船闸明沟消能研究综述

朱 磊

（重庆交通大学,四川 重庆400074）

0 引 言

船闸输水系统是完成闸室充泄水以实现船闸过船功能的关键部分，主要分为两类，即集中输水系统和分散输水系统。闸底长廊道侧支孔输水系统属于后者，该型输水系统是在闸底设置纵向输水廊道，利用多个出水支孔与闸室相连，水流通过支孔进出闸室。在输水过程中，为消耗经支孔进入闸室的大量能量，满足闸室内船舶的停泊条件，需要在出水支孔出口处设置消能明沟或消能盖板，消力梁等消能设施。

闸底长廊道侧支孔输水系统明沟消能工布置，有单、双和三明沟3 种型式。单明沟消能型式国、内外研究较为透彻，对于低水头、尺度小、通航要求较低的船闸，该布置型式基本可以满足规范和使用要求。双明沟国内对其有一定研究，在桂平二线、贵港航运枢纽二线等船闸中成功应用。但研究仅限于某些特定船闸，在细部结构优化布置研究方面并不充分。三明沟是近几年国内提出的一种布置型式，研究尚处于起步阶段，未曾用于实际工程。随着我国经济建设的不断发展，国内中水头、大尺度、通航要求高的船闸不断增多，船舶过闸安全与闸室消能问题间的矛盾越来越突出。鉴于此，为满足船闸水头、闸室尺度以及船舶通航条件等对闸室消能效果所需的更高要求，对双明沟、三明沟进行更为深入的研究显得尤为重要。

1 国内外研究现状和发展动态

消能工的选择及布置型式的优劣对船闸充、泄水效率，船只停泊条件的影响至关重要。闸室常采用盖板和明沟两种消能型式。前者一般分为裙带等高型、不等高型及翼型，布置型式分为凹形和凸形。后者研究最早开始于国外，20 世纪30年代，美国在部分船闸采用该消能型式。当时美国的很多船闸采用底部横支廊道输水，在横支廊道之间形成明沟槽，这些沟槽就是明沟消能工的雏形。其后，在下花岗岩（Lower Granite）、湾泉（Bay Spring）、新岸头（New Bankhead）等船闸中陆续得到应用。在我国，明沟消能型式首次运用于葛洲坝2 号船闸，此后该消能型式得到广泛运用，如四川涪江莲花寺、三台船闸、西江桂平一线等船闸。近来，随着明沟消能型式的广泛应用，我国研究人员在单明沟研究的基础上，提出了双明沟、三明沟消能方式。

2 明沟布置型式的研究

对单明沟消能型式，国内、外研究较为成熟。1959年，田纳西流域管理局着手考虑建设所属惠勒（Wheeler）、瓦特斯维列（Guntersviile）等船闸工程中，认为有两种方法可以改善水流条件和输水时长问题。第一种是将大量的支管分布于每侧闸墙的一个长距离范围，第二种是采用沿每侧闸墙设一条长而狭窄明沟槽，比较均匀地分散出流。随后，Thomas E 指出廊道支孔出流的集中水流在明沟中扰动剧烈，消能效果明显，并且明沟布置尺度与廊道支孔尺度有关。美国陆军工程兵团水道试验站对一系列船闸工程进行试验研究后提出，出水口为3 排支管的单明沟，其沟深应至少为1.8～2.5 m，4 排出水支管的沟深应为2.5～3.05m，沟宽相应为1.2～1.8 m。Ables[湾泉船闸输水系统进行研究后指出，明沟中加设挡槛后消能效果明显，挡槛悬臂宽度应为0.6 m；对于宽度为3.9～4.8 m 的明沟，挡槛悬臂应高于出水支孔0.3～0.46 m。但明沟加设挡槛后，闸室内纵、横向流速分布出现不均匀现象，易对过闸船舶造成不利影响。20 世纪60年代，美国陆军工程兵团水道试验站对哥伦比亚河流及斯内克河流上近十个高水头船闸的闸底横支廊道一排支管、单明沟消能布置输水系统型式，进行了较多的试验研究和工程实践。但未对一排支管、单明沟消能布置及消能效果进行专题研究。在国内，南京水利科学研究院针对葛洲坝2 号船闸闸底纵横支廊道、单明沟消能工布置，根据闸室水流横向分配、过闸船舶系缆力的相关研究，提出了对明沟宽度及高度的要求，即宽度B 应满足：

式中：b 为出水支孔的宽度，m；

明沟挡槛高度D 应大于出水支孔出流扩散后的高度，因此有：

式中：d0为出水孔高度，m；B 为明沟宽度，m。

同时该院与重庆交通大学西南水科所针对四川涪江莲花寺、三台船闸、西江桂平一线、长洲2号、大源渡、沙颖等船闸闸室内布置单明沟消能，从不同的角度研究了单明沟消能工布置及水力特性。

