基于长期开通闸考虑的船闸设计

摘 要：船闸一般由闸室、闸首、闸门、引航道及相关设备组成，是保障船舶顺利通过航道的水工建筑物。为满足平时通航和特定时段防洪要求，需要配置具备长期开通闸条件的船闸。文章结合某船闸工程，基于长期开通闸考虑，对船闸的平面布置、输水系统、门机电系统等设计进行了分析。

关键词：船闸设计；平面布置；输水系统；门机电系统

随着我国内河水资源综合开发建设进程的逐步深入，船闸建设进入了一个快速发展阶段。船闸通过能力小于航道通过能力易造成通航瓶颈，无法从根本上保证船舶通航安全，降低航道整治工程整体效益。为满足通航安全和防洪要求，有必要从长期开通闸角度去考虑船闸设计问题。下面结合某船闸工程进行具体分析。

1 工程概况

某航道长76.5km，按V级标准通行，300吨级船舶可安全通过。根据省航道局河道整治工作要求，本航道升级为III级标准，并配置具备长期开通闸条件的船闸。本航道船闸的有效长度是180m×4m×23m。其中，有效长度是180，槛上水深是4m，闸室净宽是23m。通过分析该船闸枢纽控制运行条件，了解到该船闸一年开闸通行天数在330天以上，期间产生的最大水头为1.73m。预测到2025年，本船闸上下行货运量分别能达到3743万吨和2512万吨。该船闸建成后每年出现高水头情况较少，但是航道货运量是较大的，需要进行整治，优化船闸设计。

2 船闸设计分析

2.1 平面布置

为提高船闸通过能力，可以采用船闸加通航孔共用引航道的布置方案，船闸与通航孔平行布置。把引航道底加宽到60m，将船闸布置在引航道北侧，通航孔布置引航道南侧，设定它们之间的轴线间距为28m。此外，船闸上游和下游的主导航墙长都设置成60m，船闸宽度和通航口门宽度也都设置成23m。上游分水墙和下游分水墙都具备良好的导航功能，顶部宽度设置成5m。根据船闸整体稳定性要求，闸首采用整体式结构，长度才设置成12m，宽度设置成28m，顶部采用启闭机房，直接与南北两岸相通。闸室同样采用整体式结构，长度设置成180m，宽度设置成27.2m，顶部宽度设置成0.9m。此外，南侧闸室墙具备导航功能，顶部和底部宽度都设置成2m。北侧闸室墙不设置导航功能，顶部设置成0.9m，底部设置成2m。在闸门下设置输水廊道，闸首不设置输水廊道。经分析，采用闸门加通航孔的布置方案，有着明显的优势，主要体现在以下几个方面：第一，经济性好。本船闸采用固定式卷扬启闭机，其购置费、安装费相对较低。同常规船闸平面布置方案相比，由于船闸加通航孔平面布置方案仅增建了一个通航孔和通航槽，其他改动较少，无论是建设费用和运营管理费用都是较低的。从经济性方面看，船闸加通航孔平面布置方案的成本较低。第二，通航条件优化。计算得知，船闸加通航孔平面布置方案的通过能力是6213万t/a，很好满足了今后10～20年间通航需求。在开通闸运行时，可以同时开通船闸和通航孔，作为上下行单项航道，既保证了通过效率，也提高了通航安全性。第三，船闸管理效益高。船闸加通航孔平面布置在实际通航中，可以同时开启船闸和通航孔，一定程度上缓解了通航拥挤情况，减少了排队指挥工作量，能明显的降低船闸通航安全风险和管理成本。第四，船闸辅助建筑和自控简化。通过平面布置方案可以看出本船闸辅助建筑和自控设计都是比较简化的。主要在于本船闸的开通闸时间较长，需要简化船闸附属设施，达到节约效果。

