输水系统主要技术问题研究与解决，船闸与升船机设计

3.3.5.1 船闸的输水时间

从船舶快速过坝角度看，闸室的输水时间越短越好，但输水时间长短受输水系统设计水平的限制。在同样的阀门工作水头和船闸规模条件下，缩短输水时间，将会增加单位时间内水体运动伴随的能量，导致水流对船舶作用力增大，表现为闸室内船舶系缆力增加，停泊条件变差。而采用不同的输水系统，分散、削减水体能量的程度不同，水流对船舶作用力的大小也不同。从输水系统的发展过程中也可以明显看到，早期的简单的集中式输水系统，适应的船闸工作水头和闸室平面尺寸很小，且输水时间较长，闸室停泊条件较差；随着输水系统布置的不断完善、设计水平的不断提高，适应的船闸水头和闸室平面尺寸也逐渐加大，输水效率也随之提高，闸室停泊条件不断得到改善。但即使是目前最先进的能适应高水头大型船闸的最复杂的等惯性输水系统也只是尽量减小水体的惯性影响和尽量削减进入闸室水体的剩余能量，达到使水流对船舶的作用力尽量减小的目的，而不能完全消除水流对船舶的作用力。因此，过度缩短输水时间，势必增大流量增率，引起惯性作用加强，进入闸室的剩余能量增加，从而恶化闸室停泊条件。

同样，输水时间的缩短，也受输水阀门工作条件的限制。缩短输水时间，将增大输水的流量和流速，导致阀门段廊道水流压力降低，若压力降低幅度过大，将有可能发生空化甚至空蚀破坏，空泡溃灭产生的能量作用于输水阀门，又会引起阀门及其相连的设备振动，影响阀门的安全运行；同时，该能量也将引起阀门段廊道的振动，特别是对于衬砌式隧洞结构的输水主廊道，振动会使洞壁与岩石的接触状态变差，恶化廊道结构的工作条件。另外，过高的流速也加速了廊道壁面混凝土的冲刷破坏。所以，输水时间的缩短不是无限的，过度缩短输水时间也将造成工程投资的增加。一般主要根据规划的船闸通过能力计算确定输水时间。输水系统设计中，要妥善处理好缩短输水时间与满足闸室停泊条件和阀门工作条件之间的关系，达到矛盾的统一，从而得到一个水力性能良好而又经济合理的输水系统。但一般认为，船闸输水时间长短是反映输水系统优劣的一个重要指标，在可能条件下，应尽可能地缩短输水时间。根据目前的设计经验，对中等水头的大、中型船闸，合理输水时间一般为8～12min，对水头较高的大型船闸输水时间，可延长至15min。

3.3.5.2 阀门及阀门段廊道的工作条件

输水阀门是船闸输水系统的关键设备，在复杂工作条件下频繁启闭，其工作性能好坏直接影响到船闸能否正常、安全运行。特别是高水头船闸，在非恒定高速水流条件下，阀门及阀门段廊道的水动力学特性、空化特性和阀门及启闭系统流激振动特性，为船闸设计研究解决的关键技术问题。

（1）输水阀门型式。船闸的输水阀门分平板门和弧形门两大类，弧形门又可分为正向弧形门和反向弧形门。平板门具有结构简单、制造安装容易、便于检修维护的特点，但在高速水流的作用下，门槽容易发生空蚀，门体振动较大，相对弧形门而言，启门力也较大，一般多用于中低水头船闸。但近几年随着科研技术水平的提高，平板门已用于阀门最大工作水头26.0m左右的船闸上。而弧形门没有门槽，所需启门力较小，阀门刚度大，承受动水荷载作用的性能较好，在国内外高水头船闸上被广泛采用。

从水力特性角度总体上看，正弧门可提高门后压力，底缘过流较平顺，阀门的受力特性得到较大程度改善，阀门及阀门段廊道结构得以简化，阀门吊杆可以缩短，阀门的抗振性能得到改善，但门楣通气只能解决门楣自身的空化，不能抑制阀门底缘空化。此外，由于阀门井位于正弧门门后的低压区，会使门井水位降低，若淹没水深不足，门井水位降至门后廊道顶高程以下，从而导致大量空气进入廊道和闸室，将大大恶化闸室的停泊条件。反弧门受力复杂，水流流线受底缘切割影响较大，水流不顺畅，启闭机吊杆位于水位降幅及降速均较大的阀门井中，受水流波动影响，导致启门力波动，且吊杆较正弧门的长，易于受波动影响发生振动。但反弧门最大的优点在于门楣通气不仅可解决门楣自身的空化，还可以有效地抑制阀门底缘空化。且在国内外高水头船闸上有较丰富的运行经验。

