適應(yīng)通過(guò)能力發(fā)展需求的多線船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

嚴(yán)振石,李 君,宣國(guó)祥,金 英

(1.廣西西江開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022；2.南京水利科學(xué)研究院，水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，水利部水科學(xué)與水工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

近20年來(lái)，國(guó)家對(duì)內(nèi)河水運(yùn)的重視提到了前所未有的高度，內(nèi)河水運(yùn)建設(shè)已成為國(guó)家戰(zhàn)略，深入推進(jìn)水運(yùn)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革、加快水運(yùn)提質(zhì)增效升級(jí)、補(bǔ)齊水運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)短板是我國(guó)今后一個(gè)時(shí)期水運(yùn)行業(yè)的發(fā)展方向。

國(guó)家對(duì)內(nèi)河水運(yùn)的大力投入，極大促進(jìn)了內(nèi)河水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，內(nèi)河水運(yùn)貨運(yùn)量增長(zhǎng)迅猛，對(duì)通航建筑物通過(guò)能力要求愈來(lái)愈高。無(wú)論新建還是改擴(kuò)建船閘工程，其閘室規(guī)模逐步增大，Ⅰ～Ⅲ級(jí)船閘所占比例越來(lái)越高。以廣西西江流域?yàn)槔瑸閷?shí)現(xiàn)億噸黃金水道的目標(biāo)，在原有Ⅳ級(jí)和Ⅲ級(jí)船閘基礎(chǔ)上，目前正在逐步推進(jìn)十余座Ⅰ級(jí)船閘的擴(kuò)建工程，待這些船閘完建后，將形成世界范圍內(nèi)規(guī)模最大的巨型船閘群。

歐美國(guó)家在通航樞紐總體設(shè)計(jì)中[1-3]，通常在靠岸一側(cè)先建設(shè)一座小船閘，同時(shí)考慮通過(guò)能力發(fā)展趨勢(shì)，在靠河一側(cè)預(yù)留第二線船閘(大船閘)位置；或者同時(shí)建設(shè)兩座小船閘，待通過(guò)能力無(wú)法滿(mǎn)足貨運(yùn)量發(fā)展時(shí)，再將靠河一側(cè)船閘加長(zhǎng)擴(kuò)建為大船閘。在此設(shè)計(jì)下，可以較好地滿(mǎn)足不同噸位船舶通航需求，有利于通航組織調(diào)度。而在我國(guó)，受到工程投資和征地移民等因素限制，往往先在靠河一側(cè)建設(shè)小船閘，待通過(guò)能力無(wú)法滿(mǎn)足貨運(yùn)量需求時(shí)再在靠岸一側(cè)擴(kuò)建大船閘，從而導(dǎo)致了大船走岸邊、小船走河心這種不利于船舶通航安全和組織調(diào)度的結(jié)果，同時(shí)間接影響了樞紐的總體通過(guò)能力。

輸水系統(tǒng)是船閘完成閘室充泄水過(guò)程的主要設(shè)備，其設(shè)計(jì)須滿(mǎn)足輸水時(shí)間要求以提高船閘通過(guò)能力和營(yíng)運(yùn)效益，并保證閘室和引航道內(nèi)船舶的停泊和航行安全以及輸水系統(tǒng)自身的安全。上述巨型船閘的輸水水力指標(biāo)遠(yuǎn)超國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程，對(duì)輸水系統(tǒng)的要求提升到了新的高度。為此，在通過(guò)能力需求發(fā)展的背景下，開(kāi)展適應(yīng)我國(guó)特有多線船閘總體布置形式、閘室規(guī)模及輸水水力指標(biāo)變化的輸水系統(tǒng)形式選擇與應(yīng)用研究，對(duì)于新時(shí)代內(nèi)河船閘工程建設(shè)具有極其重要的意義。本文將以西江流域最具代表性的長(zhǎng)洲樞紐四線船閘群為例開(kāi)展研究。

