分散式输水系统设计改进

3.3.4.1 输水系统选型

（1）输水系统分类。分散输水系统是通过设在闸墙或闸底板内的纵向主输水廊道，以及与其相连的纵向或横向分支廊道及出水孔将水体分散、均匀地充入或泄出闸室的一种输水系统。由于主输水廊道较长，在闸室沿长度方向布置的各出水孔的流量分配不均匀，由出水孔出来的水流带有的剩余能量，扰动水体，影响闸室水流的稳定，从而影响闸室内船舶的停泊条件。为了使分散式输水系统能适应较高水头、能有较高的输水效率和良好的停泊条件，通过在闸室内采用多区段同时出水的廊道系统布置，以达到各区段流量均匀分配的目的；再通过在出水支廊道长度方向，布置不同尺寸的出水孔使各支孔出流均匀，以减小闸室水面坡降；同时在出水孔周围布置不同形式的消能设施，使水流在进入闸室前尽可能消减能量，以减少水流的漩滚、紊动，改善闸室内船舶的停泊条件。根据输水系统布置的复杂程度以及水力特性的差异，可将分散输水系统分成3 类。

第一类包括闸墙长廊道侧支孔和多支孔输水系统。在闸墙内布置输水长廊道，直接在其上布置侧向出水孔向闸室内输水。这种输水形式较简单，但水流能量较集中，不易在闸室内均匀分布，特别是双侧阀门不同步开启或在一侧廊道进行检修，单侧开启阀门运行时，闸室内流态较差，易形成较大的横向力，因而所适应的水力指标也较低。这种型式输水系统布置见图3-21。

图3-21 闸墙长廊道多支孔输水系统示意图

（a）平面图；（b）出水支孔大样

第二类闸底长廊道顶或侧支孔分区段输水系统。在闸室底板布置纵向长廊道，其上布置出水孔或在闸墙内布置长廊道再接闸室底板纵向或横向分支廊道，分支廊道上布置出水孔。出水孔可采用顶部出水或侧向出水型式，其相应的消能型式分别为盖板消能和明沟消能。这种布置形式可使闸室内水流分布较均匀，同时位于闸室底板内的廊道间相互连通，使得阀门不同步开启或单侧阀门开启时闸室内的船舶停泊条件较好，可减小局部水流对船舶的作用力。由于水流的分配型式较简单，水流的惯性在一定程度上仍将影响出水孔出流的均匀、稳定，使船舶受到一定的波浪力。这类输水系统也称简单等惯性输水，其布置可分闸底纵向长廊道、底部纵支廊道或横支廊道顶部出水或侧支孔出水等多种不同布置型式，见图3-22～图3-27。

图3-22 闸底长廊道顶支孔二区段输水系统示意图

图3-23 闸底长廊道侧支孔单区段输水系统示意图

（a）纵剖面图；（b）平面图；（c）横剖面图；（d）短支管大样

图3-24 闸底长廊道分区段出水输水系统平面示意图

（a）平面图；（b）1—1 横剖面；（c）2—2横剖面

图3-25 闸墙长廊道闸室中部横支廊道输水系统平面示意图

1—旁侧进水口；2—旁侧泄水口

图3-26 水平分流闸底纵支廊道2 区段出水输水系统平面示意图

图3-27 闸底纵横支廊道3 区段出水输水系统平面示意图

第三类“全动力平衡系统”。闸室的出水区段一般为2 个或4 个，水流惯性在各出水区段间的影响基本相同，从而消除了各出水区段之间出流的差别；为保证分流的均匀和稳定，采用了较复杂的垂直分流型式；如在闸室内布置4个出水区段，可较大程度地改善闸室水流条件和船舶停泊条件。这种型式的典型布置为闸墙长廊道，经闸室中部垂直分流口进入闸室底部，转由立体交叉的分流口，接纵向支廊道至闸室前、后4分点处分流后，由4个区段的纵向支廊道顶部经在出水口上方设置的消能盖板出水，见图3-28。

图3-28 立体分流纵支廊道4 区段出水典型等惯性输水系统平面示意图

1—第一分流口；2—第二分流口；3—纵支廊道

（2）输水系统选型。为了经济合理地选择分散输水系统型式，从水力学角度，首先需考虑影响选型的输水时间、设计水头这两个最主要因素，按式（3-1）可初步选定分散式输水系统的型式。

当m＞2.4时，可采用第一类分散输水系统。

当1.8≤m≤2.4时，可采用第二类分散输水系统。

当m＜1.8时，可采用第三类分散输水系统。

分散输水系统选型，除考虑水力学因素外，还要综合考虑闸室有效尺寸、闸室结构布置、船闸所在地的地形和地质条件、工程投资等因素，才能最终确定适合工程各方面特点的分散输水系统型式。

