高效的集中式输水系统及船闸与升船机设计

集中输水系统在我国低水头船闸中应用非常广泛，至今已有数百年历史。但在大中型水利枢纽上的船闸，一般由于设计水头和规模都较大，集中输水系统的应用受到一定限制，在较多的情况下，需采用分散输水系统。但考虑到部分低水头大中型水利枢纽的需要，本书仍对集中输水系统进行简要介绍。

集中输水系统的主要特征，就是闸室的充泄水体，集中地经闸首由闸室的一端流入或泄出，在充、泄水的过程中，水流在闸室内有纵向流动，对过闸船舶产生一定的水流作用力——流速力；同时由于流入或流出闸室的流量随时间而变化，水流由一端向另一端推进，闸室水面倾斜，随后在闸室内形成长波，对过闸船舶产生另一种作用力——波浪力；由于水流集中进入闸室时具有一定的能量，这种能量除在输水系统中消耗一部分外，都集中在闸室段靠近闸首一端的一定范围内，形成水流翻滚旋转，伴有局部水面下降，使船舶受到冲击和吸引，对船舶形成另一种水流作用力——局部力。为减少或消除局部水流对船舶的作用力，在闸室上游端必须有一个使水流得到充分扩散的镇静段，船舶必须停泊在这个镇静段以外。

过闸船舶在闸室充、泄水过程的不同阶段，分别为不同的作用力所控制：在充水初期，波浪力是对过闸船舶的主要作用力；充水中期，局部力将转化为主要作用力；流速力自始至终存在，其大小则取决于闸室内水流流速的大小，但与波浪力和局部力相比，其作用力相对较小。

集中输水系统设计具体可从以下几个方面进行考虑：

（1）合理布置输水系统。力求使在闸室和引航道内进出的水流在输水系统内部尽可能多地消减能量，并在过水断面内分布均匀。

（2）在输水系统出口处设置消能工。根据具体条件布置消能梁、消力池和消能室等，以进一步消减流出输水系统水流中的能量。

（3）控制输水阀门的开启方式。

（4）改变阀门处廊道的断面形状。

3.3.3.1 主要类型

目前常用集中输水系统的主要类型可分为3 类：

（1）短廊道输水。即在闸首内布置由闸门上游进口至闸门下游出口的短廊道，按照其消能方式的不同，又可分为无消能室短廊道输水、有消能室短廊道输水及槛下输水3 种。

（2）无廊道输水。即为直接利用闸门，包括三角闸门门缝、平面闸门门下和在闸门上开小门等输水。

（3）组合式输水。上述两种输水型式的组合。

输水系统的消能措施按有无消能工以及消能工的复杂程度，可分为无消能工、简单消能工和复杂消能工3 种。

集中输水系统的消能工，应根据具体条件选用，其主要型式有消能室、消力齿、消力槛、消力梁、消力格栅、垂直挡板、水平遮板、消力池和消力墩等。但在可能的情况下，有的船闸也可不设消能工，利用水流本身对冲、扩散或水垫进行消能。

简单消能工系指在上闸首采用消力齿或消力槛、消力墩、消力池、水平格栅或遮板、消力梁或消能室等进行消能；在下闸首采用单道或多道消力齿或消力槛进行消能。

复杂消能工系指在上闸首利用帷墙或开挖底部构成消能室，并采用消力齿或消力槛、复杂的消力梁、垂直格栅、挡板等进行消能；在下闸首采用消力齿、消力槛、水平格栅、水平遮板、简单的消力梁并结合消力池进行消能。

集中输水系统消能工的类型，可根据上下闸首处断面的最大平均流速和水头按表3-1选用。

表3-1 各类消能工的水力指标表

上、下闸首处断面的最大平均流速可分别按式（3-2）、式（3-3）近似计算。

上闸首

下闸首

式中 ——在上闸首充水时，闸室内最大的断面平均流速；在下闸首泄水时，下闸首门后段最大的断面平均流速，m／s；

Lc——闸室水域长度，m；

T——闸室充泄水时间，s；

H——设计水头，m；

Sc——槛上最小水深，m。

从表3-1 可以看出，判别各种类型消能工的水力指标（水头和流速指标）都有一定的取值范围，要确定一种消能工型式所能达到的水力指标，则要看所选用的消能工对水流扩散消能的效果，主要包括对称性、均匀性、紊动性和掺气性等。对此，一般可先参考已有工程的经验，并根据需要进行水力学试验验证。

