船閘建設(shè)發(fā)展的若干創(chuàng)新探討

摘 要：為了不斷滿足船閘建設(shè)的高要求，船閘型式推陳出新。文章基于國(guó)內(nèi)現(xiàn)階段船閘設(shè)計(jì)面臨的主要技術(shù)難題，如高水頭閥門水力學(xué)問題、高山峽谷地區(qū)通航建筑物布置問題、高陡邊坡開挖難度大、改擴(kuò)建船閘施工影響及工期長(zhǎng)等，對(duì)省水船閘、帶調(diào)節(jié)水池船閘、地下船閘、整體式船閘進(jìn)行了探討，詳細(xì)分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及工程實(shí)際應(yīng)用存在的問題，以期為未來的船閘建設(shè)提供參考，并提出了下一階段的研究工作。

關(guān)鍵詞：船閘；高水頭；通航建筑物；省水船閘；探討

近年來，我國(guó)的船閘建設(shè)已進(jìn)入高速發(fā)展的階段，建成了一批高水平的船閘。與此同時(shí)也帶來一系列技術(shù)難題，如高水頭閥門水力學(xué)問題、高山峽谷地區(qū)通航建筑物布置問題、高陡邊坡開挖難度大、改擴(kuò)建船閘施工影響及工期長(zhǎng)等等。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，內(nèi)河航運(yùn)的地位日益突出，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)對(duì)船閘品質(zhì)的要求越來越高，船閘的改造和修復(fù)將成為未來的研究熱點(diǎn)。

1 省水船閘

學(xué)者通過深入研究發(fā)現(xiàn)，船閘主要適用于中低水頭樞紐，原因是閥門工作水頭超出一定范圍以后，在灌、泄水初期巨大勢(shì)能轉(zhuǎn)化而來的高速水流極易誘發(fā)空蝕、空化，從而導(dǎo)致閥門段廊道產(chǎn)生破壞并頻繁檢修[1]。但是，就當(dāng)今世界船閘發(fā)展趨勢(shì)而言，高水頭單級(jí)船閘越來越多，水頭在40m左右的船閘已成為現(xiàn)實(shí)，由此產(chǎn)生的閥門水力學(xué)問題顯得尤為突出。為解決高水頭閥門水力學(xué)問題，人們想到利用省水池和帶調(diào)節(jié)水池方案，降低閥門工作水頭。

省水船閘在國(guó)外十分成熟，一般是在閘室的一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置若干級(jí)省水池，其布置有兩大類六種型式：主要分為開敞式和封閉式；其次還有開敞與封閉相結(jié)合的型式等[2]。在已建的省水船閘中，開敞式居多，封閉式因輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)較復(fù)雜，應(yīng)用較少。省水船閘工作原理簡(jiǎn)單，以兩級(jí)省水船閘灌水過程為例，省水池面積與閘室尺度相同，分別設(shè)置在閘室的1/2和3/4水位高度，首先由第二級(jí)省水池向閘室灌水，然后第一級(jí)省水池向閘室灌水，此時(shí)閥門的工作水頭僅有最大水頭的一半，最后剩下的水量由上游庫(kù)區(qū)完成。不難發(fā)現(xiàn)，在省水船閘運(yùn)行時(shí)成倍削減了閥門工作水頭，能夠有效避免產(chǎn)生空蝕空化現(xiàn)象。在以往省水船閘的設(shè)計(jì)中，人們較多的關(guān)注了它的省水功能，因此至今極少見到將省水船閘型式用于消減水頭的報(bào)道。省水船閘在我國(guó)鮮有應(yīng)用，但多年以前相關(guān)科研基地就進(jìn)行過設(shè)計(jì)和研究。如1959年，天津大學(xué)在長(zhǎng)江三峽船閘研究中就提出過省水船閘方案；1977年，南京水利科學(xué)研究所又針對(duì)鄭家崗省水船閘進(jìn)行了模型試驗(yàn)等等。隨著我國(guó)西部大開發(fā)不斷深入，高水頭單級(jí)船閘日益增多，省水船閘開始受到廣泛關(guān)注。21世紀(jì)初，重慶交通大學(xué)陳明棟、楊忠超、楊斌等人基于國(guó)外省水船閘工作原理，針對(duì)重慶烏江銀盤船閘（36.5m），提出帶兩級(jí)省水池方案，實(shí)現(xiàn)了降低閥門工作水頭的目的，并對(duì)省水船閘的輸水特性、閥門開啟方式、運(yùn)行方式、省水率等進(jìn)行了系統(tǒng)研究[3]～[4]，為后續(xù)省水船閘的實(shí)際工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

