基于長期開通閘考慮的船閘設(shè)計

摘 要：船閘一般由閘室、閘首、閘門、引航道及相關(guān)設(shè)備組成，是保障船舶順利通過航道的水工建筑物。為滿足平時通航和特定時段防洪要求，需要配置具備長期開通閘條件的船閘。文章結(jié)合某船閘工程，基于長期開通閘考慮，對船閘的平面布置、輸水系統(tǒng)、門機電系統(tǒng)等設(shè)計進行了分析。

關(guān)鍵詞：船閘設(shè)計；平面布置；輸水系統(tǒng)；門機電系統(tǒng)

隨著我國內(nèi)河水資源綜合開發(fā)建設(shè)進程的逐步深入，船閘建設(shè)進入了一個快速發(fā)展階段。船閘通過能力小于航道通過能力易造成通航瓶頸，無法從根本上保證船舶通航安全，降低航道整治工程整體效益。為滿足通航安全和防洪要求，有必要從長期開通閘角度去考慮船閘設(shè)計問題。下面結(jié)合某船閘工程進行具體分析。

1 工程概況

某航道長76.5km，按V級標準通行，300噸級船舶可安全通過。根據(jù)省航道局河道整治工作要求，本航道升級為III級標準，并配置具備長期開通閘條件的船閘。本航道船閘的有效長度是180m×4m×23m。其中，有效長度是180，檻上水深是4m，閘室凈寬是23m。通過分析該船閘樞紐控制運行條件，了解到該船閘一年開閘通行天數(shù)在330天以上，期間產(chǎn)生的最大水頭為1.73m。預(yù)測到2025年，本船閘上下行貨運量分別能達到3743萬噸和2512萬噸。該船閘建成后每年出現(xiàn)高水頭情況較少，但是航道貨運量是較大的，需要進行整治，優(yōu)化船閘設(shè)計。

2 船閘設(shè)計分析

2.1 平面布置

為提高船閘通過能力，可以采用船閘加通航孔共用引航道的布置方案，船閘與通航孔平行布置。把引航道底加寬到60m，將船閘布置在引航道北側(cè)，通航孔布置引航道南側(cè)，設(shè)定它們之間的軸線間距為28m。此外，船閘上游和下游的主導(dǎo)航墻長都設(shè)置成60m，船閘寬度和通航口門寬度也都設(shè)置成23m。上游分水墻和下游分水墻都具備良好的導(dǎo)航功能，頂部寬度設(shè)置成5m。根據(jù)船閘整體穩(wěn)定性要求，閘首采用整體式結(jié)構(gòu)，長度才設(shè)置成12m，寬度設(shè)置成28m，頂部采用啟閉機房，直接與南北兩岸相通。閘室同樣采用整體式結(jié)構(gòu)，長度設(shè)置成180m，寬度設(shè)置成27.2m，頂部寬度設(shè)置成0.9m。此外，南側(cè)閘室墻具備導(dǎo)航功能，頂部和底部寬度都設(shè)置成2m。北側(cè)閘室墻不設(shè)置導(dǎo)航功能，頂部設(shè)置成0.9m，底部設(shè)置成2m。在閘門下設(shè)置輸水廊道，閘首不設(shè)置輸水廊道。經(jīng)分析，采用閘門加通航孔的布置方案，有著明顯的優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，經(jīng)濟性好。本船閘采用固定式卷揚啟閉機，其購置費、安裝費相對較低。同常規(guī)船閘平面布置方案相比，由于船閘加通航孔平面布置方案僅增建了一個通航孔和通航槽，其他改動較少，無論是建設(shè)費用和運營管理費用都是較低的。從經(jīng)濟性方面看，船閘加通航孔平面布置方案的成本較低。第二，通航條件優(yōu)化。計算得知，船閘加通航孔平面布置方案的通過能力是6213萬t/a，很好滿足了今后10～20年間通航需求。在開通閘運行時，可以同時開通船閘和通航孔，作為上下行單項航道，既保證了通過效率，也提高了通航安全性。第三，船閘管理效益高。船閘加通航孔平面布置在實際通航中，可以同時開啟船閘和通航孔，一定程度上緩解了通航擁擠情況，減少了排隊指揮工作量，能明顯的降低船閘通航安全風(fēng)險和管理成本。第四，船閘輔助建筑和自控簡化。通過平面布置方案可以看出本船閘輔助建筑和自控設(shè)計都是比較簡化的。主要在于本船閘的開通閘時間較長，需要簡化船閘附屬設(shè)施，達到節(jié)約效果。

2.2 輸水系統(tǒng)

