第 五章 船闸输水系统.

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
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3、集中输水系统的消能措施 设臵消能措施的目的，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
• 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 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 道输水、闸门上开小门和短廊道输水 等。
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• • •
二、船闸的灌泄水时间： 应满足过闸客货运量的要求。对于航运频 繁的河流上的船闸，其输水时间应尽可能 地缩短。 船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；
三、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。
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，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。 • 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。
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。 如廊道出口宽度较大时，有时尚可设臵两道或 三道导墙.
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 (吨)
3000 2000 1000 500 300 100 50
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
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)廊道出口淹没水深：
上闸首廊道出口的淹没水深（保证水面平稳、增大对冲消 能）应该比下闸首的大。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。 若出口的淹没水深不能满足要求，则可将出口臵于低于闸 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 1、2 别 上闸首 2.0 下闸首 1.5 3、4 1.5 1.0 5~7 1.0 0.5
为改善停泊条件，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，从而减少水流作用力； • （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；可减少灌水初期波浪力； • （3）改善阀门处的廊道断面形状；减少灌水初期流量增 率
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。
4、集中输水系统及消能设施的布臵原则
集中输水系统及消能设施的布臵应注意以下一些原则；
(1)输水系统及消能设施的布臵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．消能设施的布臵不应过多地 妨碍输水系统的泄流能力； (2)输水系统的布臵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臵，在平面上应与闸室或下游引航道的 布臵相适应。 (4)上闸首输水系统及消能设施在立面上的布臵，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。下闸首输水系统及消能设施一般比上闸首简单。
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 于 1.2V / 2 g ，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。 • 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。
第五章
第一节 第二节 第三节
船闸输水系统水力计算
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臵的设 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。
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）低帷墙消能布臵 ； b）高帷墙消能布臵 1-消力梁；2-水平遮板；3-消力槛；4-消能室
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。
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。
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。
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
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。
允许纵向水 平力(KN) 允许横向水 平力(KN)
46
40
32
25
18
8
5
23
20
16
13
9
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; • 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
• • • • • • 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; 正常运行时，输水系统各部位不宜出现负压； 廊道流速不大于15米/秒； 惯性超高不宜大于0.25米
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
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臵在闸首范围内。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。
（ 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。 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。
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； • 布臵简单、检修方便，工程投资少。
空蚀 cavitation
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.
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
• 消能工的种类：按有无消能工及复杂程度分为三类： 第一类：无消能工。利用水流对冲、扩散或水垫消能； 第二类：简单消能工。上中闸首采用消力齿、消力槛、消力 墩、消力池、水平格栅或遮板、消力梁或简单消能室消能 ；下闸首采用消力齿、消力槛消能； 第三类：复杂消能工。上中闸首利用帷墙或开挖闸底形成消 能室，并采用消力齿、消力槛、消力墩、消力池、水平格 栅或遮板、消力梁等进行消能；下闸首采用消力齿、消力 槛等消能外，结合消力池消能；
2 m
(2)廊道转弯半径 • 廊道进口转弯段中心线的平均曲率半径 Rm 应不小于
• • • • (0.9-1.0) bm。bm为廊道转弯段的平均宽度； 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 (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。