基于長期開通閘考慮的船閘設計

摘 要：船閘一般由閘室、閘首、閘門、引航道及相關設備組成，是保障船舶順利通過航道的水工建筑物。為滿足平時通航和特定時段防洪要求，需要配置具備長期開通閘條件的船閘。文章結合某船閘工程，基于長期開通閘考慮，對船閘的平面布置、輸水系統、門機電系統等設計進行了分析。

關鍵詞：船閘設計；平面布置；輸水系統；門機電系統

隨著我國內河水資源綜合開發建設進程的逐步深入，船閘建設進入了一個快速發展階段。船閘通過能力小于航道通過能力易造成通航瓶頸，無法從根本上保證船舶通航安全，降低航道整治工程整體效益。為滿足通航安全和防洪要求，有必要從長期開通閘角度去考慮船閘設計問題。下面結合某船閘工程進行具體分析。

1 工程概況

某航道長76.5km，按V級標準通行，300噸級船舶可安全通過。根據省航道局河道整治工作要求，本航道升級為III級標準，并配置具備長期開通閘條件的船閘。本航道船閘的有效長度是180m×4m×23m。其中，有效長度是180，檻上水深是4m，閘室凈寬是23m。通過分析該船閘樞紐控制運行條件，了解到該船閘一年開閘通行天數在330天以上，期間產生的最大水頭為1.73m。預測到2025年，本船閘上下行貨運量分別能達到3743萬噸和2512萬噸。該船閘建成后每年出現高水頭情況較少，但是航道貨運量是較大的，需要進行整治，優化船閘設計。

2 船閘設計分析

2.1 平面布置

為提高船閘通過能力，可以采用船閘加通航孔共用引航道的布置方案，船閘與通航孔平行布置。把引航道底加寬到60m，將船閘布置在引航道北側，通航孔布置引航道南側，設定它們之間的軸線間距為28m。此外，船閘上游和下游的主導航墻長都設置成60m，船閘寬度和通航口門寬度也都設置成23m。上游分水墻和下游分水墻都具備良好的導航功能，頂部寬度設置成5m。根據船閘整體穩定性要求，閘首采用整體式結構，長度才設置成12m，寬度設置成28m，頂部采用啟閉機房，直接與南北兩岸相通。閘室同樣采用整體式結構，長度設置成180m，寬度設置成27.2m，頂部寬度設置成0.9m。此外，南側閘室墻具備導航功能，頂部和底部寬度都設置成2m。北側閘室墻不設置導航功能，頂部設置成0.9m，底部設置成2m。在閘門下設置輸水廊道，閘首不設置輸水廊道。經分析，采用閘門加通航孔的布置方案，有著明顯的優勢，主要體現在以下幾個方面：第一，經濟性好。本船閘采用固定式卷揚啟閉機，其購置費、安裝費相對較低。同常規船閘平面布置方案相比，由于船閘加通航孔平面布置方案僅增建了一個通航孔和通航槽，其他改動較少，無論是建設費用和運營管理費用都是較低的。從經濟性方面看，船閘加通航孔平面布置方案的成本較低。第二，通航條件優化。計算得知，船閘加通航孔平面布置方案的通過能力是6213萬t/a，很好滿足了今后10～20年間通航需求。在開通閘運行時，可以同時開通船閘和通航孔，作為上下行單項航道，既保證了通過效率，也提高了通航安全性。第三，船閘管理效益高。船閘加通航孔平面布置在實際通航中，可以同時開啟船閘和通航孔，一定程度上緩解了通航擁擠情況，減少了排隊指揮工作量，能明顯的降低船閘通航安全風險和管理成本。第四，船閘輔助建筑和自控簡化。通過平面布置方案可以看出本船閘輔助建筑和自控設計都是比較簡化的。主要在于本船閘的開通閘時間較長，需要簡化船閘附屬設施，達到節約效果。

