第5章船闸输水系统水力计算（可编辑）

集中输水系统可分为以下3类：
• (1) 短廊道输水:
•
无消能室短廊道输水
•
有消能室短廊道输水
•
槛下输水
• (2) 直接利用闸门输水 :
•
三角闸门门缝输水
•
平面闸门门下输水
•
弧形闸门门下输水
•
闸门上开小门输水
• (3) 组合式输水由以上所述的任何两种形式组合 而成，闸 门和闸门上开小门输水、闸门和短廊
• 闸室灌水过程水流作用力的特点： （1）灌水初期：流量增率较大，加之闸室内
水深较小，闸室过水断面小，闸室水面形 成较大的倾斜，将产生较大的波浪力；
（2）灌水中期：流量较大，水流具有的能量 也较大，局部力将较大；
（3）流速力的大小取决于闸室内水流流速的 大小，与波浪力和局部力相比，相对较 小。
2．集中输水系统的形式
短廊道输水开敞式帷墙消能室
挡板与遮板
挡板是直立的，遮板是水平的。挡板主要是用来阻挡 水流的冲击并迫使水流转变方向，遮板是用来促使水 流旋滚消能，并防止水面翻滚以稳定水面。
消力池 消力池是用以增大消能的水深．以增强消力齿(槛)及消力墩的消能作 用。消力池可用于上、下闸首，消力池的末端常以坎和下游连接
若出口的淹没水深不能满足要求，则可将出口置于低于闸底的
消力池内，也可将廊道出口断面改扁，或者将廊道出口顶部加
一水平横梁，以便将出口水流下
压
廊道出口最小淹没水深
船闸级别 1、2
3、4
5~7
上闸首 2.0
1.5
1.0
下闸首 1.5
1.0
0.5
出口断面：
• 廊道出口断面应该大于阀门处廊道断面， 出口断面扩大了，一方面降低了出口流速 ，减少了出口损失，另一方面也扩大了对 冲面积，增大了消能效果。但廊道出口的 扩大也不应增大闸首尺寸。
允许纵向水 46 40 32 25 18 8 5 平力(KN)
允许横向水 23 20 16 13 9 平力(KN)
4
3
应注意的两个问题：
• 船舶或顶推船队所受的作用力应按一根缆绳 承担;
• 对于顶推船队的允许缆绳拉力，应取船队中 的单船排水量计算，这是由于缆绳是依据单 艘船舶配备的缘故。
四、输水系统运转安全技术指标和要求
第五章 船闸输水系统水力计算
第一节 第二节 第三节
概述 船闸输水系统类型及选择 船闸水力计算
第一节 概述
一、船闸输水系统的组成及基本要求 二、船闸灌泄水时间 三、船舶停泊条件 四、输水系统安全技术指标和要求
一、船闸输水系统的组成及基本要求
1．船闸输水系统的组成 在船闸建筑物上为闸室灌水和泄水而设置的设 施，包括进水口、输水廊道、输水阀门、出水 口及消能工、镇静段等全部设施称为船闸的输 水系统。
缆绳所能承受拉力的确定：
缆绳破坏强度依据缆绳材料和尺寸确定， 主要是由船舶的特征尺寸(长、宽、型深等) 和近似地根据船舶的排水量确定。
缆绳拉力的允许值可由缆绳破坏强度和安 全系数确定。或直接采用规范规定值．
船舶允许系缆力
船舶吨位( 3000 2000 1000 500 300 100 50 吨)
(2)输水系统的布置要便于水流的消能及均匀扩散。因此，输水系统 的出口应尽可能地扩大和分散，并应注意出口水流的均匀；
(3)输水系统和消能设施的布置，在平面上应与闸室或下游引航道的 布置相适应。
(4)上闸首输水系统及消能设施在立面上的布置，应考虑到输水过程 中闸室水位的变化，尤其要适应灌水时闸室最大平均流速出现时 刻的闸室水位。而在泄水过程中，下游引航道的水位几乎是不变 的，所以，下闸首输水系统及消能设施布置主要考虑下游最低通 航水位时的工作情况。
消力槛
消力槛的作用主要是将底部较大的流速向上挑起．并利用撞击达 到消能扩散的目的。消力齿是一个锯齿形的消力槛，它的作用与 消力槛相同，但其竖向扩散的作用要比消力槛大。
5-33 下闸首短廊道输水设消力槛 a）不对称引航道设单道消力槛 ； b）不对称引航道设多道消力槛
1-消力槛； 2-分水导墙
消力粱
• 固定系船设备：水面升降速度不大于5~6cm/s; • 上游引航道内纵向流速应不大于0.5~0.8m/s; • 下游引航道内纵向流速应不大于0.8~1.0m/s;
