峡江水利枢纽船闸输水系统布置方案比选

华杰

摘要：结合我国现有水利枢纽船闸输水系统型式的特点，重点介绍了峡江水利枢纽船闸输水系统布置方案比选，为今后国内类似水利工程提供了一定的参考价值。

关键词：船闸；闸底长廊道输水系统；闸墙长廊道侧支孔输水系统

船闸输水系统型式的特点及在我国的应用

目前，在我国国内公认的船闸输水系统型式主要分为两种：闸室底部长廊道

输水系统和闸墙长廊道侧支孔输水系统。

1.1 闸室底部长廊道输水系统

我国对闸底长廊道输水的试验研究始于60年代中期，首先投入运转的是浙江富春江七里垅船闸。至今我国采用这种输水系统型式的船闸之中大部分进行了相应的模型试验研究，部分还进行了原型观测，通过这些船闸的研究对这种输水系统有了进一步的认识，发现其具有优良的水力特性，因此在最新修订的船闸设计规范中已将这种输水系统型式由第一类（简单式分散输水系统）调整为第二类（较复杂式分散输水系统）。国外较早采用闸底长廊道输水系统的船闸有尼日利亚的康杰船闸及美国1934年建成的老邦纳维尓船闸。

1.2 闸墙长廊道侧支孔输水系统

我国对闸墙廊道侧支孔输水的试验研究工作是从70年代开始的，南京水利科学研究院对侧支孔系统布置及水力特性进行了大量试验研究，先后完成了广西桂平、贵港、长洲（1991年设计方案）、河南沙颍以及湖南大源渡等船闸闸墙长廊道侧支孔输水系统水力特性的试验研究。

该类型输水系统型式适用于混凝土重力式闸墙，因在闸墙底部布置主廊道是经济的，在闸墙主廊道上接侧支孔也较为方便，这种布置因需兼顾闸室的充水和泄水，因而廊道断面不变。但该输水系统型式对阀门单边运行的适应性较差，阀门单边运行时一侧完全无水出流，另一侧即进水侧出水支孔的水流经消力槛消去部分能量后继续冲至对面闸墙，在闸室内形成水面横向坡降，使船舶所受的横向力较大。

2 工程概况

峡江水利枢纽工程位于赣江中游峡江县老县城（巴邱镇）上游峡谷河段，距峡江老县城巴邱镇约6km，是一座以防洪、发电、航运为主，兼有灌溉等综合利用功能的水利枢纽工程。

峡江水利枢纽工程规模基本选定为：水库正常蓄水位46.0m，死水位44.0m，防洪高水位49.0m，设计洪水位49.0m，校核洪水位49.0m；防洪库容6.0×108m3，调节库容2.14×108m3，水库总库容11.87×108m3；电站安装9台水轮发电机组，装机容量360MW；通航过坝设施按Ⅲ级航道过1000t级船舶的单线单级船闸考虑，闸室尺寸为180×23×3.5m（长×宽×门槛水深）；灌溉耕地面积32.95万亩；另外，为了减少淹没损失，对库区内的同江、金滩、樟山、柘塘等7片区域采取工程防护措施，防护工程堤线总长57.81km，排涝电排装机容量17715kW，导排沟（渠）总长51.691km。

2.1 船闸轴线布置

峡江坝址处河道弯道处，坝址左岸为凹岸，正常蓄水位46.0m高程处河谷宽约736m，平水期河床宽约583m，河床底高程27~30.5m，河流流向N24°W，主槽居中。左岸山顶高程150m以上，山体坡角20°～30°，地形较缓。左岸一级阶地宽0~230m，阶面高程39～41m；二级阶地主要发育于坝址上游，宽0~200m，部分剥蚀，阶面高程42~46m。右岸坝肩山顶高程147m，山体坡角20°～35°，平均坡角27°。右岸一级阶地宽度一般0~100m，自下游向上游尖灭，阶面高程40~43m，二级阶地不发育。

3. 船闸输水系统

根据《船闸输水系统设计规范》，m值大于2.4时，可采用第一类分散输水闸墙长廊道侧支孔输水系统，m值为2.4～1.8时，可采用第二类分散输水闸底长廊道输水系统。本工程m=2.02～2.52。

