南京水利科学研究院
发言人：胡亚安

    1    概述
    “十五”期间，随着国民经济的高速发展，以及西部大开发战略的实施，我国内河航运事业得到迅猛发展，一大批高水头船闸相继建成，如世界上水头最高、规模最大的三峡双线连续五级船闸，水头居世界单级船闸前10位的红水河大化、乐滩船闸，平面阀门应用水头最高的红水河桥巩船闸等等，还有一大批高水头甚至超高水头船闸正在设计和建设中，如单级水头达36.5m的乌江银盘船闸，西南地区规模最大的嘉陵江草街船闸，水头接近40m的大渡河安谷船闸等，这些船闸的建设大大促进了船闸水力学研究领域的科技进步，所取得的大批创新成果不仅解决了工程相关技术难题，也为解决我国西部河流超高水头船闸的关键技术奠定了坚实的基础。
    高水头船闸水力学关键技术问题可分为：
    （1）船闸输水系统整体水力学问题
    （2）阀门水力学问题
    围绕解决上述关键问题，“十五”期间我国在输水系统布置、阀门防空化措施及运行方式优化等三个方面取得了一大批富有创新价值的研究成果。

    2    创新内容
    2.1   双明沟消能及复合式廊道在输水系统的应用
    在已有的高水头船闸输水系统设计中，为了使水流能在闸室范围内分布均匀，常在闸室底部布置各种带有出水孔的纵向或横向的廊道，这些出水孔可以设在廊道顶部也可设在廊道侧面，设在顶部的出水孔需采用盖板消能，而设在侧面的出水孔则采用明沟消能。目前国内外已建船闸均采用单明沟消能。由于明沟的宽度有一定的要求，过宽过窄都不利于水流的扩散，因此单明沟消能的范围受到限制，为了使水流分布面广，就须增加廊道数，从而使布置复杂，费用增加，这尤其对闸底横支廊道输水系统的布置影响更大。
    2.2    解决高水头船闸阀门空化难题的创新技术
    为抑制高水头船闸阀门空化，美国根据其渠化河流的特点，一般采用快速开启阀门及门后廊道顶部通气的工程措施，廊道顶负压一般控制在-3.0m水柱。前苏联则通过延长输水时间达到降低阀门流速目的，从而改善阀门空化条件。
    由于我国河流水位变幅大，在某一水位下能实现廊道顶通气，而在另一水位下廊道顶又不能通气，在美国成功应用的廊道顶自然通气技术不能解决我国通航船闸阀门空化问题。此外为了提高船闸通过能力，输水时间不能太长，前苏联的措施在我国也行不通。为此，必须开发适合我国国情的减免阀门空化新技术。
    2.2.1  具有我国特色的门楣自然通气技术新进展
    门楣自然通气是我国独创的解决高水头船闸阀门空化问题的一项非常有效的工程措施。利用门楣缝隙高速射流的特点，在缝隙有负压的地方设置通气管，实现自然通气。门楣自然通气技术不仅直接减免了门楣缝隙空化，而且因门楣通气后在阀门后廊道形成的掺气水流覆盖了阀门底缘空化发生区域，对底缘空化也能起到较好的抑制效果。
    2.2.2   结构简单、工程量省的“平顶廊道体型＋小淹没水深＋门楣自然通气＋廊道顶自然通气”新技术
    2000～2001年，结合红水河大化及乐滩船闸，提出了“平顶廊道体型＋小淹没水深＋门楣自然通气＋廊道顶自然通气”新技术。
    该创新技术的核心是，阀门段廊道体型设计为最简单的平顶型式，允许阀门底缘出现较强空化（阀门后廊道顶的负压可以达到-10.0m水柱，远超过规范允许的-3.0m水柱），采用通气防护措施减免阀门强空化。
    该创新技术的优点是，阀门段廊道体型简单且廊道埋设深度浅，施工方便，工程量省。
    2.2.3  主动防护与被动防护相结合的“新型阀门段廊道体型＋各种通气措施”新技术
    在“十五”期间，针对多座高水头船闸，开发了主动防护与被动防护相结合的“新型阀门段廊道体型＋各种通气措施”新技术。
    该技术的要点是，通过阀门段廊道体型优化研究，改善阀门底缘空化条件，尽量减弱空化强度，但不追求完全不出现空化；对仍存在的底缘空化，利用门楣自然通气解决。对于阀门段廊道体型，吸取顶部突扩增加门后压力和底部突扩改善底缘空化流态的长处，提出“顶部突扩＋底部突扩”而侧面不扩大的新型廊道体型，并首次提出了升坎自然通气及跌坎强迫通气措施抑制新型廊道体型可能发生的空化。
    2.3   提高三峡船闸通过能力的新措施
    三峡船闸采用双线连续五级布置，其总水头113.0m，因上下游水位的变幅分别达30m和11.8m，船闸运行方式较为复杂。
    在上游水位蓄高到156m时，根据技术设计文件，船闸应采用五级运行方案。鉴于完建期第1闸首人字门尚不能投入使用，就需将船闸上游事故检修门当工作闸门使用，由于事故检修门开启和关闭一个周期耗时达35～40min，远大于人字门启闭（约12min）需要的时间，且第2级船闸需要补水，最大补水层厚度为13.35m。采用五级运行方案将大大影响船闸通航效率，导致船闸通航次数减少，通过能力降低。
    为此，从两个方面研究解决了156m蓄水位提高船闸通过能力的关键技术，取得了创新成果。
    2.3.1  156m水位船闸实施四级运行方式
    2.3.2  四级运行方式下改变下行船舶待闸位置

