船闸建设发展的若干创新探讨
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摘 要：为了不断满足船闸建设的高要求，船闸型式推陈出新。文章基于国内现阶段船闸设计面临的主要技术难题，如高水头阀门水力学问题、高山峡谷地区通航建筑物布置问题、高陡边坡开挖难度大、改扩建船闸施工影响及工期长等，对省水船闸、带调节水池船闸、地下船闸、整体式船闸进行了探讨，详细分析了各自的优缺点以及工程实际应用存在的问题，以期为未来的船闸建设提供参考，并提出了下一阶段的研究工作。
关键词：船闸；高水头；通航建筑物；省水船闸；探讨
近年来，我国的船闸建设已进入高速发展的阶段，建成了一批高水平的船闸。与此同时也带来一系列技术难题，如高水头阀门水力学问题、高山峡谷地区通航建筑物布置问题、高陡边坡开挖难度大、改扩建船闸施工影响及工期长等等。随着国民经济的不断发展，内河航运的地位日益突出，经济和社会对船闸品质的要求越来越高，船闸的改造和修复将成为未来的研究热点。
1 省水船闸
学者通过深入研究发现，船闸主要适用于中低水头枢纽，原因是阀门工作水头超出一定范围以后，在灌、泄水初期巨大势能转化而来的高速水流极易诱发空蚀、空化，从而导致阀门段廊道产生破坏并频繁检修[1]。但是，就当今世界船闸发展趋势而言，高水头单级船闸越来越多，水头在40m左右的船闸已成为现实，由此产生的阀门水力学问题显得尤为突出。为解决高水头阀门水力学问题，人们想到利用省水池和带调节水池方案，降低阀门工作水头。
省水船闸在国外十分成熟，一般是在闸室的一侧或两侧设置若干级省水池，其布置有两大类六种型式：主要分为开敞式和封闭式；其次还有开敞与封闭相结合的型式等[2]。在已建的省水船闸中，开敞式居多，封闭式因输水系统设计较复杂，应用较少。省水船闸工作原理简单，以两级省水船闸灌水过程为例，省水池面积与闸室尺度相同，分别设置在闸室的1/2和3/4水位高度，首先由第二级省水池向闸室灌水，然后第一级省水池向闸室灌水，此时阀门的工作水头仅有最大水头的一半，最后剩下的水量由上游库区完成。不难发现，在省水船闸运行时成倍削减了阀门工作水头，能够有效避免产生空蚀空化现象。在以往省水船闸的设计中，人们较多的关注了它的省水功能，因此至今极少见到将省水船闸型式用于消减水头的报道。省水船闸在我国鲜有应用，但多年以前相关科研基地就进行过设计和研究。如1959年，天津大学在长江三峡船闸研究中就提出过省水船闸方案；1977年，南京水利科学研究所又针对郑家岗省水船闸进行了模型试验等等。随着我国西部大开发不断深入，高水头单级船闸日益增多，省水船闸开始受到广泛关注。21世纪初，重庆交通大学陈明栋、杨忠超、杨斌等人基于国外省水船闸工作原理，针对重庆乌江银盘船闸（36.5m），提出带两级省水池方案，实现了降低阀门工作水头的目的，并对省水船闸的输水特性、阀门开启方式、运行方式、省水率等进行了系统研究[3]～[4]，为后续省水船闸的实际工程应用奠定了基础。
2 带调节水池船闸