本文拟对峡江水利枢纽船闸输水系统型式进行上述两种输水系统的布置和分析比较。

3.1 闸底长廊道输水系统布置

（1）上闸首

上闸首桩号船0-012.70m~0+030.8m，首属挡水建筑物一部分，挡水墙顶高程53.0m，公路桥面按最高通航水位46.0m加通航净高10m及桥梁高度确定为57.77m，路两边按6％纵坡与坝顶公路（桥）连接，上闸首建基面高程22.3m，建基岩体为弱下～微风化基岩。

上闸首挡水前缘宽47.0m，闸室净宽23.0m，布置检修门、防洪闸门、人字工作门及输水系统工作门等。建基面高程23.1m，置于弱风化岩层上，底板厚3.0m。两侧边墩厚均为12.0～9.5m，上闸首顺水流方向长43.5m，闸顶布置有门机轨道、消防泵房、液压启闭设备泵房等，根据设备功能分区要求，闸顶呈台阶形布置。人字门龛上游闸墩长19.0m，闸顶高程56.5m~51.2m，闸墩宽12.0m，平时检修闸门、防洪闸门置于闸顶，由门机吊运，为满足门机运行启吊要求，闸墩上游采用牛腿形式延长1.5m，轨道长20.5m，轨道范围闸顶高程56.5m，宽5.0m，轨道外侧闸顶高程53.0m，布置消防水泵房（面积15.0m2）。轨道下游闸墩长23.6m，闸顶高程51.2～48.5m，布置有坝顶交通桥、液压启闭泵房（面积160.0m2）等。闸室门坎高程39.20m，人字门门槛底高程38.20m，门龛范围闸墩厚9.5m。

（2）下闸首

下闸首桩号船0+200.80m~0+243.30m，挡水前缘宽47.0m，闸室净宽23.0m，布置人字工作门、检修门及输水系统工作门等。建基面高程19.8m，建基岩体为弱下～微风化基岩。底板厚3.5m。左右边墩厚均为12.0～9.5m，下闸首顺水流方向长42.5m，闸顶布置有门机轨道、闸室检修排水泵房（面积15m2）、液压启闭设备泵房（面积160m2）等，根据设备功能分区要求，闸顶呈台阶形布置。人字门龛下游闸墩长19.0m，闸顶高程54.7m~48.0m，闸墩宽12.0m，平时检修闸门、防洪闸门置于闸顶，由门机吊运，门机轨道长19.0m，轨道范围闸顶高程54.7m，宽5.0m，轨道外侧闸顶高程48.0m，布置闸室检修排水泵房。门龛闸顶高程48.0m，布置有闸门启闭泵房。闸室门坎高程26.8m，人字门门槛底高程25.8m，门龛范围闸墩厚9.5m。

（3）闸室

闸室结构长170m，（闸首的部分区域可靠船，闸室有效长度为180m）净宽23m，建基面高程22.2m，底板高程26.8m，建基岩体为弱下～微风化基岩。墙顶高程48m，闸室边墙长度170m。为适应结构的不均匀沉降，沿闸室长度方向毗邻上下游闸首的闸室段分缝长25m，中间段闸室每隔15m设沉降伸缩缝一道，共8段，缝内设止水铜片止水，缝内采用聚乙烯板填。

闸室底板厚4.6m，沿闸室中心线两恻分设两条输水廊道，廊道底高程23.2m，廊道顶高程25.8m，输水廊道断面尺寸5×2.6m（宽×高）。中间段闸室廊道设有出水支孔，每侧设24个短支孔，分为3组，上游至下游孔口尺寸分别为0.9×0.85m2（8孔）、0.9×0.75m2（8孔）、0.9×0.65m2（8孔），总面积为32.4m2。为保证出水支孔水流较平顺并减小出水支孔的形状阻力，出水支孔长度1.5m，每分缝段设3条出水支孔，出水支孔间距5m。

出水消能为双明沟消能，沟底板高程23.2m，沟顶高程25.8m，同时为使水流导向闸室中部，明沟上部按1:1坡度向闸室中心倾斜。消能明沟宽4.5m，高2.6米，沟中间设有0.5米厚隔水墙，隔水墙底部留有联通孔洞。闸室长廊道侧支孔输水系统布置见图1。

闸室边墙结构为砼重力式挡土墙，闸室墙顶两侧设栏杆，内侧设浮式系船及固定式系船设备，同时设置嵌入式爬梯，间距与建筑物结构分段相适应。

3.2 闸墙长廊道侧支孔输水系统布置

（1）上闸首

上闸首建基面高程22.1m，阀门处廊道底高程为23.8m，顶高程27.3m，阀门孔口尺寸3.5×3.5m（长×高），门后廊道顶高程逐渐抬高至29.3m，底抬高至25.3，廊道宽度逐渐扩大至4.0m。布置同闸底长廊道布置方案相同。

