三峡船闸水力学问题综述（闵宇翔）

通航建筑物总体布置确定之后，船闸水力学问题就是影响船闸运行的主要因素。为此，从三峡工程论证以来各有关方面针对三峡船闸水力学问题进行了大量深入的试验研究及调研工作。本文结合葛洲坝船闸的运行实践来论述二峡船闸水力学的有关问题。

1 船闸水力学问题的主要因素

高水头船闸水力学问题集中反映为闸空停泊条件和阀门工作条件问题。葛洲坝船闸的运行实践表明，前者主要表现为超灌超泄问题，后者即为阀门区气蚀和声振问题。

1.1 超灌超泄问题

高水头船闸经常存在超灌超泄问题。较大的反向水头不仅损伤人字门启闭机的构件，而且在闸室内形成明显的纵向水流，对闸室内船舶的停f白条件有严重影响。葛洲坝一、二号船闸在试航时都曾发生过因惯性水头过大而断缆的情况。在人字门开启的瞬间系船柱所受冲击力大于20t。

1.2 阀门段气蚀和振动问题

阀门段空化和启门力脉动是困扰阀门运行的主要问题。葛洲坝一号船闸原型观测表明；阀门段有空化，过大的启门力脉动并伴有强烈的声振。二、三号船闸检修时曾多次发现反弧门支铰基础螺栓松动；反弧门面板、门楣、止水轨道蚀损；顶止水撕裂；反弧门后至检修门槽之间廊道混凝土墙面有大面积蜂窝状蚀坑等。

2 船闸水力参数的选取

三峡水利枢纽采用连续五级船闸，总水头113m，单级最大工作水头45.2m。其各项水力指标都达到和超过目前世界水平，主要水力参数(中间级闸室)与葛洲坝一号船闸对照如表1。

船闸水力学设计首要的是选取一个合适的流量系数和充泄水时间，使其有较好的输水效率和停泊条件。恰到好处地解决这一矛盾，这直接关系到船闸运行和通过能力的大小。葛洲坝船闸的运行安全实践为三峡船闸积累了经验。葛洲坝一号船闸由于选取的流量系数过大，致使超灌超泄较大，对船闸运行带来了不利影响。二峡船闸采用了葛洲坝一号船闸的输水系统型式，并在满足设计输水时间要求的前提下尽量选取较小的流量系数值，较好地解决了两者的矛盾。两个输水系统布置特征值如表2。

为了降低流量系数，设计科研部门采取了增加输水系统的阻力和减小阀门面积的措施。研究表明，三峡船闸较葛洲坝一号船闸流量系数减小1/3，阀门面积减小31%，效果是好的。其它水流量、水面上升速度都小于葛洲坝船闸。

3 采取的工程技术措施

三峡船闸水力学设计以葛洲坝船闸为借鉴作了许多优化，同时采取了如下工程技术措施。

3.1 快速开启输水阀门

国内外资料表明，快速开启阀门，由于惯性作用可大幅度提高阀门后的压力及减小阀门开启过程的流量，从而可提高阀门的工作空化数，是解决和防止阀门段廊道空化、空蚀的有效措施之一。采用快速开门，使得限制输水最大流量有潜力可挖。为此，科研设计部门采用增大输水系统阻力辅以改善消能布置的措施，减小了进入闸室水流的能量，使出水更趋均匀，闸室水面平稳，水面流态得到较大改善，解决了快速开启方式下停泊条件问题。经审定三峡船闸采用2分钟速率开启输水阀门。

3.2 阀门后廊道突扩体型

阀门后廊道体型的改变，将影响阀门段的水流状态及廊道的压力。研究表明，兼用快速开启和廊道突扩体型两项措施，不仅可充分发挥快速开启的优势，而且能使阀门工作条件进一步改善。采用快速突扩方案，门后升压效果更为显著，低压历时更短，临界空化数减小，并大大减弱门后压力脉动幅度，减小门井水位的最大降落幅度，使得阀门底缘不易产生空化，即使有空化也可利用突扩部分的水垫，保护廊道边壁不因气蚀而破坏，达到空化效果。试验研究表明，二峡船闸采用”陕速突扩”方案，其停泊条件判数(Vm/2ghm)max小于允许值3.65×10-5，(Vm为闸室水面上升速度，hm为Vm相对应的闸室水深)，阀门开启时的工作空化数均大于临界空化数。此外，三峡船闸还采取了降低阀门段廊道高程的措施，以提高阀门后的压力及阀门的工作空化数。初设建议按淹没水深25～27m设计廊道高程。

3.3 通气措施

通气措施是水工建筑物中常用的抗空蚀措施，其利用掺气水流的气垫作用，以及掺入空气与空化泡的掺混作用来衰减空泡溃灭时的瞬间冲击，以减轻或避免结构物遭空蚀破坏。按通气部位有门楣通气、底缘及门后廊道顶部通气。资料表明，通气可使启门力脉动减小，脉动频率也下降。在同样的通气量下，以门桅通气效果最佳，而且利用缝隙高速水流的负压形成自然通气，受下游水位影响较小。葛洲坝一号船闸原型观测表明，双充通气时阀门空化情况明显好转，廊道内壁轰鸣声基本消失或显著减弱。但由于通气量不足，阀门处仍有空化。三峡船闸经审定采用门楣通气措施。

3.4 提前关闭阀门

这是解决高水头船闸超灌超泄的有效措施，三峡连续船闸其惯性水头达1.26m，根据葛洲坝提前关闭输水阀门的措施降低惯性水头，才能保证船闸过问安全。这就必须准确选定阀门开始关闭的时间。南京水利科学研究院在葛洲坝一号船闸，采用有限差分法技术求解船闸输水非恒定流方程，即设定阀门开始关闭时的水位差，用试算法求解出惯性超高(降)值使其在0.25m以内，为船闸安全运行提供了依据。

4 结语与问题讨论

试验研究表明，三峡船闸水力学问题在采取上述综合措施后，其主要水力特性、输水时间、停泊条件、阀门空化条件等可满足船闸运行要求。但鉴于三峡连续五级船闸运行条件及规模是前所没有的，有些措施没有或较少接受实践检验，其对船闸运行的实际影响如何?尚有些问题需深化和具体落实。

(1)提前关闭输水阀门作为解决高水头和船闸停泊条件的最后手段，特别是要参与五级船闸的联动运行，要适应不同的水位组合、水位变幅大、有补水要求等，无疑增加了运行的复杂性，除了要解决集控程序设计外，传感器也是十分关键的。

(2)快速开关阀门问题目前葛洲坝船闸采用的是五分钟匀速开阀和五分钟匀速关阀的操作，因此快速开关阀门的实际影响还应开展原型观测。快速开阀时最大输水流量相应的闸室水深减小，其停泊条件判数增大，对停泊条件有无不利影响?快速关阀(包括事故关阀)，由于闭门速率愈大则上托力愈大，是否会引起启闭杆件出现不良受力状态?

(3)单充阀门工作条件恶化问题三峡船闸出现单充运行工况较葛洲坝船闸频繁得多。由于单充相应工作水头比双充大，单充启门力及脉动幅度增大，空化加强，其阀门工作条件比双充时要差得多，因此对单充运行工况尚应进一步开展研究，包括单充时，要取得较好的通气效果应增加通气量的问题。

[作者简介]闵宇翔 长江航务管理局三峡办公室