    3     推广应用情况
    3.1   双明沟消能及复合式廊道技术应用
    该技术可以推广应用至各种水头的船闸输水系统上。
    3.2   解决高水头船闸阀门空化难题新技术的应用
    该技术在“十五”期间得到大量工程应用，并取得了较好效果。
    嘉陵江草街、乌江银盘及红水河桥巩船闸都采用了“新型廊道体型＋各种通气措施”的新技术解决阀门空化难题，尤其是在水头达36.46m的乌江银盘船闸的应用，有力推动了船闸朝更高水头的发展。
    3.3   改变输水方式提高三峡船闸通过能力的效果
    通过科研、管理、设计与运输企业的紧密结合，该项成果均已及时得到应用。
    成果不仅可在船闸完建期应用，还可应用于完建后三峡船闸每年6个月的汛期低水位运行。

    4    总结
    4.1   双明沟消能及复合式廊道新技术
    船闸输水系统经历了几百年的发展，从最简单门上小门集中输水系统到当今最先进的立体分流等惯性输水系统。但在近半个世纪输水系统的发展没有新的突破。双明沟消能及复合式廊道新技术是对目前输水系统的进一步完善，应用在分散输水系统可以既简化结构又大大提高其消能效果，保证船舶停泊安全，而应用在集中输水系统则可以使其具有分散输水特性，从而降低集中输水系统固有的较大波浪力系数，同时其良好的消能性能又可省略集中输水系统船闸所必需的镇静段长度，创造了一种兼有集中及分散两种输水系统优点的局部分散输水系统。因此该成果具有自主创新性质，居国内领先、国际先进水平。
    今后将进一步不断通过工程实践，在集中及分散两大输水系统领域推广应用该创新成果，并从理论上进一步完善其设计方法。
    4.2   解决高水头船闸阀门空化难题新技术
    我国在解决阀门空化难题方面取得了较大的突破，形成了具有我国特色的成套技术，并得到工程验证：
    （1）观念上的更新
    以往大多从主动防护的角度出发，通过采取工程措施避免阀门发生空化，对于高水头甚至超高水头船闸，存在的问题是阀门段廊道布置较复杂，阀门处埋设深度较大，工程投资大。由于原型与模型试验存在缩尺效应，模型试验阀门无空化，并不能保证原型不发生空化。目前提出的创新技术，着重强调被动防护措施，并不要求阀门不发生空化，也不完全限制廊道顶负压值，根据工程规模及其重要性，可采用简单的或相对较复杂的廊道体型，而阀门处廊道一般埋设较浅，采用各种通气措施抑制阀门段存在的空化，其最大优点是效果可靠，结构简单，施工方便，工程投资小。
    （2）各种新技术的适用范围
    20m以下的中低水头船闸，可采用非常简单的平顶或者顶扩廊道体型，阀门后廊道高程一般与进入闸室的主廊道相同，采用门楣自然通气措施解决阀门空化问题。
    30m以上的超高水头船闸，推荐采用主动防护与被动防护相结合的“新型阀门段廊道体型＋各种通气措施”新技术。
    20～30m之间的高水头船闸，可根据船闸的重要性及规模，既可选择结构简单、工程量省的“平顶廊道体型＋小淹没水深＋门楣自然通气＋廊道顶自然通气”新技术，在平顶廊道体型下，根据门后廊道顶负压（控制在-5m～-8m水柱之间）确定阀门处廊道高程；也可选择主动防护与被动防护相结合的“新型阀门段廊道体型＋各种通气措施”这一更为可靠的新技术，根据阀门底缘处于发展空化阶段这一原则确定阀门处廊道高程。
