適應通過能力發展需求的多線船閘輸水系統設計與應用

嚴振石,李 君,宣國祥,金 英

(1.廣西西江開發投資集團有限公司，廣西 南寧 530022；2.南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，水利部水科學與水工程重點實驗室，江蘇 南京 210029)

近20年來，國家對內河水運的重視提到了前所未有的高度，內河水運建設已成為國家戰略，深入推進水運供給側結構性改革、加快水運提質增效升級、補齊水運基礎設施建設短板是我國今后一個時期水運行業的發展方向。

國家對內河水運的大力投入，極大促進了內河水運事業的發展，內河水運貨運量增長迅猛，對通航建筑物通過能力要求愈來愈高。無論新建還是改擴建船閘工程，其閘室規模逐步增大，Ⅰ～Ⅲ級船閘所占比例越來越高。以廣西西江流域為例，為實現億噸黃金水道的目標，在原有Ⅳ級和Ⅲ級船閘基礎上，目前正在逐步推進十余座Ⅰ級船閘的擴建工程，待這些船閘完建后，將形成世界范圍內規模最大的巨型船閘群。

歐美國家在通航樞紐總體設計中[1-3]，通常在靠岸一側先建設一座小船閘，同時考慮通過能力發展趨勢，在靠河一側預留第二線船閘(大船閘)位置；或者同時建設兩座小船閘，待通過能力無法滿足貨運量發展時，再將靠河一側船閘加長擴建為大船閘。在此設計下，可以較好地滿足不同噸位船舶通航需求，有利于通航組織調度。而在我國，受到工程投資和征地移民等因素限制，往往先在靠河一側建設小船閘，待通過能力無法滿足貨運量需求時再在靠岸一側擴建大船閘，從而導致了大船走岸邊、小船走河心這種不利于船舶通航安全和組織調度的結果，同時間接影響了樞紐的總體通過能力。

輸水系統是船閘完成閘室充泄水過程的主要設備，其設計須滿足輸水時間要求以提高船閘通過能力和營運效益，并保證閘室和引航道內船舶的停泊和航行安全以及輸水系統自身的安全。上述巨型船閘的輸水水力指標遠超國內外類似工程，對輸水系統的要求提升到了新的高度。為此，在通過能力需求發展的背景下，開展適應我國特有多線船閘總體布置形式、閘室規模及輸水水力指標變化的輸水系統形式選擇與應用研究，對于新時代內河船閘工程建設具有極其重要的意義。本文將以西江流域最具代表性的長洲樞紐四線船閘群為例開展研究。

1 長洲樞紐船閘規模論證

長洲水利樞紐是西江干線廣西境內的最末一個梯級。在長達十幾年的設計研究過程中，長洲樞紐船閘通航等級規模也歷經多次調整。1992年，其通航規模確定為雙線千噸級船閘，船閘有效尺寸分別為185 m×23 m×3.5 m(有效長度×寬×檻上水深，下同)和185 m×15 m×3.5 m，單向通過能力為1 270萬t/a。1994年，交通部提出長洲水利樞紐的船閘規模應為雙線千噸級船閘，閘室有效尺寸均擴大為185 m×23 m×3.5 m，設計單向通過能力為2 400萬t/a。2004年，廣西研究提出將雙線船閘中的一線船閘從1 000噸級擴大為2 000噸級，為Ⅱ級船閘，閘室有效尺度擴大為200 m×34 m×4.5 m，二線船閘的規模為1 000噸級不變，兩座船閘單向通過能力總和為 3 920萬t/a。

2007年以后，廣西進入打造西江億噸黃金水道建設高峰期，長洲樞紐已建一線、二線船閘通過能力已明顯不能滿足過閘貨運量和船舶大型化需求，經常發生船舶滯留現象，社會影響大，擴建船閘的迫切性突出。2009年底，長洲三、四線船閘工程同時動工，船閘均為Ⅰ級船閘，工程可研階段閘室有效尺度為310 m×34 m×5.6 m，進入初步設計階段后又調整為340 m×34 m×5.8 m，單向通過能力達9 600萬t/a。2015年初，三線、四線船閘建成通航，長洲樞紐總設計通過能力達到1.36億t，成為世界上通過能力最大的內河船閘群。

由長洲樞紐船閘規模論證過程可知，隨著水運貨運量的不斷增長，以及政府對其發展趨勢分析的不斷深入，樞紐4座船閘的設計規模也在隨其通過能力的需求不斷調整。

2 長洲樞紐船閘群輸水系統設計

根據長洲樞紐船閘不同階段確定的規模，其輸水系統設計主要經歷了3個階段。第1階段是針對樞紐一線、二線船閘規模均為185 m×23 m×3.5 m開展，第2階段是針對一線船閘規模調整為200 m×34 m×4.5 m開展，第3階段則是針對三線、四線船閘規模均為340 m×34 m×5.8 m開展。

