CN1837495A - 井式船闸 - Google Patents

Abstract

井式船闸剖面图：上闸首(5)内装有人字门(6)，下接井式闸室和底部均水设备(4)，下闸首(2)内装有闸门(3)，顶部设有捲扬机(1)；井式船闸主要特点：在全水头范围一级运行，结构简单，运行方便，建设投资成倍下降；采用封闭形深井闸室、特殊结构下闸首闸门和耐高压进出水球形阀门以承受全水头压力；充排水***各级可联合运行，准确控制，充排水水头高，闸室水位升降速度可保持较高速度稳定运行；水位升降速度快，过坝时间短，耗水低，运力大。

Description

井式船闸

修水利建电站不可避免的要砠断河流，直接影响水上运输。为此要求同时建船闸保持正常运输，如南水北调、葛州坝、三峡都建有船闸。三峡新建五级船闸已投入运行。在三峡船闸方案论证过程中，在国内外进行了大量调查研究工作，水头在40米以下建设一级船闸，在水头50米以上多建设多级船闸，如加拿大威兰运河建三级船闸，前苏联布赫塔明建设四级船闸，三峡为五级船闸。高水头船过坝运输的另一形式是升船机，升船机有俩种形式：一种是斜面升船机，如丹江口水电站，先从下游斜拉，然后用移动式升船机起吊过坝。世界上最大的升船机为前苏联克拉斯扼雅尔斯克升船机，水头101米，过船吨位1500吨。另一种是平衡重垂直升船机，也就是三峡设计方案采用的一种，水头113米，过船重3000吨，总起重量11500吨(船加水加船箱)。与之相同类型的是75年建成的德国吕内堡平衡重升船机，水头只有38米，过船重量1350吨。与三峡相差甚远。三峡升船机只留有位置，方案在研究中，上未落实。

井式船闸，在水头高于50米，100米甚至高于100米水头仍然采用一级运方式，将船从下游一次升至上游，反之一次降至下游。井式船闸不管是与运行复杂的多级船闸相比，还是与庞大的起吊设备，船进出船箱复杂程序的升船机相比，在过坝能力，过坝速度，建设投资，管理费用都具有重大的经济优势。

井式船闸结构和关键设备：

如附图1井式船闸剖面图：上闸首(5)内装有人字门(6)下接井式闸室和底部均水设备(4)，下闸首(2)内装有闸门(3)，顶部设有捲扬机(1)。附图2为平面图：除下闸首(2)闸门(3)闸室(4)上闸首(5)人字门(6)外，主要表示船闸和多级(图为三级)充水排水水库相对位置关系。设有与水库级数相同组数球形阀门(1)，水库隔墙(7)，水库(8)，以及控制充水排水的弧形门(9)。

井式船闸运行和低水头一级船闸运行相同，上下闸首闸门关闭时充水或排水，水位与上游或下游水面相同时船进出船闸。为便于了解，结合三峡双线五级船闸及其使用条件(上游水位175米，最低尾水位62米，最高水头113米，闸室长280米宽34米)来分析建设井式船闸的可能性、可靠性以及经济性。

一、上闸首利五级船闸一级闸首基本相似，为满足丰水和枯水期运行要求，人字门高37米，在淹没水深35米下可以启闭(各高程见附图1)。水阻力大，操作力也大。在三峡已建成但尚未使用。本方案人字门在装有一定数量液压闸阀，在人字门操作时开启以减小阻力。在更高水头的船闸上闸首，难度不再增加。

二、井式闸室：如附图1(4)按三峡条件，长280米宽34米深119封闭型闸室，承受最大水压113米。主要由大体积混凝土组成，结构简单，建筑在基岩上，适当加大混凝土厚度，必要时采用钢筋混凝土，封闭形受力良好，完全可能满足113米或更高水头要求。底部均匀进水排水设备可用金属制造，进水排水廊道采用钢板护面，可以作到安全可靠。