1 長(zhǎng)洲樞紐船閘規(guī)模論證

長(zhǎng)洲水利樞紐是西江干線廣西境內(nèi)的最末一個(gè)梯級(jí)。在長(zhǎng)達(dá)十幾年的設(shè)計(jì)研究過(guò)程中，長(zhǎng)洲樞紐船閘通航等級(jí)規(guī)模也歷經(jīng)多次調(diào)整。1992年，其通航規(guī)模確定為雙線千噸級(jí)船閘，船閘有效尺寸分別為185 m×23 m×3.5 m(有效長(zhǎng)度×寬×檻上水深，下同)和185 m×15 m×3.5 m，單向通過(guò)能力為1 270萬(wàn)t/a。1994年，交通部提出長(zhǎng)洲水利樞紐的船閘規(guī)模應(yīng)為雙線千噸級(jí)船閘，閘室有效尺寸均擴(kuò)大為185 m×23 m×3.5 m，設(shè)計(jì)單向通過(guò)能力為2 400萬(wàn)t/a。2004年，廣西研究提出將雙線船閘中的一線船閘從1 000噸級(jí)擴(kuò)大為2 000噸級(jí)，為Ⅱ級(jí)船閘，閘室有效尺度擴(kuò)大為200 m×34 m×4.5 m，二線船閘的規(guī)模為1 000噸級(jí)不變，兩座船閘單向通過(guò)能力總和為 3 920萬(wàn)t/a。

2007年以后，廣西進(jìn)入打造西江億噸黃金水道建設(shè)高峰期，長(zhǎng)洲樞紐已建一線、二線船閘通過(guò)能力已明顯不能滿(mǎn)足過(guò)閘貨運(yùn)量和船舶大型化需求，經(jīng)常發(fā)生船舶滯留現(xiàn)象，社會(huì)影響大，擴(kuò)建船閘的迫切性突出。2009年底，長(zhǎng)洲三、四線船閘工程同時(shí)動(dòng)工，船閘均為Ⅰ級(jí)船閘，工程可研階段閘室有效尺度為310 m×34 m×5.6 m，進(jìn)入初步設(shè)計(jì)階段后又調(diào)整為340 m×34 m×5.8 m，單向通過(guò)能力達(dá)9 600萬(wàn)t/a。2015年初，三線、四線船閘建成通航，長(zhǎng)洲樞紐總設(shè)計(jì)通過(guò)能力達(dá)到1.36億t，成為世界上通過(guò)能力最大的內(nèi)河船閘群。

由長(zhǎng)洲樞紐船閘規(guī)模論證過(guò)程可知，隨著水運(yùn)貨運(yùn)量的不斷增長(zhǎng)，以及政府對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)分析的不斷深入，樞紐4座船閘的設(shè)計(jì)規(guī)模也在隨其通過(guò)能力的需求不斷調(diào)整。

2 長(zhǎng)洲樞紐船閘群輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)洲樞紐船閘不同階段確定的規(guī)模，其輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要經(jīng)歷了3個(gè)階段。第1階段是針對(duì)樞紐一線、二線船閘規(guī)模均為185 m×23 m×3.5 m開(kāi)展，第2階段是針對(duì)一線船閘規(guī)模調(diào)整為200 m×34 m×4.5 m開(kāi)展，第3階段則是針對(duì)三線、四線船閘規(guī)模均為340 m×34 m×5.8 m開(kāi)展。

2.1 長(zhǎng)洲二線船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)洲二線船閘設(shè)計(jì)水頭H為15.55 m，設(shè)計(jì)輸水時(shí)間T為10 min，根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]中輸水系統(tǒng)選型公式：

(1)

計(jì)算可得判別系數(shù)m=2.54。根據(jù)規(guī)范要求，可采用集中輸水系統(tǒng)，也可采用分散輸水系統(tǒng)，鑒于長(zhǎng)洲樞紐為水運(yùn)交通的重要工程，且船閘規(guī)模較大，通航保證率要求較高，對(duì)集中輸水系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，該船閘的水頭顯然較高，因此考慮采用分散輸水系統(tǒng)方案。因其m值大于2.4，因此選擇第一類(lèi)分散輸水系統(tǒng)——閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔形式。

閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)對(duì)非巖石基礎(chǔ)船閘，由于閘墻采用混凝土重力式，因此在閘墻底部布置主廊道是經(jīng)濟(jì)的，在閘墻主廊道上接側(cè)支孔也較為方便，結(jié)合長(zhǎng)洲二線船閘實(shí)際地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用此種輸水系統(tǒng)形式是合適和經(jīng)濟(jì)的[5]。閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)在美國(guó)最先發(fā)明也是最為常用的輸水系統(tǒng)形式，其水力設(shè)計(jì)也較為成熟，但其應(yīng)用水頭在美國(guó)設(shè)計(jì)手冊(cè)[6]中規(guī)定不超過(guò)9.2 m，閘室門(mén)檻水深不小于6 m；同時(shí)，該輸水系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)單邊運(yùn)行或雙邊不同步運(yùn)行的適應(yīng)性較差，閥門(mén)單邊運(yùn)行時(shí)一側(cè)完全無(wú)水出流，另一側(cè)即進(jìn)水側(cè)出水支孔的水流直接沖至對(duì)面閘墻，在閘室內(nèi)形成較大橫向水面坡降，船舶所受橫向力較大，不利于船舶停泊安全。對(duì)于長(zhǎng)洲二線船閘15.55 m的設(shè)計(jì)水頭和僅有3.5 m的檻上水深而言，閘墻長(zhǎng)廊道輸水系統(tǒng)能否適應(yīng)其更高的水力指標(biāo)是輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需考慮的重要問(wèn)題。

為解決閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)在我國(guó)大型船閘的適用性問(wèn)題，針對(duì)我國(guó)閘室設(shè)計(jì)初始水深較小的特點(diǎn)，放棄了美國(guó)對(duì)這一輸水系統(tǒng)的自由射流消能原理(即針對(duì)其船閘初始水深較大的特點(diǎn)，利用船底富裕水體空間進(jìn)行水流擴(kuò)散消能)，首次在23 m寬的船閘中提出通過(guò)消力檻強(qiáng)迫消能以及調(diào)整水流的橫向分配，并系統(tǒng)研究了出水口消力檻布置形式和方法。研究結(jié)果表明，側(cè)支孔出口外設(shè)置消力檻對(duì)閘室水流條件的調(diào)整作用明顯，尤其對(duì)船閘單側(cè)輸水情況效果更佳。根據(jù)船閘尺度及水力指標(biāo)的不同，消力檻高度可在0.35～0.50 m變化，同時(shí)消力檻的高度宜為側(cè)支孔高度的0.4～0.7倍，消力檻距出水口距離宜在1.0～2.0 m。通過(guò)本項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)研究，極大地提高了消能效率，成功地解決了這一輸水系統(tǒng)形式在我國(guó)初始水深較小條件下的應(yīng)用問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)在大型船閘中的應(yīng)用，并且已將此類(lèi)輸水系統(tǒng)的應(yīng)用水頭由美國(guó)規(guī)定的9.2 m提高至目前長(zhǎng)洲二線船閘的15.55 m。

經(jīng)模型試驗(yàn)[7]最終確定的長(zhǎng)洲二線船閘消力檻高度為0.5 m，距側(cè)支孔出口2.0 m，輸水系統(tǒng)具體布置見(jiàn)圖1。

圖1 長(zhǎng)洲二線船閘閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)(高程：m； 尺寸：mm。 下同)

2.2 長(zhǎng)洲一線船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一線船閘設(shè)計(jì)水頭與二線船閘一致，均為15.55 m，閘室規(guī)模經(jīng)調(diào)整后設(shè)計(jì)輸水時(shí)間調(diào)整為12 min。根據(jù)輸水系統(tǒng)選型公式計(jì)算可得，一線船閘m值為3.05，因此可采用集中輸水系統(tǒng)，也可采用分散輸水系統(tǒng)，但考慮到調(diào)整后的一線船閘規(guī)模較二線船閘增大了1.6倍，其水力指標(biāo)亦有較大增加，因此必須采用分散輸水系統(tǒng)，并且二線船閘所采用的閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)已達(dá)到其應(yīng)用的上限，其水力特性已不能滿(mǎn)足一線船閘輸水要求。同時(shí)由于閘室寬度由23 m增加至34 m，閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)中存在的單邊閥門(mén)開(kāi)啟或雙邊閥門(mén)不同步開(kāi)啟下閘室內(nèi)橫向水面坡降較大問(wèn)題將進(jìn)一步放大。為此，須采用其它類(lèi)型輸水系統(tǒng)。

