船闸输水系统设计及运行管理分析

刘康云

摘要：文章以贵港航运枢纽一线船闸为例，结合该船闸输水阀门及门槽损坏维修情况，分析了船闸输水系统阀门及门槽损坏的原因，阐明了船闸输水系统设计选型、定型原则和输水系统水力特性分析计算、水力模型试验的重要性，同时根据该船闸水力特性分析计算结果，提出了船闸输水系统设计、施工和运行管理中需要注意的事项，并介绍了该船闸阀门门槽维修加固的措施，对山区河段中高水头船闸输水系统设计、运行管理和维修养护提供参考。

关键词：船闸;输水系统;阀门;门槽;灌泄水;模型试验;水力特性;原型观测

0 引言

船闸输水系统设计是船闸工程设计的关键工作，输水系统的设计选型和布置决定闸首、闸墙及闸室底板的主体构造和结构形式。同时，输水系统设计是否合理决定了其灌泄水效果和使用耐久性。一旦船闸输水系统出现问题，将影响船闸的整体运营。所以，在船闸工程设计之初，应该在合理选型的基础上，进行输水系统水力分析计算，合理确定各部位参数，确定输水系统总体设计布置方案，然后提供给水力试验部门，通过水力模型试验，进一步核实水力分析计算无法准确确定的部分参数。准确的输水系统水力模型试验结果有较高的参考作用，但是由于水力模型的缩尺效应（原型、模型过流表面糙率不相似和局部阻力系数不同等客观原因，导致原型、模型部分水力特性参数不相似），造成某些水力特性參数与原型差异较大（个别参数差异在50%以上），船闸输水系统设计时，除了理论分析计算、模型试验，还应参考类似工程原型观测数据或者使用经验，采取适当的构造措施。

1 影响船闸运行的关键问题

船闸工程是利用其输水系统反复灌泄水，使闸室与上下游航道水位齐平，克服上下游水位落差，让船舶能够满足来往上下游航道的水运交通运输要求。所以，输水系统是船闸重要且关键的组成部分，船闸输水系统的安全与稳定问题是影响船闸运行的关键问题。由于其隐藏在船闸主体结构下部且处于水下，维修难度往往比较大。

2 工程实例分析

贵港航运枢纽一线船闸于1998年年初建成，投入运行至今达22年，状况良好。期间由于灌泄水阀门及门槽损坏，于2011年初做了一次输水系统维修。业主单位邀请广西交通设计集团有限公司专业总工程师到现场察看并研究处理措施，笔者作为该船闸输水系统设计负责人一同前往现场。由于左右侧上下游灌泄水阀门分期检修，现场看到检修更换下来的上游灌水阀门导轮明显磨蚀、轮轴磨损严重，门扇边柱也明显磨蚀、损坏。说明灌水阀门导轮有跑偏甚至脱落的情况发生，导致门扇边柱贴到门槽导轨产生严重磨蚀。笔者随同业主单位检修工程师一同乘坐简易吊篮进入上游灌水阀门廊道段进行察看，发现阀门槽主轨侧混凝土崩塌严重，锚筋裸露、主轨松脱。

现场勘察分析后认为，输水阀门磨损、门槽损坏的原因，主要是由于输水时产生的高速激流和强大水动力作用或气蚀作用导致输水系统工作阀门剧烈振动，敲击轨道导致轨道振动、锚筋松动，直至轨道继续松动，撞击轨道处门槽混凝土，使其逐渐开裂、损坏;轨道失去支撑后变形，致导轮跑偏，加速工作门槽及轨道损坏，同时导致门槽后局部廊道壁混凝土剥落，其轻度损坏会增加阀门启闭力，产生剧烈异响，严重损坏时，阀门提起后无法正常下放、关闭，必须放下检修门维修，以免影响船闸正常运行。

3 关于输水系统设计

贵港航运枢纽一线船闸为一级船闸，船闸有效尺度为（长×宽×槛上水深）190m×23m×3.5m，最大设计水头为H=15.0m，属于高水头船闸（H≥15.0m）。设计输水系统为第二类分散输水系统，闸墙长廊道、侧向短支孔出水，墙趾长明沟消能。主廊道断面尺寸4.5m×3.5m，输水阀门段廊道断面尺寸3.5m×3.5m，阀门段廊道顶高程24.2m，最小淹没水深4.4m。上游进水口双侧4孔2.4m×2.7m×3.5m，进水口总面积75.6m2。

