船閘輸水系統設計及運行管理分析

劉康云

摘要：文章以貴港航運樞紐一線船閘為例，結合該船閘輸水閥門及門槽損壞維修情況，分析了船閘輸水系統閥門及門槽損壞的原因，闡明了船閘輸水系統設計選型、定型原則和輸水系統水力特性分析計算、水力模型試驗的重要性，同時根據該船閘水力特性分析計算結果，提出了船閘輸水系統設計、施工和運行管理中需要注意的事項，并介紹了該船閘閥門門槽維修加固的措施，對山區河段中高水頭船閘輸水系統設計、運行管理和維修養護提供參考。

關鍵詞：船閘;輸水系統;閥門;門槽;灌泄水;模型試驗;水力特性;原型觀測

0 引言

船閘輸水系統設計是船閘工程設計的關鍵工作，輸水系統的設計選型和布置決定閘首、閘墻及閘室底板的主體構造和結構形式。同時，輸水系統設計是否合理決定了其灌泄水效果和使用耐久性。一旦船閘輸水系統出現問題，將影響船閘的整體運營。所以，在船閘工程設計之初，應該在合理選型的基礎上，進行輸水系統水力分析計算，合理確定各部位參數，確定輸水系統總體設計布置方案，然后提供給水力試驗部門，通過水力模型試驗，進一步核實水力分析計算無法準確確定的部分參數。準確的輸水系統水力模型試驗結果有較高的參考作用，但是由于水力模型的縮尺效應（原型、模型過流表面糙率不相似和局部阻力系數不同等客觀原因，導致原型、模型部分水力特性參數不相似），造成某些水力特性參數與原型差異較大（個別參數差異在50%以上），船閘輸水系統設計時，除了理論分析計算、模型試驗，還應參考類似工程原型觀測數據或者使用經驗，采取適當的構造措施。

1 影響船閘運行的關鍵問題

船閘工程是利用其輸水系統反復灌泄水，使閘室與上下游航道水位齊平，克服上下游水位落差，讓船舶能夠滿足來往上下游航道的水運交通運輸要求。所以，輸水系統是船閘重要且關鍵的組成部分，船閘輸水系統的安全與穩定問題是影響船閘運行的關鍵問題。由于其隱藏在船閘主體結構下部且處于水下，維修難度往往比較大。

2 工程實例分析

貴港航運樞紐一線船閘于1998年年初建成，投入運行至今達22年，狀況良好。期間由于灌泄水閥門及門槽損壞，于2011年初做了一次輸水系統維修。業主單位邀請廣西交通設計集團有限公司專業總工程師到現場察看并研究處理措施，筆者作為該船閘輸水系統設計負責人一同前往現場。由于左右側上下游灌泄水閥門分期檢修，現場看到檢修更換下來的上游灌水閥門導輪明顯磨蝕、輪軸磨損嚴重，門扇邊柱也明顯磨蝕、損壞。說明灌水閥門導輪有跑偏甚至脫落的情況發生，導致門扇邊柱貼到門槽導軌產生嚴重磨蝕。筆者隨同業主單位檢修工程師一同乘坐簡易吊籃進入上游灌水閥門廊道段進行察看，發現閥門槽主軌側混凝土崩塌嚴重，錨筋裸露、主軌松脫。

現場勘察分析后認為，輸水閥門磨損、門槽損壞的原因，主要是由于輸水時產生的高速激流和強大水動力作用或氣蝕作用導致輸水系統工作閥門劇烈振動，敲擊軌道導致軌道振動、錨筋松動，直至軌道繼續松動，撞擊軌道處門槽混凝土，使其逐漸開裂、損壞;軌道失去支撐后變形，致導輪跑偏，加速工作門槽及軌道損壞，同時導致門槽后局部廊道壁混凝土剝落，其輕度損壞會增加閥門啟閉力，產生劇烈異響，嚴重損壞時，閥門提起后無法正常下放、關閉，必須放下檢修門維修，以免影響船閘正常運行。

