1.船闸基础知识

船闸由闸首、闸室、引航道三部分及输水系统、闸门等相关设备组成。

闸首是将闸室与上、下游引航道或将相邻两级闸室隔开，具有挡水、过船功能的结构物，分上闸首和下闸首（图4.91）。

图4.91　船闸闸首示意图

闸室（图4.92）是由船闸的上、下闸首和两侧的闸墙围成的空间。闸墙上设有系船柱、浮式系船环等，供船舶在闸室内停泊时系缆用。过闸船舶在闸室中随着闸室内水面升降而升降。闸室一般采用圬工或钢筋混凝土结构。

图4.92　船闸闸室示意图

引航道是连接船闸和主航道的一段过渡性航道，分上游引航道和下游引航道（图4.93），其平面形状和宽度、水深要能使船舶安全迅速地进出闸室。引航道进出口处水流流向与流速要能满足船舶安全进入和驶出的要求，并防止泥沙由于回流的作用而淤积在引航道上。对于大型船闸，这两者通常要进行模型试验来研究确定。

图4.93　富春江船闸引航道

船闸输水系统由进水口、阀门段、输水廊道、出水口、消能工等组成，是完成闸室灌、泄水运行的主要设备。输水系统基本形式有两种（图4.94）。

（1）集中输水系统。闸室灌水、泄水分别通过设在上、下闸首内的输水廊道在闸首处集中进行，又称为头部输水系统。

（2）散输水系统。闸室灌水、泄水由输水廊道通过沿着闸室长度分布于闸室底板或闸墙内的出水口进行。输水廊道上设有输水阀门。

水头（船闸上、下游的最大水位落差）在15m以内的船闸，一般采用集中输水系统；水头较大时多用分散输水系统。

图4.94　船闸输水系统示意图

船闸的工作闸门是设在上、下闸首上的活动挡水设备。常用的门型有人字闸门、平板升降闸门、横拉闸门、扇形闸门（又称为三角闸门）等，以人字闸门应用最广（图4.95）。

图4.95　船闸闸门

2.船闸水力学基本内容

船闸水力学研究范围主要包括船闸输水系统、输水阀门与工作闸门以及上、下游引航道水力学三部分，涉及输水过程中的边界作用力、流态、消能等问题，需要应用连续方程、能量方程、动量方程等基础知识及相关方法解决工程问题。

（1）引航道水力学基本内容。由于船舶在引航道中航速较小，对水流和侧向风的影响比较敏感，进出闸时容易撞击墙角或船舶相互碰撞而造成事故，必须十分重视引航道水力学的问题。

对引航道，由于船闸闸室尺度加大和输水效率提高，单闸灌、泄水流量增大，则巨大的水体进入引航道（或中间渠道），这种灌（泄）水非恒定流，造成引航道内的长波运动。由于引航道内的水面宽度和水深基本不变，船闸泄水时，引航道内的水流条件和停泊条件成为控制因素。对高坝通航建筑物通常采用的中间渠道而言，由于其两端封闭，上游船闸泄水或者下游船闸取水，中间渠道会产生非恒定波流。据有关研究成果，水体波动的特性主要取决于中间渠道的尺度，如渠道长度、宽度、断面形状及水深等。

（2）船闸输水系统水力计算基本内容。船闸输水系统由进水口、阀门段、输水廊道、出水口、消能设施等组成，是完成闸室灌、泄水运行的主要设备。现以集中输水（短廊道）系统为例，其输水系统水力计算的主要内容如下。

1）输水阀门处廊道断面面积的确定。集中输水廊道阀门处廊道断面面积计算如下：

2）输水廊道的阻力系数和流量系数的确定。输水系统总阻力系数包括进口、拦污栅、转弯、扩大、收缩、出口等局部阻力系数以及沿程摩阻损失的阻力系数。

输水系统的流量系数μt是随输水阀门的阻力系数亦即阀门开启度而变化的，在阀门全开后可认为保持一常数。当阀门均匀而连续开启时，在阀门开启过程中，流量系数μt是时间的函数。

式中：μt为时刻t的输水系统流量系数；ξvn为时刻t阀门开度n时的阀门局部阻力系数，可按表4.6选用；ξ′为阀门井或门槽的损失系数；平面阀门取0.10；反弧形阀门取零；ξc为阀门全开后输水系统总阻力系数，包括进口、出口、拦污栅，转弯、扩大、收缩等局部阻力系数，以及沿程摩阻损失的阻力系数。以上各阻力系数均应换算为阀门处廊道断面的阻力系数。

表4.6　闸门开度n与ξvn、ξn值的关系表

3）输水阀门开启时间为

4）灌泄水时间的校核。根据确定的阀门开启时间和流量系数计算闸门灌泄水时间T，并与拟定灌泄水时间T0比较，如果T＜T0，则拟定的灌泄水时间满足年通过能力要求。

5）闸室输水的水力特性曲线。闸室输水的水力特性曲线包括：流量系数与时间μt-t曲线、闸室水位与时间h-t关系曲线、流量与时间关系Qt-t曲线、能量与时间Et-t曲线、比能与时间Ept-t曲线及闸室断面纵向平均流速与时间关系Vt-t曲线等。

