诌议某城市船闸输水系统的设计

摘　要：本文结合(JTJ 306-2001) 船闸输水系统设计规范，介绍了某城市水利枢纽工程船闸的设计标准和要求，论述了船闸输水系统的型式选择、系统布置及水力计算和设计过程。该船闸选择分散输水系统，经过实际运用，证明其设计经济合理的施工和维护。

关键词：设计要求 ， 安全技术指标 ， 案例分析
1.输水系统的设计要求和分类
1.1 船闸输水系统应包括进水口、阀门段、输水廊道、消能工和镇静段等。
1.2 输水系统的设计，应满足下列基本要求：
(1 )灌水和泄水时间；
(2 )船舶、船队在闸室内的停泊条件和引航道内的停泊和航行条件；
(3 )船闸各部位在输水过程中不至由于水流冲刷、空蚀、振动等造成破坏。
1.3 对有双向水头、多线船闸或船闸与升船机共用引航道、多级船闸补溢水、设置中问渠遁、省水、防咸等要求的船闸；
1.2条规定外，尚应满足各自特殊的要求。
1.4 船闸输水系统可分为集中输水系统和分散输水系统两大类。输水系统的类型可根据判别系数按式(1.4)初步选定。当m>3.5时，采用集中输水系统;当m<2.5时，采用分散输水系统;“与m为2.5-3.5时，应进行技术经济论证或参照类似工程选定。
　　　                  (1.4)
式中m ----判别系数；
　　　H----- 设计水头(m) ；
　　　T----- 闸室灌水时间(min)
1.5 船闸输水系统的设计，宜将水力计算分析和进行水工模型试验相结合。
1.6 多级船闸的上、下游水位变幅较大且不同步时，应考虑闸室输水过程的补水和溢水措施。
2.输水系统运转安全技术指标和要求
2.1 对只设有固定系船设备的船闸，闸室灌泄水时的最大水面升降速度应不大于5-6cm/s，设有浮式系船柱时，可不受此限制。
2. 2 船闸灌泄水时，引航道内非恒定流的水面波动、比降及流速等水力特性，除应满足引航道内船舶、船队停泊条件标准外，尚应满足船舶船队在引航道内的航行条件和停靠码头的操作要求。引航道内水面的降低应保证航行船舶的富裕水深。上游引航道中最大纵向流速应不大于0.5-0.8m /s，下游引航道中应不大于s。但在上游引航道码头处应不大于0.5m/s。
2.3 船闸正常运转时，输水系统各部位不宜出现负压，在特殊情况下，其局部压力不宜产生超过3mH20的负压。
2.4 输水廊道中的流速不宜大于15 m/s。当流速超过15m/s或含沙量较大的水流，应采取防护措施。
2.5 当船闸闸室灌泄水时，闸室水面的最大惯性超高、超降值，在采取提前关闭输水阀门及水面齐平时开启闸门等措施后，不宜大于0.25 m。
2.6 输水系统进水口水面不应产生有危害性的串状吸气漩涡。
2.7 多级船闸采用输水阀门兼作补水阀门时，应核算补水操作时阀门的工作条件以及闸室输水时间。采用闸室侧溢流堰作为溢水措施时，溢流孔口顶高程应低于船舶底部高程。同时在确定闸室下闸首阀门井顶部高程时，应考虑阀门前廊道水流动能恢复所导致的阀门井水位增高。
3.案例分析
　　3.1概况
　　  某城市水利枢纽工程船闸布置在左岸，闸室有效尺寸为80 m×12 m×2 m (长×宽×槛上水深)，最大水头12．50 m，年设计通过能力按100万t核算。船闸由下游开挖段、上下引航道、上下闸首及闸室组成，总长659．4 m，其中上引航道长103．0 m，船闸123.4 m,下引航道130.0 m、下游疏浚航道段303m。根据枢纽总布置及地形因素，上下引航道采用不对称型的平面布置。
3.2设计基本原则及基本资料
3.2.1设计基本要求船闸输水系统的设计，应满足下列基本要求：
(1)灌水和泄水的时间；
(2)船舶、船队在闸室内的停泊条件和引航道内的停泊和航行条件；
(3)船闸各部位在输水过程中不至于由于水流冲刷、空蚀、振动等造成破坏。
3.2.2通航标准及水位
　　为减少淹没损失，本枢纽采取大洪水敞泄降低运行水位的运用方案，且当流量大于3500 m3/s时停止通航，闸门逐步开启至全开泄洪；小于3500 m3/s流量时，水库水位在正常水位运行，故正常蓄水位为上游设计最高通航水位。根据上级批复确定最低通航水位。通航水位见表1