因此，选择门型时，要考虑阀门的工作水头、阀门最小淹没水深、阀门门型与阀门后廊道体型的适应性，以及输水廊道施工条件等因素，从阀门空化、振动和运行等多方面进行分析比较。

（2）阀门后廊道体型。当阀门型式和开启方式一定时，阀门段廊道体型在较大程度上影响着阀门后水流流态、廊道的压力以及水流的收缩程度，同时它也是影响空化的一个重要因素。

目前采用的阀门后廊道体型有平顶型、顶部渐扩型（简称“顶扩”型）和突扩型。平顶型即是阀门后廊道断面高度与阀门处孔口高度相同，如美国的BaySprings船闸、新邦纳维尔船闸和瓦尔特布汀船闸，以及我国广西红水河上的大化船闸、乐滩船闸等；顶扩型即是廊道顶部从阀门井下游壁面开始逐渐向上扩大，这种型式在国内外高水头船闸中用得最多，美国从20世纪60年代开始采用了这种体型，如冰港船闸、下花岗岩船闸等，我国的葛洲坝3 座船闸、江西万安船闸等也采用了这种体型；突扩型则是廊道断面在阀门后向顶部突扩、侧向突扩、底部突扩以及3 种突扩的组合，如我国福建的沙溪口船闸、水口船闸和湖南五强溪船闸等均采用了多面突扩的型式，见图3-44。三峡船闸在中间级闸首处的阀门后，采用了顶扩与只在底部突扩（即不再在两侧突扩，简称“底扩”）的组合型布置。

图3-44 阀门段廊道顶底扩体型和突扩体型示意图

（a）纵剖面；（b）平面

对不同廊道体型抗空化性能方面的研究成果表明：顶扩型的门后廊道压力高于平顶型低于突扩型，而阀门的临界空化数则较平顶型的低。在阀门开度n＝0.6 时，顶扩型输水阀门的临界空化数为

式中 α——廊道扩大比，一般为1.2～1.5。

从式（3-9）中可以看出，临界空化数随扩大比增加而减小。

突扩廊道体型最早是前苏联全苏水工建筑物设计院科研所于20 世纪70年代提出的。突扩体型除了可显著提高阀门后廊道水流压力，减小阀门后廊道壁面水流压力脉动，降低阀门临界空化数外，最大特点在于突扩体型利用其周边外扩优势可形成超空化结构。高水头船闸利用突扩体内水流扩散、流速降低、压力增加和漩滚水流来消耗水流所携带的能量。即使发生空化，空泡可以在水体内部溃灭，减弱了空泡溃灭产生的冲击，从而对廊道边壁等起到保护作用。

在三峡船闸输水系统设计时，考虑利用可尽量满足输水系统阀门段淹没水深的有利条件，采用突扩体型对廊道结构的影响较大，为避免使阀门段廊道结构复杂化，首次提出了采用顶扩加底扩的阀门段廊道新体型，达到了既提高廊道阀门段抗空化的能力，又大大简化廊道阀门段结构的目的。

从顶扩、底扩体型抗空化性能方面看，在相同的阀门开启时间条件下，两种体型反弧门底缘不发生空化所对应的初始淹没水深底扩型较顶扩型小，快速1min开启阀门时，要少10m左右；事故动水关闭阀门过程中，顶扩体型输水阀门在关至n＝0.7～0.2 开度范围出现空化，而底扩体型输水阀门在整个关闭过程中均无空化，说明底扩体型适应性较强。

底扩体型的特有流态，提高了门后压力，也提高了阀门工作空化数，此外由于门后压力脉动的降低和流态的综合效应较大地改善了阀门空化条件，从而减小了底扩体型临界空化数，底扩体型的抗空化能力优于顶扩。

由于突扩型较平顶型和顶扩型廊道结构复杂，因此在选择廊道体型时，除了要充分考虑其抗空化性能外，还要考虑简化廊道结构、方便施工等因素。

（3）输水系统防空化气蚀的主要措施。高水头船闸阀门防空化气蚀措施，国内外都进行过大量研究。前苏联一般是通过延长输水时间来改善阀门空化条件；美国根据其渠化河流水位变幅小的特点，一般采用快速开启阀门和门后廊道顶部通气的工程措施。我国建在水利枢纽中的船闸，受枢纽运行影响，水位变幅较大，因此需结合国内外船闸运行经验，从空化产生的原因及部位方面，采取多种措施，综合提高输水廊道阀门段防空蚀的能力。

