岷江張坎梯級船閘工程省水船閘方案的初步研究

陳和東陳作強虞霏徐超炎

（1.四川岷江港航電開發(fā)有限責任公司，四川 樂山 614001；2.四川省港航投資集團有限責任公司，四川 成都 610000；3.四川江源工程咨詢有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

省水船閘作為船閘的一種特殊形式，有著降低耗水量、節(jié)約水資源等優(yōu)點，在國內(nèi)外都有著多年的應用經(jīng)驗。在國外，德國是建造省水船閘數(shù)量最多的國家。從萊茵河的班貝格到多瑙河的凱爾海姆全長171km的河段上，水位差高達243m，共建造了16座船閘，其中13座為省水船閘[1]；巴拿馬1號和2號省水船閘為相互灌泄水的雙線船閘，省水率為50%，3號船閘省水率可達60%[1]。在國內(nèi)，20世紀60年代科技工作者就進行過一些省水船閘的試驗研究，研究實例主要有：烏江銀盤省水船閘，水頭36.5m，省水率約48.6%；廣西巴江口省水船閘，水頭26m，省水率約為43.3%～53.9%；廣西百色省水船閘，水頭25m，省水率約49%。

近年來，國內(nèi)內(nèi)河通航河流上修建的中大型航電樞紐數(shù)量增速較快，現(xiàn)階段的通航建筑物中船閘占比最大，船閘通過輸水系統(tǒng)自上游水庫獲得水量，運行過程中造成水資源的消耗，特別是高水頭單級及多級船閘的運行耗水量巨大。隨著內(nèi)河航道整治力度的加強，航道等級的提升及建設規(guī)模的增大，通航耗水與發(fā)電用水之間的矛盾日益凸顯。本文依托岷江張坎梯級船閘工程，開展省水船閘形式的研究，采用一定的計算分析方法得出省水船閘與常規(guī)船閘的技術(shù)指標的異同，為省水船閘在內(nèi)河類似工程上的應用提供參考。

1 項目概況

四川長江、岷江、嘉陵江等河流眾多，岷江中游（江口至樂山段）115km航道已納入國家綜合立體交通規(guī)劃中，等級為Ⅲ級。自上而下規(guī)劃尖子山、湯壩、張坎、虎渡溪、漢陽和板橋6個梯級。目前漢陽梯級已建成投產(chǎn)，尖子山、虎渡溪、湯壩梯級正在建設，張坎、板橋梯級處于前期研究階段。岷江中游徑流在年內(nèi)的分配不均勻，枯期水量小，各梯級船閘閘室尺度較大，耗水量大，而張坎梯級單位千瓦投資達3萬以上，發(fā)電效益較差，因此選取張坎梯級開展省水船閘的研究。

初擬張坎壩址上距湯壩梯級14km，下距虎渡溪梯級15.1km，正常蓄水位403.50m，尾水位390.50m，利用落差13m，裝機容量84MW，多年平均發(fā)電量3.48億kWh，渠化里程14km。船閘為Ⅳ級，其有效尺度為：120m×16m×3.5m（有效長度×有效寬度×門檻水深），可通行500t級干散貨船，兼顧1000t級貨船，設計年通過能力近期為101萬t，遠期為266.5萬t。

2 常規(guī)船閘方案

2.1 結(jié)構(gòu)布置

張坎梯級船閘布置于岷江左岸，右側(cè)與閘壩相連，左側(cè)與左岸連接壩段相接，船閘尺度為：120m×16m×3.5m（有效長度×有效寬度×門檻水深）。主要由上游引航道、上閘首、閘室、下閘首及下游引航道等組成，全閘總長約715m，其中閘室段凈長120m，考慮鋼護舷厚度后，凈寬16m，內(nèi)、外閘墻采用重力式結(jié)構(gòu)，頂寬3.6m，輸水系統(tǒng)采用閘墻長廊道側(cè)支孔型式。常規(guī)船閘結(jié)構(gòu)平面圖如圖1所示。

圖1 常規(guī)船閘結(jié)構(gòu)平面圖

2.2 耗水量

船閘1天內(nèi)平均耗水量按下列公式計算：

式中：n——過閘次數(shù)；

V——一次過閘用水量；

q——閘閥門漏水損失；

e——止水線每米上的滲漏損失；

u——閘門、閥門止水線總長度。

q=0.002×100.30=0.2006(m3/s)

近期：

遠期：

船閘過閘1次耗水量根據(jù)閘室尺度、水頭大小計算得到：120×16×13=24960m3。

2.3 輸水系統(tǒng)水力計算

通過對常規(guī)船閘方案的輸水系統(tǒng)進行計算，船閘灌泄水時間、船舶在閘室中的停泊條件以及輸水系統(tǒng)運轉(zhuǎn)安全技術(shù)指標均能滿足規(guī)范要求[3]，計算結(jié)果見表1。灌泄水水力曲線見圖2、圖3。

表1 常規(guī)船閘輸水系統(tǒng)水力計算結(jié)果

圖2 灌水曲線

圖3 泄水曲線

3 省水船閘方案

3.1 結(jié)構(gòu)布置

綜合國內(nèi)外研究經(jīng)驗表明，省水船閘理論省水率E計算公式如下：

式中：E——理論省水率；

k——儲水箱與閘室面積比；

m——儲水箱級數(shù)。

在儲水箱級數(shù)相同的條件下，儲水箱占地面積越大，省水率越高。在相同占地面積條件下，儲水箱級數(shù)越多，則省水率越高。計算表明儲水箱超過3級，輸水時間增加，省水效果明顯下降，故通常將儲水箱設置為2級[4]。

