董思遠(yuǎn) 王喬 張楠 何良德

摘 要：船舶過(guò)閘方式影響船閘通過(guò)能力和用水量。本文基于一次過(guò)閘時(shí)間的灌泄水時(shí)間項(xiàng)分析，導(dǎo)出了多級(jí)船閘一次過(guò)閘用水量計(jì)算公式;基于船閘省水原理，提出了雙線(xiàn)多級(jí)互通船閘、多級(jí)帶省水池船閘省水率的計(jì)算方法。研究表明，船舶到閘量較小時(shí)，互通船閘可能只需要一線(xiàn)非省水運(yùn)行，單級(jí)互通船閘省水率小于50%。多級(jí)船閘應(yīng)分別計(jì)算閘室水頭分擔(dān)率、互灌互泄或帶省水池的閘室耗水率、運(yùn)行方式影響系數(shù)，三者乘積為船閘耗水率，最終可得船閘省水率。

關(guān)鍵詞：多級(jí)船閘;一次過(guò)閘用水量;省水池;互灌互泄;省水率

1引言

采用低壩渠化、雙線(xiàn)互通船閘、帶省水池船閘、多級(jí)船閘以及帶中間閘門(mén)等型式或措施，可以節(jié)省船閘運(yùn)行時(shí)的用水量。德國(guó)內(nèi)卡河27個(gè)梯級(jí)船閘，其中23個(gè)梯級(jí)采用雙線(xiàn)互通船閘[1]，美因-多瑙運(yùn)河16個(gè)梯級(jí)船閘，其中13座采用帶省水池船閘[2]。巴拿馬運(yùn)河第一、第二線(xiàn)[3]為雙線(xiàn)三級(jí)互通船閘，閘室?guī)е虚g閘門(mén)，第三線(xiàn)[4]為帶省水池的三級(jí)船閘。我國(guó)省水船閘相對(duì)較少，僅有長(zhǎng)洲三線(xiàn)、四線(xiàn)[5]、飛來(lái)峽二、三線(xiàn)[6]兩座雙線(xiàn)互通大型，首批小清河帶省水池船閘[7]正在建設(shè)中。

目前，對(duì)多級(jí)船閘、互通船閘、省水池船閘的省水率分別給出了定義和計(jì)算方法[8]，尚未明確多級(jí)互通船閘或多級(jí)帶省水池船閘省水率計(jì)算方法。本文通過(guò)一次過(guò)閘時(shí)間[9]的灌泄水時(shí)間項(xiàng)，導(dǎo)出多級(jí)船閘一次過(guò)閘用水量計(jì)算公式，可以考慮船閘運(yùn)行方式對(duì)用水量的影響。分別提出了閘室和船閘省水率的計(jì)算思路，針對(duì)雙線(xiàn)互通船閘聯(lián)動(dòng)的運(yùn)行特點(diǎn)，考慮了單線(xiàn)運(yùn)行概率及其對(duì)省水率的影響。給出了多級(jí)雙線(xiàn)互通船閘、多級(jí)帶省水池船閘的省水率計(jì)算方法和實(shí)例分析。

2普通多級(jí)船閘省水率

2.1過(guò)閘時(shí)間

2.2閘次用水量

過(guò)閘用水量是船閘耗水量主要組成部分，是指船舶過(guò)閘時(shí)，閘室灌泄水所耗用的水量。

2.3船閘省水率

耗水率Fm、省水率Em與船閘總級(jí)數(shù)以及過(guò)閘方式等因素有關(guān)。九里溝單線(xiàn)二級(jí)船閘m=2，設(shè)成批過(guò)閘比αm=0.5，nH、nB不影響耗水率，F(xiàn)m=50%，Em=50%。三峽雙線(xiàn)五級(jí)船閘m=5，單向運(yùn)行，αm=0，F(xiàn)m=20%，Em=80%。

多級(jí)船閘主要是通過(guò)降低閘室分擔(dān)水頭ξH，減小泄水棱體V0，達(dá)到省水效果的。在閘室分擔(dān)水頭一定的條件下，可以采用帶省水池船閘或互灌互泄船閘，減小直接泄向下游的水體，到達(dá)節(jié)省船閘用水的目的。

3互灌互泄雙線(xiàn)船閘省水率

3.1互灌互泄船閘省水原理

雙線(xiàn)相互輸水運(yùn)行方式，先通過(guò)連通廊道進(jìn)行相互輸水，待兩線(xiàn)閘室水頭差減小到一定的剩余水頭e后，關(guān)閉連通廊道閥門(mén)，同時(shí)開(kāi)啟各自的充（泄）水閥門(mén)以完成剩余的輸水過(guò)程?；ス嗷バ沟拈l室不能降低連通閥門(mén)的工作水頭，而且要求其能夠承受雙向水頭。工作原理如圖1所示，閘室分擔(dān)水頭Hc，省水高度為t，用水高度為tF。