如葛洲坝水利枢纽的1 号和2 号船闸，闸室有效尺寸分别为280m×34m×5.5m和280m×34m×5.0m（长×宽×槛上最小水深），输水阀门最大工作水头均为27.0m，设计输水时间12min，但两者输水系统的布置型式并不相同。2 号船闸位于葛洲坝三江，船闸位置的基岩面较高，重点比较了底板纵支廊道4区段出水和底板纵、横支廊道3 区段出水两种布置型式。经水力学试验及分析表明，其船闸输水时间和闸室停泊条件均能满足设计要求。4区段出水输水时间可缩短1～1.5min，但分流口形状复杂，施工有一定难度；沿船闸中心线方向的中支廊道断面高度较大，需降低基岩面开挖高程，岩石开挖和混凝土工程量较大。3 区段出水的分流口形状相对较简单，便于施工，而且闸室纵向支廊道断面高度较小，能适应较高的基岩面，岩石开挖和混凝土工程量较小；同时，由于施工工期紧迫，在详细水力学试验前已按3 区段出水布置先行施工，因此，最后采用了底板纵、横支廊道3 区段出水的输水系统布置型式。1 号船闸位于葛洲坝大江，船闸位置的基岩面较低，针对此特点，重点比较了深水垫底部纵支廊道两区段出水、底板横支廊道两区段出水和底板纵支廊道4区段出水3 种不同的等惯性输水系统型式，由于4区段出水属复杂的全动力平衡系统，水流在闸室内分配相对最均匀，同时考虑到将要修建的三峡船闸也准备采用这种型式，为了给三峡船闸提供实践经验，最后采用了底板纵支廊道4区段出水的输水系统布置型式。小水深），输水阀门最大工作水头15m，设计输水时间8min，船闸设计船舶500t级单船，船舶尺寸为55m×10.8m×1.6m（长×宽×吃水深）。按式（3-1）计算m＝2.07，根据上

又如乌江彭水水利枢纽船闸，闸室有效尺寸为60m×12m×2.5m（长×宽×槛上最述m值划分范围，应采用较复杂的第二类分散输水系统，但考虑船闸长度较短，最大过闸船舶为500t级单船，以及15m水头船闸所需闸墙厚度较大，在闸墙底部布置主廊道经结构应力分析是合适的，而且比较经济，再结合已有的工程经验，最终采用了较简单的第一类分散输水系统，即闸墙长廊道侧支孔出水的输水系统型式。不过这种布置型式对阀门单边运行的适应性较差，阀门单边运行时闸室一侧完全无水出流，另一侧出水孔出来的水流经消力槛消去部分能力后继续对冲至对面闸墙，在闸室内形成横向水面坡降，使船舶所受的横向力较大，但可通过改变阀门开启方式（如间歇开启），适当延长输水时间来解决。即阀门先以某一速率开至某开度，停一段时间后再以同一速率继续开启，以降低进入闸室的流量。该运行方式已在许多工程上采用。水工模型试验中阀门单边运行时，以相当于设计阀门全开时间tv＝6min时的速率开至开度n＝0.4，停2.5min后仍以同一速率继续开至全开，测得500t级单船在闸室中的最大横向系缆力只占相应允许值的68.2%，同样的间歇开启方式即使tv＝5min时，最大横向系缆力也只占相应允许值的81.2%。

3.3.4.2 输水系统布置

（1）布置原则。

1）使进入闸室的水流尽量分散、对称，均匀分布。

2）减少廊道内水流的惯性影响，并且使水流惯性对各供水区段的影响基本相同。

3）输水系统进水口，应具有一定淹没水深，避免水流带气进入闸室，恶化闸室水流条件。

4）进水口取水、出水口泄水不影响引航道内船舶停泊和通航水流条件。

5）阀门段廊道应布置在下游最低通航水位以下一定深度，以避免阀门及阀门段廊道产生空蚀破坏，要限制掺入空气量，避免大量掺气进入闸室，恶化闸室船舶停泊条件。

（2）输水系统布置内容。

主要按照选定的输水系统型式和上述基本原则，结合船闸结构型式和施工条件，确定输水系统各部分的高程和尺寸。内容包括：上游进水口位置、型式、面积和高程，主廊道布置位置、阀门段廊道高程、面积及阀门后廊道体型，闸室内充泄水廊道的布置方式、相应的分流口的布置型式和面积，闸室出水孔的布置方式、面积、个数、高程及其消能设施，下游出水口布置方式、面积和高程等。

1）进、出水口布置。

①进水口布置首先根据闸前引航道水域面积大小，闸室充水流量的大小，考虑进水口布置在引航道内还是布置在引航道外，即所谓采用正向取水还是侧向取水。无论哪种布置型式，由于分散输水系统的船闸输水时间相对较短，自引航道取水的进水口流量大、流速高，进水口均应布置为流线型，其周边要修圆，以改善流态，减少水力损失，提高输水效率。进口顶部的淹没水深一般应大于0.4倍的设计水头，同时还要考虑进口处水面的局部降落。进口的最大断面平均流速一般不大于2.5m／s，以避免产生吸气漩涡进入闸室，影响闸室船舶的停泊条件。但是当进水口淹没水深较大时，其最大断面平均流速也可适当提高。如乌江上的彭水枢纽船闸，双侧阀门运行，其开启时间6min时上游进水口最大断面平均流速达2.91m／s，相应的淹没水深为16.5m。水工整体模型试验结果表明由于上游进水口淹没水深大，进水口水流条件良好，水面平稳，上游引航道水流条件较好。

建在多沙河流上的船闸的进水口，特别是与大坝枢纽建在一起的船闸进水口，需考虑防淤问题，其高程不能太低，以避免大量泥沙进入进水口和闸室，降低输水效率，造成闸室泥沙淤积。同时高含沙量的高速水流也会造成输水阀门和输水廊道混凝土表面磨损。

常见的进水口布置有闸首边墩及槛上多支孔进口、导墙上多支孔进口、引航道底部横支廊道进口和旁侧取水的单进口等几种型式。

（a）闸首边墩及槛上多支孔进口。这种型式的进水口布置在闸首范围内，进水口分布面积有限，取水时水流较集中，易形成较强进口漩涡，特别当水头较高时，不易满足引航道内的通航水流条件。因此这种布置形式，一般适用于水头较低的第一类分散式输水系统，见图3-29。

