唐河水臺子樞紐船閘輸水系統研究

仝 佗

(中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

船閘輸水系統是船閘工程中至關重要的一環，其設置的合理與否直接影響到船閘工程能否可靠、安全運行。國內外學者針對船閘輸水的特點進行了一系列研究，在工程水力學的基礎上發展成船閘水力學這門學科。各國和國際組織在船閘的選型和設計上根據不同水頭工況采取了多種標準，但普遍存在選型保守、閘室停泊條件差和經濟性不佳等方面的問題[1]。船閘輸水系統主要包括集中輸水系統和分散輸水系統2種輸水型式，對介于兩者之間的局部分散輸水系統進行過研究，但未在實際工程中應用[2]。根據不同適應范圍，集中輸水系統和分散輸水系統又可細分為很多種類型，如何選擇合適的輸水系統是船閘輸水系統設計最為關注的問題，目前國內外船閘輸水系統選型沒有統一的方法和標準[3]。本文結合唐河水臺子船閘工程的特點，對輸水系統型式進行了研究和比選，并進行了水力計算和物理模型試驗研究。

1 項目概況

唐河位于南陽盆地東側，主流潘河源于方城縣北部七峰山南麓，至社旗縣城東南河口村與趙河匯流后稱唐河。唐河流域是河南省主要經濟帶和城鎮帶，分布有豐富的礦產資源，水運需求對航道的開發與利用提出了更高的要求。河南唐河從鄂豫省界水臺子至社旗焦家河口全長138 km(天然河道長度)，其中省界至唐河縣城85 km，唐河縣城至社旗焦家河口53 km。唐河航道曾被視為連接鄂、豫兩省的黃金水道，20世紀50年代有上千支帆船航行，60年代后由于上游來流量減小，水位下降，加上無力整治，致使唐河逐漸斷航，當地船舶被迫到外省參加運輸。

唐河省界至社旗航運工程(省界至馬店段)屬于復航工程，航道設計等級為IV級航道，航道尺度：航道底寬50 m，最小水深2.3 m，彎曲半徑不小于330 m。

水臺子樞紐為唐河省界至社旗航運工程(省界至馬店段)第一個樞紐，水臺子樞紐推薦壩址擬布置在鄂豫省界的新野縣王莊鎮唐河水臺子村段，樞紐壩線距水臺子大橋下游1.2 km，樞紐由連接壩段、泄水閘及船閘等組成。

水臺子樞紐船閘布置在泄水閘右側的灘地上，之間設51 m寬隔流堤。船閘軸線與壩軸線垂直正交。船舶進、出閘方式采用“曲線進閘、直線出閘”的過閘方式。船閘由上、下游引航道，上、下閘首及閘室組成，全長904 m。船閘尺度為180 m×23 m×4.0 m(閘室有效長度×凈寬×門檻最小水深)。上閘首位于壩軸線處，左側通過隔流堤與泄洪閘連接，右側與右岸灘地連接，為樞紐擋水建筑物的組成部分[4]。設計代表船型見表1。

表1 設計船型主尺度表Tab.1 Dimensions of typical ships

表2 水臺子樞紐船閘特征水位(85高程基準)Tab.2 Characteristic water level (85 elevation datum) of Shuitaizi shiplock

2 設計水位

水臺子樞紐船閘特征水位和船閘設計水位組合見表2和表3。

表3 船閘設計水位組合(85高程基準)Tab.3 Shiplock design water level combination (85 elevation datum) m

3 輸水系統型式的選擇

水臺子船閘最大水頭時的水位組合為：上游最高通航水位-下游最低通航水位，設計水頭H=9.16 m。

依據《船閘輸水系統設計規范》[5]中輸水系統類型的判別公式

(1)

式中：T為輸水時間，min，T=8～10 min；H為水頭，m；m為判別系數，當m>3.5時采用集中輸水系統，當m<2.5時采用分散輸水系統，m=2.5-3.5時應進行技術經濟論證，參照類似工程選用。計算得m=2.64-3.30 m，根據相關規范及同類工程經驗，兼顧考慮輸水效率及船閘基礎，本次設計對第一類分散輸水系統-閘墻長廊道短支孔方案及集中輸水系統進行技術經濟論證。

4 輸水系統比選

4.1 第一類分散輸水系統-閘墻長廊道短支孔方案

該類型輸水系統型式輸水廊道布置在閘墻側，通過側支孔出水。依據《船閘輸水系統設計規范》(JTJ306-2001)[5]，輸水閥門處廊道斷面面積可按以下公式計算

(2)

