朱 磊

（重慶交通大學(xué),四川 重慶400074）

0 引 言

船閘輸水系統(tǒng)是完成閘室充泄水以實現(xiàn)船閘過船功能的關(guān)鍵部分，主要分為兩類，即集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)。閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)屬于后者，該型輸水系統(tǒng)是在閘底設(shè)置縱向輸水廊道，利用多個出水支孔與閘室相連，水流通過支孔進出閘室。在輸水過程中，為消耗經(jīng)支孔進入閘室的大量能量，滿足閘室內(nèi)船舶的停泊條件，需要在出水支孔出口處設(shè)置消能明溝或消能蓋板，消力梁等消能設(shè)施。

閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)明溝消能工布置，有單、雙和三明溝3 種型式。單明溝消能型式國、內(nèi)外研究較為透徹，對于低水頭、尺度小、通航要求較低的船閘，該布置型式基本可以滿足規(guī)范和使用要求。雙明溝國內(nèi)對其有一定研究，在桂平二線、貴港航運樞紐二線等船閘中成功應(yīng)用。但研究僅限于某些特定船閘，在細(xì)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置研究方面并不充分。三明溝是近幾年國內(nèi)提出的一種布置型式，研究尚處于起步階段，未曾用于實際工程。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)中水頭、大尺度、通航要求高的船閘不斷增多，船舶過閘安全與閘室消能問題間的矛盾越來越突出。鑒于此，為滿足船閘水頭、閘室尺度以及船舶通航條件等對閘室消能效果所需的更高要求，對雙明溝、三明溝進行更為深入的研究顯得尤為重要。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)

消能工的選擇及布置型式的優(yōu)劣對船閘充、泄水效率，船只停泊條件的影響至關(guān)重要。閘室常采用蓋板和明溝兩種消能型式。前者一般分為裙帶等高型、不等高型及翼型，布置型式分為凹形和凸形。后者研究最早開始于國外，20 世紀(jì)30年代，美國在部分船閘采用該消能型式。當(dāng)時美國的很多船閘采用底部橫支廊道輸水，在橫支廊道之間形成明溝槽，這些溝槽就是明溝消能工的雛形。其后，在下花崗巖（Lower Granite）、灣泉（Bay Spring）、新岸頭（New Bankhead）等船閘中陸續(xù)得到應(yīng)用。在我國，明溝消能型式首次運用于葛洲壩2 號船閘，此后該消能型式得到廣泛運用，如四川涪江蓮花寺、三臺船閘、西江桂平一線等船閘。近來，隨著明溝消能型式的廣泛應(yīng)用，我國研究人員在單明溝研究的基礎(chǔ)上，提出了雙明溝、三明溝消能方式。

2 明溝布置型式的研究

對單明溝消能型式，國內(nèi)、外研究較為成熟。1959年，田納西流域管理局著手考慮建設(shè)所屬惠勒（Wheeler）、瓦特斯維列（Guntersviile）等船閘工程中，認(rèn)為有兩種方法可以改善水流條件和輸水時長問題。第一種是將大量的支管分布于每側(cè)閘墻的一個長距離范圍，第二種是采用沿每側(cè)閘墻設(shè)一條長而狹窄明溝槽，比較均勻地分散出流。隨后，Thomas E 指出廊道支孔出流的集中水流在明溝中擾動劇烈，消能效果明顯，并且明溝布置尺度與廊道支孔尺度有關(guān)。美國陸軍工程兵團水道試驗站對一系列船閘工程進行試驗研究后提出，出水口為3 排支管的單明溝，其溝深應(yīng)至少為1.8～2.5 m，4 排出水支管的溝深應(yīng)為2.5～3.05m，溝寬相應(yīng)為1.2～1.8 m。Ables[灣泉船閘輸水系統(tǒng)進行研究后指出，明溝中加設(shè)擋檻后消能效果明顯，擋檻懸臂寬度應(yīng)為0.6 m；對于寬度為3.9～4.8 m 的明溝，擋檻懸臂應(yīng)高于出水支孔0.3～0.46 m。但明溝加設(shè)擋檻后，閘室內(nèi)縱、橫向流速分布出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，易對過閘船舶造成不利影響。20 世紀(jì)60年代，美國陸軍工程兵團水道試驗站對哥倫比亞河流及斯內(nèi)克河流上近十個高水頭船閘的閘底橫支廊道一排支管、單明溝消能布置輸水系統(tǒng)型式，進行了較多的試驗研究和工程實踐。但未對一排支管、單明溝消能布置及消能效果進行專題研究。在國內(nèi)，南京水利科學(xué)研究院針對葛洲壩2 號船閘閘底縱橫支廊道、單明溝消能工布置，根據(jù)閘室水流橫向分配、過閘船舶系纜力的相關(guān)研究，提出了對明溝寬度及高度的要求，即寬度B 應(yīng)滿足：