图3-29 闸首多支孔进口平面示意图

（a）闸首边墩侧向多支孔进水口；（b）槛上正面和顶面格栅型进水口

（b）导墙内多支孔进口。导墙内多支孔进口，分在导墙一侧设多支孔进口和在导墙内外两侧均设多支孔进口两种形式，见图3-30。当都为引航道内取水时，后一种布置较前一种布置的进水口在引航道内的取水量减少，有利于改善引航道内进水口流态，但进水口段前的导墙要有适当的衔接型式。为了使各支孔进流量较均匀，各支孔的喉部面积顺水流方向应逐个递减，而支孔进口一般采用等间距、等面积布置。该种进水口型式较闸首边墩和闸槛上进水口型式的水流分散，可显著地改善进水口水流条件，能适应取水流量较大的分散式输水系统。但这种型式进水口的淹没水深要求较大，结构相对较复杂，造价较高。

图3-30 上游导墙多支孔进口平面示意图

（a）导墙内侧多支孔进口；（b）导墙内外侧多支孔进口

随着导墙内进水口布置在导墙的内侧或外侧，引航道的取水方式，相应地有全引航道内取水、全引航道外取水和在引航道内、外都取水等几种。具体采用何种布置，需考虑充水时非恒定流对引航道水流的影响和进水口附近局部水流的流态并结合工程的其他条件确定。对于水头较高的第二类和第三类分散式输水系统，在有条件的地方，应优先考虑采用部分或全部旁侧取水的布置。

葛洲坝2号船闸的进水口研究过主、辅导墙内外侧均取水的进口布置，和主导墙一侧在引航道内取水、辅导墙一侧在外侧取水的进口布置，以及主、辅导墙均在引航道内侧取水的进口布置。主、辅导墙双向多支孔取水布置，辅导墙外侧为冲沙闸，冲沙时为回流淤积区，可能淤塞进口，主导墙外侧紧临防淤堤，水域有限，不宜布置进水口，所以没有采用；主导墙一侧在引航道内取水、辅导墙一侧在外侧取水，进口流态最好，但同样由于主导墙外侧是冲沙闸，冲沙时可能淤塞进口，也没有采用；考虑船闸闸室宽度较大，辅导墙25°外扩后主、辅导墙间距更大，最后采用了在主、辅导墙内侧各6 孔取水的进口布置。每个孔宽4.5m，高7.0m，中心距7.0m。对这种型式进口布置，要特别注意辅导墙端部的设计，如果辅导墙端部至最上游端进水口的距离过短，由于辅导墙外侧流向进口的水流绕流长度缩短，会导致在端部附近有时形成大串心漩涡。2 号船闸采用了在辅导墙端部两侧用斜线延长4m再用1m半径的圆弧连接顶端的方法，消除了串心漩涡。模型试验成果表明，由于采取进水口喉部宽度从上游向下游方向逐渐缩窄的布置，各孔进流基本均匀，流速小，最大流速为1.9m／s（靠上闸首侧）。在1981年对2 号船闸进行原型观测时，进水口淹没水深达8m，观察到进口处产生漩涡，直径2m，深约1m；在1983年观察时，进口淹没水深增加到11m，达到设计最小淹没水深，闸室充水过程中水面平稳，未发现漩涡。

葛洲坝1 号船闸的进水口选型，是在2号船闸试验的基础上进行的。其辅导墙外侧为大江冲沙闸，主导墙外侧为大江防淤堤，出于同样的考虑，采用了与2 号船闸类似的主、辅导墙内侧各5 孔取水的进口布置。二者喉部面积与主廊道面积比相同，单个孔口尺寸也相同，但孔中心距7.5m。模型试验成果表明，各孔进流基本均匀，最大流速为3.2m／s（靠上闸首侧），见图3-31。

图3-31 葛洲坝1 号船闸上游进水口平面示意图（单位：cm）

葛洲坝3 号船闸闸室宽度较小（12m宽），主导墙外侧为土石坝边坡，辅导墙外侧紧临三江冲沙闸，采用了在主导墙内侧和辅导墙外侧各4 孔取水的进水型式。每个孔宽2.5m，高4.0m，中心距3.5m。为了尽可能地减小冲沙闸过流时对进水口的不利影响，辅导墙进水口底部高程较冲沙闸底板过流面高4m。1981年原型观测时，进口顶部淹没水深为9m（设计最小淹没水深12m），闸室充水过程中，进口附近流态较好，无漩涡现象。

