引江濟(jì)淮蜀山船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一、工程概況

蜀山泵站樞紐位于合肥市高新區(qū)寧西鐵路橋北側(cè)約1.5km處，為引江濟(jì)淮工程江淮溝通段最大樞紐，主要建筑物有泵站、船閘、泄水閘等，船閘布置在泵站南側(cè)，根據(jù)運(yùn)量預(yù)測，遠(yuǎn)期要建成雙線船閘，近期先建一線，預(yù)留二線船閘位置及建設(shè)條件。一線船閘、泵站平行布置，軸線中心距261.1m。引江濟(jì)淮江淮溝通段航道等級(jí)為Ⅱ級(jí)，設(shè)計(jì)代表船舶噸級(jí)為2000噸級(jí)，蜀山船閘按Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，閘室有效尺度280m×23m×5.2m（長×寬×最小門檻水深）。

二、輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)水位條件

蜀山船閘輸水系統(tǒng)計(jì)算水位選擇最大水頭、最小水頭及常水頭三種水位工況，見表1。

三、閘基地質(zhì)條件

根據(jù)工程布置，閘基座落在⑨3層中等風(fēng)化～新鮮粉、細(xì)砂巖層上，磚紅色，呈柱狀及長柱狀，局部夾泥巖。該層為易崩解的軟質(zhì)砂巖，地基承載力僅700kPa，基底摩擦系數(shù)僅0.45，在干濕交替的環(huán)境下易崩解成粉細(xì)砂。

四、輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.輸水系統(tǒng)選型

船閘輸水系統(tǒng)可分為集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)兩大類。根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（本文以下簡稱《規(guī)范》）規(guī)定，輸水系統(tǒng)類型根據(jù)判別系數(shù)m值初步選定。當(dāng)m＞3.5時(shí)，采用集中輸水系統(tǒng)；當(dāng)m＜2.5時(shí)，采用分散輸水系統(tǒng)；當(dāng)m為2.5～3.5時(shí)，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證或參考類似工程選定。判別系數(shù)m值按下式計(jì)算：

式中：m―判別系數(shù)；

H―設(shè)計(jì)水頭（m），取H=17.26m；

T―閘室灌水時(shí)間（min）。

輸水時(shí)間T=8～10min，計(jì)算得：m=1.93～2.41＜2.5，因此輸水方式采用分散式輸水系統(tǒng)。

2.輸水系統(tǒng)方案確定

船閘分散式輸水系統(tǒng)通常有閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)和閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)兩種形式，該工程閘墻高度達(dá)31.2～34.2m，在地基承載力及基底摩擦系數(shù)低、干濕交替環(huán)境下易崩解成粉細(xì)砂的軟巖上，巖面高程遠(yuǎn)低于閘墻頂高程，閘墻結(jié)構(gòu)采用分離式結(jié)構(gòu)如重力式、襯砌式均不適用，故選擇整體式鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)。對(duì)于整體式閘室結(jié)構(gòu)，閘底長廊道輸水系統(tǒng)基坑需要挖得更深，土石方及混凝土工程量更大，不經(jīng)濟(jì)，因此該工程選擇閘墻長廊道側(cè)支孔分散式輸水系統(tǒng)。

3.閘墻長廊道側(cè)支孔分散式輸水系統(tǒng)布置

（1）輸水閥門處廊道斷面面積

根據(jù)《規(guī)范》，輸水閥門處廊道斷面面積可按以下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：ω為輸水閥門處廊道斷面面積（m2）；C為閘室水域面積（m2）；H為設(shè)計(jì)水頭（m），d為慣性水頭（m），μ為閥門全開時(shí)輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)，可取0.6～0.8；T為閘室輸水時(shí)間（s）；α為系數(shù)（可查表）；kv可取0.6～0.8；g為重力加速度（m/s2）。

對(duì)于蜀山船閘，C=307×23.0=7061m2，H=17.26m，d值 及 μ 值根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn)取分別取0.45m和0.7～0.8，α根據(jù)《規(guī)范》可得為0.56～0.53，T=8～10min=480～600s，kv＝0.7。則：.8

初步確定輸水閥門尺寸（寬×高）為2×4.5m×4.5m，總面積為40.5m2。

（2）輸水系統(tǒng)主廊道和閘室出水孔段布置

輸水閥門廊道斷面面積確定后，在選擇主廊道斷面面積以及側(cè)支孔斷面面積時(shí)，有兩個(gè)比值必須加以注意，即：

原則上，α值越大，輸水系統(tǒng)出水孔段的損失越小；β值越小，越有利于前后支孔出水均勻，但將增加出水孔段水頭損失，根據(jù)美國陸軍工程兵團(tuán)的經(jīng)驗(yàn)，一般取β=0.95。