本船閘的設(shè)計最大水頭是1.73m，綜合考慮閘室灌水時間和測算判別系數(shù)等信息后，根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》相關(guān)要求，本船閘決定采用集中輸水系統(tǒng)，按照不高于0.25m/s的流速控制閘室最大斷面的平均流速。在具體設(shè)計中，為提高本船閘設(shè)計的科學(xué)性與合理性，積極搜集類似工程、汲取相關(guān)經(jīng)驗，決定本船閘輸水系統(tǒng)采用在閘門下面設(shè)置輸水走的設(shè)計方案。輸水系統(tǒng)采用分段間歇開啟方式，利用門后消力池來消能，創(chuàng)造良好的閘室停泊水穩(wěn)條件，保證船舶通過順利。根據(jù)輸水系統(tǒng)安全控制要求，經(jīng)計算，本船閘輸水系統(tǒng)最短輸水時間T≥228s。計算公式如下所示：

公式1：T？叟■

注釋：C表示閘室水域面積；H表示水頭；β表示輸水流量不均勻系數(shù)；Hs表示閘室初始水深；B表示閘室寬度。

閘門下水流流態(tài)是比較復(fù)雜的，所以門下輸水流量Qk采用下列公式計算。

公式2：Qk=μdωk■

注釋：μd表示閘門下輸水流量系數(shù)；ωk表示閘門下過水斷面面積。

根據(jù)公式2，在設(shè)計最大水頭條件下，灌水時閘門下輸水最大流量為22m3/s，泄水時閘門下輸水最大流量為23m3/s。

2.3 門機電系統(tǒng)

2.3.1 工作閘門選擇

該船閘全年基本處于平水期，水頭差較小，一般在30m內(nèi)。為保證船閘通過安全，在平水期時能夠順利通閘，本船閘的工作閘門采用動水啟閉。工作閘門有兩種選擇，一種是三角閘門，另一種是升臥式平面閘門。下面對兩種工作閘門的優(yōu)劣勢進行分析。

三角閘門：組成部分包括門體結(jié)構(gòu)、防護系統(tǒng)、制成運轉(zhuǎn)件、潤滑系統(tǒng)、止水系統(tǒng)等。閘門提升上采用液壓直推式啟閉機。在實際使用中，三角閘門啟閉比較靈活，工作閘門和啟閉機運行相當平穩(wěn)，且技術(shù)水平先進，能很好的滿足本閘門工作要求。但是三角閘門也有一定缺點，具體體現(xiàn)在兩個方面：第一個是長期處于水環(huán)境下易腐蝕；第二個是工程量大，投資成本高于升臥式平面閘門。

升臥式平面閘門：組成部分包括門體結(jié)構(gòu)、止水系統(tǒng)、主滾輪運轉(zhuǎn)件、鎖定裝置等。采用雙吊點固定式卷揚啟閉機進行工作閘門提升。其主要優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單、投資低，利于工作閘門啟動。缺點是：門體結(jié)構(gòu)處于閘首上部，需要保證鎖定裝置和主滾輪運轉(zhuǎn)件工作安全，這樣才能保證下方船舶通航安全。為此，在閘門工作期間，往往需要定期檢查和專項監(jiān)控鎖定裝置和主滾輪運轉(zhuǎn)件的工作狀態(tài)。

綜合考慮三角閘門和升臥式平面閘門優(yōu)缺點后，結(jié)合本閘門長期開通閘要求，決定本閘門使用升臥式平面閘門。由于閘門長時期處于開通閘狀況下，使用頻率較低，從節(jié)約角度看，本閘門適合采用升臥式平面閘門，用雙吊點固定式卷揚啟閉機進行閘門提升，易于降低投資成本，進行閘門維護和管理。

2.3.2 閘門控制流程

閘門控制流程分兩種情況，需要根據(jù)閘門是否具備開通閘條件來分別計算兩種情況下的控制流程。在具備開通閘條件下，按雙向通航。使用ETC系統(tǒng)，引用先進的智能自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將常規(guī)控制流程減少至3個，船舶通過時間減少至20min。不僅極大提高了閘門通航效率，也便于燃油節(jié)約，降低船舶運輸成本。在不具備開通閘條件時，不采用雙向通行，按照常規(guī)船閘運行。

3 結(jié)束語

綜上所述，文章所采用的平面布置、輸水系統(tǒng)、門機電系統(tǒng)設(shè)計方案有著明顯優(yōu)勢，成本低、通行效率高、安全度高、易于維護管理等，很好的滿足了本閘門設(shè)計要求。船閘加通航孔的平面布置方式在結(jié)構(gòu)上是可行的，優(yōu)勢明顯，能夠達到結(jié)構(gòu)布局緊湊、節(jié)省投資的效果，這為國內(nèi)類似工程設(shè)計提供了有益借鑒。

參考文獻

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