6）船舶停泊条件校核。按照闸室与引航道停泊条件分别校核。

闸室灌水时，闸室内停泊条件：

式中：PB为闸室内灌水初期的波浪力；PL为允许缆绳拉力的纵向水平分力。

闸室泄水时，船舶在闸室内所受的水流作用力取为由泄水水面坡降所产生的作用力Pi与闸室纵向流速所产生的流速力Pv之和，停泊条件为

引航道内的船队在闸室灌泄水时，所受的水流作用力为船队所受的波浪力和由上、下游引航道纵向流速所产生的流速力之和，其最大值发生在流量最大的时候。如设允许缆绳拉力的纵向水平分力为PL，则船舶在引航道内的停泊条件要求

（3）船闸阀门水力学问题。输水阀门一般有密封式和开敞式两种，阀门的开启方式影响输水时间、上下游引航道航行条件、闸室水流条件与船舶的停泊条件。对开敞式阀门，应校核输水阀门后廊道内是否产生远驱式水跃；对密封式阀门，需要验算阀门后水流收缩断面处廊道顶部的压力水头。对于短廊道的集中输水系统，为防止灌水时带入空气，阀门一般采用密封式。由于水位差较小，一般不产生空蚀，因而只需核算阀门后水流收缩断面处廊道顶部的压力水头。

3.航道整治水力学问题

（1）我国大中型河流的上游，多流经地势险峻、地形复杂的山区，河流滩险纵横，流态紊乱。中下游多流经广阔的冲积平原，河床往复变形，沿程深槽与浅滩相间。

面对复杂的河床演变和水沙运动，为了实现防洪、航运等功能目标，就需要综合不同要求，因势利导。一般情况下，长河段河道整治目的主要是为了防洪和航运，而局部河段的河道整治则是为了防止河岸坊塌、稳定工农业引水口及保护桥渡安全（图4.96和图4.97）。

图4.96　平原航道整治线布置

图4.97　河岸整治工程实例

由于水流、泥沙和河床的相互作用十分复杂，航道整治工程的有关数据多依赖工程实践积累的经验和航道的变化情况确定。有条件时，对重要和复杂的河段可进行水流和泥沙模型试验，验证和改进整治工程的规划与设计。

（2）在航道整治工程中，整治设计参数包括设计水位、整治水位与整治线宽度等，其中整治线宽度是断面设计中重要的技术参数。

(www.daowen.com)

图4.98　整治线平面布置图

整治线宽度就是整治水位时的河面宽度（图4.98）。如果整治线过宽，束水作用不明显。整治线过窄，流速过大可使航行条件恶化，局部冲刷过强，引起下游河段淤积。

整治线宽度确定方法有：经验法，理论计算法（水力学计算方法、输沙平衡方法），流速控制法。工程中常采用水力学公式确定该参数。

水力学计算方法：

设整治水位时整治前后Q、J、n不变，H2=ηt，其中t为航道要求水深，平原河流η=0.8～0.9，＞4时，η变化不大（图4.99）。则整治线宽度B2=。

图4.99　相关曲线图

4.丁坝及其水力学问题

（1）丁坝又称为“挑流坝”，为横向阻水的整治建筑物，是河道整治与航道整治中最常见的建筑物。丁坝常用作护岸、航道整治以及河道整治，如引水、分流、堵汊、造滩等。短坝俗称“垛”，起局部调整水流、保护河岸的作用。除此之外，丁坝还能调整分汊河道的分流比，控制分流，淤高河滩，保护河岸和海塘，挑出主流以防顶冲河岸和堤防。

丁坝底端与堤岸相接呈“T”字形，与河岸正交或斜交伸入河道中。

按丁坝平面形状分类有直线型、拐头型和抛物线型等（图4.100），直线型丁坝是常用的较好型式。

按丁坝与河宽的相对尺度分类有长丁坝、中长丁坝与短丁坝。长丁坝使水流动力轴线发生偏转，趋向对岸，起挑流作用。

按丁坝与水流方向的夹角，图4.101依次为上挑丁坝、下挑丁坝、正挑丁坝。

按丁坝与水位的关系有淹没丁坝和非淹没丁坝。用于航道枯水整治的丁坝经常处于水下，一般为淹没式。用于中水整治的丁坝，其坝顶高程有的稍高出设计洪水位，或者略高于滩面，一般洪水情况下不被淹没。当水流未淹没丁坝时，它能束窄河槽，提高流速冲刷浅滩。当水流淹没丁坝后，则会造成横向环流，横向导沙，增加航道水深。

按丁坝结构可分为实体丁坝和透水丁坝。

按丁坝的作用和性质又分为控导型和治导型两种。控导型丁坝坝身较长，一般坝顶不过水，其作用是使主流远离堤岸，既防止坡岸冲刷又改变河道流势。治导型丁坝工程的主要作用是迎托水流，消减水势，不使急流靠近河岸，从而护岸护滩、防止或减轻水流对岸滩的冲刷。