取主廊道斷面（寬×高）為2×5.0×5.0=50.0m2，閘墻每側(cè)設(shè)30個(gè)側(cè)支孔，分為2組，上游至下游孔口尺寸（寬×高）分別為（0.72×1.20）m2（15 孔 ）、（0.60×1.20）m2（15 孔 ），總面積為47.52m2，這樣α、β值分別為1.24和0.95。

《規(guī)范》規(guī)定出水孔間距宜為閘室寬度的1/4，因此確定出水支孔間距為23×1/4=5.75m，每側(cè)布置30個(gè)出水孔，這樣出水孔總長為30×5.75=172.5m，約占閘室有效長度的61.6%。

按《規(guī)范》要求，側(cè)支孔長度L≥2～4D，D為出水支孔直徑或斷面寬度，取支孔斷面最大寬度D=0.72m，則 L ≥ 1.44～2.88m， 取 L=3.0m， 支孔斷面采用標(biāo)準(zhǔn)的與閘墻垂直的水平布置，為減少水力損失，支孔進(jìn)口斷面采用三面修圓，圓弧半徑為0.30m，出口斷面三面修圓，圓弧半徑也采用0.30m，水平方向按3.0°角擴(kuò)散。出水側(cè)支孔出口設(shè)置消力檻，選擇檻高0.50m，距出水口1.0m。

為使施工方便，蜀山船閘取閘墻廊道底高程-1.20m，與閘室底高程一致，加上閘墻廊道的高度5.0m，下游最低通航水位時(shí)廊道淹沒水深為2.0m，與水頭比為0.17，最大設(shè)計(jì)水頭工況時(shí)廊道淹沒水深為2.8m，與水頭比為0.16。

由于蜀山船閘規(guī)模很大，若遠(yuǎn)期雙線船閘同時(shí)運(yùn)行，其耗水量及輸水流量較大，引航道內(nèi)水流條件較難滿足，且其輸水閥門為平面閥門，閥門工作條件亦較為嚴(yán)峻，因此，考慮到雙線船閘布置的特點(diǎn)，將兩線船閘閘墻廊道通過兩根連通廊道相連，并設(shè)置閥門以控制兩線船閘間的輸水，從而達(dá)到省水、改善引航道水流條件和閘首輸水閥門工作條件的目的，連通廊道閥門段尺寸亦為：2×4.5m×4.5m（寬×高）=40.5m2。

（3）進(jìn)、出水口布置

對(duì)于分散輸水系統(tǒng)，其進(jìn)水口型式一般有閘首邊墩及檻上多支孔、導(dǎo)墻上多支孔及引航道底部橫支廊道進(jìn)口三種布置型式。

閘首邊墩及檻上多支孔進(jìn)口布置在閘首范圍內(nèi)，其上游引航道導(dǎo)墻的斷面可大大減小從而降低工程投資，但其進(jìn)口面積分布受到較大限制，水流比較集中，容易形成進(jìn)口漩渦，且當(dāng)船閘水頭或取水流量較大時(shí)引航道內(nèi)的水流條件難以滿足過閘船舶安全要求。因此，此種進(jìn)水口布置一般用于水頭較低、輸水流量較小的船閘。

導(dǎo)墻上多支孔進(jìn)口取水時(shí)水流相對(duì)分散，能適應(yīng)取水量較大的分散輸水系統(tǒng)，也是目前分散輸水系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的進(jìn)水口型式，但其要求的淹沒水深較大，結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜。

引航道底部橫支廊道進(jìn)口型式適用于引航道較寬、水頭高、輸水流量大的船閘，但要保證其有足夠的淹沒水深，同時(shí)需注意進(jìn)水口的泥沙淤積問題。

考慮到蜀山樞紐船閘最終將采用雙線并列布置，位于其中隔墩或輔導(dǎo)航墻上的進(jìn)水口可采用兩線共用或獨(dú)立布置兩種方式。將兩線船閘進(jìn)水口連通即共用進(jìn)水口的布置方案可改善一線船閘單獨(dú)輸水時(shí)引航道內(nèi)的水流條件，但也存在一定隱患：一是當(dāng)兩線船閘同時(shí)運(yùn)行，由于兩線船閘實(shí)際運(yùn)行特性不可能完全一致，因此共用進(jìn)水口將帶來一些不可預(yù)見的水力學(xué)問題；二是當(dāng)兩線船閘錯(cuò)開運(yùn)行時(shí)，若一線船閘充水時(shí)另一線船閘處于船舶進(jìn)閘狀態(tài)，則由于共用進(jìn)水口將會(huì)給另一線船閘進(jìn)閘船舶的航行安全也帶來一定的安全隱患。