（c）航道底部横支廊道进口。当引航道较宽时，采用这种型式较合适。这种型式的特点是利用引航道内较广阔的水域，垂直于引航道轴线布置进水廊道，沿引航道宽度分散布置侧向进水口，这样可获得较分散、均匀的进流。为了减小进流阻力，提高充水效率，廊道两侧进水口可错开布置。但要保证进水口淹没水深满足通航水流条件要求，因此一般是在引航道底部下挖形成进水廊道。这种进水口型式可用于水头高、取水量大的船闸，见图3-32。在多沙河流上采用这种型式进水口时，要注意进水口的防淤问题，可使进水廊道两侧进水口距廊道底板一定高度，以防止推移质泥沙进入进水口；同时使进水廊道断面沿进流方向逐渐扩大，以保证廊道中各断面流速大于泥沙启动流速，使泥沙不至于在廊道中停留。三峡双线五级船闸的上游进水口就是这种型式，见图3-33。在研究三峡船闸进水口廊道段的防淤性能时，使用了两个指标：一个是廊道典型断面流速值，用该值反映冲淤能力，该值越大冲淤能力越强，即如果在某些工况下廊道内产生了淤积，若经常出现的工况中某一流量段该值较大，则能使已淤泥沙起动而随水流带走；另一个是各进水口流速（均值）与紧跟其后的典型断面流速的比值，用该值反映带沙能力，该比值越小，表明从进水口带入的泥沙通过廊道被带走的可能性越大，即进入廊道内的泥沙沉降下来的可能性越小。在研究过程中还发现，应控制进水口总面积不要太大，这样有利于使各进水口进流均匀，并可较大程度地提高廊道内的最小断面流速，也有利于冲淤，但同时也会使进水口段廊道阻力大幅上升，使船闸的充水时间延长，因此要综合考虑进流均匀性、冲淤能力和充水时间的相互影响，确定进水口和廊道断面尺寸。三峡船闸的单支廊道进水口总面积为与进水口廊道段相衔接输水廊道断面积的1.25 倍； “一字型”廊道末端断面积与首端断面积比值为2.625；进水口面积首端与末端比值为4；为了提高输水效率，进水口边缘进行了修圆。模型试验验证结果表明，单支廊道进流量约137m3／s 时，“一字型”廊道前4 对进水口（靠廊道最小断面端）流量之和与后4对进水口（靠廊道最大断面端）流量之和的比值为0.92，进水口最大流量与最小流量比值为1.4，表明进流量基本均匀；廊道断面最小流速1.15m／s（廊道最小断面附近），按上游引航道中泥沙起动流速标准可满足廊道中不发生泥沙淤积要求，各进水口流速（均值）与紧跟其后的典型断面流速的比值为1.1～1.5；各进水口正前方0.5～1.0m处流速均可满足过栅流速小于3.0m／s的设计要求。

图3-32 双线船闸上游进水口平面布置之一

图3-33 双线船闸上游进水口平面布置之二

（d）全部旁侧取水的单进水口。这种型式的进水口全部或主要布置在船闸的引航道以外。当多线船闸或船闸与升船机共用引航道，或采用上述型式的进水口，无法满足引航道内的通航条件时，可考虑采用这种布置。这种进口型式除了要满足进水口一般布置要求外，还要求在进水口处有一定的水域面积，进水口一般做成喇叭型，以避免产生严重的进口漩涡。

②出水口布置。输水系统下游出水口的布置方式，与上游进水口的布置基本相似。按泄流部位的不同，出水口布置可分为全部泄入引航道、全部旁侧泄入下游河道和部分泄入引航道、部分旁侧泄入下游河道3 种型式。比较常见的有闸首边墩及槛上多支孔泄水口，见图3-34；导墙上多支孔泄水口，见图3-35；引航道底部横支廊道泄水口，见图3-36；旁侧泄水的集中泄水口等几种型式。

图3-34 槛上多支孔泄水口平面示意图(www.xing528.com)

图3-35 导墙上多支孔泄水口示意图

（a）立面图；（b）平面图；（c）泄水口横剖面图

图3-36 横向支廊道泄水口平面示意图

布置在引航道内的泄水口，也应有良好的线形，以减小阻力，提高输水效率，要求在泄水过程中，泄水口水面不脱顶，不出现远驱式水跃，应能使水流充分分散，减弱紊动，达到引航道内流速分布均匀的目的；对布置在引航道以外的泄水口，一般情况下无统一的规定，主要视不同工程对泄水口所在主河道泄水区域的具体要求而定。

全部泄入引航道的泄水口布置，受引航道宽度和水深的限制，对高水头大型船闸来说，引航道内的通航水流条件很难满足要求，对此需考虑采用部分或全部旁侧泄水的布置型式。

全部旁侧泄水的泄水口布置，船闸泄水对下游引航道的通航水流条件不会产生不利影响，但当下游引航道较长时，泄水口与下游引航道口门间会有一定距离，河流水面的纵向比降，导致两点间存在一定的水位差，在闸室泄水结束时，下闸首闸门两侧的水位会出现不能齐平的现象，影响闸门的开启。对下闸首闸门前后剩余水头较大的情况，在布置上通常采用的工程措施是在下闸首上，增设一套由闸室直接向引航道泄水的辅助泄水系统，即采用所谓的主要旁侧泄入下游主河道、部分泄入引航道的布置型式，在关闭主泄水阀门后，通过辅助泄水系统继续向引航道泄水，消除闸室内的剩余水头，以保证闸室与引航道之间水位齐平；也可利用在泄水末期，水流惯性产生的超泄水头，通过提前关闭泄水阀门或提前打开下闸首闸门的方法，消除在闸门前后水位不能齐平，影响闸门开启的问题。

三峡船闸第5 级闸室在泄水阀门设计水头22.6m条件下同时向下游引航道泄水，引航道内将产生近2.0m高的涌浪，无法满足引航道内船舶（队）航行、停泊和升船机承船厢内设计允许超载水深的要求，因此船闸输水系统采用了旁侧泄水方式，即每线船闸的两条输水主廊道在第6 闸首下游合并为一个9.6m×9.6m的泄水箱涵，两条泄水箱涵平行布置在引航道底部，穿过下游隔流堤，将水体直接泄入长江。为了消除由于泄水箱涵出口与下游引航道口门之间的水力坡降引起的第6 闸首人字门前后的水位差，每线船闸在第6 闸首布置了一对环绕闸首的辅助泄水短廊道，两侧短廊道在门龛段沿闸室宽度方向分散布置顶部取水孔；在人字闸门后的底板内，横跨航道分散布置短廊道的泄水孔。在泄水末期，通过短廊道辅助泄水，保证人字门前后水位达到齐平。见图3-37。