三、下闸首闸门：承受最大静水压力(三峡113米)，在均压或无压条件下启闭。按水上五层船高约11米再加3米余度14米考虑，下游孔门顶部高程为90米，门孔净高为34米。实地观测船进闸多为单列相继进出，适当缩小孔门宽度，对船进出船闸速度影响不大。宽度按32米28米24米三方案，下闸首闸门受力分别约为：10.9；9.6；8.2万吨，后者相应减小受力12.5％和25％。显然下闸首闸门受力很大，为进一步减小和改善闸门受力，选择以下三种特殊结构闸门，如附图3：<一>带后拱形平板闸门(1)，可使受力向两支点分解，增加平板面拉力，减小弯曲力，大大改善闸门应力状况；<二>带前中间支柱的平板闸门(2)，中间矩形支柱与闸门制造成整体，整体起吊，上下有可靠支承，使平板受力由两支点变为三支点，应力近成倍下降，使船闸允许使用更高水头；<一><二>两种平板闸门均可采用有成熟经验的密封，在船闸顶部用卷扬机启闭。<三>带特殊支承(4)的人字门(3)，两扇人字门中间接触，其它三面与孔门结构件接触。关闭时各接触面设有密封。人字门平面受弯曲力较小，沿平面方向压力增加，两转动支点受力加大，为支承此力，除一般推力、导向轴承外，设特殊支承轴承(4)来支承。为不防耐闸门转动，其扇形小于45度。人字门可在门顶部设启闭机，操作启闭十分方便。

下闸首闸门是井式船闸关键技术之一，采用缩小孔门宽度平板闸门和三种特殊结构闸门(1)(2)(3)，允许井式船闸适用水头范围很大，在三峡113米可用，也可使用到更高水头。

四、充水排水***

附图4为充水排水***原理图，仍以三峡水位水头参数，以四道隔墙(5)其顶部高程分别为177米175米137米和101米，墙上依序设有1号2号3号4号弧形门(1)，分成三级水库(2)其底部依序装有1组、2组、3组球形阀(3)，球形阀通过充水排水廊道(4)与闸室相通。各级水库水头依序分别为38米36米39米，其经常工作水头约36米。

船闸闸室充水排水过程：

充水前各水库水位、弧形门、球形阀组所处状态：4号弧形门和3组球形阀在开启位置；1号、2号、3号弧形门和1组、2组球形阀在关闭位置；一级、二级水库充满水，三级水库放空。充水：<1>关闭4号弧形门，3组球形阀在开启位置；<2>相继开启1号2号3号弧形门，通过3组球形阀和充水排水廊道向闸室充水；<3>当三级水库接近升至101米时，关闭3组球形阀和3号弧形门，同时开启2组球形阀，继续向闸室充水；<4>当二级水库接近升至137米时，关闭2组球形阀和2号弧形门，同时开启1组球形阀，继续向闸室充水，直至175米。

排水前各水库水位、弧形门、球形阀组所处状态与闸室充水至175米相同。排水：<1>关闭1号弧形门，开启2号、3号、4号弧形门，通过1组球形阀和充水排水廊道向下游排水；<2>当一级水库接近降至137米时，关闭1组球形阀和2号弧形门；<3>开启2组球形阀，继续向下游排水；<4>当二级水库接近降至101米时，关闭2组球形阀和3号弧形门，开启3组球形阀，继续向下游排水直至尾水位。

闸门和水库：

1、各级弧形门是控制闸室水位及其升降速度的关键性设备，采用液压启闭机操作，在40米水头以下，使用灵活，准确、可靠。亦可采用液压启闭机操作的平板闸门，液压启闭机部置墙顶上，结构简单，操作方便。在平面装部分液压闸阀开启时打开，可减轻操作力。

2、水库容积与两线船闸联合运行时水的综合利用有关，不宜过小。水库水头与闸室水位升降速度有关，在闸门使用允许的条件下，选择较高水头(即较少级数)，有利提高闸室水位升降速度。

3、最下一级3组球形阀受水压最大，三级水库水位101米，正常工作水头74米。一级水库水位175米，三级水库水位放空并出现最低尾水位62米时水压113米。考虑使用维修方便各级水库采用相同型号球形阀。每组球形阀总面积大于弧形门面积，有利于弧形门控制闸室水位升降速度。用于100米级或更高水头，直徑2-3米球形阀，在设计制造不存在任何技术问题，密封良好，操作方便。

4、两线井式船闸联合运行水库其级数与单线相同。水库中间设隔墙并设有自动控制联络闸门，形成两个单线运行水库。当双线船闸充水排水运行，只要两线船闸运行时间调度合理，可提高水利用率60％以上。