带调节水池船闸主要借鉴省水船闸原理，即在普通船闸输水系统的基础上增加一套调节水池及相应的输水系统，也是水池通过大幅消减水头来解决高水头船闸阀门水力学技术难题的一种尝试。调节水池布置在上游与闸室之间，水位相对固定在上游水位与闸室低水位之间（一半）。在灌水初期，上游水库向调节水池输水，同时调节水池向闸室输水，设计中使两段廊道流量相等，可使调节水池水位基本保持不变，这样等于将船闸水头减少了一半，成倍降低了阀门的工作水头。然而与省水船闸不同的是，调节水池主要用于传递水体而不减少船闸耗水，因此需要的调节水池数量少。虽然，带调节水池船闸方案在降低船闸水头方面有较大的技术优势，但是在国内外尚属于新生事物，由于没有成功的应用经验，一直未能投入到工程实际。但目前为止进行的多项研究已为该技术的应用打下基础，已基本具备在中小河流上实施的条件。在三峡工程多级船闸的前期研究中，为减少船闸分级，曾提出采用调节水池降低阀门工作水头的设想，推出了三峡带调节水池连续三级船闸方案，但由于高边坡、枢纽整体布置等原因未能被采用。
3 全衬砌地下船闸
全衬砌船闸的闸首与闸室墙全部采用钢筋混凝土薄壁衬砌式结构，充分利用岩石基础的作用，输水主廊道采用独立的衬砌式隧洞结构，船闸结构宽度较小，枢纽总体布置灵活。三峡双线五级船闸是世界首座全衬砌船闸，采用混凝土结构与岩体联合工作，最大高度达68m的薄衬砌式结构，其一系列施工技术在国内外均处于领先水平，它的成功建成为地下船闸的构想创造了条件。地下船闸是一种新型的全衬砌船闸，船闸主体在山体内部施工，对地质条件要求较高，主要应用于岩石基础，适用于明挖的闸槽深度大，工程量大、高陡边坡开挖难度大、枢纽整体布置困难的船闸工程。近年来，我国西南高山峡谷地区水利枢纽越建越多，峡谷河流河道狭窄、弯曲，两岸崇山峻岭，不利于通航建筑物的布置，地下船闸是合理解决这种坝址条件下通航建筑物布置问题的一种较好途径，具有广阔的市场应用前景。目前，该新型船闸型式正在进一步研究和论证当中。
4 整体式船闸
近些年，船闸水工结构方面的新进展，值得关注的是整体式船闸结构的逐步成熟。常规船闸的闸室均设置伸缩缝，伸缩缝的间距一般为15～20m。如果计算的缝间差异位移过大，一般止水难以适应时，可采用无伸缩缝的整体式船闸，它能够适应不均匀沉降，耐久性好，消除了止水维护问题。整体式船闸的整个闸室在地面上建造，再运输放置到河中相应位置。因此，船闸或大坝的建筑可以不采用围堰，极大减小了现场工作量，较好地满足环保要求，降低了水上施工作业的难度，加快了工期，应用于改扩建船闸具有明显的优势。但是，由于没有施工围堰，下部结构和基础都是不可见的，且又是新型技术，缺少成熟的经验，故仍需深入研究和开发。
5 结论与展望
船闸设计技术的进步，是在需求的推动下不断创新实现的。这些需求包括降低工程投资和全寿命周期成本、提高船闸营运的可靠性、提高船闸营运的效率、提高施工效率、降低施工期的影响、降低人工和材料成本、降低环境影响等等。文章基于我国现阶段船闸设计面临的技术难题，详细介绍了省水船闸、带调节水池船闸、地下船闸以及整体式船闸等新型式船闸，并分析了各自的优缺点，以期为我国未来的船闸建设提供参考。另外，为了满足不断出现的新需求，在国内外的船闸建设中，还出现了电磁靠泊梁、船闸与公路立交、气囊船闸等创新设计。在逐渐丰富我国船闸建设水平的同时，也对船闸设计者下一阶段的研究工作提出了更高的要求：一方面，可以借鉴其他行业的新技术；另一方面，必须加强新技术的前期研究、分析和论证工作，包括开展系统的模型和原型试验。
参考文献
[1]刘晓平，陶桂兰.渠化工程[M].北京：人民交通出版社，2009.
[2]周玉华，刘锋.省水船闸初探[J].水运工程，2006（10）：157-159.
[3]陈明栋，杨忠超，杨斌.乌江银盘船闸输水系统选型研究[J].重庆建筑大学学报，2006，28（5）：31-34.
[4]杨忠超，杨斌，陈明栋，等.乌江银盘水利枢纽省水船闸运行方式研究[J].水运工程，2009（6）：112-116.