式中：ω為輸水閥門處廊道斷面面積，m2；c為計算閘室水域面積，m2，本船閘取200 m×23 m=4 600 m2；H為設計水頭，m，取9.16 m；d為閥門全開后慣性水頭，取為0.3 m；T為閘室充水時間，取8 min；g為重力加速度，m/s2；μ為閥門全開時輸水系統的流量系數，取為0.8；α和kv為系數，查規范表α取0.53，kv取0.75。

根據計算得閥門處廊道斷面面積為：ω=2×3.0 m×3.4 m(高×寬)=20.4 m2。

輸水閥門處廊道斷面面積確定后，在選擇主廊道斷面面積以及出水支孔斷面面積時，有2個比值必須加以注意。即

根據工程實踐，α值與輸水系統主廊道各段的損失成反比關系；β取值減小，各出水支孔之間出流越均勻，但將增加出水孔段水頭損失[6]，根據美國陸軍工程兵團的經驗，一般取β=0.95。本工程主廊道斷面設計為(2-3.5) m×3.8 m(高×寬)，閘墻每側設21個短支孔，分為3組，上游至下游孔口尺寸分別為(0.80×0.80)m2(7孔)、(0.80×0.76)m2(7孔)、(0.80×0.72)m2(7孔)，總面積為25.54 m2，根據計算，α值為1.31，β值為0.96。

側支孔設置在閘室中部，進、出口均修圓擴大。由于從調整水流及消能的角度來說，合適的消力檻高度與距離不但與支孔高度、閘室寬度及閘室水深有關，而且它們二者之間也互有影響，消力檻過高或過近對此種輸水系統水力特點的影響較大。本工程消力檻高度設計為0.35 m，距出水口距離1.50 m。

閘墻長廊道側支孔輸水系統的出水孔段長度一般為閘室有效長度的1/2～2/3。同時我國船閘設計規范規定：出水孔間距宜為閘室寬度的1/4[5]，綜合上述因素，最后確定側出水支孔間距為5.65 m，出水孔總長為5.65×21=119 m，占閘室有效長度66%。

4.2 集中輸水系統

本工程屬于中等水頭，若采用傳統的集中輸水系統，則閘室內船舶泊位條件相對較差且輸水時間較長。本工程采用帶有局部分散效果的集中輸水系統，該輸水系統既具有集中輸水系統工程量較省、施工方便的優點，又具有局部分散輸水系統可降低初始波浪力、提高閥門初始開啟速度、縮短輸水時間和不設鎮靜段的優點[7]。

根據《船閘輸水系統設計規范》(JTJ306-2001)[5]，輸水閥門處廊道斷面尺寸按下式計算

(3)

式中：閘室充水時間T取10 min，其余參數均與式(2)中相同。

根據計算可得閥門處廊道斷面面積ω=20.85 m2，閥門面積取2×3.4 m×3.0 m=20.4 m2。

上閘首輸水系統進水口采用頂面進水方式，頂面進水孔尺寸為中間稍大、兩側略小的布置，廊道尺度為(2-5.5) m×3.4 m(寬×高)。兩側短廊道接連接廊道進入閘室，連接廊道設側向出水口，在閘室連接段處的出水雙明溝內分別設置4道消力檻(共8道)，其中兩側近壁處設置短檻，中間位置設置長檻。

下閘首輸水系統采用門龕側面輸水廊道進水口，出水口采用對沖式消力檻。輸水系統布置見圖1～圖3。

圖1 集中輸水系統平面布置圖(高程：m；尺寸：mm)

圖2 集中輸水系統上閘首布置圖(高程：m；尺寸：mm) 圖3 集中輸水系統下閘首布置圖(高程：m；尺寸：mm)

輸水系統主要特征尺寸見表4。

表4 集中輸水系統布置特征尺寸Tab.4 Layout characteristic dimensions of centralized water filling & emptying system

4.3 方案比選

根據《船閘水工建筑物設計規范》(JTJ307-2001)，水頭較大、閘墻較高、地基條件較差或地震烈度較高的情況可采用整體式結構[8]。由于本工程為粗砂，非巖石地基，因此閘室結構適合選用對地基承載力要求較低的塢式結構型式。

表5 兩種輸水系統閘首及閘室結構方案工程量及投資比較表Tab.5 Comparison of engineering quantity and investment of lock head and chamber of two kinds of water filling & emptying system

結合兩種輸水系統型式，當采用短廊道集中輸水時，閘室結構選用鋼筋混凝土塢式結構(側墻不布置輸水廊道)，當采用閘墻長廊道分散輸水時，閘室結構也選用鋼筋混凝土塢式結構(側墻布置輸水廊道)，并對兩種結構方案進行比較。兩種輸水系統工程量及投資比選見表5。