第二节、船闸输水系统类型及选择
船闸输水系统的形式主要可分为集中输水系 统和分散输水系统两大类型。 • 输水系统选择判别标准： m = T
种：
• 消能室 • 消力槛及消力齿 • 消力粱 • 消力栅 • 消力墩 • 挡板与遮板 • 消力池
廊道进口
廊道消能
消能室
• 利用闸首帷墙的高度或 将闸底部分挖深而成的 一个顶部封闭或开敞的 消能空间。
• 消能室以及出口可设其 他消能构件，使水流能 调整成与水深相适应的 均匀水流进入闸室。消 能室常用于帷墙的上、 中闸首。
1．集中输水系统的水力特性
灌入(或泄出)闸室的水体完全集中地由靠近 闸首的一端流入(或流出)，由于水流的流 动，对过闸船舶产生作用力，可分为三个部 分： （1）流速力：水流的纵向运动，对过闸船舶 产生作用力； （2）波浪力：由于流入(或流出)闸室的流量随 时间而变化，水流由闸室一端向另一端推 进，从而在闸室内形成长波，使闸室水面倾 斜．对过闸船舶产生作用力，即波浪力。
• 为了减少进口损失，廊道进口轮廓应稍加修圆，修圆半 径可取为0.1-0.15倍廊道进口宽度。
(2)廊道转弯半径
• (廊0.9道-1进.0口) b转m。弯b段m为中廊心道线转的弯平段均的曲平率均半宽径度Rm；应不小于
• 廊道内侧的曲率半径γ可取为0.15H，H为设计水位差
。 • 廊道出口转弯段中心线的平均曲率半径Rm应不小于
在流动的液体中，当局部区域的压力因某种原因而突然 下降至与该区域液体温度相应的气化压力以下时，部分 液体气化，溶于液体中的气体逸出，形成液流中的气泡 （或称空泡），这一过程称为空化。 空泡随液流进入压力较高的区域时,失去存在的条件而突 然溃灭,原空泡周围的液体运动使局部区域的压力骤增。 如果液流中不断形成、长大的空泡在固体壁面附近频频 溃灭，壁面就会遭受巨大压力的反复冲击，从而引起材 料的疲劳破损甚至表面剥蚀，这就叫空化剥蚀，简称空 蚀，又称气蚀。表面的空蚀现象经常发生于水泵、水轮 机和船舶螺旋桨的叶片表面，以及高水头泄水建筑物的 局部表面上。
（3）由于水流集中地进入闸室，残余能量都集 中在靠近闸首一端的闸室段内，加之流速分布 不均匀，因而造成水流的局部紊乱和局部水面 下降的现象，使船舶受到冲击和吸力，对船舶 产生另一种水流作用力，这种水流作用力称为 局部力。
局部力的消除：
为了减少局部水流对船舶的影响，通常在水 流出口采取一定的消能措施．使水流经消能后 在一段距离内得到扩散。使水流得到扩散的范 围称为镇静段，在镇静段内不能停泊船舶。
5-3 槛下短廊道输水 a）低帷墙槛下输水 ； b）高帷墙槛下输水 1-水平遮板；2-消力池；3-消力梁；4-阀门
5-4 三角形闸门门缝输水示意图
5-5 平面闸门门下输水开敞式消能室
5-6 弧形闸门门下输水 a）低帷墙消能布置 ； b）高帷墙消能布置 1-消力梁；2-水平遮板；3-消力槛；4-消能室
(1.0-1.4) bm；
• 廊道出口内侧的曲率半径γ可取为(0.2~0.25)H；
• 廊道其他部位转弯段的Rm不小于1.0bm。
(3)廊道出口
淹没水深：
上闸首廊道出口的淹没水深应该比下闸首的大（增大消能效
果，下闸首的消能要求较低）。根据目前的设计经验，上闸首 廊 道 的 淹 没 水 深 应大 于 1.0 ～2.0m，下闸首的应大于 0.5～ 1.5m。
2．输水系统的设计应满足下列基本要求
• 灌水和泄水时间不大于为满足船闸通过能力所规定的 输水时间；
• 船舶(队)在闸室及上下游引航道内具有良好的停泊条 件和航行条件；承受的系缆力小于规范允许值。
• 船闸各部位不应因水流冲刷、空蚀等造成破坏； • 布置简单、检修方便，工程投资少。
空蚀 cavitation
于 1.2V 2 / 2g ，以保证廊道进口顶部不致产生负压，避免吸 入空气和飘浮物，（其中，Vm为最大流量时廊道进口断 面的平均流速；g为重力加速度。 • 廊道进口断面的平均流速不应大于4m/s。流速太大，一 方面将增大进口损失，另一方面也容易产生较强烈的进 口漩涡，而降低输水效率和吸入飘浮物体，甚至会危及 停泊在闸首附近的小船的安全。
