寶應船閘分散式輸水系統設計

馮玉凱 康立榮 張 娟

（1.揚州市航道管理處 揚州 225003； 2.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司 揚州 225000）

寶應船閘位于寶應縣城南，連通大運河和寶射河，為鹽寶線口門，鹽寶航道東接連申線，西接京杭運河，為里下河地區水上運輸的重要橫向通道。現有寶應船閘建成于1968年，船閘規模為10.4 m×140 m×2.5 m（口門寬度×閘室長×檻上水深），輸水系統采用集中輸水布置型式，船閘上下閘首工作閘門均采用鋼質人字門，閥門為鋼質平板門，閘、閥門采用液壓啟閉機啟閉。

近年來，隨著水運事業的發展和船型的不斷升級改造，現有寶應船閘已嚴重不適應船舶過閘運量增加、船型標準化、船舶噸位提高的需求，已成為鹽寶線的運輸瓶頸，船隊過閘需3～6次才能全部通過，導致運輸繁忙時船隊過閘常需3～6 d。由于檻上水深偏小，每年11月份至來年的5月約半年以上時間重載船舶難以通過寶應船閘下行，導致該段時間內船閘基本上呈單向運行狀況。

綜合考慮到該閘現狀，根據鹽寶航道運量，結合船閘周邊地形及限制條件，確定新建寶應船閘工程規模為23 m×180 m×4 m。

1 輸水系統型式選擇

寶應船閘承受單向水頭，最大設計水頭H＝7.8 m，輸水時間t＝8 min，按《船閘輸水系統設計規范》［1］中規定，輸水系統的類型可按判別系數的大小選定：

式中：m為判別系數；H 為設計水頭，m；t為閘室灌水時間，s。當m＞3.5時采用集中輸水系統，當m＜2.5時采用分散輸水系統，當2.5＜m＜3.5時應進行技術經濟綜合論證后選定。根據計算，寶應船閘m值為2.86，考慮到今后南水北調工程投入運營后，運河高水歷時延長，對船閘輸水系統設計提出更高要求。另一方面，寶應船閘受特殊地形條件限制，新建船閘閘室長度僅為180 m，閘室內水面尺寸較為寶貴，而采用集中輸水系統，由于鎮靜段長度的設置，不利于充分發揮船閘使用容量，因此為提高閘室內舶船利用率以及輸水系統效率，寶應船閘輸水系統采用分散輸水系統，根據規范由于m＞2.4，采用第一類分散輸水系統即閘墻長廊道側支孔出水。

2 輸水系統設計

2.1 輸水系統布置

船閘分散輸水系統采用上閘首正面進水后轉90°彎，通過設在閘首邊墩底板上的輸水廊道進入布置在閘室段的輸水廊道，沿程經閘室輸水廊道側支孔出水進入閘室，下閘首輸水廊道亦與閘室輸水廊道相接組成閘墻長廊道輸水系統，下閘首出水時利用水流對沖消能，出水口布置消力檻消能［2］。

閘墻每側設24個短支孔，分為3組，支孔間距6.0 m，自上游至下游孔口尺寸（寬×高）分別為0.72 m×0.85 m（8個）、0.68 m×0.85 m（8個）、0.64 m×0.85 m（8個），以改善輸水初期及輸水后期短支孔出水口出流均勻性，降低水流惰性力影響。短支孔出水范圍總長138.0 m，占閘室有效長度76.7%。支孔出口頂高程－2.80 m，布置在下游最低通航水位0.7 m時設計船舶吃水深度以下，保證了支孔出流不直射船體，但船底富裕水深小于支孔間距的1／2倍，支孔出流將影響船體，因此為調整閘室水流條件，尤其是船閘單側輸水時的水流條件，需在全部出水短支孔出口設置消力檻對，檻高0.35 m，距出水口1.5 m。

2.2 水力計算

上閘首采用正面進水口頂高程－0.4 m，上游最低通航水位6.0 m時淹沒水深為6.4 m，大于設計水頭的0.4倍，閘室廊道出口頂高程為－2.80 m，下游最低通航水位0.70 m時淹沒水深為3.5 m，淹沒水深大于1.5 m。

閥門處廊道斷面面積按規范采用下式計算：

式中：d為慣性水頭，m，ω為輸水閥門處廊道斷面面積，m2；C為閘室水域面積，m2；H 為設計水頭，m；μ為閥門全開時輸水系統的流量系數；t為閘室輸水時間，s；α為系數；kv為系數，取0.6～0.8；g為重力加速度，m／s2。分散輸水系統閥門廊道面積計算中kv系數取0.4～0.6，根據計算上下閘首廊道空箱尺寸為3.0 m×3.5 m（高×寬），閘室廊道空箱尺寸為3.2 m×4.0 m（高×寬）。工程閘室結構圖見圖1。

圖1 閘室結構剖面圖（單位：m）

式中：w，v為閥門計算斷面的面積（m2）及流速（m／s）；wi及vi為各段廊道斷面的面積（m2）及流速（m／s）；li為各段的長度，對出水段可取該長度的1／2。

充水時按斷面面積大致可分為3.5 m×3.0 m及3.2 m×4.0 m 2種斷面段分別進行計算，可得充水時輸水系統的廊道換算長度為92 m。閘室

閘室墻廊道側支孔輸水系統廊道換算長度可按規范公式進行計算：水面超高（降）值可按下式計算：

由此可得閘室水面超高及超降值分別約為0.29 m及0.22 m。充水時超高已經大于規范要求，對此可采用動水關閥及平水開啟人字閘門的方式予以解決［3］。

2.3 分散輸水系統的優點

（1）在最大設計水頭7.8 m工況下，分散輸水閘室充水時間454 s，同規模集中輸水系統閘室輸水時間t為510 s，分散輸水系統閘室灌泄水時間為集中輸水系統的89%。

（2）新建船閘受特殊地形條件限制，船閘閘室總長僅為180 m，閘室內水面尺寸較為寶貴。采用分散輸水閘室內可不再設置鎮靜段，增加了閘室有效停泊面積，提高了船閘過閘效率［4］。

（3）新建船閘采用的是分散輸水系統中的閘墻長廊道側支孔出水，閘室充水時水流是沿閘室長度方向分散進入閘室的，水流優于集中輸水，較為平穩，結合采用浮式系船柱，船舶在閘室內灌泄水時安全系數大為提高。

3 結語

寶應船閘已于2013年7月通過主管部門的交工驗收并放水通航。寶應船閘由于采用分散輸水系統，縮短了廊道輸水時間，增加了閘室有效停泊面積，提高了船閘通行效率，大大緩解了船舶等待過閘時間過長的現象，取得了較好的經濟效益和社會效益。閘室內水流平穩，結合采用浮式系船柱，船舶在閘室內的安全系數大大提高，船閘開閘以來船舶過閘未發生任何事故。

［1］ JTJ 306－2001船閘輸水系統設計規范［S］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］ 宣國祥.寶應船閘輸水系統布置和水力計算分析［R］.南京：南京水利科學研究院，2009.

［3］ 江蘇省水利勘測設計研究院.寶應船閘擴容改造工程施工圖設計項目競聘文件［R］.揚州：江蘇省水利勘測設計研究院，2011.

［4］ 寶應船閘擴容改造工程施工圖設計［R］.揚州：江蘇省水利勘測設計研究院，2009.