2.2 输水系统

本船闸的设计最大水头是1.73m，综合考虑闸室灌水时间和测算判别系数等信息后，根据《船闸输水系统设计规范》相关要求，本船闸决定采用集中输水系统，按照不高于0.25m/s的流速控制闸室最大断面的平均流速。在具体设计中，为提高本船闸设计的科学性与合理性，积极搜集类似工程、汲取相关经验，决定本船闸输水系统采用在闸门下面设置输水走的设计方案。输水系统采用分段间歇开启方式，利用门后消力池来消能，创造良好的闸室停泊水稳条件，保证船舶通过顺利。根据输水系统安全控制要求，经计算，本船闸输水系统最短输水时间T≥228s。计算公式如下所示：

公式1：T？叟■

注释：C表示闸室水域面积；H表示水头；β表示输水流量不均匀系数；Hs表示闸室初始水深；B表示闸室宽度。

闸门下水流流态是比较复杂的，所以门下输水流量Qk采用下列公式计算。

公式2：Qk=μdωk■

注释：μd表示闸门下输水流量系数；ωk表示闸门下过水断面面积。

根据公式2，在设计最大水头条件下，灌水时闸门下输水最大流量为22m3/s，泄水时闸门下输水最大流量为23m3/s。

2.3 门机电系统

2.3.1 工作闸门选择

该船闸全年基本处于平水期，水头差较小，一般在30m内。为保证船闸通过安全，在平水期时能够顺利通闸，本船闸的工作闸门采用动水启闭。工作闸门有两种选择，一种是三角闸门，另一种是升卧式平面闸门。下面对两种工作闸门的优劣势进行分析。

三角闸门：组成部分包括门体结构、防护系统、制成运转件、润滑系统、止水系统等。闸门提升上采用液压直推式启闭机。在实际使用中，三角闸门启闭比较灵活，工作闸门和启闭机运行相当平稳，且技术水平先进，能很好的满足本闸门工作要求。但是三角闸门也有一定缺点，具体体现在两个方面：第一个是长期处于水环境下易腐蚀；第二个是工程量大，投资成本高于升卧式平面闸门。

升卧式平面闸门：组成部分包括门体结构、止水系统、主滚轮运转件、锁定装置等。采用双吊点固定式卷扬启闭机进行工作闸门提升。其主要优点是：结构简单、投资低，利于工作闸门启动。缺点是：门体结构处于闸首上部，需要保证锁定装置和主滚轮运转件工作安全，这样才能保证下方船舶通航安全。为此，在闸门工作期间，往往需要定期检查和专项监控锁定装置和主滚轮运转件的工作状态。

综合考虑三角闸门和升卧式平面闸门优缺点后，结合本闸门长期开通闸要求，决定本闸门使用升卧式平面闸门。由于闸门长时期处于开通闸状况下，使用频率较低，从节约角度看，本闸门适合采用升卧式平面闸门，用双吊点固定式卷扬启闭机进行闸门提升，易于降低投资成本，进行闸门维护和管理。

2.3.2 闸门控制流程

闸门控制流程分两种情况，需要根据闸门是否具备开通闸条件来分别计算两种情况下的控制流程。在具备开通闸条件下，按双向通航。使用ETC系统，引用先进的智能自组织网络技术，将常规控制流程减少至3个，船舶通过时间减少至20min。不仅极大提高了闸门通航效率，也便于燃油节约，降低船舶运输成本。在不具备开通闸条件时，不采用双向通行，按照常规船闸运行。

3 结束语

综上所述，文章所采用的平面布置、输水系统、门机电系统设计方案有着明显优势，成本低、通行效率高、安全度高、易于维护管理等，很好的满足了本闸门设计要求。船闸加通航孔的平面布置方式在结构上是可行的，优势明显，能够达到结构布局紧凑、节省投资的效果，这为国内类似工程设计提供了有益借鉴。

参考文献

[1]姜兴良，周广群，袁淑文.具备长期开通闸条件的船闸设计方案[J].水运工程，2015（12）.

[2]朱爱如.江西省峡江水利枢纽工程船闸闸室设计变更方案选择[J].江西水利科技，2015（2）.

[3]刘祖斌，吴小娟.整体式船闸闸室多种工况下结构稳定计算分析[J].江西水利科技，2014（1）.