3 關于輸水系統設計

貴港航運樞紐一線船閘為一級船閘，船閘有效尺度為（長×寬×檻上水深）190m×23m×3.5m，最大設計水頭為H=15.0m，屬于高水頭船閘（H≥15.0m）。設計輸水系統為第二類分散輸水系統，閘墻長廊道、側向短支孔出水，墻趾長明溝消能。主廊道斷面尺寸4.5m×3.5m，輸水閥門段廊道斷面尺寸3.5m×3.5m，閥門段廊道頂高程24.2m，最小淹沒水深4.4m。上游進水口雙側4孔2.4m×2.7m×3.5m，進水口總面積75.6m2。

設計階段通過水力分析計算確定主要參數，布置輸水系統方案圖提供給水力試驗單位進行輸水系統水力模型試驗。輸水系統布置如圖1～2所示。

水力分析計算采用主要基礎參數如表1、表2所示。

船閘水力特性分析計算比較復雜。目前主要是依據《船閘輸水系統設計規范》（JTJ306-2001）中相關條款和公式，結合船閘輸水系統擬定方案布置情況（基于通過能力要求確定船閘有效尺度、細部構造和相關水位、高程等）初步計算，確定相關參數或者指標，然后根據規范中相關公式利用Excel電子表格或者編寫計算程序進行分析計算，理論上確定輸水系統相關參數，布置輸水系統初步方案，然后提供給試驗單位通過水力模型試驗進一步核實相關參數和指標，最后做必要的修改完善，確定船閘輸水系統設計方案。在船閘輸水系統設計過程中，理論分析計算和水力模型試驗都很重要，由于兩者都存在一定局限性，為了相互佐證、兩者缺一不可。

從計算結果看，按照當時設計參數布置的輸水系統方案，上游輸水閥門灌水時各項指標比較理想，都符合規范要求，如果灌水時，閥門啟閉時間采用8min、總輸水時間約11min，灌水閥門后基本無負壓;下游輸水閥門泄水時，閥門啟閉時間采用6～7min、總輸水時間約10.5～11min，下游引航道流速略偏大，閥門后有2.64～2.92m水柱負壓（接近規范允許上限值3.0m），閥門啟閉時間采用8min、總輸水時間約11.5min，下游引航道流速接近規范允許上限值1.0m/s，閥門后有2.38m水柱負壓。水力模型試驗單位提供的試驗結果與上述計算結果相近，理論計算和水力模型試驗結果說明原來輸水系統設計方案各項參數基本符合規范要求，設計方案合理、可行。按照設計要求閥門啟閉時間采用8min、灌泄水時間分別為11.1min和11.5min，能夠滿足使用要求（下游泄水閥門后瞬間最大負壓值接近規范允許上限可采用門后開敞通氣減壓，或者不采取措施也基本不影響輸水系統使用）。

4 輸水系統閥門槽損壞原因分析與應對措施

從以上分析可知，貴港航運樞紐一線船閘輸水系統設計方案基本合理，各部位設計尺度、各項水力特性參數基本符合規范要求。建成投入使用13年后開始出現閥門槽損壞問題，應注意以下幾個方面：

（1）船閘輸水系統的水力計算是個比較復雜的問題，現有理論計算方法存在不足，水力模型試驗手段也有局限性（如受縮尺效應的影響，試驗結果部分參數可能與原型實際有出入，國內在用三峽樞紐船閘原型觀測數據可以說明上述問題），所以在高水頭船閘輸水系統設計時，除了理論計算、水力模型試驗外，應參考同類或者類似工程實際使用經驗或者原型觀測數據修正完善設計方案，或者采取適當的減壓防空化防氣蝕措施，盡量避免工作閥門劇烈振動、敲擊軌道導致軌道振動、門槽混凝土損壞崩塌進而損壞輸水閥門。

（2）船閘輸水系統門槽二期混凝土施工必須保證質量。粗骨料粒徑、級配應優化并盡量采用質量堅硬粗骨料，注意振搗密實保證質量。

（3）根據船閘水頭和受力情況，設計閥門槽時，軌道的錨筋應適當加密。

（4）設計輸水系統時，可以適度限制閥門門槽寬度（順水流方向的寬度）。門槽寬度采用合理小值（滿足閥門上下運行的最小值），減小富余寬度以便減小閥門在激流和巨大外力作用下的振動振幅、進而減小閥門振動對軌道和門槽邊基礎混凝土的沖擊，可以減少門槽邊混凝土的損壞。

