２０１３年５月 水运工程 Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｙ．２０１３ 第５期总第４７９期 Ｎｏ．５ ＳｅｒｉａｌＮｏ．４７９ 江西省新干航电枢纽船闸输水系统研究 于钦民 ，张顺顺 ，罗少桢。 （１．江西省港航管理局，江西南昌３３０００８；２．江西省航务勘察设计院，江西南昌３３０００６； ３冲交水运规划设计院有限公司，北京１００００７） 摘要：为了缩短新干船闸的榆水时间，提高船闸通过能力，根据《船闸输水系统设计规范》和该船闸的特点，确定输 水系统形式；通过水力学计算，确定新干船闸输水系统的关键尺寸及输水系统的布置形式，并通过输水效率、通过能力、 工程造价等方面的比选，合理确定输水系统。 关键词：船闸；输水系统；设计 中图分类号：Ｕ ６１２ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００２—４９７２（２０１３）０５—００９４—０６ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ＆ｅｍｐｔｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｘｉｎｇａｎ ｈｙｄｒｏ－ｊｕｎｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｊｉａｎｇｘｉ ｐｒｏｖｉｎｃｅ ＹＵ Ｑｉｎ—ｍｉｎ ．ＺＨＡＮＧ Ｓｈｕｎ—ｓｈｕｎ ．ＬＵＯ Ｓｈａｏ－ｚｈｅｎ （１．Ｊｉａｎｇｘｉ Ｐｏｒｔ ａｎｄ Ｓｈｉｐｐｉｎｇ Ａｕｔｈｏｒｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３０００８，Ｃｈｉｎａ；２．Ｊｉａｎｇｘｉ Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３０００６，Ｃｈｉｎａ；３．ＣＣＣＣ Ｗａｔｅｒ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｃｏｎｓｕｌａｎｔｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００００７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｉｆｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｐｔｙｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｆ Ｘｉｎｇａｎ ｓｈｉｐｌｏｃｋ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｓｈｉｐｌｏｃｋ ｃａｐａｃｉｔｙ， ｉｎ ａｃｃｏｒｄａｎｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｄｅ ｆｏ Ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ Ｅｍｐｔｙｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｓｈｉｐｌｏｃｋｓ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｘｉｎｇａｎ ｓｈｉｐｌｏｃｋ，ｗｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｐｔｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ．Ｂｙ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ，ｗｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｋｅｙ ｓｉｚｅ ａｎｄ ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｔｈｅ ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｐｔｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｓｈｉｐｌｏｃｋ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗａｔｅｒ ｅｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｆ ｃａｐａｃｉｔｙ，ｃｏｓｔ，ｅｔｃ．，ｗｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｔｈｅ ｉｆｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｐｔｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅａｓｏｎａｂｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｈｉｐｌｏｃｋ；ｆｉｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｅｍｐｔｙｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｓｉｇｎ 新干航电枢纽工程位于赣江中下游吉安市， 表１特征水位 ＩＴＩ 推荐坝址位于三湖镇上游１．５ ｋｍ，是一座以航运为 主，兼有发电等综合效益的航电枢纽工程。航道 及船闸等级为Ⅲ级，水库总库容５．０亿ｍ ，电站装 机容量度１２０ ＭＷ。船闸近期通过能力３８５万ｔ，远 期２ ０００万ｔ。设计船型为一顶两艘千吨级驳船队， 设计船队尺寸为１６０ ｍ×１０．８ ｍ×２．２ ｍ（长×宽× １．２船闸工程地质条件 进水口导墙、闸首、闸室建基面高程在１０～ １５ ｍ，多为弱风化基岩，岩体完整．Ｉ生较好。 ２船闸平面布置 吃水）。船闸有效尺度：２３０ ｍ×２３ ｍ×３．５ ｍ（长 ×宽×门槛水深）。 １设计参数 １．１设计水位 船闸布置在左岸（主河槽位置），船闸轴 线与坝轴线垂直正交，紧临泄水闸左侧布置，上 闸首位于坝轴线处，为枢纽挡水建筑物的组成部 新干枢纽船闸设计水位如表１。 收稿日期：２０１２—１０—１５ 作者简介：于钦民（１９５９一），男，硕士，高级工程师，从事港口与航道工程管理。 第５期 于钦民，等：江西省新干航电枢纽船闸输水系统研究 ・９５・ 分。船闸由上、下游引航道，上、下闸首及闸室 组成，全长１ １６７ ｍ。 。 出水支孔断面总面积 ， 一一主廊道断面面积 … ，，，、 根据我国多数船闸的统计， 值在１．２５～１．３１， ３输水系统选择 ３．１输水系统形式选择 值在０．９５左右。因此，取主廊道断面（宽×高） 为２—４．５ ｍ×４．５ ｍ－－３１．９２ １１３ ，闸墙每侧设３０个侧支 孔，分为３组，每组１０孔，上游至下游孔口尺寸 根据《船闸输水系统设计规范》 输水系统 类型判别公式得： ｍ ： ｆ－＝—————一－ ＝—■—一： ：２．＝ ５２～３．１５～． （宽×高）分别为０．８０ ｒｎ×０．８５ ｍ，０．７４ ｍ×０．８５ ｍ， ０．６８ ｍ Ｘ ０．８５ ｍ，总面积为３７．７４ ｍ ，这样 ， 值 分别为１．２６和０．９３。 １０．０５ ３． ｍ值基本在２．５～３．５，可采用分散输水系 统——第一类分散输水系统闸墙长廊道短支孔 方案，也可采用具有局部分散输水效果的集中输 《船闸输水系统设计规范》…规定出水孔间 距宜为闸室宽度的１／４，因此确定出水支孔间距为 ２３ ｍ×１／４—５．８ ｒｎ，每侧布置３０个出水孔，这样出 水孔总长为３０×５．