由表5可看出，采用帶有局部分散效果的集中輸水方案比分散輸水方案更節省工程量及投資，結構整體性較好，但也存在輸水時間相對較長、水流條件稍差、閘室墻局部廊道側支孔段施工較為復雜等缺點；分散輸水系統水力條件較好，輸水時間短，船閘通過能力大，其缺點為下閘首底板較厚，鋼筋用量較多，閘室墻施工較復雜，土方開挖及回填均較多，工程量及投資較大。因此，綜合考慮兩種輸水系統優缺點，本工程選用集中輸水作為設計推薦方案。

5 物理模型試驗

物理模型試驗初步擬定充水閥門雙邊勻速開啟試驗工況為tv=5 min、6 min、7 min；泄水閥門雙邊勻速開啟試驗工況為tv=6 min、7 min、8 min。

最大設計水頭時，閘室充水完成時間分別為9.22 min、9.68 min、10.13 min，基本滿足設計輸水完成時間要求，此時充水廊道最大流速分別為6.14 m/s、5.73 m/s、5.60 m/s，符合設計規范要求。閘室泄水完成時間分別為9.40 min、9.86 min、10.22 min，基本滿足設計輸水完成時間要求，此時泄水廊道最大流速分別為6.49 m/s、6.48 m/s、6.07 m/s，均符合設計規范要求。

根據模型試驗，輸水時閘室仍然存在一定的慣性超高(降)，截止閘室充泄水完成，當充水閥門雙邊開啟時間為5 min時，慣性超高達最大值0.27 m，超出規范0.25 m的要求；當充水閥門雙邊開啟時間延長至6 min、7 min時，慣性超高值有所下降，分別為0.17 m、0.02 m，滿足規范要求。當泄水閥門雙邊開啟時間為6 min時，慣性超降最大值0.28 m，超出規范0.25 m的要求；同樣當泄水閥門雙邊開啟時間延長至7 min、8 min時，閘室慣性超降值(絕對值)有所減小，分別為0.12 m、0.05 m，滿足規范要求。閘室水力特征值見表6。

表6 閘室輸水水力特征值Tab.6 Hydraulic characteristic values of lock chamber

表7 船舶雙列并排停放停泊條件特征值(充水閥門雙邊開啟)Tab.7 Characteristic values of berthing conditions for double-row berthing of ships (double opening of water-filled valves)

船舶系纜力試驗選擇設計船型中1 000 t級單船及2×500 t級船隊進行試驗。試驗設定1 000 t級單船與2×500 t級船隊并列停放于閘室上游，以1 000 t級單船作為試驗測量船型，進行雙邊充水試驗，試驗工況及系纜力特征值見表7。

由表7可以看出，當充水閥門以7 min雙邊勻速開啟時，1 000 t級單船所受各向系纜力均滿足規范要求；當充水閥門以6 min雙邊勻速開啟時，船舶所受縱向及后橫向系纜力滿足規范要求，閥門開啟后約246 s時，前橫向系纜力達到最大值16.72 kN，較規范要求有所偏大。

船閘輸水具有非常顯著的非恒定流特征，由于模型試驗縮尺效應的存在，工程原型與模型間的差別尚無法準確計算和預測[9]。根據物理模型試驗可以看出，采用帶有局部分散效果的集中輸水系統，既具有結構工程量比分散輸水型式少的優點，又具備分散輸水系統水流條件好的一些特點，船閘在閘室內的停泊條件優于其他集中輸水系統指標[10]。

6 結論

(1)本工程為中等水頭船閘，輸水系統應根據相關規范及同類工程經驗，兼顧考慮輸水效率及船閘基礎，對分散輸水系統和集中輸水系統進行技術經濟論證；(2)相較于集中輸水系統，分散輸水系統具有結構整體性及抗震性能較好、水力條件好、輸水時間短、船閘通過能力大等優點，但造價相對較高；而集中輸水系統工程量及投資均較省，因此本工程推薦采用具有局部分散效果的新型短廊道集中輸水系統；(3)根據物理模型試驗結果，當充水閥門雙邊勻速開啟時間為7 min時，輸水完成時間、對應最大流量、斷面平均流速均滿足設計及規范要求；當充水閥門以7 min雙邊勻速開啟時，1 000 t級單船所受橫向系纜力及縱向系纜力均滿足規范要求；船閘上閘首廊道進口采用橫支廊道頂支孔布置，進水條件良好，因此本工程采用具有局部分散效果的新型短廊道集中輸水系統是合適的。