3.2船閘省水率

互灌互泄的運(yùn)行方式使得雙線(xiàn)船閘產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)。雙線(xiàn)連續(xù)多級(jí)船閘一般采用單向過(guò)閘，因此可能有雙線(xiàn)對(duì)向、雙線(xiàn)同向、單線(xiàn)單向等三種組合方式，其中αm=0?；ス嗷バ箷r(shí)，對(duì)向行駛的船舶可同時(shí)停泊在相鄰閘室中，同向行駛的船舶則需要錯(cuò)開(kāi)一個(gè)閘室。

雙線(xiàn)船閘的相應(yīng)操作同步性要求高，造成延誤的可能性大。船閘連續(xù)級(jí)數(shù)越多，運(yùn)行可靠度越低，對(duì)通過(guò)能力的影響甚于單級(jí)船閘。這也是巴拿馬一線(xiàn)、二線(xiàn)多級(jí)船閘現(xiàn)在很少使用互灌互泄省水方式的原因。

3.3計(jì)算實(shí)例

巴拿馬運(yùn)河是連接太平洋和大西洋的重要航運(yùn)通道，全長(zhǎng)81km，1914年同時(shí)建成通航的雙線(xiàn)船閘，包括連接大西洋的加通連續(xù)三級(jí)船閘（水頭25.9m），連接太平洋的佩德羅·米格爾一級(jí)船閘（水頭9.5m）、米拉弗洛雷斯連續(xù)二級(jí)船閘（水頭13～20m）。

一線(xiàn)、二線(xiàn)為互灌互泄雙線(xiàn)孿生船閘，基本尺度304.8×33.53×12.8m。雙線(xiàn)船閘采用分散輸水系統(tǒng)，共設(shè)三個(gè)長(zhǎng)廊道，邊墻各設(shè)一個(gè)，中墻共用一個(gè)，橫支廊道互相交錯(cuò)布置，頂部各有5個(gè)出水孔（如圖1所示）。

設(shè)e=0m，F(xiàn)d=50%，Ed=50%，β=80%，F(xiàn)s=60%、Es=40%，大西洋側(cè)加通三級(jí)船閘單向運(yùn)行，ξ=1/3，F(xiàn)m=20%，Em=80%。

4帶省水池船閘省水率

4.1帶省水池船閘省水原理

以1級(jí)省水池為例，工作原理如圖2所示。閘室分擔(dān)的水頭差Hc，閘室泄水時(shí)水體V1泄向省水池，剩余的水體VF泄向下游;閘室灌水順序與泄水相反，將省水池內(nèi)的水體V1灌入閘室，最后不足的水體VF由上游補(bǔ)充。

4.2 船閘省水率

根據(jù)帶省水池船閘工作原理，可得閘室在一個(gè)灌泄水循環(huán)過(guò)程的用水高度tF

4.3計(jì)算實(shí)例

巴拿馬運(yùn)河第三線(xiàn)船閘于2016年竣工，在大西洋側(cè)的阿瓜克拉拉船閘、太平洋側(cè)的可可里船閘，均為連續(xù)三級(jí)船閘，每個(gè)閘室設(shè)置3個(gè)省水池（如圖3所示），基本尺度426.72m×54.86m×18.29m。閘室創(chuàng)新性采用了閘墻側(cè)邊兩區(qū)段動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，提高了閘墻出流的縱向均勻性。省水池的兩組一對(duì)廊道分別在閘底1/4中心處水平分流，連接兩側(cè)支廊道，使得省水池灌泄水為四區(qū)段運(yùn)行。

省水池面積比χ=1，n=3，不考慮剩余水頭影響，閘室耗水率Fb=40%，省水率Eb=60%。巴拿馬運(yùn)河共有三線(xiàn)船閘，閘室水頭分擔(dān)率ξ=1/3，可采用單向過(guò)閘方式，km=1.0，船閘耗水率Fm=13.3%，省水率 Em=86.7%。

5結(jié)論

（1）船舶到閘量較小時(shí)，互通船閘可能只需要一線(xiàn)非省水運(yùn)行?；ネùl省水率應(yīng)考慮互灌互泄運(yùn)行閘次比率的影響，單級(jí)互通船閘省水率小于50%。

（2）互通船閘級(jí)數(shù)越多，過(guò)閘同步操作要求越高，發(fā)生延誤可能性越大，運(yùn)行可靠度越低，對(duì)通過(guò)能力影響遠(yuǎn)甚于單級(jí)互通船閘。這也是巴拿馬一線(xiàn)、二線(xiàn)多級(jí)船閘現(xiàn)在很少使用互灌互泄省水方式的原因。

（3）多級(jí)船閘應(yīng)分別計(jì)算水頭分擔(dān)率、互灌互泄或帶省水池的閘室耗水率、運(yùn)行方式影響系數(shù)，三者之積為船閘耗水率，最終可得船閘省水率。

參考文獻(xiàn)：

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