考慮一線船閘仍采用重力式閘墻結(jié)構(gòu)形式，在閘墻內(nèi)布置廊道較為經(jīng)濟(jì)，同時(shí)考慮閘室內(nèi)水流分配問(wèn)題，在側(cè)支孔輸水系統(tǒng)基礎(chǔ)上在側(cè)支孔外增加橫向出水廊道，即采用第二類(lèi)分散輸水系統(tǒng)中的閘墻長(zhǎng)廊道閘室中部橫支廊道輸水系統(tǒng)。為解決一線船閘高水力指標(biāo)下的閘室水流消能問(wèn)題，在傳統(tǒng)的橫支廊道側(cè)支孔單明溝消能基礎(chǔ)上，提出了復(fù)合式橫支廊道雙明溝消能的新措施，即在橫向出水廊道的側(cè)向出水孔外設(shè)置兩道或多道明溝進(jìn)行消能，第一道明溝的尺度及布置須滿(mǎn)足原單明溝布置的相關(guān)要求及規(guī)定，相鄰明溝之間設(shè)置帶有透水孔的消力檻，通過(guò)改變消力檻上的透水孔面積進(jìn)一步調(diào)整閘室的橫向水流分布。這種布置的優(yōu)點(diǎn)是將原單明溝消能的空間增大了一倍甚至多倍，同時(shí)在平面上擴(kuò)大了水流耗散的面積，從而可獲得較好的水流條件，提高了停泊在閘室內(nèi)過(guò)閘船舶安全性，并可減少廊道數(shù)，簡(jiǎn)化閘室結(jié)構(gòu)。

經(jīng)模型試驗(yàn)[8]最終確定的長(zhǎng)洲一線船閘輸水系統(tǒng)具體布置見(jiàn)圖2。

圖2 長(zhǎng)洲一線船閘閘墻長(zhǎng)廊道閘室中部橫支廊道輸水系統(tǒng)

2.3 長(zhǎng)洲三、四線船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)洲三、四線船閘在設(shè)計(jì)之初有多種建設(shè)方案，包括同步建設(shè)并列布置、先后建設(shè)分開(kāi)布置，其可選建設(shè)位置包括岸邊和臺(tái)地等，上述建設(shè)方案和所處位置的地質(zhì)條件將對(duì)輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)生較大影響。因此在工程可研階段和初設(shè)階段針對(duì)不同建設(shè)方案開(kāi)展了輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

長(zhǎng)洲三、四線船閘最終確定的設(shè)計(jì)水頭為17.28 m，設(shè)計(jì)輸水時(shí)間為12 min。根據(jù)輸水系統(tǒng)選型公式計(jì)算可得，三、四線船閘m值為2.88，同樣可采用集中輸水系統(tǒng)，也可采用分散輸水系統(tǒng)。但考慮其水力特點(diǎn)及重要性，最終推薦采用分散輸水系統(tǒng)方案。結(jié)合工程實(shí)際地質(zhì)條件和建設(shè)方案，推薦了兩種輸水系統(tǒng)形式，一是閘底長(zhǎng)廊道輸水系統(tǒng)，以利用基礎(chǔ)開(kāi)挖較深的條件減小閘墻工程量；二是單側(cè)閘墻長(zhǎng)廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)，以利用雙線并列布置特點(diǎn)，將輸水系統(tǒng)布置在兩線船閘之間，便于管理、并可減小部分閘墻工程量。