3.3.3.2 输水系统布置

（1）布置原则。

输水系统及其消能工布置有如下原则：

1）应布置在闸首或靠近闸首的闸室范围内。

2）应满足输水时间的要求。

3）应使水流能充分消能和均匀扩散。

4）在平面上应和闸室或下游引航道的布置相适应，在立面上应考虑充水过程中闸室水位的变化，特别是要适应闸室最大断面平均流速出现时段的闸室水位。而在泄水过程中，下游引航道的水位可视为恒定，因此，下闸首集中输水系统及其消能工的布置应主要考虑下游最低通航水位的工作条件。

（2）系统布置。

1）廊道输水系统。

①短廊道的布置应符合下列有关规定：

（a）廊道进口的最小淹没水深应根据式（3-4）计算确定，计算时应考虑充水廊道进口前水面的降低。

式中 h——最小淹没水深，m；

vm——最大流量时廊道进口断面的平均流速，m／s；

g——重力加速度，m／s2。

（b）廊道进口断面最大平均流速不宜大于4.0m／s。廊道进口应修圆，修圆半径可取0.1～0.15 倍廊道进口宽度。

（c）廊道进口转弯段中心线的平均曲率半径不小于0.9～1.0 倍廊道转弯段的平均宽度。廊道内侧的曲率半径可取为0.15 倍设计水头。廊道出口转弯段中心线的平均曲率半径不小于1.0～1.4倍廊道转弯段的平均宽度。廊道内侧的曲率半径可取为0.2～0.25 倍设计水头。廊道其他部位转弯段中心线的平均曲率半径不小于廊道转弯段的平均宽度。

（d）廊道出口的最小淹没水深按表3-2 确定。当不满足要求时，廊道出口宜压扁放宽。廊道出口断面宜扩大为廊道阀门处断面的1.2～1.6 倍，自转弯段的起点至出口，应设置隔墙。

表3-2 廊道出口最小淹没水深

（e）对在立面上转弯的短廊道应将阀门置于高程最低的廊道直线段上。对Ⅴ～Ⅶ级船闸，经过论证，阀门可设在廊道进口段。

②无消能室的短廊道。无消能室的短廊道输水适用于没有帷墙或帷墙高度较小的上闸首和闸槛，一般与引航道底齐平的下闸首，其消能措施一般为水流对冲消能，或除水流对3冲 消9和能图外还3 增1设0。消力齿（槛）或消力池等消能工消能，见图3-6、图3-7、图3-8、图

图3-6 短廊道输水不设消能工

（a）纵剖面图；（b）平面图1—分水导墙；2—竖向鼻槛

图3-7 短廊道输水设消力槛

（a）纵剖面图；（b）平面图
1—分水导墙；2—竖向鼻槛；3—消力槛

图3-8 短廊道输水设消力槛平面图

1—消力槛

倒口式输水系统是近几年发展起来的一种新颖的无消能室短廊道系统，如图3-11 所示。这种系统将左右两侧廊道出口的两条横向廊道相互隔开，只在中间隔墙上开一定面积的孔口使其相通。横向廊道顶板，应位于下游最低通航水位以下，廊道顶部只设通气孔。出水口设在廊道底部，应满足闸室横向水流均匀的要求。在廊道底部出水口的下部应设消力池，消力池底距出水口的高度，应满足水流消能及泄流的要求。消力池出口与闸室底部之间可用斜坡相连。倒口廊道外壁与帷墙应保持一定距离。

③有消能室的短廊道。有消能室的短廊道输水适用于有帷墙的上闸首。目前常用的消能室按其结构可分为格栅式、封闭式、开敞式3 种。

（a）格栅式消能室。格栅式消能室适用于帷墙高度不大的情况，由前后帷墙和顶面格栅所组成。其出水总面积应大于廊道出口面积的2 倍，消能室顶部出水面积与正面出水面积的比值，宜近似于闸室出现最大断面平均流速时，消能室顶板以上与顶板以下水深的比值。顶面格栅中间密、两侧疏，正面出水可由立柱或用挡板调整流量分布以使流量分布均匀。为进一步调整流速分布，还可在正面出水孔后设消力槛或消力池，如图3-12所示。