5、闸室由底部充排水，出水口淹没深，水面升降平稳；可采用相邻两组球形阀联合使用，使提高水面升降速度不但可能而且可行。

可见充水排水***经济合理，运行可靠。控制闸室水位升降速度方便。

五、井式船闸经济效益

从双线井式船闸和双线五级船闸对比分析，看井式船闸经济效益。

1、船过坝速度：两者采用相同的闸室水位升降速度(每分钟2.5米)，闸门相同开闭速度(每次5分钟)，相同的船进出闸时间(40分钟)，水头113米。井式船闸一次升船95.2分钟；五级船闸一次升船(六次进出)350.2分钟，相差3.7倍。数据由葛州坝二号船闸观测而来(满载)，最近葛州坝船闸过船数量减少，特别是大型船队明显减少，进出船时间也比上述短些。

2、船过坝能力：<1>单线相比，运力和时间成反比，井式船闸是五级船闸3.7倍。<2>同为双线相比，从理论上看两种闸型运力相近。实际上，双线五级船闸运行复杂，事故率高。一但事故或正常检修，单线运行对运力影响很大。井式船闸运行简单，事故率低，单线运行对运力影响小(50％)。双线井式船闸比双线五级船闸运力至少高1.1-1.2倍。<3>与升船机相比，升降速度较低，但辅助时间大大减少，井式船闸有提高速度和运力的潜力。

3、建设投资：<1>井式船闸沿线合理选择优越位置，在0.5公里内，建设闸首、闸室及充排水水库，其开挖及混凝土方量与五级船闸在两公里长开挖及混凝土方量相比，相差近三倍；<2>五级与一级相比，金属结构件也增加三倍以上；<3>人工及设备消耗也相应倍数增加。总之井式船闸比五级船闸投资将成倍下降。

4、运行管理费用：<1>单线运行，五级船闸比井式船闸多耗水一倍。双线运行，以双线井式船闸各升降为基准，耗两闸室水，可重复利用水60％；双线五级船闸运相同数量，耗四闸室水，至少20％不可能利用，比基准数增加40％，一个节约一个多耗，双线五级船闸比双线井式船闸多耗水一倍。三峡船闸耗水，按一年非弃水时间三分之二，平均水头90米，每天运行16闸次计算，并转换成电量8.17亿度，双线五级船闸比双线井式船闸多耗电8.17亿度，按每度0.3元计算年多耗资2.45亿元。<2>增加翻坝运输费用：双线井式船闸一线检修一线运行，运力下降一半，在适当时间进行检修，可以不专设翻坝运输；双线五级船闸，一线检修，运力下降3.7倍，必需专设翻坝运输。费用庞大，为三峡建坝而建，开支理应由三峡负担。<3>设备用电也因设备成倍增加而成倍增加。<4>人员工资，材料消耗等，井式船闸均可减少。双线井式船闸比双线五级船闸管理费用大大下降。

通过对井式船闸主要构成部分部件的论述，以及充排水***的合理运行，井式船闸有完整的成套技术和设备，开发是可行的。

通过上述，两种闸型在相同条件下对比分析，井式船闸比有五级船闸，有速度快，运力大，投资小，水耗少，消费低等极大的优越性。

三峡双线五级船闸，就其设计建设规模，运行技术的复杂性，施工难度，管理先进都是世界一流；但井式船闸有更优越，更经济，更有实效。

水路运输面临激烈市场竞争，没有速度，运力和经济的优势，水路运输面临严重的考验。速度，运力和经济是市场竞争成败的关键，井式船闸的开发，将为大江大河水路运输前途带来光明和希望。

Claims (5)

1、由上闸首及人字门、封闭式井式闸室、下闸首及特殊闸门以及自动控制运行、可控制闸室水位升降速度的充水排水***组成井式船闸；使用水头范围50-170米，是一项全新成套技术。

2、从项1所述，封闭式井式闸室，由混凝土或钢筋混凝土建成，承受使用水头最大压力，是船闸重要部件，首次应用。

3、从项1所述，特殊闸门是指：缩小孔门宽度的平板闸门；带后拱形平板闸门；带前中间支柱平板闸门；带特殊支承人字门，是井式船闸用在百米以上水头的关键措施。

4、从项1所述，充水排水***采用耐高压球形阀组，使该***与船闸配套使用在百米以上又一关键措施。

5、从项1所述，控制闸室水位升降速度，是由相邻两组球形阀组联合运行实现，是保证安全运行，提高水位升降速度重要措施。

Images