图3-37 三峡船闸下游泄水箱涵平面布置示意图

2）输水主廊道布置。输水主廊道是船闸输水系统中连接上游进水廊道、闸室输水支廊道，以及下游泄水廊道的主干。主廊道布置的位置，可以在闸室底板内，也可在闸墙内或采用隧洞布置在两侧闸墙以外的山体内。

阀门段主廊道布置高程，需根据船闸的规模和水头大小，通过计算，按照不小于阀门要求的最小淹没水深确定。

主廊道的断面面积，根据闸室输水水体的大小和要求的输水时间确定。通常以阀门处孔口断面作为基准，为改善输水系统的水力条件，在阀门前后的主廊道断面一般取为阀门处孔口面积的1.3 倍。布置主廊道时，阀门段输水廊道在阀门后最低通航水位以下要有一定淹没深度。输水阀门前廊道要有一定长度的平直段。在该平直段以前的廊道过渡段，在平面上可向两侧扩大，在立面上可向顶部扩大，坡度一般不大于1∶4，以避免水流的过度偏转导致阀门段水流流态紊乱，压力降低。阀门后的廊道体型有在门后不扩大且设置一定长度的平段、在门后顶部逐渐扩大和在门后上下乃至四周突然扩大3 种型式，一般根据船闸的水头大小，阀门工作条件，结合已有工程的经验进行选择，在必要时结合对输水系统布置的进一步优化，通过模型试验验证后确定。当采用顶部渐扩时，坡度一般为1∶10～1∶12。在工作门上游的检修阀门井，基本可按门槽结构的受力要求进行布置，下游检修阀门井与工作阀门井的距离一般应大于廊道高度的3 倍，避免距离过近使下游检修门槽处于阀门后水流漩滚低压区，直接受水流冲刷，导致门槽的蚀损，并在该处廊道出现负压时造成过量空气通过门槽随水流进入闸室，恶化闸室的停泊条件，对此，在必要时还需将检修门井封闭。

3）输水系统闸室出水支廊道布置。

①第一类分散式输水系统。这种输水系统的纵向输水主廊道位于闸墙内，直接在输水主廊道上设置短出水支孔与闸室连通，输水主廊道中的水流经短支孔进入闸室。短支孔有两种布置方式，一种是数目较少而断面积较大的出水支孔，另一种是数目较多而断面积较小的出水支孔。前者施工较简单，后者出流的均匀程度较前者要好。其布置型式见图3-21。出水支孔段一般设在闸室中部，长度为闸室长度的1／2～2／3。闸墙两侧廊道的短支孔一般错开布置，相对应两支孔出水的射流边界容许少量交叉，短支孔的间距一般为闸室宽度的1／4。出水支孔一般布置在下游最低通航水位时的设计船舶吃水深度以下。位于出水孔段前1／3的支孔，一般在其出口处设三角形消力槛或消力塘。当闸室富裕水深小于支孔间距的1／2，支孔出流可能影响船舶安全时，要在全部出水孔外设置消力槛，当水头较高时应设消力塘或从4个方向出水的分流罩，并应通过模型试验验证。短支孔沿孔中水流方向的长度一般不小于其断面宽度或直径的2～4倍。矩形断面的短支孔宽高比一般为1∶1.5，支孔的进出口应修圆，支孔喉部后面的孔口扩大角以小于3°为好。喉部断面面积的选择与闸室宽度和起始水深有关，喉部断面总面积，一般按主廊道断面面积的0.95倍采用。

乌江彭水水利枢纽船闸采用了这种型式输水系统，在选择主廊道断面面积和短支孔控制断面面积时，特别注意了两个参数：一个是主廊道断面面积与阀门处廊道断面面积的比值（简称“α”）；另一个是短支孔控制断面总面积与主廊道断面面积的比值（简称“β”）。一般地，α值越大，输水系统出水孔段的损失越小；β值越小，有利于各支孔出流均匀，但将增加出水孔段水头损失，延长输水时间，而且短支孔控制断面面积的选择还与闸室宽度和闸室起始水深有关。参考了国内外已建船闸的工程经验，彭水船闸最终采用了α＝1.31，β＝0.93。根据彭水船闸闸室长宽比较小和短支孔断面总面积与主廊道断面面积的比值较小的特点，出水支孔采用等面积、等间距布置。考虑到彭水船闸近期有小型船舶通行以及减少闸室泥沙淤积等因素，希望尽量增加闸室出水段长度，因此确定短支孔间距为3.0m，每侧布置15个出水孔，出水孔段总长度42m，占闸室有效长度的67%。两侧出水孔错开布置。根据我国多座船闸的试验研究表明，出水短支孔出口设置消力槛对调整闸室水力条件、弥补闸底富裕水深较小带来的问题具有明显作用，尤其对船闸单侧输水情况效果更佳。因此在闸室内距闸墙1.2m处每侧各设置了一道高0.25m、宽0.5m的消力槛，以改善船舶在闸室中的停泊条件。试验表明，在船闸双边阀门开启时，闸室内水流较平稳，闸室中线水面无壅高。在双侧阀门开启时间tv＝6min时，500t级单船最大纵向、横向系缆力仅分别占相应允许值的35.5%和27.3%，停在闸室左、右闸墙边的船舶在水位上升过程中，基本无横向漂移，说明水流基本对称，横向出流均匀，达到了设计预期的效果。

