嘉陵江利泽航运枢纽船闸输水系统的布置与研究

廖 劲 松

(重庆航运建设发展(集团)有限公司，重庆 401121)

1 概 述

嘉陵江作为长江上游联接陆路与水陆交通运输的重要干线，不仅是国家综合运输网的重要组成部分，同时也是交通运输部规划的全国水运主通道并被列为国家战备航道。重庆嘉陵江利泽航运枢纽坝址位于嘉陵江干流重庆市合川区大石街道境内，是嘉陵江干流梯级规划广元至重庆段十七级开发方案中的第十五个梯级，上游距桐子壕航电枢纽29.7 km，下游距草街航电枢纽70 km。国道212线在坝址右岸通过，渝(重庆)武(武胜)高速在其左岸通过[1]。坝址分别距利泽码头上游、合川城区以及重庆市区约3.5 km、32 km、100 km。开发任务以航运为主，航电结合、以电促航、兼顾发电并修复嘉陵江干流合川区水生态环境[2]。

枢纽船闸布置于左岸，船闸闸室的有效尺寸采用180 m×23 m×3 m(长×宽×槛上水深)；最大设计工作水头8.73 m;通航2×500 t半分节驳船队，尺寸为111 m×10.8 m×1.6 m(长×宽×吃水深度)。根据设计通过能力,确定船闸的输水时间为8～10 min。

2 输水系统的布置

2.1 输水系统型式的选择

输水系统型式的选择公式由《船闸输水系统设计规范》(JTJ306～2001)确定[3]：

式中T为输水时间，min；H为水头，m；m为输水系统类型判别系数。由以上数据代入可得：

根据规范要求：m大于3.5时采用集中输水；m小于2.5时采用分散输水。当m为2.5～3.5时，输水系统的类型应参照同类工程或进行经济技术论证后选定。对于分散输水系统，当采用第一类输水系统时，m值应大于2.4；采用第二类输水系统时，m值应在1.8～2.4之间。该船闸m值介于2.64～3.3之间，考虑到该船闸平面尺度较大等因素，最终船闸采用闸墙长廊道侧支孔出水的第一类分散输水系统。

2.2 分散输水系统与集中输水系统相比具有的优势

集中输水系统相较于闸墙长廊道侧支孔输水系统的输水水力性能具有明显的差距[4]。通过不设镇静段缩短闸室长度以弥补因廊道而使闸墙工程量增大的缺陷，其性能价格比在船闸水头达到需求(10 m)时将明显优于集中输水系统，是一种较优的、适合于中等水头与重力式闸墙的输水系统型式[5]。

2.3 船闸输水系统的布置

2.3.1 输水阀门段廊道的断面尺寸与面积

根据船闸输水系统设计规范，利泽航运枢纽船闸输水阀门处的廊道断面积可按以下公式进行计算：

式中ω为输水阀门处廊道的断面面积，m2；C为计算闸室水域面积，m2；H为设计水头，m；μ为输水系统的流量系数(阀门全开)，可取0.75；t为闸室充(泄)水时间，s；α和kv为系数(可查表)；α与流量系数μ和阀门门型有关；g为重力加速度，m/s2；d亦为系数，与μ的取值有关。

对于利泽枢纽船闸：C=213×23=4 899(m2)，H=8.73 m，T=8～10 min；取d=0.25，μ=0.75，α=0.56，kv=0.5，则：

计算结果表明：输水阀门处的廊道断面面积为15.74～19.68 m2。考虑到船闸输水要求高，最终取输水阀门尺寸ω=(2～3)×3.5(宽×高)=21(m2)，可以满足输水时间要求。

2.3.2 主廊道及闸室段出水支孔的断面面积

主廊道断面与出水支孔的断面尺寸在阀门处廊道断面尺寸确定后进行选择。选择时应注意以下几个比值：

根据相关经验，φ值的大小与输水主廊道各段的损失和γ值与出水孔段阻力损失成反比；各出水支孔之间出流越均匀，表明β值愈小，但此时的出水孔段阻力却相应增大。表1给出了部分船闸φ、β、γ的统计值。

表1 国内外部分船闸侧墙廊道支孔输水系统特征统计表

由表1可知：上述所有船闸的φ值均大于1，β值在0.94～1.07之间变化，γ在1.08～1.41范围内。根据试验研究可知：利泽船闸阀门处的廊道断面面积为21 m2，闸室主廊道断面面积为24 m2，断面尺寸为(2～3 )m×4 m(宽×高)。船闸闸室有效长度为180 m，闸室中部两侧出水支孔错开布置，每侧共布置22个中心线距离为5.6 m的出水支孔。为使船闸充水时闸室纵向出流均匀，减小纵向比降，闸室出水支管喉部采用了不同尺寸的断面，支管上游前7个支孔喉部断面尺寸为0.66 m×0.9 m(宽×高，下同)，中间8个支孔喉部断面的尺寸为0.6 m×0.9 m，后7个支孔喉部尺寸为0.54 m×0.9 m，出水支孔总断面面积为23.76 m2。经计算，船闸取φ=1.14，β=0.99，γ=1.13。

2.4 上下闸首输水廊道和出水口布置

导墙垂直多支孔布置于上闸首廊道进水口处，顺水流方向支孔喉部面积逐渐减小，进水口顶高程为205.6 m，淹没水深按最低通航水位计算为4.7 m，大于规范中的0.4倍设计水头3.5 m的要求。经采用以下公式进行初步估算得知：