（5）日常船閘運營管理必須科學合理并規范化。業務繁忙時段必須嚴格按照設計要求在啟閉時間開啟輸水閥門，不得隨意縮短輸水閥門開啟時間，非繁忙時段（例如每次灌泄水前，船閘上游或者下游等候過閘船舶數量過少、估計灌泄水完畢仍需要長時間等待船舶進閘時，此時的閥門開啟時間不成為本次船舶過閘時間的決定因素）可以適當延長閥門開啟時間，改善閥門工作狀況以延長輸水閥門使用壽命。

（6）加強船閘日常運營管理和監控。輸水閥門開啟或者關閉時注意觀察或者監聽是否有異響或者振動，必要時適當延長閥門開啟時間，或者將閥門關閉等待檢查清楚再做進一步處理。

5 閥門及門槽損壞維修方案

針對貴港樞紐一線船閘輸水閥門門槽損壞情況，經研究后采取如下修復處理措施：

（1）將工作門槽下游側主軌處二期混凝土部分鑿除（可采用風鎬鑿除，但必須輕打慢鑿），鑿除后形成的空腔大致呈方形（避免出現三角形特別是銳角三角形），廊道內壁一側至少鑿除30cm。盡量不損傷原有一期混凝土預埋插筋，而且原有預埋插筋必須露出10～15cm（注意辨別原有預埋插筋與主軌上脫落的連接鋼筋，原設計預埋插筋間距為50cm），清除干凈鋼筋露頭。

（2）鑿除完畢后，可根據原有露頭鋼筋密度情況，間距大于50cm時在其中間打鉆一個30mm孔（水平、內斜5°、深60cm）、植筋膠埋植25mm鋼筋（長約100cm）。

（3）主軌上原有力筋板間再增加一道力筋板，注意焊接牢固。

（4）主軌上外側板（廊道邊一側）上增加焊接短直鋼筋（Ⅱ級、直徑≥25mm），間距25～30cm，位置以與力筋板對應為原則，其余內插。長度以穿透整個新澆筑混凝土并與原有插筋露頭雙面焊接為原則現場確定。主軌內側板也盡可能按照上述方法適當增加焊接若干短直鋼筋（間距30～40cm）。

（5）新澆二期混凝土。采用C30混凝土，一級配，粗骨料碎石最大粒徑≤2.5cm、級配要良好，砂、石料沖洗干凈（基本無泥）。采用425或525硅酸鹽水泥，水灰比0.55～0.60，坍落度約70～80mm。每方混凝土水泥用量≥300kg。

（6）施工中澆筑混凝土時務必設法采用插入式振搗器并保證振搗充分，同時可在模板外采用掛壁式振搗器或用其他方法從下端外部加以適度振搗，保證主軌板格間填滿混凝土。

6 結語

（1）船閘輸水系統是船閘工程中最重要且關鍵的組成部分，輸水系統安全性影響船閘的正常使用。在船閘輸水系統設計過程中，必須先進行理論分析計算，合理確定相關參數、指標，然后通過水力模型試驗核實相關參數、指標（特別是理論計算無法準確確定的參數指標），有條件時盡量結合同類或者類似工程（規模及技術標準、等級相同或者類似）原型觀測數據或者運行使用經驗數據，修整完善船閘輸水系統設計方案，必要時采取適當的減壓防空化、防氣蝕措施。

（2）對于船閘工程施工，其主體工程必須嚴格執行相關規范和設計文件要求的技術質量標準，保證施工質量。關鍵部位工程（如閥門門槽二期混凝土等）可以適當提高技術標準進行施工以保證其施工質量。

（3）船閘輸水系統日常運行操作必須按相關操作規程和設計要求執行。特別是中高水頭以上船閘當其部分限制性指標接近規范允許上限值時，日常操作必須更加謹慎。原則上輸水閥門開啟時間不得小于設計要求時間，可以適當延長，并且在運營條件允許情況下應當適當延長閥門開啟時間，可以減小閥門后負壓，減少門槽空化、氣蝕損害，延長輸水閥門使用壽命。

參考文獻：

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