2.2 輸水系統

本船閘的設計最大水頭是1.73m，綜合考慮閘室灌水時間和測算判別系數等信息后，根據《船閘輸水系統設計規范》相關要求，本船閘決定采用集中輸水系統，按照不高于0.25m/s的流速控制閘室最大斷面的平均流速。在具體設計中，為提高本船閘設計的科學性與合理性，積極搜集類似工程、汲取相關經驗，決定本船閘輸水系統采用在閘門下面設置輸水走的設計方案。輸水系統采用分段間歇開啟方式，利用門后消力池來消能，創造良好的閘室停泊水穩條件，保證船舶通過順利。根據輸水系統安全控制要求，經計算，本船閘輸水系統最短輸水時間T≥228s。計算公式如下所示：

公式1：T？叟■

注釋：C表示閘室水域面積；H表示水頭；β表示輸水流量不均勻系數；Hs表示閘室初始水深；B表示閘室寬度。

閘門下水流流態是比較復雜的，所以門下輸水流量Qk采用下列公式計算。

公式2：Qk=μdωk■

注釋：μd表示閘門下輸水流量系數；ωk表示閘門下過水斷面面積。

根據公式2，在設計最大水頭條件下，灌水時閘門下輸水最大流量為22m3/s，泄水時閘門下輸水最大流量為23m3/s。

2.3 門機電系統

2.3.1 工作閘門選擇

該船閘全年基本處于平水期，水頭差較小，一般在30m內。為保證船閘通過安全，在平水期時能夠順利通閘，本船閘的工作閘門采用動水啟閉。工作閘門有兩種選擇，一種是三角閘門，另一種是升臥式平面閘門。下面對兩種工作閘門的優劣勢進行分析。

三角閘門：組成部分包括門體結構、防護系統、制成運轉件、潤滑系統、止水系統等。閘門提升上采用液壓直推式啟閉機。在實際使用中，三角閘門啟閉比較靈活，工作閘門和啟閉機運行相當平穩，且技術水平先進，能很好的滿足本閘門工作要求。但是三角閘門也有一定缺點，具體體現在兩個方面：第一個是長期處于水環境下易腐蝕；第二個是工程量大，投資成本高于升臥式平面閘門。

升臥式平面閘門：組成部分包括門體結構、止水系統、主滾輪運轉件、鎖定裝置等。采用雙吊點固定式卷揚啟閉機進行工作閘門提升。其主要優點是：結構簡單、投資低，利于工作閘門啟動。缺點是：門體結構處于閘首上部，需要保證鎖定裝置和主滾輪運轉件工作安全，這樣才能保證下方船舶通航安全。為此，在閘門工作期間，往往需要定期檢查和專項監控鎖定裝置和主滾輪運轉件的工作狀態。

綜合考慮三角閘門和升臥式平面閘門優缺點后，結合本閘門長期開通閘要求，決定本閘門使用升臥式平面閘門。由于閘門長時期處于開通閘狀況下，使用頻率較低，從節約角度看，本閘門適合采用升臥式平面閘門，用雙吊點固定式卷揚啟閉機進行閘門提升，易于降低投資成本，進行閘門維護和管理。

2.3.2 閘門控制流程

閘門控制流程分兩種情況，需要根據閘門是否具備開通閘條件來分別計算兩種情況下的控制流程。在具備開通閘條件下，按雙向通航。使用ETC系統，引用先進的智能自組織網絡技術，將常規控制流程減少至3個，船舶通過時間減少至20min。不僅極大提高了閘門通航效率，也便于燃油節約，降低船舶運輸成本。在不具備開通閘條件時，不采用雙向通行，按照常規船閘運行。

3 結束語

綜上所述，文章所采用的平面布置、輸水系統、門機電系統設計方案有著明顯優勢，成本低、通行效率高、安全度高、易于維護管理等，很好的滿足了本閘門設計要求。船閘加通航孔的平面布置方式在結構上是可行的，優勢明顯，能夠達到結構布局緊湊、節省投資的效果，這為國內類似工程設計提供了有益借鑒。

參考文獻

[1]姜興良，周廣群，袁淑文.具備長期開通閘條件的船閘設計方案[J].水運工程，2015（12）.

[2]朱愛如.江西省峽江水利樞紐工程船閘閘室設計變更方案選擇[J].江西水利科技，2015（2）.

[3]劉祖斌，吳小娟.整體式船閘閘室多種工況下結構穩定計算分析[J].江西水利科技，2014（1）.