（2）下闸首

廊道底高程由25.3m逐渐降低至高程22.3，闸门处廊道尺寸3.5×3.5m，布置型式同闸底长廊道输水方案。

（3）闸室

闸室结构长170m，净宽23m，底板高程25.3m，建基面高程24.3m，建基岩体为弱下～微风化基岩。墙顶高程48m，闸室边墙长度170m，闸室墙顶两侧设栏杆，沿闸室长度方向每隔10m设沉降伸缩缝一道，縫内设止水铜片止水。边墙内设有输水长廊道，采用侧支孔出水，每侧设24个短支孔，分为3组，上游至下游孔口尺寸分别为0.85×0.8m2（8孔）、0.85×0.74m2（8孔）、0.85×0.68m2（8孔），总面积为30.19m2。出水设消力槛消能，消力槛高度为0.5 m，消力槛顶高程25.8m。边墙建基面高程根据输水廊道要求确定为22.80m高程，输水廊道底高程25.3m，输水廊道尺寸4×4m，闸室边墙采用重力式挡墙型式，底板宽15.85m，墙顶宽3.5m，墙后坡1:0.5。闸墙长廊道侧支孔输水系统布置见图2。

闸室边墙内侧设浮式系船及固定式系船设备，同时设置嵌入式爬梯，间距与建筑物结构分段相适应。闸室底板厚1m，为适应结构的不均匀沉降，沿纵轴线方向每17m设置结构缝一道，缝内采用聚乙烯板填充，分块尺寸为8m×10m，护坦底板布置φ50间距1m的PVC排水管。

3.3工程量及投资比较

两种输水型式闸首及闸室土建主要工程量及投资比较见表1。

闸室底部长廊道输水方案投资比闸墙长廊道侧支孔输水方案多318.16万元，但是闸室底部长廊道输水方案水流消能条件较好，可较好地适应阀门单边或不同步开启时船舶的停泊条件。

经技术经济比较，最终推荐闸室底部长廊道输水型式。

3.4 模型试验成果

赣江是江西省的黄金水道，也是全国水运主通道之一，峡江船闸是赣江航运干线上的重要枢纽，设计最大水头为15.7m，规模较大、输水时间较短、水力指标较高，对赣江航运至关重要，因此，根据总体布置与船闸输水系统设计规范的有关规定及要求，对船闸输水系统进行水力分析、并通过模型试验论证及优化，以确保船闸运行及过闸船舶安全是必要的。根据具体条件确定采用闸室底部长廊道输水系统。通过1:25水工整体模型试验研究，得到以下结论：

1）峡江船闸采用的闸室底部长廊道输水系统的整体布置设计是合理的，各输水水力特征的分析计算值与模型试验值较为吻合，达到了预期的设计目标和要求。

2）经过多种方案比较，确定充、泄水阀门开启时间tv均采用4min，此时闸室充、泄水最大流量分别为228m3/s和214m3/s，相应的输水主廊道的最大平均流速为8.77m/s和8.23m/s，均符合设计要求。对应的闸室充、泄水时间分别为9.33min和9.70min，满足设计要求。

3）双边开启充水阀门门后未出现负压、泄水阀门门后负压小于3.0m，因此充泄水阀门输水廊道各部分高程较为合适。充泄水阀门单边开启过程中，阀门后均有一定负压，因此建议：①适当增加输水阀门后混凝土的强度，②在泄水阀门后设置通气管。

4）经调整优化后的输水系统双明沟消能布置，在改善闸室中船舶停泊条件方面获得了预期的效果，船闸正常运行时闸室内水流较平稳，闸室中线处水面无壅高。充水阀门开启时间tv＝4min时，各种设计船舶（队）的系缆力均小于规范规定的允许系缆力。

5）峡江船闸上闸首廊道进水口采用顶面多支孔布置，经过调整进水口水流条件良好，试验未见漩涡及回流。出水口消能室内底坎布置适应下游引航道布置，保证了水流分布基本均匀，但下游引航道内的最大流速达到1.11m/s，不能满足规范要求，必须考虑采用一支旁侧、一支引航道内的布置方案。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。