８ ｍ＝１７４ ｍ，约占闸室有效长度 的７５．６％。 水系统方案。因此，在输水系统计算及结构设计 时，对上述两种输水系统形式进行比较。 ３．１．１分散输水系统 ３）进、出水口布置。 １）阀门处廊道尺寸。 根据《船闸输水系统设计规范》…，输水阀 门处廊道断面面积可按以下公式计算： 进水口采用导墙上垂直多支孔布置，进口尺 寸为２—４×３．０ ｍ×４．０ ＩＴＩ（总面积９６．０ ｍ ），进水 口底高程为２４．０ ＩＴＩ，淹没水深宜大于０．４倍水头。 输水系统布置见图１，主要特征尺寸见表２。 ‘ ） ２Ｃ（√Ｈ＋ｄ． ｄ、 一 闸室水力特征值见表３。 式中：∞为输水阀门处廊道断面面积（ｍ ）；Ｃ 为闸室水域面积，Ｃ＝５ ８８８ ｍ ；Ｈ为设计水头， Ｈ＝１０．０５ ｍ；劝惯性水头，取０．３０ ｍ； 为阀门全 开时输水系统的流量系数，取０．７５；功闸室输水 出水口采用格栅式消能室布置形式，出水 口外设置消力池，并且为了进一步降低引航道流 速，将引航道底高程由ｌ９．１５ ｍ浚深至１８．４５ ｍ，加 大下游引航道水深至４．０ ｍ，这样下游引航道断面 平均最大流速小于１．００ ｍ／ｓ（表４）。 时间（Ｓ），取４８０ Ｓ；。［为系数，取０．５３；ｋｖ可取 ０．７５；ｇ为重力加速度，取９．８１ ｍ／ｓ 。由此可得阀 门处廊道断面面积约为ｏ９＝３０．１ ｍ 通过计算，输水阀门采用匀速６ ｒａｉｎ开启，设 计输水时间约８ ｒａｉｎ，灌水流量系数为０．８，泄水流 量系数为０．７８。 ３．１．２集中输水系统 首先要确定输水阀门处廊道断面尺寸，根据 按留有余地的原则，初步确定输水阀门尺寸 为２×４．０ｍ×４．０ｍ（宽Ｘ高），总面积为３２．０ｍ 。 ２）主廊道以及闸室出水孔尺寸。 输水阀门处廊道断面面积确定后，在选择主 廊道断面面积以及出水支孔断面面积时，有２个比 值必须加以注意。即： 《船闸输水系统设计规范》 】： 一 、／ 【２ｇ １ 一ａ）ｋｖ （１一 Ｊ ㈩ 主廊道断面面积 ， ｙ一一阀门处廊道断面面积 ．、 ，，＇、 式中：流量系数 取０．７８；闸室充水时间 取 ６００～７２０ Ｓ； 取０．８。 图１分散输水系统布置（单位：ＩＴＩ） ・９６・ 水运工程 ２０１３年 充水 项目 ｉ 泄水 ｉ ， ， Ｊｇ／ｍＨ￣ Ｏ ｊ￣／ｍＨ２ ０ 由此可求得∞＝２３．９～２７．６ ｍ２，取阀门处廊道 断面尺寸为２—３．５ ｍ（高）×４．０ ＩＴＩ（宽）－－２８ ｍ 。 上闸首短廊道进水口采用顶面进水方式，顶 部根据水流情况设置盖板或格栅。两侧短廊道进 开启方式见表６，闸室输水时水力特征值见表７。 ３．２方案比较 两种输水形式的基本参数见表８。 两种输水形式在不同水头时船闸的灌、泄水 时间见表９。 入闸室后以联接廊道相连，在廊道两侧设侧向出 水口，出水口外下游侧设两道明沟消能，上游侧 设一道消能明沟，同时利用帷墙正面出水，闸室 出水段长度为２０ ｉｎ。下闸首采用侧面进、出水， 新干枢纽是赣江高等级航道的重要梯级，其 船闸有效尺度２３０ ｍ ｘ ２３ ｍ×３．５ Ｉｎ（长×宽×门 槛水深），根据总体布置和船闸输水系统设计规 范的有关规定及要求，并结合船闸的具体地质条 件，认为该船闸采用闸墙长廊道侧支孔输水系统 出水口外设消力槛。上闸首输水系统布置见图２， 主要特征尺寸见表５。船闸集中输水系统阀门建议 第５期 于钦民，等：江西省新干航电枢纽船闸输水系统研究 ・９７・ 工况 编号 ７Ｊ￣％／ｍ 阀门开启方式 刀ｍｉｎ ｇ ／（ｍ ・ｓ ） Ｅｍ＝／ｋＷ √（ｋｗ．ｍ。 ） ｖｍ ／（ｍ．ｓ。 ） 注：ｆ 为输水阀门开启时间，功输水时间，Ｑ 为输水最大流量， 为最大能量， 为最大比能，ｖ…为充水指闸室断面最大平均 流速；泄水指下闸首出口断面最大平均流速，（）内为下游引航道最大断面平均流速。 析，分散输水系统和集中输水系统的闸室输水时 间分别为８．０ ｍｉｎ和１２．０ ｍｉｎ。 综上所述，分散输水系统具有输水时间短、 水流条件好的优点，集中输水系统输水时间较 长，但闸室结构相对简单。