式中：b 為出水支孔的寬度，m；

明溝擋檻高度D 應(yīng)大于出水支孔出流擴散后的高度，因此有：

式中：d0為出水孔高度，m；B 為明溝寬度，m。

同時該院與重慶交通大學(xué)西南水科所針對四川涪江蓮花寺、三臺船閘、西江桂平一線、長洲2號、大源渡、沙穎等船閘閘室內(nèi)布置單明溝消能，從不同的角度研究了單明溝消能工布置及水力特性。

隨著我國水利建設(shè)的不斷發(fā)展，閘室消能對明溝消能效果要求進一步提高。因單明溝布置型式下，閘室水流分布面受到限制，從而減少了消能水體，限制了消能效果。為此，國內(nèi)在單明溝消能的基礎(chǔ)之上，提出了雙明溝、三明溝布置型式：西江航運干線桂平二線船閘因單明溝布置型式的設(shè)計不能滿足船隊橫向系纜力的要求，需要對消能明溝橫向水流分配進行調(diào)整。經(jīng)過模型試驗，提出了雙明溝消能型式，并對過水孔孔高及第二道明溝底高程的布置進行了優(yōu)化，使得水流在橫向得到均勻分配。張緒進針對貴港二線船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)試驗中出現(xiàn)的因原消能明溝布置設(shè)計不足，使得閘室橫向水流分配不均，導(dǎo)致閘室船舶縱、橫向系纜力超出規(guī)范允許值的情況，提出了三明溝消能工布置方案。并對消力梁開孔尺寸進行了優(yōu)化。呂東偉、陳亮在此基礎(chǔ)上指出雙明溝消力梁上開孔高度應(yīng)與閘墻出水支孔基本等高或略低均可；消力梁上開孔面積為出水支孔面積的6～7倍為最佳。但這一成果依托貴港二線船閘研究得出，不具有一般性。另一方面，桂平二線、貴港二線船閘雖都采用雙明溝布置型式，經(jīng)優(yōu)化都能滿足規(guī)范及使用要求，但在明溝底高程布置方面存在較大差異，前者第一、二道明溝底采取高程相同的布置型式，后者采用階梯布置型式且第二道明溝高于第一道明溝，且明溝底高程對閘室消能效果影響的研究涉及甚少。同時，重慶交通大學(xué)西南水運科學(xué)研究所以及南京水利科學(xué)研究院結(jié)合“嘉陵江草街航電樞紐通航船閘關(guān)鍵技術(shù)研究”，桂林春天湖船閘、長洲等船閘工程項目對雙明溝布置也做了有益的研究。

3 明溝消能機理及消能效果研究

在明溝消能機理方面，楊忠超等針對高水頭船閘，通過局部水工模型試驗和三維數(shù)值模擬，對閘室明溝消能機理做了較為系統(tǒng)性的研究。通過分析流速分布、剩余比能、水面波動和紊動能耗散率等參數(shù)，得出明溝的主要消能機理：1）側(cè)支孔的突擴生成大量漩渦消能；2）高速水流沖擊擋板和閘室邊墻生成漩渦消能；3）上升水流的相互摻混消能。

在消能效果研究方面，楊忠超、陳亮依托閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，將單、雙和三明溝消能效果進行比較。通過對不同明溝布置型式下，閘室流速分布、剩余比能及斷面流速等特征值的比較，得出雙明溝消能效果遠(yuǎn)優(yōu)于單明溝消能，三明溝優(yōu)于雙明溝。其主要原因是，隨著明溝布置數(shù)量的增加，明溝的消能體積增大，在平面上擴大了水流擴散面積，同時通過改變消力檻上的透水孔面積進一步調(diào)整了閘室的水流分布，從而可獲得較好的水流條件，提高了停泊在閘室內(nèi)過閘船舶的安全性。楊斌、陳明棟、劉保軍等將明溝同蓋板消能型式進行對比研究后得出：在流速分布方面，采用明溝型式的閘室流速分布較采用蓋板型式的閘室流速分布均勻；流速大小方面，采用明溝型式閘室流速小于采用蓋板型式閘室流速。但該試驗所得結(jié)論具有一定的局限性：實驗方案僅針對一組消能工布置型式進行對比分析，且未就該組消能工布置方案進行單獨優(yōu)化；此外，船舶系纜力作為閘室水面波動情況的綜合反映，在對消能工消能效果進行比較時應(yīng)予以考慮。王召兵同樣對采用明溝和蓋板兩種消能型式的閘底長廊道輸水系統(tǒng)進行了對比試驗。在模型設(shè)計時，考慮到為使兩者具有可比性，試驗采用的兩種輸水系統(tǒng)進、出水口及閥門前的廊道均相同。試驗圍繞不同消能工布置型式的輸水系統(tǒng)充、泄水水力特征值、輸水廊道各段阻力系數(shù)、閘室流態(tài)以及閘室內(nèi)船舶系纜力進行對比分析，得出采用明溝的輸水型式由于主廊道寬度較采用蓋板的輸水型式窄，導(dǎo)致出水較集中，閘室充水時水面橫比降較大，閘室內(nèi)易形成漩渦等不良流態(tài)；采用蓋板的輸水型式，由于主廊道得以擴寬，且在廊道頂布置多排出水縫和消能蓋板，有利于減小輸水系統(tǒng)阻力系數(shù)，縮短輸水時間，減小閘室充水時的水面橫比降，改善閘室停泊條件。但這一對比研究實質(zhì)上是對蓋板與明溝兩種消能型式在閘室寬度適應(yīng)性方面的驗證性研究，得出蓋板消能在閘室寬度適應(yīng)性方面優(yōu)于明溝消能?，F(xiàn)階段，在消能效果研究方面，單明溝與多明溝布置型式、明溝與蓋板消能型式的對比研究較為充分，所得成果部分已用于實際工程。