1）降低阀门段廊道高程。降低阀门段廊道高程可显著提高阀门后的水流压力，从而提高阀门的工作空化数。这是防空化气蚀措施中最简单有效的措施。特别是当船闸建在岩基上，如输水主廊道采用与船闸的闸首闸室分开布置的隧洞型式时，其优势尤显突出。因为对于隧洞开挖，阀门段廊道高程的降低，只会少量增加隧洞长度和阀门井深度，基本不影响闸墙及闸室结构，降低阀门段高程对工程造价的影响很小。三峡船闸通过采用隧洞式主廊道降低阀门段廊道高程，作为抗空化气蚀的主要措施，中间级闸室阀门段廊道最小淹没水深达26m，使阀门安全运行的工作水头达到了45.2m。如输水主廊道采用明挖时，降低廊道高程加大阀门段淹没水深的办法，一般都会较大幅度增加工程造价，美国一般在12m水头以下的船闸上采用此方法，当水头大于12m时要与其他方案进行经济比较。我国已建的几座高水头、非洞挖输水主廊道的船闸阀门段廊道最小淹没水深见表3-3。

表3-3 我国非洞挖输水主廊道阀门段廊道最小淹没水深

2）优化阀门开启方式。

①快速开启。这种开启方式可利用阀门开启过程中的惯性水头，大幅度提高门后水流压力，以及减小阀门开启过程中的流量，从而提高阀门工作空化数。与慢速开启相比，即使发生空化，空化持续时间缩短，空化强度减弱，空蚀破坏几率减小。此外，快速开启也缩短了输水时间。但采用快速开启阀门方式要与阀门液压启闭系统的设计能力相符，以保证液压启闭系统能安全稳定地运行。此外，还需具有较完善的闸室等惯性充、泄水布置，以避免在闸室内产生过大的波浪力和局部力影响闸室的停泊条件。美国和法国的一些船闸，采用了快速开启方式。我国三峡船闸综合考虑了可能影响船闸水力学条件的各种因素，输水系统的阀门采用快速开启方式，开启时间为1.5～2min。

②变速开启。这种开启方式有“快速—慢速—快速”和“快速—停机—快速（间歇开启）”两种方式，其原理就是先以较快速率快速开启阀门到阀门底缘即将发生空化的开度，转为慢速或停机，待闸室水位上升到足以抑制阀门底缘空化时，再快速全开阀门，以满足输水时间要求。通常在已建成的工程上针对阀门空化，采用变速开启是一种有效的补救措施。葛洲坝1 号船闸的观测资料表明，阀门采用间歇开启后，底缘空化数有较大提高，在原空化非常严重的开度，只出现了微弱空化，说明间歇开启可使底缘空化得到充分抑制。对比阀门在原开启方式（5min匀速开启），在充水过程中输水廊道里出现的雷鸣声基本消失。间歇开启方式虽然能起到减免阀门底缘空化的作用，但对门楣防空化不利，而且这种运行方式会给船闸运行管理带来不便，因此这种开启方式的采用，要结合对门楣采取防空化措施，同时还要考虑到对船闸运行管理的影响。三峡船闸因模型试验采用的相对于工程原型的缩尺系数偏小，在船闸采用2min匀速开启阀门时，由于第一分流口通过的流量偏大，分流舌局部出现了空化的迹象，通过采用阀门间歇开启的方式，使分流口的水力学条件得到了明显改善。

3）选择合适的阀门段廊道体型。在前面介绍阀门段廊道体型时已经提到，在同等条件下的总体抗空化能力，突扩体型优于顶扩体型，顶扩体型优于平顶体型。由于突扩体型的突变断面角隅以及收缩断面的线形等，都是引起新的空化源的敏感部位，处理工作相对较复杂，施工精度要求高，增加洞挖的施工难度，突扩体型的运行经验相对较少；而顶扩体型结构简单，施工方便，运行经验丰富。此外廊道体型的抗空化能力还与门型有很大关系，因此高水头船闸的阀门段廊道是否采用突扩体型或底扩体型，不仅要看廊道体型的抗空化能力，还要结合其他抗空化气蚀措施的采用和结构条件等进行综合考虑，最终选择一种有效、经济、施工又方便的廊道体型。

4）阀门段通气。高水头船闸输水阀门的空化源，一般可分为阀门底缘、阀门顶部弧门面板与门楣之间缝隙，对于突扩体型，突变断面的角隅等部位也可能是空化源，因此通常在阀门后廊道顶部低压区以及门楣低压处等部位设通气孔通气，但应控制通气量大小，以不影响闸室停泊条件为原则。