设计阶段通过水力分析计算确定主要参数，布置输水系统方案图提供给水力试验单位进行输水系统水力模型试验。输水系统布置如图1～2所示。

水力分析计算采用主要基础参数如表1、表2所示。

船闸水力特性分析计算比较复杂。目前主要是依据《船闸输水系统设计规范》（JTJ306-2001）中相关条款和公式，结合船闸输水系统拟定方案布置情况（基于通过能力要求确定船闸有效尺度、细部构造和相关水位、高程等）初步计算，确定相关参数或者指标，然后根据规范中相关公式利用Excel电子表格或者编写计算程序进行分析计算，理论上确定输水系统相关参数，布置输水系统初步方案，然后提供给试验单位通过水力模型试验进一步核实相关参数和指标，最后做必要的修改完善，确定船闸输水系统设计方案。在船闸输水系统设计过程中，理论分析计算和水力模型试验都很重要，由于两者都存在一定局限性，为了相互佐证、两者缺一不可。

从计算结果看，按照当时设计参数布置的输水系统方案，上游输水阀门灌水时各项指标比较理想，都符合规范要求，如果灌水时，阀门启闭时间采用8min、总输水时间约11min，灌水阀门后基本无负压;下游输水阀门泄水时，阀门启闭时间采用6～7min、总输水时间约10.5～11min，下游引航道流速略偏大，阀门后有2.64～2.92m水柱负压（接近规范允许上限值3.0m），阀门启闭时间采用8min、总输水时间约11.5min，下游引航道流速接近规范允许上限值1.0m/s，阀门后有2.38m水柱负压。水力模型试验单位提供的试验结果与上述计算结果相近，理论计算和水力模型试验结果说明原来输水系统设计方案各项参数基本符合规范要求，设计方案合理、可行。按照设计要求阀门启闭时间采用8min、灌泄水时间分别为11.1min和11.5min，能够满足使用要求（下游泄水阀门后瞬间最大负压值接近规范允许上限可采用门后开敞通气减压，或者不采取措施也基本不影响输水系统使用）。

4 输水系统阀门槽损坏原因分析与应对措施

从以上分析可知，贵港航运枢纽一线船闸输水系统设计方案基本合理，各部位设计尺度、各项水力特性参数基本符合规范要求。建成投入使用13年后开始出现阀门槽损坏问题，应注意以下几个方面：

（1）船闸输水系统的水力计算是个比较复杂的问题，现有理论计算方法存在不足，水力模型试验手段也有局限性（如受缩尺效应的影响，试验结果部分参数可能与原型实际有出入，国内在用三峡枢纽船闸原型观测数据可以说明上述问题），所以在高水头船闸输水系统设计时，除了理论计算、水力模型试验外，应参考同类或者类似工程实际使用经验或者原型观测数据修正完善设计方案，或者采取适当的减压防空化防气蚀措施，尽量避免工作阀门剧烈振动、敲击轨道导致轨道振动、门槽混凝土损坏崩塌进而损坏输水阀门。

（2）船闸输水系统门槽二期混凝土施工必须保证质量。粗骨料粒径、级配应优化并尽量采用质量坚硬粗骨料，注意振捣密实保证质量。

（3）根据船闸水头和受力情况，设计阀门槽时，轨道的锚筋应适当加密。

（4）设计输水系统时，可以适度限制阀门门槽宽度（顺水流方向的宽度）。门槽宽度采用合理小值（满足阀门上下运行的最小值），减小富余宽度以便减小阀门在激流和巨大外力作用下的振动振幅、进而减小阀门振动对轨道和门槽边基础混凝土的冲击，可以减少门槽边混凝土的损坏。

