带承船箱船闸的输水系统浅析

摘 要 为了大幅改善闸室停泊条件，缩短输水时间，本文在对通航建筑物两大主要型式，即船闸和升船机各自特点进行分析的基础上，提出了一种新型的带承船箱的船闸型式。由于过闸船只受承船箱的保护，船舶的受力大幅度减小，因此设计中将输水时间由规范规定的8min～12min缩短至6min后，进行了结构设计及水力计算。结果表明：该船闸型式能大幅提高船闸的通过能力、避免船闸经常性的改、扩建的设想是完全可行的。

关键词 带承船箱船闸；结构布置；输水系统

中图分类号 U6 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）11-0092-03

随着我国经济高速发展，而水运交通这种运输成本低、运量大的运输方式越来越受到物流界的喜爱。然而，由于航运规划理念的差异和规划水平年时段较短等原因，已建船闸中通过能力不足的矛盾很突出。如长江三峡船闸、广西长洲枢纽等，堵船现象已十分严重。

以三峡大坝为例，受船闸通过能力的限制，一次通过三峡大坝的时间通常是1～2天。如果遇到特殊天气，容易导致过坝的船只堆积，船只过坝就需要等候3～5天。有统计显示2013年船只过三峡大坝的平均等待时间约为30多个小时。总体情况更是不容乐观，三峡船闸原设计通行能力计划维持到2030年期间每年单向通行5 000万吨，但目前的通航需求量远远超出原先的预计，这意味着三峡船闸目前的通行能力，已经在2013年接近其设计运力。这不仅难以满足船舶正常通行及物质运输的需求，也严重影响到长江流域的经济发展建设。

为了解决船闸通过能力不足的问题，三峡工程在没有预留新航线情况，不得不动用巨资，开始启动了船闸新通道建设的项目。长洲枢纽在已建成一线和二线船闸的基础上，扩建的三、四线船闸于2015年1月20日建成投入使用。由此带来的思考是，能否从船闸设计的优化入手，大幅提高船闸的通过能力，便可减少类似的改、扩建工程，从而减少工程的重复建设，节省船闸工程建设需投入的巨额资金。

要提高船闸的通过能力，首要的问题是缩短船舶过闸时间，排除闸室尺度大小的因素外，需要缩短时间的因素主要有：1）船舶进出闸室的时间；2）开关闸门的时间；3）闸室的灌泄水时间等。带承船箱船闸就是设想从缩短闸室灌泄水时间入手，通过大幅减少灌泄水过程中船舶遭受的水动力，改善船只停泊条件，从而达到缩短输水时间的目的。

众所周知，船闸输水系统的设计主要面临闸室输水时间与船只停泊条件之间的矛盾。原因是船闸在灌泄水过程中，水流动力将直接作用于闸室停泊的船体，如果要求闸室停靠的船只有良好的停泊条件，必须有足够长的输水时间，由此导致过闸时间增长；同样，采用较快的灌泄水速度，会使进入闸室的水流仍保持有较大动能，影响船只停泊安全。当上述技术问题不能较好解决时，就必须采用复杂的输水系统或消能工设计。纵观船闸水力学1 000多年来的发展历史，改善闸室中船只的停泊条件，减小灌泄水水动力对船舶的冲击，一直是人们追求的目标，但是受船闸作用水头和闸室输水量等条件限制，很难有较大突破。在对通航建筑物两大主要型式，即船闸和升船机运行方式对比的基础上，本文提出了带承船箱船闸的设想。该设想是在船闸的闸室内套装上一个能随水位升降的船箱，由于水流动力仅作用在船箱上，对过闸船舶基本没有影响，船舶便如同停靠在升船机船箱中，可随承船箱平稳升降，从而可大大减小对输水时间的限制。

由于通过查阅有关带承船箱式船闸的文献资料以及相关专利，该船闸型式未见文献报道，国内外也没有相关的设计和科研成果，所以这种闸型的提出在世界上属于首创。

1 结构布置

该船闸采用的承船箱与升船机箱体基本相同，为保证过船数量不变，承船箱的平面尺度与原闸室相同，箱体两侧分别设置支承导轨系统，将承船箱与闸室相连。设计中，承船箱两侧设置了4对可随水位升降的凸型滑块，与闸墙边缘的凹槽吻合。承船箱的结构为钢结构，箱体为长方体，体内有固定系船环。船闸在灌泄水时，箱体受浮力作用随水位平稳升降。由于进入闸室的水动力不直接作用在船上，而是全部由承船箱承受，闸室水位升降时承船箱所承受的水动力，由箱体两侧设置凸型滑块均匀传递到闸室边墙。承船箱底部安装的滑块与闸室之间的导轨系统设计见图1，导轨与闸室边墙的镶嵌关系见图2。

由于该承船箱受浮力工作，承船箱中不需要配备和安装起吊、运行、平衡及动力等系统。为保证箱体能顺利沿凹凸槽滑轨升降，须具有足够的结构刚度，但是对结构强度的要求不高。由于受力简单，结构型式和运行方式的设计可大为简化，设计的重点是箱体两侧支承滑块和闸室墙上凹槽的尺寸和强度。

2 输水系统

考虑到承船箱对船只的保护作用，船只停泊条件较容易满足。为使输水时间大幅缩短，输水系统设计中采用了大廊道断面和大流量系数方案。同时，由于船闸数量和船闸尺度的增加，将大幅增加船闸的耗水量，不仅加速了水资源的耗费，也加剧了发电与航运的矛盾，且船闸高工作水头对输水系统影响较大。由此带来思考，能否引出一种在保持船闸省水功能前提下，又能大幅提高通过能力的新船闸型式，所以我们选择在常规省水船闸的基础上进行创新设计。该输水系统是沿用了常规船闸的输水系统设计形式，所以不存在任何技术难题。

省水船闸是一种节水、经济并且环保的通航建筑物型式，它在常船闸的基础上设立省水池，具有成倍降低工作水头和减少闸室过船耗水量的特点，该技术在国外已有成熟运用的先例。其优点和效益明显，但是由于省水船闸灌泄水环节稍多，运行方式比普通船闸复杂的问题，影响其在我国的推广与运用。针对省水船闸的这一弊端，减少船闸运行环节带来的船只过闸时间长以及航运压力大等问题，这种带承船箱的船闸的输水系统应以大幅度缩短输水时间为目的进行设计。

本文输水系统设计在普通带两级省水池船闸的基础上进行，该输水系统与普通省水船闸相同，包括进水口、输水廊道及输水阀门、出水口和消能设备等部分。该船闸的最大工作水头约40m，采用两级省水池方案后，每级省水池水深约10m，输水系统运行时最大工作水头由40m降低至20m左右。输水系统采用与原船闸相同设计，即选用闸墙长廊道，中部分流口进水，加二区段出水的较复杂式分散型输水系统（输水系统主视图见图3，俯视图见图4）。考虑到承船箱对船只的保护作用，船只停泊条件较容易满足，输水廊道设计时采用大流量系数、较短输水时间、大廊道断面的设计思路，如将规范中规定的8min～12min的灌泄水时间缩短为6min等，从而保证船闸能在较短时间内完成灌水或泄水过程，从而提高船闸通过能力。