船闸上游进水口布置试验研究

曾敏，林勇，孙利敏

（四川省交通勘察设计研究院有限公司 四川 成都 610031）

某水电站位于湄公河通航河段，属大（2）型工程，工程等别为Ⅱ等[1]，工程布置采用“左岸厂房＋右岸泄洪冲沙闸＋右岸船闸”的布置格局。根据中、老、缅、泰四国政府签订的《澜沧江－湄公河商船通航协定》及《澜沧江－湄公河航道维护与改善导则》，该工程船闸级别为Ⅳ级，按通航500t 级船舶标准设计，船闸采用右岸单线1 级船闸[2]。由于该船闸最大工作水头约为32.5m，其水头已接近或达到了国内外已建船闸的最高水平，进水口的合理布置关系到船闸输水是否满足要求，同时也与船闸整体稳定运行息息相关，其性能优劣将直接影响到湄公河干流的航运能否畅通，因此本文结合泥沙淤积模型成果，尽量减小泥沙淤积对进水口的影响，通过对上游进水口不同高程的试验结果，对提高进水口高程后不良水流条件提出工程解决措施，满足规范要求，保证船闸的安全稳定运行。

1 船闸概况

该船闸布置于右岸，船闸左侧为航道冲沙闸，右侧与右岸非溢流坝段相接。船闸上游最高通航水位为340m；上游最低通航水位为334m；下游最高通航水位为329.38m；下游最低通航水位为307.62m，最大工作水头为32.38m。

1.1 输水系统型式

据《船闸输水系统设计规范》输水系统类型的选择公式：

对于本船闸，其最大水头为32.38m，设计输水时间为10～12min。

据船闸设计规范，该船闸的m 值在1.8 左右，可采用第二类分散输水系统中的闸墙主廊道闸室中心进口、水平分流、闸底纵支廊道（二区段出水）的输水系统型式[3]，也可采用第三类分散输水系统型式中的闸墙主廊道闸室中心进口、水平分流、闸底纵支廊道（二区段出水）的输水系统型式[3]。鉴于该船闸水头较高，阀门段廊道到分流口距离较短，采用水平分流较难保证上下闸室内分流均匀，结合银盘等类似规模水头船闸布置经验及本船闸闸室地基较好、开挖较浅的特点，初拟选择闸墙长廊道、垂直分流口、闸底纵支廊道（二区段出水）、侧支孔加消能明沟的第三类分散输水系统型式作为该船闸的输水布置型式[4]。

1.2 上闸首及进水口布置

输水系统进水口采用闸墙垂直多支孔布置，廊道进水口顶高程为320.30m，则进水口淹没水深为19.70m。进水口与上闸首充水阀门段廊道通过鹅颈管相连接，工作阀门布置在鹅颈管之后，阀门顶高程为294.62m，底高程为292.02m，淹没水深为13.0m，阀门后需要采用突扩廊道体型。具体布置见图1。

1.3 下闸首及出水口布置

下闸首泄水阀门段廊道通过斜坡及水平直段与闸室中部分流口相连接。下游出水口选用顶出水格栅式消能室，消能室顶与下游引航道底高程一致。具体布置见图1。

1.4 分流口布置

本船闸垂直分流口布置于闸室水体中心，分别与闸室出水纵向支廊道和闸墙长廊道相连接，考虑到分流口水流条件较差，为进一步控制断面流速，对分流口断面进行了适当加大，采用2～3.6×3.3 m2（宽×高）＝23.76 m2，宽度3.6m 与闸室出水纵向支廊道宽度一致、分流口水平隔板厚度为0.50m，过流面积为21.6m2。

1.5 闸室出水支廊道和出水支孔布置

闸室出水支廊道布置可采用两种型式，侧支孔出水明沟消能和顶支孔出水盖板消能，前者国外采用较多，而后者则在我国三峡、葛洲坝等船闸中应用，采用侧支孔出水明沟消能可减小闸室开挖量，考虑本船闸基础较好，因此采用闸室出水支廊道采用侧支孔出水加消能明沟消能型式[5]。

闸底出水主廊道断面为2～3.6×3.0=21.6m2，为减小闸室底板厚度，采用侧支孔出水及明沟消能布置，每支出水廊道每侧设7 个出水孔，孔口尺寸为0.5m×1.4m（宽×高），出水支孔间距为6m，出水支孔进、出口应三面修圆，修圆半径r=0.3m。