①阀门后廊道顶部通气。阀门后廊道顶部通气，一般分自然通气和强迫通气两种。自然通气就是使廊道顶保持一定负压，自然进气，这对于下游水位变幅不大、阀门后压力变化小的船闸来说，是一种减缓底缘空化简便、有效的措施。美国根据其渠化河流水位变幅小的特点，普遍采用了阀门后廊道顶部自然通气的措施，使廊道顶部保持3m左右的负压，以达到自然通气的目的。而对于下游水位变幅大的船闸或连续多级船闸中间闸首处阀门段廊道，无法在各种水位条件下，实现稳定的自然通气，因此只能采用强迫通气的措施。20世纪80年代中期以前，我国在下游水位变幅较大的葛洲坝3 座船闸和万安船闸上，都考虑了强迫通气措施，但因压缩空气系统未完全配套等原因，并未正式投入使用。

②门楣通气。门楣缝隙空化主要是阀门开启过程中，顶止水脱离门楣后，门楣与阀门面板间形成高速缝隙水流，当门楣体型不合适时，高速缝隙压力流导致的空化，会使门楣、面板发生蚀损。根据门楣与弧形门面板形成缝隙的最窄处位置的不同，门楣体型分为扩散型、基本平行型和收缩型3 种。扩散型的最小间隙位于缝隙直段进口，收缩型的最小间隙位于缝隙直段的出口，基本平行型上下间隙的变化不大。美国的经验认为影响门楣空化的主要因素不是门楣体型，而是门楣缝隙宽度，根据工程经验，美国一般采用5～8cm。门楣体型的研究成果表明，平行型抗空化能力最强，收缩型次之，且其收缩角越小效果越好，而扩散型则较易发生空化。门楣体型的抗空化能力对施工、安装精度，以及阀门长期运行等因素非常敏感，由于这些因素影响到模型的相似性，可能出现模型上不发生空化的体型，在原型上仍发生空化的情况。扩散型门楣体型具有水流较易在缝隙段产生负压区、过流能力强、缝隙流速大、通气条件较容易得到满足的特点，因此较易采用通气减免空化。向门楣通气，不仅可减免门楣空化，还可以利用门楣通入的空气，沿着反弧门面板随水流流向阀门底缘的特点，对底缘空化起到一定的抑制作用。我国最早采用门楣通气的船闸是葛洲坝3 座船闸。这3 座船闸建设的过程中，我国对高水头船闸的水力设计还处在摸索阶段，3 座船闸采用了不同的门楣体型，投入运行后，不同程度地存在着门楣缝隙空化现象，经研究先后采取了在门楣处形成负压使门楣能自然通气的措施。1 号和3 号船闸门楣体型为扩散型，为了实现稳定、均匀、通气量较大的通气，采用了门楣通气孔前加设挑坎型式；而2号船闸门楣体型为收缩型，虽然其抗空化能力较强，但在顶缝出口处仍然发生了空化，由于阀门井未预埋通气管，所以采用的是带通气管的门楣掺气坎型式。原型观测表明，加设掺气挑坎后，阀门开启时通气管能自然吸气，门楣缝隙水流掺气浓度达10%以上，远远大于模型中测定的充分抑制顶缝空化的掺气浓度（不小于1%），顶缝空化得到了充分抑制。同时声压级平均降低约15dB，说明底缘空化亦得到了较大程度抑制。另外，由于门楣通气抑制了阀门空化，阀门段廊道压力及启门力脉动也都较大幅度降低。借鉴葛洲坝船闸门楣通气的成功经验，三峡船闸采用了门楣通气效果最佳的类似葛洲坝1号和3 号船闸的扩散型门楣布置型式。但是像三峡船闸阀门段廊道在这样大淹没水深条件下（三峡船闸中间级阀门段廊道初始淹没水深达26m，而葛洲坝船闸只有9m），门楣自然通气的通气量大小和通气稳定性，会受缝隙长度的控制，缝隙越长，通气量越大，因此经模型试验最终确定门楣布置采用较葛洲坝船闸的门楣缝隙更大的长度。三峡船闸的原型观测表明：各闸首门楣通气管在阀门开启后都能稳定进气，而且通气量与阀门初始作用水头和阀门段廊道淹没水深有关。作用水头一定时，通气量随淹没水深的减小而增大；淹没水深一定时，通气量随作用水头的增大而增大，即在对阀门工作条件不利的水位组合下，其通气量都较大，而且在原型上实测的门楣通气量大于模型试验值，特别是事故紧急关阀情况下，在关阀过程中，门楣通气量显著增加，门楣通气措施能较好地适应事故紧急关阀工况，说明所设计的门楣体型是合适的，施工和安装精度也达到设计要求，门楣通气措施是成功的，较大的门楣通气量有利于抑制阀门段可能存在的空化，并对阀门段廊道边壁起到更好的保护作用。几座船闸门楣体型见图3-45、图3-46。

