帶承船箱船閘的輸水系統(tǒng)淺析

袁野　潘美伊　白秀億　劉容　陳陽

摘 要 為了大幅改善閘室停泊條件，縮短輸水時間，本文在對通航建筑物兩大主要型式，即船閘和升船機各自特點進行分析的基礎上，提出了一種新型的帶承船箱的船閘型式。由于過閘船只受承船箱的保護，船舶的受力大幅度減小，因此設計中將輸水時間由規(guī)范規(guī)定的8min～12min縮短至6min后，進行了結構設計及水力計算。結果表明：該船閘型式能大幅提高船閘的通過能力、避免船閘經(jīng)常性的改、擴建的設想是完全可行的。

關鍵詞 帶承船箱船閘；結構布置；輸水系統(tǒng)

中圖分類號 U6 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0092-03

隨著我國經(jīng)濟高速發(fā)展，而水運交通這種運輸成本低、運量大的運輸方式越來越受到物流界的喜愛。然而，由于航運規(guī)劃理念的差異和規(guī)劃水平年時段較短等原因，已建船閘中通過能力不足的矛盾很突出。如長江三峽船閘、廣西長洲樞紐等，堵船現(xiàn)象已十分嚴重。

以三峽大壩為例，受船閘通過能力的限制，一次通過三峽大壩的時間通常是1～2天。如果遇到特殊天氣，容易導致過壩的船只堆積，船只過壩就需要等候3～5天。有統(tǒng)計顯示2013年船只過三峽大壩的平均等待時間約為30多個小時?？傮w情況更是不容樂觀，三峽船閘原設計通行能力計劃維持到2030年期間每年單向通行5 000萬噸，但目前的通航需求量遠遠超出原先的預計，這意味著三峽船閘目前的通行能力，已經(jīng)在2013年接近其設計運力。這不僅難以滿足船舶正常通行及物質運輸?shù)男枨螅矅乐赜绊懙介L江流域的經(jīng)濟發(fā)展建設。

為了解決船閘通過能力不足的問題，三峽工程在沒有預留新航線情況，不得不動用巨資，開始啟動了船閘新通道建設的項目。長洲樞紐在已建成一線和二線船閘的基礎上，擴建的三、四線船閘于2015年1月20日建成投入使用。由此帶來的思考是，能否從船閘設計的優(yōu)化入手，大幅提高船閘的通過能力，便可減少類似的改、擴建工程，從而減少工程的重復建設，節(jié)省船閘工程建設需投入的巨額資金。

要提高船閘的通過能力，首要的問題是縮短船舶過閘時間，排除閘室尺度大小的因素外，需要縮短時間的因素主要有：1）船舶進出閘室的時間；2）開關閘門的時間；3）閘室的灌泄水時間等。帶承船箱船閘就是設想從縮短閘室灌泄水時間入手，通過大幅減少灌泄水過程中船舶遭受的水動力，改善船只停泊條件，從而達到縮短輸水時間的目的。

眾所周知，船閘輸水系統(tǒng)的設計主要面臨閘室輸水時間與船只停泊條件之間的矛盾。原因是船閘在灌泄水過程中，水流動力將直接作用于閘室停泊的船體，如果要求閘室停靠的船只有良好的停泊條件，必須有足夠長的輸水時間，由此導致過閘時間增長；同樣，采用較快的灌泄水速度，會使進入閘室的水流仍保持有較大動能，影響船只停泊安全。當上述技術問題不能較好解決時，就必須采用復雜的輸水系統(tǒng)或消能工設計?？v觀船閘水力學1 000多年來的發(fā)展歷史，改善閘室中船只的停泊條件，減小灌泄水水動力對船舶的沖擊，一直是人們追求的目標，但是受船閘作用水頭和閘室輸水量等條件限制，很難有較大突破。在對通航建筑物兩大主要型式，即船閘和升船機運行方式對比的基礎上，本文提出了帶承船箱船閘的設想。該設想是在船閘的閘室內(nèi)套裝上一個能隨水位升降的船箱，由于水流動力僅作用在船箱上，對過閘船舶基本沒有影響，船舶便如同?？吭谏瑱C船箱中，可隨承船箱平穩(wěn)升降，從而可大大減小對輸水時間的限制。

由于通過查閱有關帶承船箱式船閘的文獻資料以及相關專利，該船閘型式未見文獻報道，國內(nèi)外也沒有相關的設計和科研成果，所以這種閘型的提出在世界上屬于首創(chuàng)。