利泽船闸充水最大流量为145 m3/s时，其进水口面积不小于60 m2。

在上闸首导航墙上布置船闸进水口，左、右侧进水口均从引航道取水，每侧进水口设4个尺寸为3 m×4 m(宽×高)的进水孔。考虑到进水口流速的不均匀性，进口总面积为96 m2，其平均流速为1.51 m/s；船闸进水口通过鹅颈弯管与上闸首阀门前廊道平顺衔接，工作阀门布置在二次转弯后9.78 m处，底高程为195.5 m，顶高程为199 m，门高3.5 m，廊道顶最小淹没水深为3 m。工作阀门后廊道顶按1∶10的坡度渐扩，顶高程由199 m增加至199.5 m，廊道高度由3.5 m扩大至4 m，后经1∶4的坡度升高，升高后主廊道底高程为197 m，顶高程为201 m，闸室主廊道顶最小淹没水深为1 m。船闸上游检修阀门井与工作阀门井相距22 m，工作阀门井与下游检修阀门井的间距为15 m(图1)。

图1 上闸首布置图

下闸首工作阀门处廊道顶高程为197.5 m，最小淹没水深4.5 m，工作阀门断面尺寸与上闸首同为3 m×3.5 m(宽×高)，工作阀门井与上、下游检修阀门井相距5 m、12.5 m，工作阀门后的廊道高度采取3.5～4 m逐渐向上的扩大型式。将导墙垂直多支孔同样布置于下游廊道出水口处是为了避免基坑开挖深度增大、下闸首底板高程过低现象的出现。出水口顶高程为198.5 m，最小淹没水深为3.5 m，大于规范1.5 m淹没水深的要求，断面面积为48 m2的下闸首出水口廊道是主廊道面积的2倍(图2)。

图2 下闸首布置图

3 输水系统的水力特性

在最不利水位组合运行工况下(水位组合：高程210.73～202 m，水头8.73 m)，输水的主要特征值见表2，充水时间和阀门开启时间的关系见图3。

由图3、表2可见：当充水阀门双边开启时间分别为4 min、5 min、6 min和7 min时，闸室充水时间分别为8.1 min、8.8 min、9.4 min和10 min，闸室最大充水流量分别为145 m3/s、136 m3/s、128 m3/s和119 m3/s，相应的输水主廊道最大断面平均流速分别为6.04 m/s、5.67 m/s、5.33 m/s和4.96 m/s，工作阀门廊道的最大断面平均流速分别为6.9 m/s、6.48 m/s、6.1 m/s和5.67 m/s，上游进水口断面最大平均流速分别为1.51 m/s、1.42 m/s、1.33 m/s和1.24 m/s，闸室水位最大上升速度分别为3 cm/s、2.8 cm/s、2.6 cm/s和2.4 cm/s。

表2 船闸非恒定流水力特性参数表(水位组合：高程210.73～202 m)

图3 闸室充、泄水时间与阀门开启时间关系曲线图

当泄水阀门双边开启时间分别为4 min、5 min、6 min和7 min时，闸室泄水时间分别为8.7 min、9.6 min、10.1 min和10.8 min，闸室最大泄水流量分别为139 m3/s、131 m3/s、123 m3/s和113 m3/s，相应的输水主廊道最大断面平均流速分别为6.18 m/s、5.76 m/s、5.14 m/s和4.76 m/s，阀门段廊道的最大断面平均流速分别为5.79 m/s、5.46 m/s、5.13 m/s和4.71 m/s，闸室水位最大下降速度分别为2.8 cm/s、2.7 cm/s、2.5 cm/s和2.3 cm/s。

在充水阀门单边开启时间为6 min、7 min时，闸室的充水时间分别为14.2 min和15.4 min。此时，闸室的最大充水流量分别为82 m3/s和78 m3/s，输水主廊道、工作阀门廊道的最大断面平均流速相应为6.83 m/s、6.5 m/s和7.81 m/s、7.43 m/s，上游进水口断面的最大平均流速分别为1.71 m/s和1.63 m/s。在阀门单边开启时间为6 min、7 min泄水时，闸室的泄水时间分别为15.3 min和16.5 min。此时，闸室充水的最大流量分别为76 m3/s和71 m3/s，输水主廊道、工作阀门廊道的最大断面平均流速相应为6.33 m/s、5.91 m/s和7.24 m/s、6.76 m/s。

4 结 语

笔者通过对船闸闸墙长廊道侧支孔输水系统特点进行分析，运用水力计算和已有相似船闸对比分析的研究方法，对嘉陵江利泽航运枢纽船闸输水系统的选型、布置、尺寸等方面的确定提出了较为全面的研究成果，主要有以下结论：

(1)根据利泽航运枢纽船闸特点，采用闸墙长廊道侧支孔分散输水系统的布置型式较为合适。该型式的输水系统具有较高的性价比且适用于利泽航运枢纽船闸的水力指标范围。

(2)所提出的输水系统布置满足《船闸输水系统设计规范》，且同时适合于利泽航运枢纽船闸的具体条件。

(3)采用6 min匀速开启船闸充、泄水阀门时，闸室的平均输水(充、泄)时间为9.75 min；采用7 min匀速开启船闸充、泄水阀门时，则闸室对应的平均输水时间(充、泄)为10.4 min。输水时间若考虑模型缩尺效应均满足设计要求的10 min以内，各项水力学指标满足规范要求，说明输水系统各部分尺寸的设计基本合理。

(4)可以通过不设镇静段缩短闸室长度以此弥补因廊道而使闸墙工程量增大的缺陷，其性价比在船闸水头达到需求 (10 m )时将明显优于集中输水系统。