图3-45 美国新邦纳维尔船闸门楣型式示意图

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图3-46 葛洲坝及三峡船闸门楣体型纵剖面示意图（单位：cm）

（a）葛洲坝1 号船闸；（b）葛洲坝2号船闸；（c）三峡船闸

③跌坎通气。三峡船闸采用的“顶部渐扩＋底部突扩”的廊道体型，在大比例尺模型试验中发现，在某些非正常运行工况下，阀门开度较小时，在底扩跌坎射流主流下边界，以及阀门侧止水与底止水接触处发生不同程度空化，而门楣通气的掺气水流不能穿过主流到达下边界，因而不能抑制跌坎出现空化；为了抑制原型中跌坎可能出现的空化，在跌坎处布置了通气孔，但由于跌坎处不易形成稳定负压，所以还考虑了强迫通气的措施。模型试验表明，跌坎通气可以有效抑制小开度的跌坎局部空化。由于三峡的输水系统已有足够的防空化能力，在原型上仅将此作为一种备用措施，只预埋了通气管而没有接强迫通气用的空气压缩机。目前原型观测表明，在某些非正常工况下，跌坎空化很微弱，且其周边有钢衬保护，所以并不对廊道结构和门体造成损坏。

5）其他工程措施。输水系统防空化气蚀除了上述几个主要措施外，还有其他一些抑制阀门空化的工程措施，如加大门后阻力以及优化阀门体型、特别是底缘型式等。

输水系统布置中，在控制系统总阻力的条件下，合理安排主廊道、支廊道及出水孔的面积，尽量增大阀门后阻力，以提高门后压力，有利于防止空化。但由于各种条件限制，此措施只能起到辅助作用。

优化阀门体型，阀门采用全包体型和复合不锈钢面板，改善阀门的过流条件和抗空蚀能力。优化阀门底缘型式，采用流线型及初始夹角小的底缘，以提高其抗空化性能。由于底缘型式的改变将影响到阀门启门力的大小及流激振动特性，所以需要综合比较，谨慎选用。

3.3.5.3 闸室停泊条件及超灌（超泄）

（1）闸室停泊条件。闸室水流流态的好坏，直接影响着船舶在闸室内的安全停泊。无论是集中输水还是分散输水，在船闸的充、泄水过程中，水流对闸室内船舶的动水作用力，表现为波浪力、流速力和局部力。但不同的输水系统型式，力的成因不尽相同，大小也不一样，在不同的输水阶段，各力所处的主导地位也不同。

解决闸室停泊条件的问题对分散式输水系统主要是在闸室较大范围内，布置输水系统的出水孔，以及对水流采取消能措施，如顶部出水孔盖板消能或侧向出水孔明沟消能的消能型式，使水流充分消能后，分散地、比较均匀地进入或泄出闸室。高水头单级船闸上闸首或多级船闸中间级闸首闸门后闸槛一般都高于闸室或下一级船闸闸室的最低通航水位，应将闸槛下游面布置成斜面，同时在满足闸门检修要求的前提下，尽量减小闸槛宽度。对集中式输水系统，关键在于通过布置合适的输水系统，使水流尽量在廊道内消减能量，同时采取不同的消能措施，减小水流进入闸室的能量，并使水流流速在平面上和立面上充分扩散，均匀分布，减小水流局部力的影响。

总的来说，闸室停泊条件除了与输水系统型式和布置、输水阀门开启时间、开启方式有关外，还与船舶的大小、编队方式以及船舶在闸室内的停靠位置、系缆方式有关，在必要时需通过水工模型试验，判定船舶停泊条件。

（2）闸室超灌（超泄）。分散式输水系统在输水末期，由于水流的惯性，在闸室稳定水面上下产生的波动即称闸室水体的惯性超灌或超泄，通常以波幅值的大小，表示惯性超灌或超泄的程度。当闸首采用人字闸门时，这种波动将使人字闸门承受较大的反向推力，影响人字门的开启。在不采取措施的情况下，高水头船闸的超灌或超泄一般较大。葛洲坝1 号船闸超灌（超泄）值约1m，三峡船闸中间级闸室的超灌（超泄）值达1.6m左右，远超过规范0.25m的允许值。当人字门被反向水头推开时，会恶化闸室内船舶的停泊条件，此外，还可能导致水体涌入启闭机房。因此，必须采取措施进行控制。

