覃業(yè)傳，宣國祥，麥建清，李 君

(1.廣西西江開發(fā)投資集團有限公司，廣西 南寧 530028;2.南京水利科學研究院 水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029;3.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，廣西 南寧 530011)

1 工程概況

大藤峽水利樞紐是紅水河十級綜合開發(fā)利用的最后一個梯級，壩址位于桂平市上游約12km處的黔江河段，是一座集防洪、水資源配置、發(fā)電、航運及灌溉為一體的綜合水利樞紐.大藤峽樞紐上游連接西南水運出海通道北線(都柳江)和中線(紅水河)，下游連接西江航運干線，上、下游之間有很強的經(jīng)濟互補性，豐富的資源和大量的產(chǎn)品迫切需要水路運輸.因此，大藤峽樞紐成為打造西江黃金水道、發(fā)展西江經(jīng)濟帶的關鍵節(jié)點，同時也是推動西部地區(qū)優(yōu)化流域經(jīng)濟布局和產(chǎn)業(yè)結構的重要支撐，其航運地位至關重要.

在中水東北勘測設計研究有限責任公司和中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司于2008年聯(lián)合編制的《大藤峽水利樞紐工程項目建議書》［1］中，建議大藤峽樞紐通航建筑物規(guī)模按照二級航道、最大過閘船舶(隊)為2000 t級的Ⅱ級單級船閘設計，閘室有效尺寸為250m×23m×5.0m，船閘最大設計水頭為38.61 m(61.00～22.39 m)，年單向設計通過能力為1664萬t(下行).在上述項目建議書的基礎上，結合國家發(fā)改委批復及咨詢評估意見，廣西交通規(guī)劃勘察設計研究院于2011年6月編制完成了《大藤峽水利樞紐航運功能定位及3000噸級船閘建設規(guī)模研究報告》［2］，最終建議大藤峽樞紐通航建筑物仍采用單級船閘布置，但閘室有效尺度調整為340m×34 m×5.8 m，船閘最大設計水頭增加至40.94 m(61.00～20.06m)，年單向設計通過能力達到4249.6萬t(下行)，可滿足設計水平年(2040年)預測過閘貨運量(下行4080萬t)的要求.

無論上述何種方案，大藤峽樞紐通航建筑物都擬采用單級船閘布置形式，其工作水頭處于世界單級船閘的最高水平，閘室規(guī)模亦在高水頭船閘中位居前列.因此，對大藤峽水利樞紐通航船閘采用單級布置方案帶來的輸水系統(tǒng)布置及其相關水力學問題進行技術可行性分析是十分必要的.

2 國內外巨型和高水頭船閘現(xiàn)狀

隨著內河航運事業(yè)的發(fā)展，通航船閘的尺度及水頭逐漸增大，表1和表2列出了國內外部分巨型和高水頭單級船閘的基本情況［3-6］.

表1 國外部分巨型船閘特征統(tǒng)計Tab.1 Typical huge shiplocks abroad

表2 國內外部分高水頭單級船閘特征統(tǒng)計Tab.2 Typical high head single-step shiplocks at home and abroad

可見，巨型船閘主要分布在歐洲沿海國家及巴拿馬運河上，且多為海船閘，水頭一般都不大，但一次性輸水水體較大.而超過25m的高水頭單級船閘則主要分布在前蘇聯(lián)、美國、巴西、葡萄牙及中國等國家，其中水頭最高的Ust-Kamenogorsk船閘，雖采用了跌水消能室的布置，但水流自由跌落高度達28 m，盡管設置了除氣裝置，但水流摻氣仍十分嚴重，直接影響了閘室內船舶的停泊安全，且船閘充、泄水時間較長，運行效果不太理想.由此可見，擬建的大藤峽船閘無論在工作水頭還是閘室規(guī)模上都處于世界單級船閘前列，因此其設計中存在的相關問題尤其是水力學問題將尤為突出.

3 大藤峽船閘輸水系統(tǒng)布置初步分析

船閘輸水系統(tǒng)是完成閘室充泄水的主要設備，輸水系統(tǒng)技術上是否可行，其標準主要為:是否能夠在要求的時間內，完成閘室的充、泄水并進行充分消能從而滿足船舶安全停泊要求.對于大藤峽船閘，其設計水頭處于世界單級船閘的最高水平，現(xiàn)有的輸水系統(tǒng)型式能否滿足上述要求是單級布置方案能否成立的關鍵問題.為此引入3個指標參數(shù)，即:一次輸水過程進入閘室的平均能量E，一次輸水過程單位面積的平均能量Ec和一次輸水過程的平均比能Ep.