本次研究對分散式與集中式省水結(jié)構(gòu)進行了初步比較，分散式是將儲水室設置于岸側(cè)回填部位，采用兩級儲水結(jié)構(gòu)，儲水室尺寸為14m×7m×120m（寬×高×長），通過橫向廊道與輸水廊道相連，儲水室前設置工作閥門，分散式省水船閘結(jié)構(gòu)平面圖及閘室剖面見圖4、圖5。分散式省水船閘其優(yōu)點是儲水箱與輸水系統(tǒng)干擾較小，但儲水箱尺寸較大，需將儲水箱布置于船閘閘室靠岸側(cè)墻體后，占地面積較大，需單獨修建儲水箱室，適應上下游水位變幅較差，張坎梯級船閘靠岸側(cè)緊鄰城市防洪堤，沒有單獨布置儲水箱室的場地，故此方案不適合用于該工程。

圖4 分散式省水船閘結(jié)構(gòu)平面圖

圖5 分散式省水船閘閘室橫剖面圖

基于張坎樞紐上下游通航水位特點及場地條件，船閘省水系統(tǒng)采用集中式型式，單側(cè)分別布置兩層儲水箱，兩層儲水箱豎向布置高程控制在上游最高通航水位與下游最低通航水位之間。

儲水箱的尺寸根據(jù)省水效率和閘室結(jié)構(gòu)確定，閘室兩側(cè)儲水箱大小一致，尺寸為7m×3.5m×120m（寬×高×長）。每層儲水箱采用連通管與閘室底部輸水廊道連接，儲水箱出口管道設置閘門進行起閉控制，為了避免省水系統(tǒng)控制閘門井相互干擾，每層儲水箱對應閘門井均布分散錯開布置，閘門尺寸為1.5m×1.5m。集中式省水船閘結(jié)構(gòu)平面圖及閘室橫斷面見圖6、圖7[5-6]。

圖6 集中式省水船閘結(jié)構(gòu)平面圖

圖7 集中式省水船閘閘室橫剖面圖

3.2 耗水量

船閘1天內(nèi)平均耗水量按公式（1）、（2）計算：

船閘過閘一次耗水量根據(jù)常規(guī)船閘耗水量減去儲水箱出水量為：11760m3。

3.3 輸水系統(tǒng)水力計算

相比常規(guī)船閘，省水船閘運行方式是：灌水時，位于低層的儲水箱先向閘室灌水，其次是高層儲水箱灌水，剩余水量則由上游來水灌入；泄水時與之相反。由于增加儲水箱及其連通管，閘室灌泄水時增加了連通管的阻力系數(shù)，使得灌泄水慣性超高改變，進而改變了灌泄水時間。為了盡量減小連通管的阻力系數(shù)，采取了修圓進出口底部、增加出水管數(shù)量等方式，通過計算，灌泄水水力曲線見圖8、圖9，省水船閘的水力特性指標見表2。可以看出，船舶在閘室中的停泊條件以及輸水系統(tǒng)運轉(zhuǎn)安全技術(shù)指標均能滿足規(guī)范要求。

表2 省水船閘輸水系統(tǒng)水力計算成果

圖8 灌水曲線

圖9 泄水曲線

4 常規(guī)船閘與省水船閘方案比較

綜合總體布置、水力特性、耗水量、工程投資等因素，常規(guī)船閘與省水船閘方案比較見表3。

表3 常規(guī)船閘與省水船閘方案比較表

從表3可以看出省水船閘相比常規(guī)船閘儲水箱閥門啟閉時間有所增加，灌泄水沿程增加帶來阻力系數(shù)增大而流量系數(shù)減小，灌泄水時間分別增加97.25s、94.5s，而閘室泊穩(wěn)條件中最大流量、水面升降最大速度分別下降了12.5%～13.5%、12.7%～13.1%，系纜力變化不大，輸水時水流條件得到改善；該項目的省水船閘耗水量較常規(guī)船閘節(jié)省47%，每年省水量約為0.62億m3，產(chǎn)生的發(fā)電量約為302.45萬kWh，按四川省內(nèi)類似工程電價0.3元/kWh計算，每年可產(chǎn)生發(fā)電效益約90萬元；該項目采用省水船閘較常規(guī)船閘工程減少混凝土3110m3，鋼筋增加2500t[7]，投資增加約1575萬元，不到船閘投資的10%。因此，省水船閘具有較好的經(jīng)濟性、便利性及實用性，有一定的推廣應用價值。

5 結(jié)束語

（1）省水船閘作為一種技術(shù)成熟、運行穩(wěn)定可靠的船閘型式，其省水率一般可達到40%～70%，在水量不大、水頭較高的內(nèi)河船閘中具有較廣泛的應用價值；

（2）省水船閘較常規(guī)船閘雖灌泄水時間有所增加，但輸水時水流條件得到改善，閘室泊穩(wěn)條件較好，在節(jié)約水資源的同時能夠保障船舶安全通行；

（3）在采取集中式省水船閘的前提下，省水船閘工程投資增加不到船閘投資的10%，且可以節(jié)省水資源，增加發(fā)電效益，尤其是在岷江中游這樣的洪枯流量差距大，枯期流量較小的河流上可以一定程度上緩解航電用水矛盾。