②第二类分散式输水系统。

（a）底板长廊道短支孔（管）输水系统。闸底长廊道可以是单根或两根。当为两根时，一般在两根廊道间设连通管，以减小单侧阀门运行或双侧阀门不同步运行带来的出流不均匀的影响。其出水孔段一般设在闸室中部，长度为闸室长度的1／2～2／3。这种输水系统的出水孔（管）可以设在廊道顶部，见图3-22，也可以设在廊道的侧面，见图3-23。出水孔设在顶部的闸底廊道断面一般采用宽浅型，这样可减小底板结构厚度和基础开挖深度，同时增加闸室横向出水的宽度。顶部出水孔沿闸室宽度方向的长度，一般为闸室宽度的1／3～1／2，出水孔的上方应设消能盖板，以避免水流直冲船底，危及船舶安全，且使水流经盖板消能后，在闸室宽度方向分布均匀，减小水流的横向坡降。侧向出水孔一般设明沟消能，明沟的宽度一般为支孔宽度的5 倍，明沟的高度需满足式（3-8）的要求，即

式中 h——明沟高度，m；

d0——出水孔高度，m；

y——出水孔至明沟壁的距离即明沟宽度，m。

为了加强明沟消能的效果，在明沟壁的上端，一般还设置水平挡板，挡板距沟底的距离也要满足式（3-8）的要求。

当两根廊道之间净距大于10 倍支孔宽度时，在两根廊道之间一般需加设T形隔墙，其高度仍然要满足式（3-8）的要求。设T形隔墙后，输水支孔可不交错布置。明沟消能布置见图3-38。

图3-38 出水支廊道及明沟横断面示意图

1—T形隔墙；2—挡板

（b）墙内长廊道闸室中部横支廊道出水。闸墙长廊道可以布置在一侧闸墙内，也可以布置在两侧闸墙，连接两侧长廊道的横支廊道要交错布置。无论是哪种长廊道布置型式，闸室中部横支廊道布置范围一般为闸室长度的1／3～1／2，根据过闸船舶尺寸大小，其布置范围可适当小些或大些。横支廊道上设侧向出水孔。

无论是闸底纵支廊道，还是横支廊道，其出水孔的布置都要使各支孔间水流均匀、平直。廊道断面型式可分为等断面、阶梯形变断面和斜直线变断面3 种型式，见图3-39 和图3-40。对于等高度阶梯形变断面的支廊道，其出水支孔总面积一般取支廊道进口断面面积的1.2倍，支廊道末端的断面面积一般为进口断面面积的40%。葛洲坝2 号船闸闸室横支廊道就是这种布置型式。

图3-39 阶梯形变断面横向支廊道平面示意图

图3-40 直线形变断面横向支廊道平面示意图

（c）闸底长廊道分区段出水。这种布置型式要求出水区段中心应布置在闸室水体中心，各出水区段长度约占各区段闸室长度的50%。根据闸室平面尺寸大小，可以有两种布置方式：

当闸室平面尺寸较小时，闸室底部可设1 根宽浅型长廊道，廊道宽度应大于闸室宽度的1／3，使水流在闸室宽度方向充分扩散。这种型式如万安船闸，见图3-22。

当闸室平面尺寸较大时，闸室底部可设多根长廊道，如铁门船闸，见图3-24。该船闸闸室底部有4根长廊道。与船闸中心线对称布置的顶支孔上，设置了横贯闸室的横支廊道，横支廊道上设侧向出水孔。

闸首槛下长廊道输水，由于其廊道无需从闸墙经水平转弯进入闸室，所以沿闸室全宽度布置廊道较为方便，可以优先采用闸底廊道分区段出水布置。

（d）墙内长廊道闸室中心进口水平分流两区段出水。这种布置型式的水流经闸室中心进水口水平分流进入上、下半闸室，由布置在闸底纵支廊道形成两区段出流。在位于闸室水体中心处的闸墙长廊道靠闸室侧开一侧向孔，在该孔宽度的中心设垂直隔墙，即分流墩，形成水平分流口，使水流在平面上分上、下半闸室。分流口的断面可较闸墙廊道的断面大些。布置较好的水平分流口有下面两种型式：一种是葛洲坝3 号船闸的水平分流口；另一种是美国新岸头船闸的水平分流口，见图3-41。水平分流虽然布置简单，但水流经闸墙长廊道侧向的两个进口不同步进入闸室，受进口局部涡流的影响，易形成螺旋状水流，分流不稳定，使上、下半闸室出流不相等，水体振荡，引起船舶系缆力增加，而且当水头较高时，分流墩处易发生空化。在闸室输水过程中，不能始终保证均匀稳定分流，因此其应用范围受到一定限制。分流口的分流墩位置、转弯半径的大小等对水流的均匀分配极为敏感，一般根据类似工程经验或通过水工模型试验确定。水平分流口上游边壁圆弧半径及分流墩位置随主廊道宽度不同而变化。葛洲坝3 号船闸水平分流口上游边壁的圆弧半径为主廊道宽度的0.6 倍，分流墩向闸室内缩进0.06 倍主廊道宽度，分流口最小断面积为主廊道断面积的2.33 倍。视闸室宽度大小，闸底在上（下）半闸室的纵支廊道，可采用一根或分开两根。为了适应单侧阀门开启或双侧阀门不同步开启，通过分流口两侧进入闸室的水流在纵支廊道之间最好贯通。两个出水区段的中心应分别布置在闸室长度的前、后四分点上，每一出水区段的长度一般为闸室长度的25%～35%。纵支廊道的出水孔可采用顶部出水、盖板消能或侧向出水、明沟消能方式。