進入閘室的平均能量E(功率)可以表示為:

式中:g為重力加速度;T為輸水時間;H為水頭;B，L分別為閘室的長度和寬度.

考慮到高水頭船閘的水流都是經(jīng)過復雜的輸水廊道進入閘室底部，出水廊道一般都布滿閘室底部，這樣將進入閘室的平均能量E除閘室平面面積就可以得到單位面積的平均能量Ec，即:Ec=E/(BL).同時，輸水水流經(jīng)過閘室水體消能后作用于船舶，引起船舶的運動，因而使系船纜繩受力，因此定義一次輸水過程的平均比能Ep為:Ep=Ec/S，其中S為閘室初始水深.

表3給出了國內外部分船閘一次輸水的相關水力指標，其中包括了2座巨型船閘，表中已建船閘輸水時間采用實際運行值，大藤峽船閘輸水時間初步考慮在12～16min之間.

表3 國內外部分船閘一次輸水的相關水力指標Tab.3 Typical hydraulic characteristics during one filling course of some shiplocks at home and abroad

由表可見:

(1)Panama Canal 3rdLock lane和Bristol船閘雖然規(guī)模巨大，但是無論是進入船閘的平均能量E還是單位平均能量Ec以及平均比能Ep都不大，因此對輸水系統(tǒng)的要求不高，事實上這兩座船閘的輸水系統(tǒng)也不是最復雜的.

(2)由于大藤峽船閘規(guī)模和水頭都較大，一次輸水平均能量E也較大，已建的三峽中間級閘室輸水時與之相當.

(3)從更能夠反映對輸水系統(tǒng)要求的單位面積平均能量Ec以及平均比能Ep可以看出:大藤峽船閘即使采用12min輸水時間，也與國內外已建高水頭船閘相當，如采用16min輸水時間，則對輸水系統(tǒng)的要求低于一些已建的高水頭船閘.

詳細分析表3中單位面積平均能量Ec數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):大藤峽船閘由于輸水水體較大，一次輸水進入閘室的平均能量E也較大，但是由于船閘閘室的平面尺度也較大，因此單位面積的平均能量Ec與其他已建高水頭船閘相差不大.這類似于樞紐泄水建筑物的單寬流量，泄水總流量可能很大，但并表示它的單寬流量也一定較大，而對于泄水建筑物而言，單寬流量顯然是最重要的參數(shù).

同時分析表3中平均比能Ep數(shù)據(jù)還可以看到:由于我國新的船閘設計規(guī)范加大了船閘閘室的初始水深(同為3000 t級船閘，三峽為5.0m，而大藤峽則要求5.8 m)，使得大藤峽船閘消能水墊層加大，平均比能Ep與其他已建高水頭船閘基本一致，甚至若其輸水時間采用16min，其平均比能Ep將小于表中部分已建的高水頭船閘.

綜上所述，大藤峽船閘雖然規(guī)模較大、水頭較高，但是對輸水系統(tǒng)的水力指標要求與已建高水頭船閘相當，因此，現(xiàn)有已建高水頭船閘的輸水系統(tǒng)型式基本可滿足大藤峽船閘的要求.特別是如考慮適當延長輸水時間后，解決其輸水系統(tǒng)問題的難度將進一步降低，因而，輸水系統(tǒng)問題不致成為大藤峽船閘采用單級方案設計中不可克服的難題.

4 大藤峽船閘取、泄水方案初步研究

式中:kp為校正系數(shù);C為閘室的水域面積;H為水頭;kv=tv/T，tv為輸水閥門開啟時間，取T=12～16min，tv=5min.上游最高和最低通航水位分別為61.00和47.60m，上游引航道底高程40.00m，引航道底寬75～120m;下游最低通航水位20.06m，下游航道底高程14.26m，引航道底寬75～120m，可以得到大藤峽船閘最大設計水頭以及上游最低通航水位時的最大流量估算值(見表4).

船閘引航道平面尺度一般根據(jù)過閘船舶航行與?？糠绞健⑦M出閘要求進行計算和布置，而引航道深度則根據(jù)水位、船舶的吃水要求確定.有了上述基本尺度后，再進行其他因素的復核計算，其中包括船閘充泄水時引航道的水動力條件和指標，如不滿足相關要求，則采用工程和技術措施.

對于低水頭船閘，由于船閘輸水流量不大，船閘充泄水時全部設置在引航道內，其水動力條件和指標可以滿足.但對高水頭船閘而言，由于其充泄水流量較大，除開敞式引航道外，水力條件和指標一般無法滿足相關規(guī)范要求.