2.1 長洲二線船閘輸水系統設計

長洲二線船閘設計水頭H為15.55 m，設計輸水時間T為10 min，根據《船閘輸水系統設計規范》[4]中輸水系統選型公式：

(1)

計算可得判別系數m=2.54。根據規范要求，可采用集中輸水系統，也可采用分散輸水系統，鑒于長洲樞紐為水運交通的重要工程，且船閘規模較大，通航保證率要求較高，對集中輸水系統來說，該船閘的水頭顯然較高，因此考慮采用分散輸水系統方案。因其m值大于2.4，因此選擇第一類分散輸水系統——閘墻長廊道側支孔形式。

閘墻長廊道側支孔輸水系統對非巖石基礎船閘，由于閘墻采用混凝土重力式，因此在閘墻底部布置主廊道是經濟的，在閘墻主廊道上接側支孔也較為方便，結合長洲二線船閘實際地質條件和結構設計，采用此種輸水系統形式是合適和經濟的[5]。閘墻長廊道側支孔輸水系統在美國最先發明也是最為常用的輸水系統形式，其水力設計也較為成熟，但其應用水頭在美國設計手冊[6]中規定不超過9.2 m，閘室門檻水深不小于6 m；同時，該輸水系統對閥門單邊運行或雙邊不同步運行的適應性較差，閥門單邊運行時一側完全無水出流，另一側即進水側出水支孔的水流直接沖至對面閘墻，在閘室內形成較大橫向水面坡降，船舶所受橫向力較大，不利于船舶停泊安全。對于長洲二線船閘15.55 m的設計水頭和僅有3.5 m的檻上水深而言，閘墻長廊道輸水系統能否適應其更高的水力指標是輸水系統設計中需考慮的重要問題。

為解決閘墻廊道側支孔輸水系統在我國大型船閘的適用性問題，針對我國閘室設計初始水深較小的特點，放棄了美國對這一輸水系統的自由射流消能原理(即針對其船閘初始水深較大的特點，利用船底富裕水體空間進行水流擴散消能)，首次在23 m寬的船閘中提出通過消力檻強迫消能以及調整水流的橫向分配，并系統研究了出水口消力檻布置形式和方法。研究結果表明，側支孔出口外設置消力檻對閘室水流條件的調整作用明顯，尤其對船閘單側輸水情況效果更佳。根據船閘尺度及水力指標的不同，消力檻高度可在0.35～0.50 m變化，同時消力檻的高度宜為側支孔高度的0.4～0.7倍，消力檻距出水口距離宜在1.0～2.0 m。通過本項創新技術研究，極大地提高了消能效率，成功地解決了這一輸水系統形式在我國初始水深較小條件下的應用問題，實現了閘墻長廊道側支孔輸水系統在大型船閘中的應用，并且已將此類輸水系統的應用水頭由美國規定的9.2 m提高至目前長洲二線船閘的15.55 m。

經模型試驗[7]最終確定的長洲二線船閘消力檻高度為0.5 m，距側支孔出口2.0 m，輸水系統具體布置見圖1。

圖1 長洲二線船閘閘墻長廊道側支孔輸水系統(高程：m； 尺寸：mm。 下同)

2.2 長洲一線船閘輸水系統設計

一線船閘設計水頭與二線船閘一致，均為15.55 m，閘室規模經調整后設計輸水時間調整為12 min。根據輸水系統選型公式計算可得，一線船閘m值為3.05，因此可采用集中輸水系統，也可采用分散輸水系統，但考慮到調整后的一線船閘規模較二線船閘增大了1.6倍，其水力指標亦有較大增加，因此必須采用分散輸水系統，并且二線船閘所采用的閘墻長廊道側支孔輸水系統已達到其應用的上限，其水力特性已不能滿足一線船閘輸水要求。同時由于閘室寬度由23 m增加至34 m，閘墻長廊道側支孔輸水系統中存在的單邊閥門開啟或雙邊閥門不同步開啟下閘室內橫向水面坡降較大問題將進一步放大。為此，須采用其它類型輸水系統。

考慮一線船閘仍采用重力式閘墻結構形式，在閘墻內布置廊道較為經濟，同時考慮閘室內水流分配問題，在側支孔輸水系統基礎上在側支孔外增加橫向出水廊道，即采用第二類分散輸水系統中的閘墻長廊道閘室中部橫支廊道輸水系統。為解決一線船閘高水力指標下的閘室水流消能問題，在傳統的橫支廊道側支孔單明溝消能基礎上，提出了復合式橫支廊道雙明溝消能的新措施，即在橫向出水廊道的側向出水孔外設置兩道或多道明溝進行消能，第一道明溝的尺度及布置須滿足原單明溝布置的相關要求及規定，相鄰明溝之間設置帶有透水孔的消力檻，通過改變消力檻上的透水孔面積進一步調整閘室的橫向水流分布。這種布置的優點是將原單明溝消能的空間增大了一倍甚至多倍，同時在平面上擴大了水流耗散的面積，從而可獲得較好的水流條件，提高了停泊在閘室內過閘船舶安全性，并可減少廊道數，簡化閘室結構。