图3-41 水平分流口平面示意图

（a）葛洲坝3 号船闸；（b）美国新岸头船闸

（e）墙内长廊道闸室中部进口的纵、横支廊道3 区段出水。为了使水流的惯性影响对各支廊道基本相同，纵、横支廊道的进口相对集中，一般设在闸室中部1／3 闸室长度内。横支廊道区段一般设在闸室中部闸室长度的20%范围内，在闸室中部形成一个出水的区段，纵支廊道进入底板后，分别向上、下游形成闸室前、后两个区段，前、后纵支廊道的出水孔段，一般各为闸室长度的25%。横支廊道的进口总面积一般为纵、横支廊道进口总面积的30%，前、后纵支廊道进口面积一般各为总面积的35%。

葛洲坝2号船闸即采用该种型式，见图3-27。其布置特点为：

a）纵、横支廊道的进口，集中布置在闸墙主廊道上的闸室中部约为闸室长度的1／3范围内。

b）纵、横支廊道将闸室分为3 个出水区段，横支廊道出水区段位于闸室中部，占闸室长度的20%，前后纵支廊道出水区段，各约占闸室长度的25%。闸室内总的支孔出水区段约占闸室长度的70%。

c）每侧主廊道上设前后2个纵支廊道进口和中间横支廊道的3 个进口，进口总面积为阀门面积的1.15 倍，为主廊道面积的0.9 倍，其中纵、横支廊道进口面积分别占70%和30%。

d）每一纵支廊道上设有18对变面积的出水孔，孔距为4m，其总面积为纵支廊道面积的1.22倍。横支廊道采用阶梯式逐段缩窄（高度不变）的布置型式，其进口与末端面积比为2.33；每一横支廊道上设7 对等面积出水孔，出水孔面积为横支廊道面积的1.24倍。

e）上述各部位面积比，使3 个区段出水量大致均匀。前纵支廊道出流约占总流量的31.9%，横支廊道出流约占29.7%，后纵支廊道出流约占38.4%。

f）输水系统的中心大致与水体重心一致，中部两侧横支廊道交叉布置，前、后纵支廊道在进口处沿船闸中心线左、右侧沟通，整个布置基本对称，有利于水流对称地进入闸室，并能适应阀门单侧开启或两侧不同步开启。

③第三类分散式输水系统。这种型式的输水系统又称等惯性输水系统。典型等惯性输水系统的最大特点在于廊道水流惯性对各供水区段的影响基本一致，位于闸室水体中心的第一分流口采用垂直分流。

所谓垂直分流即是用水平隔板将位于闸室中心的进口分成上、下两层，各自进入上、下半闸室，因此上、下层进水口处流态完全相同，分流均匀、稳定，在同等条件下与水平分流相比，水力损失较小，见图3-42。

图3-42 葛洲坝1 号船闸垂直分流口平面示意图（单位：cm）

这种分流口型式水平隔板的头部与弯道起点间，应保持一定的距离，使经隔板分流的水流经过一直线段调整后再转弯，同时还要注意头部的线形，避免在曲面上出现水流分离现象，使分流隔板的压力降低，甚至在水流流速较高时产生空化。经分流口分流后，两侧的上、下层水流，按呈反对称的方式分别通往上、下半闸室进入闸室纵支廊道汇合。采用这种分流口布置型式，对调整单侧阀门运行或双侧阀门不同步运行导致上、下半闸室分流不均匀的影响也有较明显的效果。但这种分流口的结构比较复杂，闸室底板需局部深挖，一般只在高水头船闸的分散式输水系统中采用。我国采用垂直分流的有葛洲坝1 号船闸（最大水头27m）、三峡船闸（中间级最大水头45.2m）等；美国建议当水头大于18.0m 时就采用垂直分流的型式，在下花岗岩（最大水头32m）、湾泉（最大水头25.6m）、新邦纳维尔（最大水头23m）、瓦尔特布汀（最大水头39.6m）等船闸上，都采用了这种分流口型式。

输水系统中的水流经第一分流口分流后，再经纵支廊道至闸室长度前、后四分点部位，通过第二分流口使水流进入4条出水支廊道，两条向上游，另两条向下游，最后由出水支廊道顶部或侧面的出水孔形成4个区段进入闸室。

对于第二分流口，当纵支廊道宽度足够大时，可采用4根支廊道并列布置的水平分流方法，如美国下花岗岩船闸，见图3-43（a）；当纵支廊道宽度不够时，可采用水平与垂直相结合的分流方式，即向左右侧采用水平分流，向上下游方向采用垂直分流，如三峡船闸，见图3-43（b）和图3-43（c）。由于第二分流口是顺着廊道中水流方向分流，所以较易做到均匀、稳定分流。第二分流口的曲率半径对均匀分流较敏感。

图3-43 第二分流口型式示意图

（a）分流口平面（平面分流）；（b）分流口剖面（平面与垂直分流）；（c）分流口平面图（平面与垂直分流）

闸室出水孔可采用侧向出水明沟消能或顶部出水盖板消能。采用8根支廊道4区段出水时，出水段中心应在闸室长度的1／8、3／8、5／8、7／8 点处，每一出水区段的分布长度应占闸室长度的1／8。

闸室出水孔的布置，出水区段较多时，可等间距等面积布置；出水区段较少、布置范围较大时，可能需采用顺闸室充水时廊道中水流方向递减出水口面积的布置。

在船闸输水系统布置时，在闸室上游闸首结构帷墙的布置对闸室停泊条件的影响值得注意。为使闸室在充、泄水过程中，不致在闸首闸门后，发生闸室水面在帷墙顶部突然扩大，导致在闸室内产生较大的纵向速影响闸室的停泊条件，应将帷墙的下游面布置成斜面，并尽量缩短顶部平台的纵向长度。