1 結構布置

該船閘采用的承船箱與升船機箱體基本相同，為保證過船數(shù)量不變，承船箱的平面尺度與原閘室相同，箱體兩側分別設置支承導軌系統(tǒng)，將承船箱與閘室相連。設計中，承船箱兩側設置了4對可隨水位升降的凸型滑塊，與閘墻邊緣的凹槽吻合。承船箱的結構為鋼結構，箱體為長方體，體內(nèi)有固定系船環(huán)。船閘在灌泄水時，箱體受浮力作用隨水位平穩(wěn)升降。由于進入閘室的水動力不直接作用在船上，而是全部由承船箱承受，閘室水位升降時承船箱所承受的水動力，由箱體兩側設置凸型滑塊均勻傳遞到閘室邊墻。承船箱底部安裝的滑塊與閘室之間的導軌系統(tǒng)設計見圖1，導軌與閘室邊墻的鑲嵌關系見圖2。

由于該承船箱受浮力工作，承船箱中不需要配備和安裝起吊、運行、平衡及動力等系統(tǒng)。為保證箱體能順利沿凹凸槽滑軌升降，須具有足夠的結構剛度，但是對結構強度的要求不高。由于受力簡單，結構型式和運行方式的設計可大為簡化，設計的重點是箱體兩側支承滑塊和閘室墻上凹槽的尺寸和強度。

2 輸水系統(tǒng)

考慮到承船箱對船只的保護作用，船只停泊條件較容易滿足。為使輸水時間大幅縮短，輸水系統(tǒng)設計中采用了大廊道斷面和大流量系數(shù)方案。同時，由于船閘數(shù)量和船閘尺度的增加，將大幅增加船閘的耗水量，不僅加速了水資源的耗費，也加劇了發(fā)電與航運的矛盾，且船閘高工作水頭對輸水系統(tǒng)影響較大。由此帶來思考，能否引出一種在保持船閘省水功能前提下，又能大幅提高通過能力的新船閘型式，所以我們選擇在常規(guī)省水船閘的基礎上進行創(chuàng)新設計。該輸水系統(tǒng)是沿用了常規(guī)船閘的輸水系統(tǒng)設計形式，所以不存在任何技術難題。

省水船閘是一種節(jié)水、經(jīng)濟并且環(huán)保的通航建筑物型式，它在常規(guī)船閘的基礎上設立省水池，具有成倍降低工作水頭和減少閘室過船耗水量的特點，該技術在國外已有成熟運用的先例。其優(yōu)點和效益明顯，但是由于省水船閘灌泄水環(huán)節(jié)稍多，運行方式比普通船閘復雜的問題，影響其在我國的推廣與運用。針對省水船閘的這一弊端，減少船閘運行環(huán)節(jié)帶來的船只過閘時間長以及航運壓力大等問題，這種帶承船箱的船閘的輸水系統(tǒng)應以大幅度縮短輸水時間為目的進行設計。

本文輸水系統(tǒng)設計在普通帶兩級省水池船閘的基礎上進行，該輸水系統(tǒng)與普通省水船閘相同，包括進水口、輸水廊道及輸水閥門、出水口和消能設備等部分。該船閘的最大工作水頭約40m，采用兩級省水池方案后，每級省水池水深約10m，輸水系統(tǒng)運行時最大工作水頭由40m降低至20m左右。輸水系統(tǒng)采用與原船閘相同設計，即選用閘墻長廊道，中部分流口進水，加二區(qū)段出水的較復雜式分散型輸水系統(tǒng)（輸水系統(tǒng)主視圖見圖3，俯視圖見圖4）?？紤]到承船箱對船只的保護作用，船只停泊條件較容易滿足，輸水廊道設計時采用大流量系數(shù)、較短輸水時間、大廊道斷面的設計思路，如將規(guī)范中規(guī)定的8min～12min的灌泄水時間縮短為6min等，從而保證船閘能在較短時間內(nèi)完成灌水或泄水過程，從而提高船閘通過能力。

帶承船箱省水船閘工作原理。

1）灌水：船只上行，此時閘室水位與上游齊平，首先依次打開下閘首和承船箱的下閘門，?？吭谝降纼?nèi)的船舶駛入承船箱。待船只在承船箱內(nèi)停穩(wěn)后，先后關閉閘室和承船箱的下閘門。依次將閘室內(nèi)水泄入省水池A、省水池B和下游引航道閥門，將水灌入閘室；此時，承船箱沿閘室兩邊的導軌開始向下滑動。當閘室水位與上游齊平后，依次打開承船箱和閘室的上閘門，船只駛出閘室進入上游引航道。