3.3 输水系统设计
3.3.1输水型式选择
(1)输水系统类型确定。本船闸上游最高通航水位54.00 m，下游最低通航水位41．50 m，输水系统设计最大水头差H=12．5 m，根据设计通过能力等要求，输水时间T采用8 min。
　　依船闸规范规定，m<2．5应优先选择分散输水系统。

船闸所在航道为V级，闸室尺度小，但水头相对较大，若采用集中输水系统，闸室需有较长的镇静段，闸首内消能设施较复杂，且闸室内泊稳条件较差，故采用分散输水系统。
（2）分散输水型式的选择。本船闸最大水头12.5 m，属中等水头，航道等级低，闸室尺寸小，经综合比较，选用闸墙长廊道多支管，出水口设置消能沟的简易分散输水型式。
3.3.2 输水系统的布置
　　本船闸输、泄水廊道分别布置于两侧闸墙内，每侧廊道由进口段，阀门段，主廊道出水段，泄水出口段等组成，各段分述如下：
(1)进口段。根据上闸首的结构布置和输水系统进水的水力要求，廊道进水口前面为一个由帷墙空间形成的深水池。水流由上闸首垂直进入在不同高度上设有格栅的池内，然后再进入廊道进口。这样布置能获得较大的淹没水深和较好的进水流态，有利于防止漩涡的生成，避免挟带空气进入闸室、恶化停泊条件。
（2）阀门段。4个输水阀门处廊道断面尺寸为2.0m×2.2 m (宽×高)，上闸首阀门段底高程38.3 m，下闸首阀门段底高程38.85 m.
(3)主廊道出水段。主廊道断面积2.0 m×2.2 m (宽×高)，底高程38.3 m，出水孔段总长40 m，设于闸室中部，每侧共有出水管40个，单层布置；出水孔出口断面直径为0.55 m，支孔中心距3.0 m，支管出口处设消能坎，以进一步消除部分能量，改善流态，减少横向系缆力。
（4）泄水出口段。下闸首采用格栅式消能出水，消能室顶部为中密侧疏的格栅，栅条断面宽0.5 m，出水孔宽0.4-0.6 m,消能室有消能坎和消能柱，水流向上经格栅调整进入下游引航道，由于泄水流量较大，下游引航道水深较小，为增加淹没水深，将下闸道阀门段廊道底高程作局部降低到35.85 m，以利消能。
3.3.3 船闸通过能力计算
  根据某城市水利枢纽水文条件。客货盘比例现状及发展预测、货运特点，以年平均通航过闸天数为320d,船闸昼夜工作时间为20h，一次过闸时间36min、非货运过闸比例为20%、船舶装载利用系数0.65，运量不均衡系数1.5为准，按有关公式算得：
  年过闸船舶总载重吨位为276万t。年过闸货运量为70万t。船闸达到设计通航能力时的日平均耗水量经过计算为5.43m3/s。
3.3.4船闸水力计算
(1)输水阀门处，廊道断面面积按下 式计算。

　　　式中符号意义见(JTJ261-266)船闸设计规范，其中：取0．581，取用0．598，取用0.75。经计算得阀门处廊道断面积需用8.68 m2，设计取用阀门处廊道断面与主廊道相同为8.8 m2 (4×2.2 m2)。
(2)输水系统阻力系数与流量系数。由各段阻力系数计算得充水系统、泄水系统总阻力系数及流量系数，充、泄水时，阀门各开度的阻力系数，流量系数，收缩系数的计算成果见表2。

(3)输水廊道换算长度惯性超高。由阀门前、后长度，出水孔段长度及廊道截面积计算得换算长度及惯性超高d，见表2。
(4)核算输水时间。充水、泄水的时间T，由下式计算。

结束语：
　　船闸输水系统设计应从全局出发，在确保船舶、船队迅速、安全过闸的条件下，力求布置简单、经济合理、技术先进，并便于施工、管理和维修。某工程水利枢纽工程船闸输水系统设计，结合工程的实际情况，主要就输水系统设计进行了论述，为今后船闸的设计、经验交流提供借鉴。