)水頭一定的條件下，可以采用帶省水池船閘或互灌互泄船閘，減小直接泄向下游的水體，到達節(jié)省船閘用水的目的。

3互灌互泄雙線船閘省水率

3.1互灌互泄船閘省水原理

雙線相互輸水運行方式，先通過連通廊道進行相互輸水，待兩線閘室水頭差減小到一定的剩余水頭e后，關(guān)閉連通廊道閥門，同時開啟各自的充（泄）水閥門以完成剩余的輸水過程。互灌互泄的閘室不能降低連通閥門的工作水頭，而且要求其能夠承受雙向水頭。工作原理如圖1所示，閘室分擔(dān)水頭Hc，省水高度為t，用水高度為tF。

3.2船閘省水率

互灌互泄的運行方式使得雙線船閘產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)。雙線連續(xù)多級船閘一般采用單向過閘，因此可能有雙線對向、雙線同向、單線單向等三種組合方式，其中αm=0。互灌互泄時，對向行駛的船舶可同時停泊在相鄰閘室中，同向行駛的船舶則需要錯開一個閘室。

雙線船閘的相應(yīng)操作同步性要求高，造成延誤的可能性大。船閘連續(xù)級數(shù)越多，運行可靠度越低，對通過能力的影響甚于單級船閘。這也是巴拿馬一線、二線多級船閘現(xiàn)在很少使用互灌互泄省水方式的原因。

3.3計算實例

巴拿馬運河是連接太平洋和大西洋的重要航運通道，全長81km，1914年同時建成通航的雙線船閘，包括連接大西洋的加通連續(xù)三級船閘（水頭25.9m），連接太平洋的佩德羅·米格爾一級船閘（水頭9.5m）、米拉弗洛雷斯連續(xù)二級船閘（水頭13～20m）。

一線、二線為互灌互泄雙線孿生船閘，基本尺度304.8×33.53×12.8m。雙線船閘采用分散輸水系統(tǒng)，共設(shè)三個長廊道，邊墻各設(shè)一個，中墻共用一個，橫支廊道互相交錯布置，頂部各有5個出水孔（如圖1所示）。

設(shè)e=0m，F(xiàn)d=50%，Ed=50%，β=80%，F(xiàn)s=60%、Es=40%，大西洋側(cè)加通三級船閘單向運行，ξ=1/3，F(xiàn)m=20%，Em=80%。

4帶省水池船閘省水率

4.1帶省水池船閘省水原理

以1級省水池為例，工作原理如圖2所示。閘室分擔(dān)的水頭差Hc，閘室泄水時水體V1泄向省水池，剩余的水體VF泄向下游;閘室灌水順序與泄水相反，將省水池內(nèi)的水體V1灌入閘室，最后不足的水體VF由上游補充。

4.2 船閘省水率

根據(jù)帶省水池船閘工作原理，可得閘室在一個灌泄水循環(huán)過程的用水高度tF

4.3計算實例

巴拿馬運河第三線船閘于2016年竣工，在大西洋側(cè)的阿瓜克拉拉船閘、太平洋側(cè)的可可里船閘，均為連續(xù)三級船閘，每個閘室設(shè)置3個省水池（如圖3所示），基本尺度426.72m×54.86m×18.29m。閘室創(chuàng)新性采用了閘墻側(cè)邊兩區(qū)段動態(tài)平衡系統(tǒng)，提高了閘墻出流的縱向均勻性。省水池的兩組一對廊道分別在閘底1/4中心處水平分流，連接兩側(cè)支廊道，使得省水池灌泄水為四區(qū)段運行。

省水池面積比χ=1，n=3，不考慮剩余水頭影響，閘室耗水率Fb=40%，省水率Eb=60%。巴拿馬運河共有三線船閘，閘室水頭分擔(dān)率ξ=1/3，可采用單向過閘方式，km=1.0，船閘耗水率Fm=13.3%，省水率 Em=86.7%。

5結(jié)論

（1）船舶到閘量較小時，互通船閘可能只需要一線非省水運行。互通船閘省水率應(yīng)考慮互灌互泄運行閘次比率的影響，單級互通船閘省水率小于50%。

（2）互通船閘級數(shù)越多，過閘同步操作要求越高，發(fā)生延誤可能性越大，運行可靠度越低，對通過能力影響遠甚于單級互通船閘。這也是巴拿馬一線、二線多級船閘現(xiàn)在很少使用互灌互泄省水方式的原因。

（3）多級船閘應(yīng)分別計算水頭分擔(dān)率、互灌互泄或帶省水池的閘室耗水率、運行方式影響系數(shù)，三者之積為船閘耗水率，最終可得船閘省水率。

參考文獻：

[1]閔朝斌. 西德的內(nèi)河航道（上） [J]. 水運工程， 1986（3）： 53-58.

[2]閔朝斌. 西德內(nèi)河航道（下） [J]. 水運工程， 1986（4）： 50-57.

[3]Lieut. Col.， H. F. Hodges. The Panama Canal[R]. Washington DC： Society of American Military Engineers， 1909.

[4]Rüdiger Spengler， Jesús Imedio， Rafael Pérez， et al. Panama Canal expansion project–description third set of locks project[A]. In： IABSE Symposium Report， Vol. 102[C].37th IABSE Symposium， Madrid， 2014：783-790.

[5]吳澎， 曹鳳帥. 西江長洲水利樞紐3號和4號船閘總體設(shè)計[J].港工技術(shù)， 2014， 51（5）： 4-9.

[6]陳亮，王曉青. 飛來峽二、三線相互灌泄水船閘省水特性及效益分析[J]. 水運工程， 2015（6）： 106-110.

[7]佘然，夏高響. 金家堰樞紐平面布置方案比選研究[J]. 中國水運， 2018，18（9）： 147-148.

[8]G.N. Willems. Final Report of the International Commission for the Study of Locks [R]. Brussels： PIANC， 1986.

[9] JTJ305-2001， 船閘總體設(shè)計規(guī)范[S].