一般采用的措施有提前关闭输水阀门或提前开启人字门两种。提前开启人字门，即在闸室水位齐平瞬间开启人字门。但当超灌（超泄）值较大时，水流将随超灌涌入机房或随超泄形成的反向水头，由闸门缝隙涌入上闸室，引起上闸室船舶产生较大的纵向系缆力，影响船舶安全。对于高水头大型船闸，其超灌（超泄）值一般均较大，所以不宜采取此法。提前关闭输水阀门的方法，即在闸室水位齐平前，提前动水关闭输水阀门，以减小惯性水流的流量，在人字门前后水位齐平时开启人字门，使人字门开启过程中的超灌（超泄）值小于规范允许值。三峡船闸、葛洲坝1 号船闸采用这种方法成功地将超灌（超泄）值控制在0.2m以内。提前关闭输水阀门操作程序的关键是确定提前关闭输水阀门时的剩余水头和关闭过程中停机时输水阀门的剩余开度。通常可根据船闸的水头和规模以及设计输水时间，在模型上取得初步数据后在原型上进行验证确定。

3.3.5.4 船闸引航道水力学

船闸的上下游引航道和分别与两座船闸相连接的中间渠道水力学，主要研究引航道范围内水流对过往船舶的不利影响，以及需要采取的措施。引航道范围一般包括引航道及其与主河道相接的口门区。引航道及口门区的通航水流条件，对运河上的船闸仅与船闸充泄水有关；对水利枢纽上的船闸，则与河势的稳定与否、河流含沙量大小、引航道布置、枢纽泄洪、电站调峰以及船闸充泄水等诸多因素密切相关。上述诸因素引起水流条件的变化具体表现在引航道及其口门区的流速、流态，涌浪高度、传播速度、水面比降以及船舶（队）系缆力等方面。

在引航道布置确定的前提下，枢纽泄洪和电站调峰对引航道及口门区水流条件的影响与水库调度方式和电站负荷调节方式密切相关，调度方式不同，其影响程度也不相同。电站调峰更多是影响下游引航道水流条件。而河势的改变除与坝址附近河流自身的地形、地质条件有关外，还与河流的含沙量大小，以及水库调度有关，不同成因造成河势的改变，对通航水流条件的影响也不相同。

关于引航道口门区的水流条件，在前面章节中已作较详细介绍，本节着重就与闸室充、泄水关系比较密切的引航道水力学问题，进行简要介绍。

引航道内的通航水流条件，前苏联规范中规定：当船闸引航道布置在取、泄水建筑物范围时，在取、泄水建筑物的进、出水口断面内，在最低设计通航水位时，水流的横向流速不超过0.25m／s；对于超干线及干线航道纵横向流速，分别应不大于0.8m／s 和0.25m／s，但在上游引航道靠船建筑物处的纵向流速应不大于0.5m／s。我国JTJ—2001《船闸总体布置设计规范》中关于引航道内的通航水流条件除引航道内涌浪限值以外的类似规定，在前面章节已有叙述，此处不再赘述。

（1）引航道水力学主要问题。在引航道内，由于水域有限，船闸充、泄水会在引航道或中间渠道内形成非恒定流，这种非恒定流通常表现为一种阵发性的涌浪。涌浪会突然增加正在航行船舶的阻力和停靠船舶的系缆力，当船闸的闸门采用人字门时，将增加人字门启闭机的反向荷载，还会使引航道和中间渠道水面降低，减小有效水深，影响船舶航行。当升船机与船闸共用引航道时，涌浪也会在承船厢内形成误载水深。当涌浪高度超出允许值时，会破坏正常的运行条件，影响通航设施的正常、安全运行。

（2）改善引航道水流条件的措施。主要通过优化船闸进水口和泄水口的布置，如根据需要采用在引航道外取水和泄水，对进、出水口尽可能采用分散式布置等，减小以至免除船闸充、泄水在引航道内非恒定流的影响。当限于布置条件或由于其他原因，不必或不宜采用在引航道外取水和泄水，且通过优化进水口和泄水口布置尚不能满足引航道内的通航水流条件时，有以下措施可供参考。