鉴于本工程位于赣江 航运干线下游，货运量较大，为保证其通过效率 和安全性，在船闸水力学角度看，建议新干船闸 采用闸墙长廊道侧支孔输水系统。船闸输水系统 的选择还将考虑船闸通过能力、工程量、投资等 图２集中输水系统上闸首布置 因素的比较后最终确定。 或具有局部分散输水效果的集中输水系统是可行 ３．３通过能力比较 的。通过对两种输水系统方案进行水力计算、分 通过能力计算比较在分散和集中两种输水形 ・９８・ 集输 中水 ４ ５ 水运工程 ２０１３年 ２ １ 一Ｄ＋ ＋Ｏ Ｘ ｎ ６ Ｌ ５ ５ ＋５ ７ ２ 一 × ３ ５ × ４ ４ ４ 式以及不同的闸室长度的通过能力。船闸采用分 ２×３ ５ 通过仿真计算，各方案单向通过能力计算见 表１０。 × ２ ３ 散输水时常水头输水时间取７ ｍｉｎ，集中输水常水 头输水时间取１２ ｍｉｎ。 格能消 栅室力 消加池 Ｏ 本船闸近、中、远期单向货运量预测值分 表１Ｏ各方案单向通过能力 ３ ６ ５ ４ × 别为３８５，１ ３２０，２ ０００万ｔ。当船闸采用集中输水系 统时，船闸有效长度需取２６０ ｍ，才能满足２０４０年 鬻 墙高２２ Ｉｎ；整体式底板厚３．７ ｍ，侧墙宽９．５ ｍ，墙 高２２ ｍ。集中输水系统闸室采用整体坞式结构，闸 室侧墙底宽３．０ ｍ，顶宽１．４ ｍ，闸室底板厚３．０ ｍ。 两种输水系统闸室结构布置见图３，主要工程 量比较见表１１。 以前货运量的需要；当船闸采用分散输水系统 时，船闸有效长度需取２３０ ＩＴＩ，能满足２０４０年以 前货运量的需要；２０４０年以后，闸室有效长度为 １８０～２６０ ｍ时，难以满足货运量的需要，需要建 设二线船闸。 ３．４水工建筑物比较 ３．５综合比较 船闸闸室工程特性比较见表１２。 经综合比较，闸室有效长度均采用２３０ ｍ时， 集中输水系统较分散输水系统投资约减少７８２ 万元，占船闸工程投资的４％，占枢纽工程总投 根据输水设计方案，闸室分别按分散输水系 统和集中输水系统要求布置，进行比选。 分散输水系统闸室结构采用分离式和整体式 资的０．３％，但集中输水系统输水时间长、效率 低，通过能力较分散输水系统低１２％，并且不能 结构进行比较，分离式底板厚１ ｍ，侧墙底宽１５ ｍ， 第５期 于钦民，等：江西省新干航电枢纽船闸输水系统研究 ａ】分散输水系统方案１ ｂ）分散输水系统方案２ ｃ１集中输水系统 图３闸室结构 表１１闸室结构方案主要工程特性 水 方式 长度 货运量／ｍ ｆｌ￣ｌＮ ／ｍｉｎ／万￡ 总通过能力／万ｔ 费用／万元费 Ｎ／４Ｌ 元 优点 …… ～… 注：分散输水灌水采用阀门变速开启。 满足２０３０年后货运量的需求，在２０３０年左右需 要新建二线船闸。如果集中输水系统闸室长度采 统形式进行了分析，考虑新干船闸要求输水时间 较短、通过能力较高，因此采用分散输水系统闸 用２６０ ｍ，集中输水系统较分散输水系统投资约减 少３４２万元，占船闸工程投资的２％，占枢纽工程 墙长廊道短支孔方案是合适的。 ２）通过计算分析，确定了输水廊道的主要尺 寸和输水阀门开启的时间；在此基础上进行了水 力特性计算分析，结果表明：输水水力特性和各 项指标已经满足设计和相关规范的要求。 ３）为了保证船舶安全快速过闸，充分发挥船 总投资的０．１％，集中输水系统通过能力较分散输 水系统低７％。在两种输水系统均满足闸室水流条 件的前提下，分散输水系统船闸投资增加的比例 远小于船闸通过能力提高的比例，并且作为赣江 中下游枢纽通航建筑物，分散输水系统过闸效率 高，较能适应货运量快速增长的需求，因此新干 闸的航运效益，建议船闸建成后试通航前应通过 相应的调试，在保证安全、快捷的条件下，确定 闸、阀门的运行方式。 参考文献： ［１］ＪＴＪ ３０５－－２００ｌ船闸总体设计规范【ｓ］ 船闸推荐采用分散输水系统。 ４结论 １）根据《船闸总体设计规范》 和《船闸输 水系统设计规范》 】的有关规定及要求，结合新干 船闸具体地质条件，对该船闸可能采用的输水系 ［２］ＪＴＪ ３０６－－－２００１船闸输水系统设计规范［ｓ】． （本文编辑武亚庆）