在实际工程中，丁坝的布置分为单坝和群坝。当在河道上只布置一道坝或两道坝间距较大，相互影响可忽略不计时，称为单坝；当河道上连续布置两道或两道以上丁坝，组成丁坝群联合作用时，称为坝群（图4.102）。

图4.100　丁坝平面及坝头类型

图4.101　丁坝布置形式

图4.102　丁坝坝群示意图

（2）丁坝水力学问题。由于丁坝在航道整治工程中得到广泛应用，因而对其水力学特性及与之关联问题的研究具有十分重要的工程意义，其中主要问题包括水面线、回流区、丁坝附近流场和紊动场、坝头冲刷、丁坝坝体及周围的压力场等（图4.103）。

图4.103　丁坝流场分区

丁坝在非淹没情况下的主要作用是束窄河床，提高流速以冲刷浅滩；或阻挡水流，以壅高上游水位、减缓水流比降。在河段修建丁坝以后，当水流流向丁坝时，由于受丁坝壅阻，使上游比降减缓、流速降低、水位壅高。当水流到达丁坝位置时，由于河面束窄，比降和流速迅速增大。水流流过丁坝后，由于惯性作用，水流会继续收缩，流速、比降迅速增大，水位降低，然后又逐渐扩散与天然河段相接，恢复到天然情况。

丁坝对水流作用产生两种影响：一是对主流时均运动的影响；其次是坝头涡系的扩散传播对紊动场的影响。实验表明：丁坝坝头诱发的剪切涡带在其向下游传播过程中与主流叠加，形成一条狭长的高能量强冲刷带向下游延伸。坝头冲刷的原因除了坝头涡的作用外，单宽流量集中也是其原因。

尽管丁坝在航道整治中得到广泛应用，运用一维分析方法可以解决其中一些不复杂的情况，但许多水力学基础问题尚待进一步深入研究。如丁坝修建后，局部地改变了流动形态，而坝体尾部旋涡的产生、分离和衰减会使水流呈现很强的三维紊动特性，相应流动结构变得十分复杂（图4.104）。对丁坝附近流动具有很强的三维非恒定特性，采用一维甚至二维方法追踪自由水面需做大量近似处理和参数估计工作，使得对复杂流动条件和对尚未建成工程对流动影响的预测变得十分困难。

图4.104　丁坝流场立体示意图

（3）丁坝水力计算公式。丁坝水力学要素包括水位、水深、流速等。在航道整治中首先要确定的是水面线，其目的是了解浅滩、急滩及险滩在整治前后各水力要素的沿程变化，以判断不同整治工程方案的效果及其对相邻河段的影响。

目前国内外在航道整治研究中对水面线计算一般仍采用恒定流的连续方程及伯努利能量方程式，该方法也纳入了我国航道整治水力计算规范（JTJ 312-2003《航道整治工程技术规范》）。

连续方程为

Q=Bhv

能量方程为

式中：Q为计算流量，m3/s；g为重力加速度；α为动能校正系数；为计算段平均流量模数，取；ξ为局部阻力系数；n为河段糙率；H1、H2为计算段上、下游断面的水位；v1、v2为计算段上、下游断面流速，m/s；hf为沿程水头损失，m；ΔL为上、下断面间距，m；hj为局部水头损失，m。

应用上述方程来求解水面线时，常用的方法有逐段试算法和图解法。该方法在应用中，河段糙率和局部水头损失系数对所推求的河道水面线精度影响很大，而这两个系数的准确率定一直是个难点。另外，当河段内沿程流速及上下断面形状变化较大时，计算会出现较大误差。

单丁坝壅水高度计算公式：

式中：ΔZ为单丁坝壅水高度，m；Q为计算流量，m3/s；g为重力加速度；ε为侧收缩系数，根据试验确定或采用类似情况的实测值，无资料时取0.80；φ为流速系数，根据试验确定或采用类似情况的实测值，无资料时取0.85；B2为建坝后计算流量下丁坝处水面宽度，m；H为B2范围内平均水深，m；v0为行近流速，m/s。

航道整治水力学内容十分丰富，可参考有关规范或文献。

习题

1.依据连续方程，丁坝坝头区域流态为什么可能是急流区？丁坝断面与收缩断面（图4.105）比较，哪个断面流速大？可能会发生何种不良情况？需要采取哪些相应的工程措施？

图4.105　丁坝束水平面图

2.分析上挑丁坝[图4.106（a）]根部为什么产生泥沙沉积？为什么下挑丁坝[图4.106（b）]根部产生冲刷现象？各有何利弊？

图4.106　非正挑丁坝过流结构

3.某山区河道进行航道整治，浅滩整治水位对应流量为538m3/s，B1=650m，H1=1.6m，床沙平均粒径为1mm。假设整治前后流量不变，要求整治后设计水位时航道水深1.6m，求对应的整治线宽度B2。

4.引航道布置需要确定哪些内容？一般采用哪些方法去确定这些内容？

5.例题在选择输水系统问题中提到“综合考虑其他因素”，请问通常要考虑哪些因素？如何考虑？为什么？

6.船闸输水系统常见的消能工有哪些类型？

7.船闸输水系统消能工一般如何布置？其水力计算的原则是什么？

8.如何确定短廊道的综合阻力系数？