大藤峽船閘的輸水最大流量可按下式［7］估計:

表4 大藤峽船閘輸水最大流量和引航道水流條件估計Tab.4 Estimation of the maximum flow discharges and flow conditions in the approach channels of the Datengxia lock

由表4可見:現(xiàn)大藤峽樞紐船閘上、下游引航道布置下(底寬75m)，由于船閘充泄水流量巨大，如果船閘充泄水全部布置在引航道內(取、泄水方案1)，其水流條件尤其是上游最低通航水位工況上游引航道流速，以及最大設計水頭工況下游引航道流速都將遠超過設計要求指標.而當采用部分旁側取泄水布置或增大引航道底寬時可大大減小引航道內流速，且采用旁側布置對改善引航道水流條件的效果更為明顯，工程量也更為節(jié)省.所以，對于大藤峽這樣規(guī)模較大、水頭較高、上下游采用封閉式(限制式)引航道布置的船閘，必須采取旁側取、泄水布置型式以滿足船閘及過閘船舶的安全運行.事實上，國內外幾乎所有已建的高水頭船閘都采用了這一布置型式.如美國的Lower Granite船閘［9］，采用部分旁側取水和全部旁側泄水的布置;巴西的Tucurui船閘［10］，取泄水布置均采用了全部旁側的布置;我國三峽船閘末級采用超長旁側泄水廊道(長1380m)布置［11］.

因此，根據(jù)表4的計算結果和國內外高水頭船閘的成功經(jīng)驗，大藤峽船閘充、泄水方案宜采用旁側取、泄水布置，同時可適當增大引航道寬度，以使引航道水流條件滿足相關要求.

5 結語

通過與國內外巨型及高水頭船閘的綜合比較，無論從輸水系統(tǒng)水力指標方面還是從船閘取、泄水方案選擇方面，現(xiàn)有技術均能夠解決大藤峽單級船閘的相關水力學關鍵技術難題，輸水系統(tǒng)布置和水力學問題不會成為制約大藤峽船閘采用單級布置的控制因素.但仍需開展相關的水力學專題研究，以更好地為設計、運行及管理提供科學依據(jù)，同時還可提高我國船閘建設領域的科技水平.

［1］中水東北勘測設計研究有限責任公司，中水珠江規(guī)劃勘測設計有限公司.大藤峽水利樞紐工程項目建議書［R］.長春:中水東北勘測設計研究有限責任公司，2008.(China Water Northeast Investigation，Design＆Research Co，Ltd，China Water Resources Pearl River Planning Surveying ＆ Design Co，Ltd.Project proposal of Datengxia hydro-junction［R］.Changchun:China Water Northeast Investigation，Design＆ Research Co，Ltd，2008.(in Chinese))

［2］廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院.大藤峽水利樞紐航運功能定位及3000噸級船閘建設規(guī)模研究報告［R］.南寧:廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設計研究院，2011.(Guangxi Communications Planning Surveying and Design Institute.Report of the navigation function and construction scale of the 3000 DWT class shiplock of the Datengxia hydro-junction［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Design Institute，2011.(in Chinese))

［3］PIANC.Final report of the international commission for the study of locks［R］.Brussels:PIANC，1986.

［4］PIANC.Innovation in navigation lock design［R］.Brussels:PIANC，2009.

［5］Panama Canal Authority.Proposal for the expansion of the Panama Canal——third set of locks project［R］.Panama City:Panama Canal Authority，2006.

［6］李君.內消能工在船閘輸水系統(tǒng)中的應用研究［D］.南京:南京水利科學研究院，2007.(LI Jun.The application of interior energy dissipater in the filling and empting system of navigation lock［D］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2007.(in Chinese))

［7］王作高.船閘設計［M］.北京:水利電力出版社，1992.(WANG Zuo-gao.Navigation lock design［M］.Beijing:China Waterpower Press，1992.(in Chinese))

［8］JTJ 306-2001，船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范［S］.(JTJ 306-2001，Design code for filling and emptying system of shiplocks［S］.(in Chinese))

［9］JNHNSON R L，PERKINS L Z，KUBO M M.Navigation lock for Lower Granite Dam Snake River，Washington，Hydraulic model investigations［R］.Portland:Army Engineer DIV North Pacific Bonnneville，1979.

［10］鈕新強，宋維邦.船閘與升船機設計［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.(NIU Xin-qiang，SONG Wei-bang.Navigation lock and ship lift design［M］.Beijing:China WaterPower Press，2007.(in Chinese))

［11］張瑞凱，胡亞安.三峽船閘末級閘首超長泄水廊道及閥門水力學試驗研究［R］.南京:南京水利科學研究院，2000.(ZHANG Rui-kai，HU Ya-an.Hydraulic experiment study of valve and extra long emptying culvert of the Three Gorges Lock's last chamber［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2000.(in Chinese))