1）优化阀门开启方式。适当降低阀门开启速度或采用间歇开启、变速开启的方式，以减小流量增率及最大流量值，从而减小波浪高度、水面坡降和水流流速。

2）对于双线船闸或带中间渠道的单线船闸，两线船闸和处于中间渠道两端的船闸，根据需要可适当错开充、泄水时间，以避免两个船闸充、泄水产生的涌浪相互叠加。

三峡船闸为适应水库分期蓄水的要求，采取了分期建设的施工方案，即第一、第二闸首底槛和第二闸首人字门按适应围堰发电期和初期运行水位施工和安装，第一闸首人字门按适应后期运行水位要求安装，但不安装启闭设备；在进入后期运行水位前，按适应后期运行水位要求再进行完建。因此在围堰发电期和初期运行期间，第一闸首人字门不能投入运行，船闸后4级运行时，第一闸室成为上游引航道的一部分。当第二闸室充水时，其充水流量一部分取自上游引航道，更大一部分取自狭长、水深较浅且一端封闭的第一闸室水域，导致第一闸室水体波动和第一闸首口门及上半闸室纵向流速较大，船舶停泊条件不能满足规范要求。解决这个问题是通过减小第二闸室充水阀门的开启速率来实现的，其目的就是减小第一闸室的取水量并减缓其变化，从而降低第一闸室水面波动及流速。与此同时还要兼顾船闸的输水时间不能延长太多。经原型调试，在库水位139.0m时，第二闸首输水阀门采用以阀门全开时间6min的速率开至n＝0.6 开度停机，在剩余水头0.6m时动水关阀至n＝0.3 开度的运行方式，使第一闸室水面纵向坡降和最大波幅，以及第一闸首口门区和第一闸室1 号系缆柱最大纵向流速均有明显减小，实现了船舶在第一闸室待闸，同时上游进水口附近水域的通航水流条件受第一闸首口门影响不利于船舶通行的现象也得到了较大程度的改善。相应输水时间为13.25min。由于第二闸室充水时的充水流量只一部分取自上游引航道，因此上游进水口上游侧的引航道内通航水流条件满足船舶（队）航行及停靠要求。

3.3.5.5 闸室防淤、清淤

（1）闸室泥沙淤积问题。在多沙河流上水利枢纽中的船闸，因船闸充水时，含沙水流进入闸室，在船舶过闸的间歇时间里，泥沙在闸室中沉积，泄水时不能将全部泥沙挟带出闸室，部分泥沙就沉积在闸室内，直至冲淤平衡。另外由于其他原因，在闸室外有些部位，如单级船闸的上闸首门前闸槛、下闸首门后闸槛、闸门梁格内等均有泥沙淤积。若闸室内的泥沙淤积超过允许值，将影响闸室的通航水深，增大闸门重量，如闸门采用人字门，开关门时由于人字门底部刮闸槛上泥沙而增大运行阻力，甚至使人字门不能正常地开关，同时也会增加检修时的清淤工作量。所以闸室泥沙淤积成为维持船闸正常通航需要妥善解决的技术问题。

根据三峡工程下游的葛洲坝1 号、2 号和3 号船闸的泥沙淤积资料，泥沙淤积的部位，一般都分布在闸室无出水孔和流速较小的区域，淤积量1 号船闸最大、2 号船闸次之、3 号船闸最小（几乎没有）。此外，下游人字门在下游水位以下的梁格内泥沙淤积较多。葛洲坝3 号船闸的闸室有效尺寸为120m×18m×4m（长×宽×槛上最小水深，下同），输水系统采用2区段4支廊道顶部出水盖板消能型式；葛洲坝2 号船闸闸室有效尺寸为280m×34m×5.0m，输水系统采用闸室纵、横向支廊道侧向出水明沟消能型式；葛洲坝1 号船闸的闸室有效尺寸与2号船闸的相同，输水系统采用等惯性4区段8分支廊道顶部出水加盖板消能型式。

葛洲坝3 座船闸的平面尺寸、输水系统布置型式不同，具体的淤积部位也不同。3 号船闸闸室只在紧接上闸首帷墙下边角部位有少量的淤积，其原因在于分流口段虽然无出水孔，但所占闸室长度较短，左右两支廊道间、支廊道与闸墙间的距离较近，受充、泄水水流流速冲刷影响较大，泥沙无法停留，基本可被泄水水流带走。2 号船闸在闸室内采用纵横支廊道布置型式，纵、横支廊道侧向出水，廊道顶部较宽，分别为6.9m和3.7m，充、泄水时水流流速不能直冲刷廊道顶面，所以在上闸首帷墙下和纵、横支廊道的顶部均有较多泥沙淤积，纵支廊道上淤积最多。1 号船闸闸室内的出流方式采用4区段8 分支廊道等惯性布置型式，充水时出流方式与3 号船闸相似，但1 号船闸的宽度为3 号船闸的1.89倍，第一、第二分流口段长度24m，无出水孔部位占闸室的长度较长，左右两支廊道间、支廊道与闸墙间的距离较大，因此在分流口段、船闸中心线附近、两侧闸墙附近，以及上闸首帷墙下，均有较多泥沙淤积。此外，3 座船闸下闸首门龛附近的泥沙，都比上闸首门槛区的多，因此除闸室充水时落淤外，当船闸闸门在有反向水头的情况下开门时，下游浑水进入闸室，浑水中的泥沙同样在此沉积。人字门梁格内的泥沙淤积，主要发生在下闸首人字门上，3 座船闸在梁格内都有较多落淤，特别是冲沙闸冲沙时，高浓度的悬移质泥沙在这些梁格中很快沉积并板结；而上闸首人字门梁格内淤积很少，其原因是泄水后梁格全部露出水面，船闸充、泄水时水面升降对泥沙有冲刷作用，泥沙大部分随水流带走。