2 帶調(diào)節(jié)水池船閘

帶調(diào)節(jié)水池船閘主要借鑒省水船閘原理，即在普通船閘輸水系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一套調(diào)節(jié)水池及相應(yīng)的輸水系統(tǒng)，也是水池通過大幅消減水頭來解決高水頭船閘閥門水力學(xué)技術(shù)難題的一種嘗試。調(diào)節(jié)水池布置在上游與閘室之間，水位相對(duì)固定在上游水位與閘室低水位之間（一半）。在灌水初期，上游水庫(kù)向調(diào)節(jié)水池輸水，同時(shí)調(diào)節(jié)水池向閘室輸水，設(shè)計(jì)中使兩段廊道流量相等，可使調(diào)節(jié)水池水位基本保持不變，這樣等于將船閘水頭減少了一半，成倍降低了閥門的工作水頭。然而與省水船閘不同的是，調(diào)節(jié)水池主要用于傳遞水體而不減少船閘耗水，因此需要的調(diào)節(jié)水池?cái)?shù)量少。雖然，帶調(diào)節(jié)水池船閘方案在降低船閘水頭方面有較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但是在國(guó)內(nèi)外尚屬于新生事物，由于沒有成功的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，一直未能投入到工程實(shí)際。但目前為止進(jìn)行的多項(xiàng)研究已為該技術(shù)的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，已基本具備在中小河流上實(shí)施的條件。在三峽工程多級(jí)船閘的前期研究中，為減少船閘分級(jí)，曾提出采用調(diào)節(jié)水池降低閥門工作水頭的設(shè)想，推出了三峽帶調(diào)節(jié)水池連續(xù)三級(jí)船閘方案，但由于高邊坡、樞紐整體布置等原因未能被采用。

3 全襯砌地下船閘

全襯砌船閘的閘首與閘室墻全部采用鋼筋混凝土薄壁襯砌式結(jié)構(gòu)，充分利用巖石基礎(chǔ)的作用，輸水主廊道采用獨(dú)立的襯砌式隧洞結(jié)構(gòu)，船閘結(jié)構(gòu)寬度較小，樞紐總體布置靈活。三峽雙線五級(jí)船閘是世界首座全襯砌船閘，采用混凝土結(jié)構(gòu)與巖體聯(lián)合工作，最大高度達(dá)68m的薄襯砌式結(jié)構(gòu)，其一系列施工技術(shù)在國(guó)內(nèi)外均處于領(lǐng)先水平，它的成功建成為地下船閘的構(gòu)想創(chuàng)造了條件。地下船閘是一種新型的全襯砌船閘，船閘主體在山體內(nèi)部施工，對(duì)地質(zhì)條件要求較高，主要應(yīng)用于巖石基礎(chǔ)，適用于明挖的閘槽深度大，工程量大、高陡邊坡開挖難度大、樞紐整體布置困難的船閘工程。近年來，我國(guó)西南高山峽谷地區(qū)水利樞紐越建越多，峽谷河流河道狹窄、彎曲，兩岸崇山峻嶺，不利于通航建筑物的布置，地下船閘是合理解決這種壩址條件下通航建筑物布置問題的一種較好途徑，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。目前，該新型船閘型式正在進(jìn)一步研究和論證當(dāng)中。

4 整體式船閘

近些年，船閘水工結(jié)構(gòu)方面的新進(jìn)展，值得關(guān)注的是整體式船閘結(jié)構(gòu)的逐步成熟。常規(guī)船閘的閘室均設(shè)置伸縮縫，伸縮縫的間距一般為15～20m。如果計(jì)算的縫間差異位移過大，一般止水難以適應(yīng)時(shí)，可采用無伸縮縫的整體式船閘，它能夠適應(yīng)不均勻沉降，耐久性好，消除了止水維護(hù)問題。整體式船閘的整個(gè)閘室在地面上建造，再運(yùn)輸放置到河中相應(yīng)位置。因此，船閘或大壩的建筑可以不采用圍堰，極大減小了現(xiàn)場(chǎng)工作量，較好地滿足環(huán)保要求，降低了水上施工作業(yè)的難度，加快了工期，應(yīng)用于改擴(kuò)建船閘具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，由于沒有施工圍堰，下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)都是不可見的，且又是新型技術(shù)，缺少成熟的經(jīng)驗(yàn)，故仍需深入研究和開發(fā)。

5 結(jié)論與展望

船閘設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，是在需求的推動(dòng)下不斷創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)的。這些需求包括降低工程投資和全壽命周期成本、提高船閘營(yíng)運(yùn)的可靠性、提高船閘營(yíng)運(yùn)的效率、提高施工效率、降低施工期的影響、降低人工和材料成本、降低環(huán)境影響等等。文章基于我國(guó)現(xiàn)階段船閘設(shè)計(jì)面臨的技術(shù)難題，詳細(xì)介紹了省水船閘、帶調(diào)節(jié)水池船閘、地下船閘以及整體式船閘等新型式船閘，并分析了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為我國(guó)未來的船閘建設(shè)提供參考。另外，為了滿足不斷出現(xiàn)的新需求，在國(guó)內(nèi)外的船閘建設(shè)中，還出現(xiàn)了電磁靠泊梁、船閘與公路立交、氣囊船閘等創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在逐漸豐富我國(guó)船閘建設(shè)水平的同時(shí)，也對(duì)船閘設(shè)計(jì)者下一階段的研究工作提出了更高的要求：一方面，可以借鑒其他行業(yè)的新技術(shù)；另一方面，必須加強(qiáng)新技術(shù)的前期研究、分析和論證工作，包括開展系統(tǒng)的模型和原型試驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉曉平，陶桂蘭.渠化工程[M].北京：人民交通出版社，2009.

[2]周玉華，劉鋒.省水船閘初探[J].水運(yùn)工程，2006（10）：157-159.

[3]陳明棟，楊忠超，楊斌.烏江銀盤船閘輸水系統(tǒng)選型研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，28（5）：31-34.

[4]楊忠超，楊斌，陳明棟，等.烏江銀盤水利樞紐省水船閘運(yùn)行方式研究[J].水運(yùn)工程，2009（6）：112-116.