（5）日常船闸运营管理必须科学合理并规范化。业务繁忙时段必须严格按照设计要求在启闭时间开启输水阀门，不得随意缩短输水阀门开启时间，非繁忙时段（例如每次灌泄水前，船闸上游或者下游等候过闸船舶数量过少、估计灌泄水完毕仍需要长时间等待船舶进闸时，此时的阀门开启时间不成为本次船舶过闸时间的决定因素）可以适当延长阀门开启时间，改善阀门工作状况以延长输水阀门使用寿命。

（6）加强船闸日常运营管理和监控。输水阀门开启或者关闭时注意观察或者监听是否有异响或者振动，必要时适当延长阀门开启时间，或者将阀门关闭等待检查清楚再做进一步处理。

5 阀门及门槽损坏维修方案

针对贵港枢纽一线船闸输水阀门门槽损坏情况，经研究后采取如下修复处理措施：

（1）将工作门槽下游侧主轨处二期混凝土部分凿除（可采用风镐凿除，但必须轻打慢凿），凿除后形成的空腔大致呈方形（避免出现三角形特别是锐角三角形），廊道内壁一侧至少凿除30cm。尽量不损伤原有一期混凝土预埋插筋，而且原有预埋插筋必须露出10～15cm（注意辨别原有预埋插筋与主轨上脱落的连接钢筋，原设计预埋插筋间距为50cm），清除干净钢筋露头。

（2）凿除完毕后，可根据原有露头钢筋密度情况，间距大于50cm时在其中间打钻一个30mm孔（水平、内斜5°、深60cm）、植筋胶埋植25mm钢筋（长约100cm）。

（3）主轨上原有力筋板间再增加一道力筋板，注意焊接牢固。

（4）主轨上外侧板（廊道边一侧）上增加焊接短直钢筋（Ⅱ级、直径≥25mm），间距25～30cm，位置以与力筋板对应为原则，其余内插。长度以穿透整个新浇筑混凝土并与原有插筋露头双面焊接为原则现场确定。主轨内侧板也尽可能按照上述方法适当增加焊接若干短直钢筋（间距30～40cm）。

（5）新浇二期混凝土。采用C30混凝土，一级配，粗骨料碎石最大粒径≤2.5cm、级配要良好，砂、石料冲洗干净（基本无泥）。采用425或525硅酸盐水泥，水灰比0.55～0.60，坍落度约70～80mm。每方混凝土水泥用量≥300kg。

（6）施工中浇筑混凝土时务必设法采用插入式振捣器并保证振捣充分，同时可在模板外采用挂壁式振捣器或用其他方法从下端外部加以适度振捣，保证主轨板格间填满混凝土。

6 结语

（1）船闸输水系统是船闸工程中最重要且关键的组成部分，输水系统安全性影响船闸的正常使用。在船闸输水系统设计过程中，必须先进行理论分析计算，合理确定相关参数、指标，然后通过水力模型试验核实相关参数、指标（特别是理论计算无法准确确定的参数指标），有条件时尽量结合同类或者类似工程（规模及技术标准、等级相同或者类似）原型观测数据或者运行使用经验数据，修整完善船闸输水系统设计方案，必要时采取适当的减压防空化、防气蚀措施。

（2）对于船闸工程施工，其主体工程必须严格执行相关规范和设计文件要求的技术质量标准，保证施工质量。关键部位工程（如阀门门槽二期混凝土等）可以适当提高技术标准进行施工以保证其施工质量。

（3）船闸输水系统日常运行操作必须按相关操作规程和设计要求执行。特别是中高水头以上船闸当其部分限制性指标接近规范允许上限值时，日常操作必须更加谨慎。原则上输水阀门开启时间不得小于设计要求时间，可以适当延长，并且在运营条件允许情况下应当适当延长阀门开启时间，可以减小阀门后负压，减少门槽空化、气蚀损害，延长输水阀门使用寿命。

参考文献：

[1]JTJ306-2001，船闸输水系统设计规范[S].

[2]陈文学，郭 军，刘继广，等.三峡永久船闸输水廊道阻力特性研究[C].中国水利学会第四届青年科技论坛文集，2008.

[3]张桂芬，唐 利，乔文荃.广西西江贵港船閘输水系统水力学模型试验报告[R].南京：南京水利科学研究院水工所，1996.