4 結(jié)論及展望

綜上所述，關(guān)于明溝布置和消能特性的研究多針對特定工程，并未就明溝布置的一般情況進行系統(tǒng)分析和細(xì)部優(yōu)化設(shè)計對比。具體而言，由于船閘輸水系統(tǒng)在閘底廊道支孔布置、出流方面存在差異，致使雙明溝布置型式具有較大不同。但現(xiàn)階段對雙明溝的研究僅限于某幾個船閘，明溝細(xì)部結(jié)構(gòu)布置的差異性未能清楚呈現(xiàn)，因而其布置原則在研究所得成果中難以系統(tǒng)體現(xiàn)；消力梁對支孔出流水體具有二次消能作用，且梁上開孔尺度直接影響閘室消能效果。鑒于消力梁在閘室水體消能方面的重要作用，對其進行優(yōu)化設(shè)計研究具有重要意義。此外，明溝底高程的確定對閘室開挖工程量及閘室消能效果有較大影響，但現(xiàn)階段明溝底高程的布置存在較大差異，差異存在的原因及其對閘室消能效果影響的研究有待進一步探索。因此，針對閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，深入研究消力梁孔口與出水支孔尺度間的關(guān)系，系統(tǒng)性地探究雙明溝不同布置型式的消能效果及優(yōu)化布置原則，不失為一種直觀高效的研究方法。所得研究成果可為中高水頭、大尺度船閘提供科學(xué)、合理的設(shè)計依據(jù)。

［1］ Richard L. Stockstill,Modeling Hydrodynamic Forces on Vessels during Navigation LockOperations,ASCE 2004.

［2］ Thomas E. Murphy. Lock Design,Bottom Longitudinal Filling and Emptying System.U.S.Army Engineer Waterways Experiment Station.1980.

［3］ T. De Mulder1,K. Verelst,J. Vercruysse,W. De Cock,M.Haegeman,ON HAWSER FORCE CRITERIA FOR NAVIGATION LOCK DESIGN: CASE STUDY OF MARITIME LOCKS IN PORT OF ANTWERP,PIANC MMX Congress LiverpoolUK 2010.

［4］ Ables,Jackson H.Filling and emptying system for Bay Springs Lock Tmnnessee-Tombigee Waterway［R］Mississippi：Hydraulic Model Investigation,1978.

［5］ 鄧廷哲.葛洲壩船閘水力學(xué)原、模型試驗比較［J］.長江科學(xué)院院報，1993（10）：67-72.

［6］ 宣國祥，黃岳. 西江航運干線桂平航運樞紐二線船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗研究報告［R］. 南京：南京水利科學(xué)研究院，2006.

［7］ 張緒進. 貴港航運樞紐二線船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)試驗研究［J］.水利水運工程學(xué)報，2012（8）：34-38.

［8］ 呂東偉，劉平昌，陳亮，張緒進.船閘閘室明溝消能工消能效果三維數(shù)值模擬［J］.水道港口，2013（6）：508-512.

［9］ 陳亮，劉平昌，張緒進，彭永琴.貴港二線船閘閘室雙明溝消能工布置及消能特性研究[J].水道港口，2013（4）：144-149.

［10］ 吳澎，曹鳳帥.西江長洲水利樞紐3 號和4 號船閘總體設(shè)計［J］，港工技術(shù)，2014（5）：4-8.

［11］ 楊忠超，楊斌，陳明棟，王多銀.高水頭船閘閘室明溝消能效果及機理分析［J］.水運工程，2009（12）：168-173.

［12］ 陳亮.船閘閘室明溝消能工布置及消能機理研究［T］.重慶交通大學(xué).

［13］ 劉保軍.船閘明溝消能和蓋板消能的消能機理［T］.重慶交通大學(xué).

［14］ 王召兵，姜華，廖吉倫，周家渝.閘底長廊道頂縫出水輸水系統(tǒng)研究［J］.水運工程，2007（5）：76-79.