图3-9 短廊道输水设简单消能室(www.xing528.com)

图3-10 短廊道输水设消力槛和消力池

（a）纵剖面图；（b）平面图
1—消力池；2—消力槛

图3-11 上闸首倒口消能输水

（a）纵剖面图；（b）平面图1—出水孔；2—消力池

图3-12 短廊道输水格栅式帷墙消能室

（a）纵剖面图；（b）平面图
1—横拉门；2—挡水板；3—消能室；4—格栅

格栅式帷墙消能室的体积可按式（3-5）、式（3-6）、式（3-7）计算。

当kV≤0.25 时：

当kV＞0.25 时：

式中 V——消能室体积，m3；

A0——系数，取0.09～0.13；

Emax——充水时水流的最大能量，kW；

kV——输水阀门开启时间与闸室充水时间的比值；

C——闸室水域面积，m2；

H——设计水头，m；

T——闸室充水时间，s。

（b）封闭式消能室。封闭式消能室的特点是其顶部不出水，但在顶部应设通气孔，水流全部由消能室正面进入闸室。消能室的进口应尽量布置于闸首前端。消能室内应设置隔墙，以引导水流使其在平面上扩散，并应设消力梁及消力齿或消力槛以调整竖向流速分布。

封闭式消能室的体积基本上不随闸室水位而变化，其出口面积应大于2倍廊道出口面积。消能室的体积可按式（3-5）计算，其中A0 取0.18～0.24，如图3-13 所示。

图3-13 短廊道输水封闭式帷墙消能室

（a）纵剖面图；（b）平面图
1—消能室；2—隔墙；3—导流墙；4—消力梁

（c）开敞式消能室。开敞式消能室由帷墙和消能工之间的空间组成，其特点是消能室的水面随闸室水位的变化而变化，消能室顶部设有顶板。开敞式消能室较易适应闸室水位的变化，一般利用水流对冲及消能工消能，但其消能工的高度较大，为了获得较好的消能效果，消能室的高度应高于闸室最大流速出现时的闸室水位，如图3-14所示。

图3-14 短廊道输水开敞式帷墙消能室

（a）纵剖面图；（b）平面图
1—消力栅；2—消能室；3—消力梁

开敞式消能室的体积可按式（3-5）计算，其中A0 取0.25～0.4。

2）无廊道的输水。

①三角闸门门缝输水。当闸门开启充水时，水流通过闸门中缝，并绕过闸门从其两侧边缝由上游进入闸室或由闸室泄入下游，如图3-15 所示。其水力特点表现为，从两侧边缝中流出的两股水流相互对冲能消除一部分能量，但从中缝流出的水流，则沿闸首轴线直冲而下，而两侧边缝的水流经过门龛扩散后，产生很大的折冲水流并伴随着强烈涡流，与中缝水流起不了对冲消能的效果，因而水流消能的效果较差，在闸室内要求有较长的镇静段。同时，该种输水系统的充、泄水时间较长。三角闸门门缝输水的主要优点是结构相对比较简单，但由于水力条件差，一般只用于闸室最大的断面平均流速小于0.25m／s 和设计水头小于4m的条件。水头在1.4m以下可直接用三角闸门门缝输水，水头在1.4～4.0m之间，必须严格控制闸门的开启方式，采用分段变速开启或间歇开启。在布置时，通常采用较大的三角闸门中心角（一般不宜小于70°），并在两扇闸门间采取适宜的接触形状（中间羊角的形状），使在闸门开启初期，闸门的中缝呈关闭状态，以控制中缝的出流流量。此外，还应使两侧门龛的轮廓形状有利于水流的扩散。当高于上述水力指标时，应采用组合式输水，如图3-16 所示。