2）泄水：船只下行同理，此時應依次將閘室內(nèi)水泄入省水池B、省水池A和下游引航道閥門，將水泄出閘室。

通過這樣的灌泄水方式可降低50%的船閘工作水頭并且節(jié)約50%的一次過閘用水量，簡化對船閘輸水系統(tǒng)設計要求。

3 輸水系統(tǒng)水力計算及校核

水力計算就是對船閘的輸水系統(tǒng)進行布置和設計，通過設計過程的反復優(yōu)化，通過驗算輸水時間、閘室停泊條件以及輸水廊道工作條件等，評價帶承船箱省水船閘型式的可行性。

參照國內(nèi)外省水船閘的工作基礎及研究成果，本文帶承船箱省水船閘依托在V級船閘進行設計和計算。該船閘設計尺度23.6×15.6×50m，門檻水深4m。上游最高通航水位223m，下游最低通航水位183.12m。工作水頭39.88m，代表船型300t機動駁，空載干弦高度1.5m。通過計算判別系數(shù)，選定分散式輸水系統(tǒng)，為使進入閘室的水流分布均勻，且輸水系統(tǒng)簡單易于施工，主閘室選用較復雜分散式輸水系統(tǒng)。

帶承船箱的省水船閘遵循普通船閘的上下引航道、上下閘首以及輸水系統(tǒng)布置的設計，不同的是在閘室內(nèi)增設一個承船箱，再在閘室一側設置省水池。該船閘按二級省水池設計，旁側的省水池采用開敞式布置。每級水池底部布設一輸水廊道，并與閘室的主廊道相連，帶承船箱的二級省水船閘見圖5。

按照《JTJ 306-2001 船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》，對該閘型進行各輸水廊道、閥門處的阻力系數(shù)，以及灌水中不同時間段的流量系數(shù)、水位、閥門開度、流量的水力計算，得到灌水水力特性曲線，見圖6。

通過計算得到該閘型的灌水的運行工況：輸水時間為6min。省水池A灌水時間為0～120s，閥門開啟時間是0～40s，關閉時間為70～120s，省水池B為72～192s，閥門開啟時間是72～122s，關閉時間為156～192s，閘室主廊道為144～360s，閥門開啟時間為144～214s。

對該閘型進行停泊條件校核計算符合規(guī)范要求，且承船箱中船舶受力較原閘室船舶受力大幅度減小。計算得到閥門廊道斷面面積為55.2m2，主廊道斷面為71.7m2，出水廊道斷面49.6m2。

根據(jù)計算知道：該閘型相比于常規(guī)船閘輸水時間8min～12min以及閥門開啟時間都有所縮短；船舶受力減小，停泊條件得到改善；各廊道斷面面積相比于常規(guī)船閘增大很多，且不同時間段的流量系數(shù)也相比于普通船閘增大許多。說明該閘型的特點符合我們預期的設想。

4 成本分析

成本分析是在原省水船閘設計的基礎上進行。在造價方面乘船箱的箱體尺度與原閘室尺度相同，所以相比于原閘室只是增加承船箱的造價。通過對設計的承船箱造價的計算，相比于常規(guī)省水船閘成本增加8 198.4千萬元。在耗水量方面，因加設承船箱耗水量增加2 814m3。但是通過水力計算，常規(guī)船閘一次過閘耗水量為8.76萬m3，帶承船箱的省水船閘耗水量為4.4萬m3，比常規(guī)船閘耗水量減少4.36萬m3，承船箱的耗水量完全可以忽略。在過閘效率方面，常規(guī)船閘以及省水船閘一次過閘時間45min，同等級船閘通航能力為327.5萬噸，帶承船箱的省水船閘一次過閘時間為35min，通航能力為477.6萬噸，通航能力提高150.1萬噸。

雖然該閘型增加承船箱造價，但是其結構及輸水系統(tǒng)均可采用成熟的設計，不存在新的技術難題相對于因為船閘通過能力不足而進行的改擴建工程來說，工程投資的量級很小。

5 結論

1）帶承船箱的省水船閘與常規(guī)船閘相比僅僅是增加了一個承船箱，其結構及輸水系統(tǒng)均可采用成熟的設計，不存在新的技術難題。由此在推廣應用及運行維護方面，均容易實施。

2）我們通過水力計算以及停泊條件校核，發(fā)現(xiàn)其輸水時間和船舶受力優(yōu)于常規(guī)船閘，說明該閘型能大幅提高通過能力、避免船閘的大規(guī)模改建、擴建。

3）采用帶承船箱的省水船閘設計可大幅降低船閘工作水頭，一定程度上簡化閘墻結構及輸水系統(tǒng)設計，從而降低工程造價，使該船閘的推廣應用更為簡潔。

4）在船閘中增設承船箱雖然會一定程度增加工程造價，但是相對于因為船閘通過能力不足而進行的改擴建工程來說，工程投資的量級很小。

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