由以上分析可见，除水中挟带泥沙是先决条件外，闸首内泥沙淤积量的多少，还与输水系统布置、闸室平面尺寸的大小、船闸在枢纽中的位置、枢纽冲沙建筑物的运行情况等因素有关，在这些因素中，船闸输水系统的布置型式与泥沙淤积的关系尤为密切。对于4区段8分支廊道的输水系统布置，第一、第二分流口段，上闸首帷墙下、下闸首门龛附近均无出水孔，泥沙淤积最多，呈“沙丘”形；相对于上述区域，船闸中心线附近及两侧闸墙边的条带状淤积受充、泄水时水流扰动影响大些，淤积量也相对少些。

（2）防淤减淤措施。

1）闸室底板为了减少泥沙淤积量，最有效途径就是通过闸室出水支廊道布置，在闸室充、泄水过程中使上述泥沙淤积部位形成一定流速，减少泥沙沉积。因此防淤减淤措施的基本思路就是在不恶化闸室停泊条件的前提下，适当调整出水支廊道和出水孔的布置，在这些容易淤积区域布置出水孔。调整布置的要点是根据支廊道各自所处位置的具体情况，尽量使出水支廊道，向无出水孔区域延伸，并在上面增设出水孔。所增出水孔的宽度、出水孔方向及顶部消能盖板尺寸，一般都根据既满足冲淤需要，又不致恶化闸室停泊条件的要求，必要时可结合船闸水工整体模型试验确定。

这种防淤减淤措施最大特点是不需要另外增设冲淤设施及增加相应的运行维护费用。

与葛洲坝1 号船闸闸室有效尺寸和输水系统布置完全相同的三峡船闸，在设计中对这种防淤减淤措施进行了较深入研究。由于当时闸室底板施工在即，且三峡船闸在枢纽运行初期的泥沙淤积的速率很慢，要经过相当长时间后，闸室泥沙淤积才会对船闸运行产生不利影响，所以，三峡船闸采用的是在原有出水廊道布置的基础上，在一些无出水孔的部位，适当增加一些活动式侧向出水的冲淤钢廊道（将在下节详述）。对于纵、横支廊道3区段出水的纵支廊道上的泥沙淤积，可考虑在每支纵支廊道顶部设若干个小出水孔，形成从廊道顶部出流的条件，扰动周围水体，使泥沙不易沉积下来。但要结合闸室停泊条件在水工模型上作必要的试验验证，在达到最佳冲淤效果的同时不致影响闸室的停泊条件。

2）解决下闸首闸门后底槛淤积的有效措施是在靠近闸门门体的底部设冲淤设施。一般可在闸室高水位以下、门体面板中部开孔，向门后闸门底部架设在管口设有控制阀的管路，再在底部沿门轴线方向水平布置带喷嘴的冲淤管。根据需要在开始泄水时打开控制阀，利用闸室与下游之间的水位差，在底部向下游形成射流，清除槛上淤积。这种装置简单，运行方便，效果好。

上闸首闸门后底槛如前面所述，对高水头船闸而言，一般都是斜坡布置，且底槛宽度较窄，除了有利于改善闸室停泊条件外，也有利于减少闸坎上的泥沙淤积。原型观测也发现该部位很少有淤积。所以不需作专门处理。

3）闸门梁格内的减淤措施，可考虑在不影响闸门结构安全的前提下，尽可能在梁格之间的腹板上多布置些漏水孔，当水位下降时，使进入梁格内的泥沙随同下漏水流排走。当梁格内的泥沙淤积接近设计考虑的重量时，通常可利用多功能清淤船进行清淤。

总之，闸室各部位产生泥沙淤积的原因及对运行影响的程度不尽相同，不可能采取单一措施解决泥沙淤积问题，必须对淤沙分别采取防、减、清的综合措施，才能既有效又经济地解决闸室泥沙淤积问题。