由于蜀山樞紐屬于中水頭樞紐，進(jìn)水口若采用引航道底部橫支廊道布置，則由于其引航道底高程較高，淹沒水深相對(duì)較小，因而可能產(chǎn)生進(jìn)水口淤積或堵塞，且不便檢修。而由于其輸水流量較大，因此閘首邊墩及檻上多支孔進(jìn)口布置很難滿足進(jìn)口水流條件的要求。同時(shí)，為確保雙線船閘的運(yùn)行安全，不推薦采用雙線船閘共用進(jìn)水口的布置方案，因此其進(jìn)水口布置最終考慮采用導(dǎo)墻上垂直多支孔布置。

按《規(guī)范》要求的分散輸水系統(tǒng)進(jìn)口流速不宜大于2.5m/s，按最大充水流量計(jì)算，蜀山船閘進(jìn)水口面積需大于180.4m2，因此考慮采用導(dǎo)墻上垂直多支孔布置型式。取進(jìn)水口（寬×高）為（2×6×4×4.5）m2，總面積216m2，這時(shí)進(jìn)水口最大斷面平均流速約為1.90m/s。取輸水系統(tǒng)進(jìn)水口頂高程11.20m（相應(yīng)的底高程6.70m），在設(shè)計(jì)最大水頭時(shí)淹沒水深為12.66m，為設(shè)計(jì)水頭的0.73倍，在上游最低通航水位時(shí)淹沒水深為6.2m，為對(duì)應(yīng)水頭的0.53倍，均滿足規(guī)范進(jìn)水口淹沒水深大于0.4倍水頭的要求。

分散輸水系統(tǒng)的出水口布置與進(jìn)水口布置基本類似，主要有閘首邊墩及檻上多支孔、導(dǎo)墻上多支孔及引航道底部橫支廊道進(jìn)口等幾種布置型式。

（4）閥門段輸水廊道布置

充水閥門段廊道與進(jìn)水口通過垂直轉(zhuǎn)彎相連接，充水閥門淹沒在垂直轉(zhuǎn)彎以下，之后再通過垂直和水平轉(zhuǎn)彎與閘室出水段廊道連接，同時(shí)將輸水廊道寬度由4.5m擴(kuò)大至5.0m，高度也由4.5m調(diào)整至5.0m。

取充水閥門處廊道頂高程-0.20m，下游最低通航水位時(shí)閥門處廊道頂淹沒水深為6.0m，與對(duì)應(yīng)水頭比為0.51，最大設(shè)計(jì)水頭工況時(shí)閥門處廊道頂淹沒水深為6.8m，與最大設(shè)計(jì)水頭比為0.39。

下閘首泄水閥門段廊道通過垂直轉(zhuǎn)彎和水平轉(zhuǎn)彎與閘室出水廊道相連接，垂直轉(zhuǎn)彎將廊道高度由5.0m調(diào)整為4.5m，水平轉(zhuǎn)彎將廊道寬度由5.0m調(diào)整至4.5m；泄水閥門后再通過一次水平轉(zhuǎn)彎與下閘首出水口消能室相連接，出水口斷面面積取閥門處廊道斷面面積的2倍，即2×4.5m×4.5m=40.5m2，為使出水口水流盡可能均勻，在泄水閥門后水平轉(zhuǎn)彎設(shè)中間隔墩，隔墩的起點(diǎn)略偏向彎段外側(cè)。

五、結(jié)語

據(jù)統(tǒng)計(jì)，蜀山船閘是國內(nèi)外采用閘墻長廊道側(cè)支孔出水分散式輸水系統(tǒng)水頭最高的船閘，與類似工程相比較，屬較大突破和創(chuàng)新，根據(jù)閘址特殊的地質(zhì)條件，通過優(yōu)化工程布置，水力計(jì)算的各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，輸水系統(tǒng)可行、經(jīng)濟(jì)、安全。設(shè)計(jì)過程中還進(jìn)行了數(shù)模計(jì)算和水工模型試驗(yàn)，結(jié)果表明蜀山船閘的輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)能夠滿足船閘安全運(yùn)行