3.3.4.3 水力计算

（1）分散式输水系统输水特点。分散式输水系统的水力计算，一般与集中输水系统相似。与集中输水系统相比较，其主要特点是两者输水廊道中的水体惯性，对水流运动的影响明显不同。分散式输水系统的水体惯性一方面缩短了闸室的输水时间；另一方面受惯性影响在输水末期，闸室水面在齐平水位的上下来回波动，造成闸室水面产生超灌和超泄。如闸首采用人字闸门，这种波动将使人字门受到较大的反向推力，对人字门的启闭机械产生不利影响；此外，惯性作用还影响了输水廊道出水支孔间流量的均匀分配。因此，针对分散式输水系统，水力计算较集中式输水系统需增加水流惯性水头的作用，在充、泄水末尾，则体现为闸室水面惯性超高（超降），在阀门开启过程中，对输水廊道的流量、压力均有影响，尤其在快速开启时，可有效提高廊道阀门后的压力，对防止阀门空化有利。

（2）分散式输水系统水力计算。

1）计算主要内容：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输水廊道换算长度和惯性超高、超降值；④闸室输水的水力特性曲线；⑤过闸船舶、船队在闸室及引航道内的停泊条件；⑥密封式输水阀门后廊道顶部的压力水头及开敞式输水阀门后的水跃；⑦廊道转弯段内侧的最低压力水头；⑧输水阀门的工作空化数。

2）水力计算：水力计算所涉及的计算公式及有关参数的取值，可参见JTJ306—2001《船闸输水系统设计规范》。对模型试验和原型观测有关资料的选用，与集中式输水系统相差不大，仅某些参数取值不同，此处不再赘述，仅对分散式输水系统与集中式输水系统水力计算不同之处，作如下说明：①分散式输水系统输水廊道换算长度计算分串联廊道和并联廊道两种。②闸室惯性超高、超降值对单级船闸，闸室水面惯性超高（或超降）值，等于阀门全开后的惯性水头；对于多级船闸的中间闸室，闸室水面惯性超高（或超降）值等于阀门全开后的惯性水头的一半。③闸室输水水力特性曲线计算，包括：流量系数与时间的关系曲线，流量与时间的关系曲线，闸室水位与时间的关系曲线，阀门井水位与时间的关系曲线，能量与时间的关系曲线，上、下游引航道断面平均流速与时间的关系曲线。④闸室充、泄水时船舶（队）在闸室和引航道内停泊条件的计算公式与集中式的相同。但分散式输水的水流是在较大范围内分散进入或流出闸室的，各支孔出流的不均匀及其随时间的变化引起闸室内水面坡降并产生纵向流速。由于其不均匀程度远小于集中式输水系统，闸室输水时，作用于船舶的波浪力、流速力在多数情况下，并不控制闸室的停泊条件，出水区段越多，越是如此；而由于水体消能不充分等因素引起的局部力却可能起控制作用。但局部力的计算方法目前尚不成熟，所以，分散输水系统闸室的停泊条件，一般需经水工模型试验验证后确定。闸室泄水时，水流对闸室内船舶（队）的作用力较充水时更小，一般不起控制作用。⑤输水阀门在开启过程中，阀门后的水力条件，主要取决于阀门的淹没水深和阀门后廊道体型、阀门开户方式，以及进气条件。阀门后进气的情况，一般可根据下游检修阀门井和阀门后廊道顶部通气管的布置简化为密封式及开敞式两种。当阀门为封闭式布置时，即阀门后不设通气管或勇气管关闭，而下游检修门槽距阀门较远，不在阀门后的低压区范围，要计算阀门后水流收缩断面处廊道顶部压力和阀门工作空化数，以验证是否会发生空化，并采取相应的措施。当阀门后廊道顶部为开敞式布置，即在后设勇气管或下游检修门槽离阀门较处于门后低压区时，要验算是否会产生远驱式水跃。密封式布置的输水阀门后水流收缩断面处廊道顶部的压力水头计算公式，以及判断开敞式输水阀门后是否产生远驱式水跃的公式均与集中式相同。但当阀门开启速度较快时，还要考虑阀门前后廊道段惯性水头的影响。⑥由于分散输水系统的水头较高，廊道内流速较大，廊道转弯段内侧有可能产生负压，甚至发生空蚀破坏，所以需要核算其压力。⑦高水头船闸输水阀门的空化源，一般可能在阀门底缘水流边界突变处、阀门面板顶部与门楣之间的缝隙低压区，因此要核算这些部位产生空化的可能性。一般先计算工作空化数，然后与临界空化数相比较。输水阀门的临界空化数与阀门门型、阀门底缘型式、止水与门楣的细部尺寸，以及阀门段廊道的边界条件等因素有关，必要时需通过减压模型试验求得。在初步设计时，可参考相似工程的有关资料。当取相近工程的临界空化数，作为判别空化发生的标准时，应注意所取临界空化数部位，与所研究船闸的部位相对应，以得出较为正确的结果。在判断底缘是否发生空化时：（a）当工作空化数大于相应的临界空化数时，阀门底缘不会产生空化，廊道顶部可允许产生不超过3m水柱的负压；（b）当工作空化数接近其相应的临界空化数时，一般将阀门段廊道高程适当降低，增加廊道淹没水深，以保证阀门后廊道为正压；（c）当工作空化数小于其相应的临界空化数时，阀门底缘将产生空化，必须采取后面所述的措施使两者接近，或者消除空化可能造成的危害。阀门门楣的缝隙空化，目前一般通过减压模型试验，研究采用优化门楣与阀门面板间体型（扩散型、基本平行型、收缩型）和门楣通气量大小等措施解决。