随着我国水利建设的不断发展，闸室消能对明沟消能效果要求进一步提高。因单明沟布置型式下，闸室水流分布面受到限制，从而减少了消能水体，限制了消能效果。为此，国内在单明沟消能的基础之上，提出了双明沟、三明沟布置型式：西江航运干线桂平二线船闸因单明沟布置型式的设计不能满足船队横向系缆力的要求，需要对消能明沟横向水流分配进行调整。经过模型试验，提出了双明沟消能型式，并对过水孔孔高及第二道明沟底高程的布置进行了优化，使得水流在横向得到均匀分配。张绪进针对贵港二线船闸输水系统水力学试验中出现的因原消能明沟布置设计不足，使得闸室横向水流分配不均，导致闸室船舶纵、横向系缆力超出规范允许值的情况，提出了三明沟消能工布置方案。并对消力梁开孔尺寸进行了优化。吕东伟、陈亮在此基础上指出双明沟消力梁上开孔高度应与闸墙出水支孔基本等高或略低均可；消力梁上开孔面积为出水支孔面积的6～7倍为最佳。但这一成果依托贵港二线船闸研究得出，不具有一般性。另一方面，桂平二线、贵港二线船闸虽都采用双明沟布置型式，经优化都能满足规范及使用要求，但在明沟底高程布置方面存在较大差异，前者第一、二道明沟底采取高程相同的布置型式，后者采用阶梯布置型式且第二道明沟高于第一道明沟，且明沟底高程对闸室消能效果影响的研究涉及甚少。同时，重庆交通大学西南水运科学研究所以及南京水利科学研究院结合“嘉陵江草街航电枢纽通航船闸关键技术研究”，桂林春天湖船闸、长洲等船闸工程项目对双明沟布置也做了有益的研究。

3 明沟消能机理及消能效果研究

在明沟消能机理方面，杨忠超等针对高水头船闸，通过局部水工模型试验和三维数值模拟，对闸室明沟消能机理做了较为系统性的研究。通过分析流速分布、剩余比能、水面波动和紊动能耗散率等参数，得出明沟的主要消能机理：1）侧支孔的突扩生成大量漩涡消能；2）高速水流冲击挡板和闸室边墙生成漩涡消能；3）上升水流的相互掺混消能。

在消能效果研究方面，杨忠超、陈亮依托闸墙长廊道侧支孔输水系统，将单、双和三明沟消能效果进行比较。通过对不同明沟布置型式下，闸室流速分布、剩余比能及断面流速等特征值的比较，得出双明沟消能效果远优于单明沟消能，三明沟优于双明沟。其主要原因是，随着明沟布置数量的增加，明沟的消能体积增大，在平面上扩大了水流扩散面积，同时通过改变消力槛上的透水孔面积进一步调整了闸室的水流分布，从而可获得较好的水流条件，提高了停泊在闸室内过闸船舶的安全性。杨斌、陈明栋、刘保军等将明沟同盖板消能型式进行对比研究后得出：在流速分布方面，采用明沟型式的闸室流速分布较采用盖板型式的闸室流速分布均匀；流速大小方面，采用明沟型式闸室流速小于采用盖板型式闸室流速。但该试验所得结论具有一定的局限性：实验方案仅针对一组消能工布置型式进行对比分析，且未就该组消能工布置方案进行单独优化；此外，船舶系缆力作为闸室水面波动情况的综合反映，在对消能工消能效果进行比较时应予以考虑。王召兵同样对采用明沟和盖板两种消能型式的闸底长廊道输水系统进行了对比试验。在模型设计时，考虑到为使两者具有可比性，试验采用的两种输水系统进、出水口及阀门前的廊道均相同。试验围绕不同消能工布置型式的输水系统充、泄水水力特征值、输水廊道各段阻力系数、闸室流态以及闸室内船舶系缆力进行对比分析，得出采用明沟的输水型式由于主廊道宽度较采用盖板的输水型式窄，导致出水较集中，闸室充水时水面横比降较大，闸室内易形成漩涡等不良流态；采用盖板的输水型式，由于主廊道得以扩宽，且在廊道顶布置多排出水缝和消能盖板，有利于减小输水系统阻力系数，缩短输水时间，减小闸室充水时的水面横比降，改善闸室停泊条件。但这一对比研究实质上是对盖板与明沟两种消能型式在闸室宽度适应性方面的验证性研究，得出盖板消能在闸室宽度适应性方面优于明沟消能。现阶段，在消能效果研究方面，单明沟与多明沟布置型式、明沟与盖板消能型式的对比研究较为充分，所得成果部分已用于实际工程。

4 结论及展望

综上所述，关于明沟布置和消能特性的研究多针对特定工程，并未就明沟布置的一般情况进行系统分析和细部优化设计对比。具体而言，由于船闸输水系统在闸底廊道支孔布置、出流方面存在差异，致使双明沟布置型式具有较大不同。但现阶段对双明沟的研究仅限于某几个船闸，明沟细部结构布置的差异性未能清楚呈现，因而其布置原则在研究所得成果中难以系统体现；消力梁对支孔出流水体具有二次消能作用，且梁上开孔尺度直接影响闸室消能效果。鉴于消力梁在闸室水体消能方面的重要作用，对其进行优化设计研究具有重要意义。此外，明沟底高程的确定对闸室开挖工程量及闸室消能效果有较大影响，但现阶段明沟底高程的布置存在较大差异，差异存在的原因及其对闸室消能效果影响的研究有待进一步探索。因此，针对闸底长廊道侧支孔输水系统，深入研究消力梁孔口与出水支孔尺度间的关系，系统性地探究双明沟不同布置型式的消能效果及优化布置原则，不失为一种直观高效的研究方法。所得研究成果可为中高水头、大尺度船闸提供科学、合理的设计依据。

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