支孔出口消能明沟对水流消能及二次调整作用十分显著，为达到较好的消能效果，消能明沟宽度B 应满足支孔出流流核缩小到消失所需距离。据规范，消能明沟宽度B=2.5m，明沟深D=4.0m，由于明沟较深，挡槛布置于距离明沟底部2.0m 的位置。具体布置见图1。

2 试验目的及试验工况

2.1 试验目的

在拟定的输水系统布置方案下，考虑闸室船舶停泊条件、输水廊道水动力特性、输水时间要求及上下游进出水口水流条件等因素，充、泄水阀门开启时间tv 采取6min，闸室充、泄水时间分别为10.60min 和11.16min，闸室充、泄水最大流量分别为146m3/s 和140m3/s，此时相应的廊道最大平均流速分别为10.1m/s和9.6m/s，分流口最大平均流速分别7.2m/s 和6.9m/s，均满足设计规范要求，且有安全富裕度。

枢纽整体模型及泥沙淤积模型试验成果表明，船闸上游进水口附近泥沙淤积较为严重，为防止进水口出现泥沙淤积，减小泥沙淤积对进水口的影响，拟将现进水口底高程317.00m 抬高到冲沙闸堰顶高程317.00m 以上至少2m。因此，对进水口高程抬高后的进水口水流条件进行试验分析，当不满足要求时提出合理解决措施。

2.2 试验工况

为取得船闸充水时进水口水流条件的最不利情况，采用充水阀门双边开启（开启时间tv=6min）的情况进行试验。试验工况水位组合如下。

（1）上游最高、下游最低通航水位340.0m～307.62m；

（2）上下游最低通航水位334.0m～ 307.62m；

3 试验结果及解决措施

3.1 原进水口高程方案

原进水口布置方案下，当上游最高～下游最低通航水位340.0m～ 307.62m 时，其最大设计水头32.38m，充水阀门双边开启（开启时间tv=6min）时，充水最大流量为146m3/s，进水口流速为1.84m/s，且此时上游进水口淹没水深达19.7m，因此进水口水流条件良好，水面平稳，未出现漩涡。

当上、下游均为最低通航水位（334.00m～307.62m）情况下，充水阀门双边开启（开启时间tv=6min）时，充水最大流量仅为129m3/s，进水口流速仅为1.63m/s，此时上游进水口淹没水深为13.7m，进水口水流条件仍令人满意，水面平稳，未见旋转水体，见图2。

图2 上游进水口流态（334.00m～307.62m 组合）

3.2 进水口高程抬高2m 方案

据泥沙淤积模型试验结果，进水口附近泥沙淤积较为严重，拟将现进水口底高程抬高到高程317.00m 以上至少2m。

根据试验结果，尽管进水口底高程仅抬高2m，但在正常运行工况下，在阀门全开（最大流量）时，上闸首引航道一侧的进水口上方附近出现了明显的漩涡出现，见图3，不能满足要求。因此，若要防止进水口出现泥沙淤积而抬高进水口底高程，则必须采取一定的消涡措施。

图3 底高程抬高2m 流态（334.00m～307.62m 组合）

3.3 解决措施

为解决进水口高程抬高后船闸充水时出现的不良水流条件，在保证船闸输水系统鹅颈管、充水阀门水流条件不恶化及不影响船舶安全航行的条件下，通过在进水口外布置简单消涡梁的工程措施，尽可能抬高进水口高程。

通过多组不同进水口抬升高度及消涡梁布置试验，最终确定将进水口底高程由原来的317.0m 高程抬升到322.0m 高程，在每侧进水口外采用2 根宽度为1.2m 的消涡梁，2 根消涡梁间的缝隙宽度分别为0.8m 和1.2m，进水口及消涡梁布置见图4。在采取此工程措施情况下，进水口高程抬高后，水流条件仍令人满意，水面平稳，未见旋转水体。

图4 调整后的进水口及消涡梁布置图

4 结语

该船闸的性能优劣将直接影响到湄公河干流的航运能否畅通。为尽量减小库区泥沙淤积对进水口的不利影响，在保证船闸输水系统鹅颈管、充水阀门水流条件不恶化及不影响船舶安全航行的条件下，抬高进水口高程，针对高程抬高后船闸充水出现的漩涡等不良水流条件，提出在进水口设置消窝梁的工程措施，有效地改善了进水口的水流条件，满足规范要求，保证船闸的安全稳定运行。