由于長(zhǎng)洲三、四線船閘規(guī)模巨大，船閘運(yùn)行時(shí)的耗水量及輸水流量較大，每線船閘輸水體積達(dá)23萬(wàn)m3,僅三、四線船閘運(yùn)行就將每天耗水1 000萬(wàn)m3,引航道最大下泄流量達(dá)1 400 m3/s。由此將帶來(lái)兩大問(wèn)題：一是船閘耗水量巨大，不僅消耗水資源，也對(duì)樞紐的發(fā)電效益造成一定影響；二是船閘引航道內(nèi)的水流條件難以滿(mǎn)足船舶安全航行及停泊的要求。結(jié)合新建長(zhǎng)洲三、四線船閘并列布置的特點(diǎn)，提出了在兩線船閘輸水系統(tǒng)間設(shè)置連通廊道的省水布置方案，以實(shí)現(xiàn)兩線船閘相互輸水，并通過(guò)模型試驗(yàn)和原型觀測(cè)等解決了閘室停泊條件、連通閥門(mén)工作條件及連通廊道進(jìn)出口水流條件等難題。提出了滿(mǎn)足并列船閘單獨(dú)輸水和相互輸水水力條件的互通省水布置形式，包括連通廊道閥門(mén)布置及進(jìn)出口布置。在此布置下，研究了最佳輸水方式以提高輸水效率，提出的互通省水布置下輸水方式為：兩座船閘之間先通過(guò)連通廊道進(jìn)行相互輸水，待兩座船閘間水頭差減小到一定程度后，關(guān)閉連通廊道輸水閥門(mén)停止兩座船閘間的輸水，同時(shí)開(kāi)啟每一座船閘的充、泄閥門(mén)以完成剩余的輸水過(guò)程。在輸水方式優(yōu)化研究中，提出了連通閥門(mén)及各自單獨(dú)運(yùn)行的閥門(mén)啟閉速率和互通輸水終止時(shí)的水頭。在互通省水運(yùn)行方式下，與單線船閘正常運(yùn)行方式相比，各項(xiàng)水力指標(biāo)均有較大幅度降低，最大流量下降40%，輸水水流條件較好；系纜力有所下降，閘室內(nèi)船舶停泊條件較好；閥門(mén)后廊道最低壓力增加約10 m水柱，閥門(mén)工作條件大大改善；引航道平均流速降低40%，船閘進(jìn)出水口與引航道內(nèi)水流平穩(wěn)。實(shí)現(xiàn)互通輸水后，每線船閘可節(jié)水30%，兩線船閘節(jié)水60%以上，每天可減少耗水量600萬(wàn)m3,經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益巨大。

經(jīng)模型試驗(yàn)[9]確定的長(zhǎng)洲三、四線船閘閘底長(zhǎng)廊道輸水系統(tǒng)和單側(cè)閘墻長(zhǎng)廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)布置分別見(jiàn)圖3、4。根據(jù)比選，最終確定采用閘底長(zhǎng)廊道側(cè)支孔雙明溝消能輸水系統(tǒng)形式以及兩線船閘互通省水布置。

圖3 長(zhǎng)洲三、四線船閘閘底長(zhǎng)廊道輸水系統(tǒng)

圖4 長(zhǎng)洲三、四線船閘單側(cè)閘墻主廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

1)船閘輸水系統(tǒng)形式選擇須綜合考慮船閘通過(guò)能力需求、平面布置方案、閘室規(guī)模、工作水頭、地質(zhì)條件、船閘結(jié)構(gòu)形式、運(yùn)行管理等方面，為每座船閘選擇最適合其特點(diǎn)的輸水系統(tǒng)，以得到輸水安全與效率的最佳結(jié)合。

2)由于我國(guó)內(nèi)河水運(yùn)規(guī)劃水平與國(guó)外相比有所差距，因而經(jīng)常導(dǎo)致船閘通過(guò)能力無(wú)法適應(yīng)內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展；并且與歐美國(guó)家不同，在船閘總體布置時(shí)，大多將等級(jí)低的船閘布置于靠河側(cè)，后期擴(kuò)建時(shí)則將等級(jí)高的船閘放置于靠岸側(cè)，使得船閘擴(kuò)建時(shí)工程量較大，且后期運(yùn)行調(diào)度管理難度增大，樞紐總體通航效益無(wú)法得到充分發(fā)揮。因此，在今后船閘規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮船閘建設(shè)總體布局。