重点掌握: • 进口、出口淹没水深要求；为什么要设淹没
水深；
• 进口、出口淹没水深是否一致，为什么； • 为什么进口流速不能大于4m/s， • 廊道的转弯半径与何因素有关； • 廊道出口断面为什么要扩大；扩大多少；
二、船闸分散输水系统的主要形式及其水力特性
分散输水系统的概念
• 分散输水系统是将输水系统分散布置在闸首 及闸室内。
消力梁的作用主要是调整竖向流速分布。由于它需要一定的空 间，因此，多用在有帷墙的上、中闸首．常见于消能室的出口。
1-消力梁；2-水平遮板；3-消力槛；4-消能室
消力栅
消力栅由一排或多排立柱所 组成，其作用是调整横向流 速分布，稳定水面。
消力墩 消力墩是若干个较矮的立
柱．常用多排交错排列。它一 方面有挑流作用，另一方面也 起立柱式消能和调整横向流速 分布的作用。
5-7 闸门上开小门输水设导流板及消力槛和消力池
5-8 三角闸门和短廊道的组合式输水
3、集中输水系统的消能措施
设置消能措施的目的，就是要使船闸灌 泄水时的剩余能量尽可能多地在进入船 舶停泊处以前就被消耗掉，使水流平 静，流速分布均匀。
消能设施大多设在闸首以及靠近闸首的 闸室段。
船闸采用的消能措施一般有以下几
道输水、闸门上开小门和短廊道输水 等。
5-1 无消能室的短廊道输水 a）短廊道输水不设消能室； b）短廊道输水设消力槛； c）短廊道输水设消力槛和消力池 1-消力槛；2-分水导墙；3-竖向鼻槛；4-消力池；5-顶横梁
5-2 有消能室的短廊道输水 a）低帷墙消能室 ； b）高帷墙消能室 1-横拉门，2-消能室，3-消力槛，4-消力梁，5-分水导墙，6-隔墙
为减少波浪力及流速力， 在船闸运转中采取的措施
• （1）均匀慢速开启输水阀门，以减少灌水 过程中的流量及流量增率；
• （2）变速开启阀门，灌水初期较小的开启 速度，后期增大开启速度；
• （3）改善阀门处的廊道断面形状；
5．短廊道输水系统的布置要求
(1)廊道进口 • 廊道进口顶部在最低水位以下的实际淹没深度至少应大
船闸的灌泄水时间：
• 应满足过闸客货运量的要求。但对于航运 频闸的灌泄水时间一般多定为7～15min； • 对于水头较大的大型船闸，取大值； • 通过能力要求高的船闸取小值；
3.船舶的停泊条件
在船闸灌泄水过程中，它主要决定于闸室灌 泄水时水流对过闸船舶的作用力的大小，通常 是以过闸船舶所受的水流作用力不大于过闸船 舶的系船缆绳所能承受的允许拉力作为具体 的衡量指标。
H
m>3.5 采用集中输水系统 m<2.5 采用分散输水系统 2.5<m<3.5进行技术经济论证 m—判别系数 H—设计水头，m Ｔ－－灌泄水时间（min)
一、集中输水系统:
概念： 是将输水系统集中布置在闸首范围内。灌 水时，水经上闸首由闸室的上游集中流入闸 室；泄水时，水从闸室的下游端经下闸首泄入 引航道，因而也称为头部输水系统。
• 根据已有设计经验，廊道出口断面可取为
1.2～1.6倍的阀门处廊道断面。
z 由于廊道出口一般紧接在弯段之后，为了使廊 道出口水流比较均匀，在出口弯段应加设起点 位于弯段开始断面的分水导墙，起点在廊道正 中而略偏向外侧约0.05倍廊道宽度。
z 如廊道出口宽度较大时，有时尚可设置两道或 三道导墙.
(4)廊道直线段:直线段长1.3~2.5倍廊道宽; (5)输水阀门位置:高程较低的直线段
• 灌、泄水时，水流通过设在闸室底或闸室墙 内的纵向输水廊道上的一系列出水支管，出 水孔分散地流入闸室，因而也称为长廊道输 水系统。
1．分散输水系统的水力特性
下闸首短廊道输水设消力槛及消力池 1-消力槛； 2-尾槛； 3-消力池； 4-分水导墙
4、集中输水系统的布置原则
集中输水系统及消能设施的布置应注意以下一些原则；
(1)输水系统及消能设施的布置要满足输水能力的要求。亦即输水系 统的水力损失要小，流量系数要大．消能设施的布置不应过多地 妨碍输水系统的泄流能力；