图3-15 三角闸门门缝输水平面图

②平面闸门门下输水。采用下沉式平板门的闸首，在船闸充水时，先缓慢地将平面闸门提升到一定高度，水流从闸门的下缘与闸槛之间的缝隙流入闸室，待闸室内水面与上游水面齐平后，再将闸门下降至闸槛以下的门龛中。其布置特点是不需设置输水廊道和阀门，可简化闸首的边墩结构。其水流特点是水流沿闸室宽度方向均匀流入闸室，但水流为直接跌入闸室，底部流速较大，在闸室内形成表面漩涡，平面闸门门下输水适用于有帷墙的上闸首。对高帷墙的平面闸门门下输水，由于非淹没出流的掺气会使闸室水面坡降增大，恶化闸室的停泊条件，因此，其水头差不宜大于10m。当水头差在5m以上时，应慎重考虑水流掺气的影响（如减少闸门开启速度等）。平面闸门门下输水的消能工，可采用由帷墙、垂直挡板、消力梁和消力齿或消力槛所组成的开敞式消能室，如图3-17 所示。其消能室体积可按式（3-5）计算，其中A0 取0.16～0.40。

③闸门上开小门输水。闸门上开小门就是在闸门上设置若干个输水孔口，它是一种最古老、最简单的集中输水方式。输水孔口的阀门可采用以绕水平轴或垂直轴旋转的蝴蝶阀门，或是向上提升的平板阀门，如图3-18、图3-19 所示。闸门上开小门输水的孔口数不宜少于4 个，其布置应有利于水流的扩散，小门输水孔口的淹没水深不应小于1.0m。闸门上开小门输水的消能工，可采用设在闸门上消力梁、板或门上导流板结合门后消力槛、消力池。闸门上开小门输水应考虑水流对闸门冲击及门型对水流偏斜的影响，并采取相应的措施。

④槛下输水。槛下输水是近年来发展起来的一种不设短廊道而在槛下开孔输水的系统，其消能措施一般采用消力池、消力梁、消力齿或消力槛、消力墩和水平遮板、格栅等消能工。槛下输水一般均需设置消能工。槛下输水属于船闸正面输水类型，其水力特点为横向流速分布均匀而竖向流速的分布不均匀，水流集中在底部。因此，设置消能工的目的就是要调整竖向流速分布，减少并消除不利的表面旋滚，如图3-20所示。

图3-16 三角闸门和短廊道的组合式输水

（a）纵剖面图；（b）平面图

3）组合式输水。组合式输水适用于一种输水型式不能满足消能或输水时间要求的情况，但应考虑组合后的相互影响。

输水时，一般是先由一种能满足较高水力指标的输水系统输水，待水头减小、流速指标降低后，再由另一种输水系统输水，以缩短输水时间。因此，组合式输水的输水型式及消能措施可按水力指标进行选择，并按其布置要求进行设计，当两种输水系统和消能工在布置上相互影响时，应相互兼顾，首先应满足在水力指标较大条件下工作的输水系统的要求。

3.3.3.3 水力计算

（1）水力计算的目的。船闸水力计算是在船闸总体设计基本完成的情况下进行的，其目的是在保证要求的闸室输水时间以及船舶安全过闸和船闸安全运转的条件下，论证所选输水系统的合理性，进一步确定充、泄水的方式，确定并优化输水系统各主要部分的尺寸，以及闸室充、泄水过程的特性。

（2）水力计算的主要内容。

1）输水阀门处廊道断面面积。

2）输水系统的阻力系数和流量系数。

3）输水阀门的开启时间。

4）闸室输水时间。

图3-17 平面闸门下输水开敞式帷墙消能室纵剖面图

1—通气孔；2—消能室；3—挡板；4—消力梁

图3-18 在闸门上设小门及消力梁输水

（a）横剖面图；（b）立面图
1—闸门；2—平面阀门；3—消力梁

图3-20 槛下输水设简单消能工

（a）纵剖面图；（b）平面图
1—平面遮板；2—消力梁；3—消力齿

5）闸室输水的水力特性曲线。短廊道输水系统充、泄水水力特性计算应包括6 方面内容：①流量系数与时间的关系曲线；②闸室水位与时间的关系曲线；③流量与时间的关系曲线；④能量与时间的关系曲线；⑤比能与时间的关系曲线；⑥闸室与上、下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线。

6）过闸船舶（队）在闸室和上下游引航道内的停泊条件。

7）顶止水在下游面密封式输水阀门后廊道顶部的压力水头。

8）顶止水在上游面开敞式输水阀门后的水跃。

上述计算内容所涉及的有关计算公式，参见JTJ306—2001《船闸输水系统设计规范》。