    在“十一五”的研究中，一方面要解决闸室输水系统布置对通气措施的适应性问题，确定合理的通气量；另一方面着重研究解决50m级水头单级船闸阀门防空化、阀门结构体型及相应的启闭体系等关键技术。
    4.3   展望
    4.3.1   单侧闸墙主廊道输水系统布置及阀门水力学关键技术研究
    国内外高水头船闸一般采用双侧闸墙主廊道布置，当船闸地形地质条件适合船闸一侧闸墙采用衬砌式而另一侧采用重力式闸墙时，采用单侧闸墙主廊道输水系统具有结构简单、工程投资省等显著优点。由于该种型式在布置上缺乏对称性，对输水系统及阀门的设计要求更高，技术难度很大。对于输水系统布置，其难度在于如何保证闸室内廊道及出水孔流量的均匀分配和充分消能。而对于阀门水力学，两道阀门正常输水（单侧闸墙主廊道同样布置有两只阀门）时的工作条件相对较好满足，主要是单道阀门输水时，与双侧闸墙主廊道布置单边阀门输水相比，输水系统流量系数增加很多，阀门工作条件十分恶劣。我国对此实践经验不多，国外已建该种输水系统型式，船闸水头也均在15m以下。因此，拟结合规划设计中的草街二线船闸，开展该方面的关键技术研究。
    4.3.2  省水船闸关键技术研究
    省水船闸除节省船闸用水量（省水量一般可达48％～70％）保护珍贵的水资源外，尚具有降低船闸工作水头，减少解决阀门工作条件的技术难度以及简化船闸输水系统，改善上、下游引航道及闸室水流条件的优点，唯其缺点是工程量较大，运行程序较为复杂。因此，目前在我国尚属空白，对其研究亦属起步阶段。但由于其独特优点，随着高水头船闸，尤其通航运河的建设和水资源日益紧缺的情况下，该型式船闸将具有广阔的应用前景。
    4.3.3  加强船闸原型调试工作
    “十五”期间，对三峡、大化及乐滩船闸进行了时间不等的原型调试，及时发现并及时解决了调试中的技术问题，优化了运行参数，确保了船闸安全高效通航。实践表明，凡通过认真原型调试的船闸，其船闸的性能可以达到较佳的状态，过闸船舶及船闸设备的安全也可以得到保证，船闸的航运效益将十分显著。因此在高水头船闸建设中，要加强原型调试的工作，尤其对一些采用新技术新设备新型式的船闸性能除设计和科研时要充分论证外，在原型中都应经过详尽的调试和检验，从而为优化船闸性能创造充分的条件。

    回顾“十五”期间我国在船闸建设中所取得的巨大成就以及丰富的具有我国特色且经实践检验的大量创新成果，使我国在船闸水力学领域可以自傲地站在世界的前列，尤其是在解决高水头船闸阀门关键技术难题上，所形成的各种系列有效技术措施更处于世界领先水平。
    展望未来，我国的内河航运大规模建设还在起步，更多更高的船闸工程还有待建设，可以预期在已取得的大量新技术成果基础上将会有新的突破。目前正在进行的高水头单侧闸墙主廊道输水系统以及世界最高水头的省水船闸方案研究，将为我国全面赶上船闸建设和船闸水力学领域的世界先进水平提供良好的平台。
    我国所取得的创新成果的最显著特点是在理论基础与实践的紧密结合，每项创新成果都是在工程实践中提出又应用于工程实践，并经原型调试得出有论据的检验成果，这是我国在技术创新上能不断前进的主要体会。