經模型試驗[8]最終確定的長洲一線船閘輸水系統具體布置見圖2。

圖2 長洲一線船閘閘墻長廊道閘室中部橫支廊道輸水系統

2.3 長洲三、四線船閘輸水系統設計

長洲三、四線船閘在設計之初有多種建設方案，包括同步建設并列布置、先后建設分開布置，其可選建設位置包括岸邊和臺地等，上述建設方案和所處位置的地質條件將對輸水系統設計產生較大影響。因此在工程可研階段和初設階段針對不同建設方案開展了輸水系統設計研究。

長洲三、四線船閘最終確定的設計水頭為17.28 m，設計輸水時間為12 min。根據輸水系統選型公式計算可得，三、四線船閘m值為2.88，同樣可采用集中輸水系統，也可采用分散輸水系統。但考慮其水力特點及重要性，最終推薦采用分散輸水系統方案。結合工程實際地質條件和建設方案，推薦了兩種輸水系統形式，一是閘底長廊道輸水系統，以利用基礎開挖較深的條件減小閘墻工程量；二是單側閘墻長廊道閘底橫支廊道輸水系統，以利用雙線并列布置特點，將輸水系統布置在兩線船閘之間，便于管理、并可減小部分閘墻工程量。

由于長洲三、四線船閘規模巨大，船閘運行時的耗水量及輸水流量較大，每線船閘輸水體積達23萬m3,僅三、四線船閘運行就將每天耗水1 000萬m3,引航道最大下泄流量達1 400 m3/s。由此將帶來兩大問題：一是船閘耗水量巨大，不僅消耗水資源，也對樞紐的發電效益造成一定影響；二是船閘引航道內的水流條件難以滿足船舶安全航行及停泊的要求。結合新建長洲三、四線船閘并列布置的特點，提出了在兩線船閘輸水系統間設置連通廊道的省水布置方案，以實現兩線船閘相互輸水，并通過模型試驗和原型觀測等解決了閘室停泊條件、連通閥門工作條件及連通廊道進出口水流條件等難題。提出了滿足并列船閘單獨輸水和相互輸水水力條件的互通省水布置形式，包括連通廊道閥門布置及進出口布置。在此布置下，研究了最佳輸水方式以提高輸水效率，提出的互通省水布置下輸水方式為：兩座船閘之間先通過連通廊道進行相互輸水，待兩座船閘間水頭差減小到一定程度后，關閉連通廊道輸水閥門停止兩座船閘間的輸水，同時開啟每一座船閘的充、泄閥門以完成剩余的輸水過程。在輸水方式優化研究中，提出了連通閥門及各自單獨運行的閥門啟閉速率和互通輸水終止時的水頭。在互通省水運行方式下，與單線船閘正常運行方式相比，各項水力指標均有較大幅度降低，最大流量下降40%，輸水水流條件較好；系纜力有所下降，閘室內船舶停泊條件較好；閥門后廊道最低壓力增加約10 m水柱，閥門工作條件大大改善；引航道平均流速降低40%，船閘進出水口與引航道內水流平穩。實現互通輸水后，每線船閘可節水30%，兩線船閘節水60%以上，每天可減少耗水量600萬m3,經濟和社會效益巨大。

經模型試驗[9]確定的長洲三、四線船閘閘底長廊道輸水系統和單側閘墻長廊道閘底橫支廊道輸水系統布置分別見圖3、4。根據比選，最終確定采用閘底長廊道側支孔雙明溝消能輸水系統形式以及兩線船閘互通省水布置。

圖3 長洲三、四線船閘閘底長廊道輸水系統

圖4 長洲三、四線船閘單側閘墻主廊道閘底橫支廊道輸水系統

3 結語

1)船閘輸水系統形式選擇須綜合考慮船閘通過能力需求、平面布置方案、閘室規模、工作水頭、地質條件、船閘結構形式、運行管理等方面，為每座船閘選擇最適合其特點的輸水系統，以得到輸水安全與效率的最佳結合。

2)由于我國內河水運規劃水平與國外相比有所差距，因而經常導致船閘通過能力無法適應內河水運發展；并且與歐美國家不同，在船閘總體布置時，大多將等級低的船閘布置于靠河側，后期擴建時則將等級高的船閘放置于靠岸側，使得船閘擴建時工程量較大，且后期運行調度管理難度增大，樞紐總體通航效益無法得到充分發揮。因此，在今后船閘規劃設計時應著重考慮船閘建設總體布局。