CN203904958U - 一种节水型船闸 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种节水型船闸，该船闸由上游闸门、下游闸门、闸室、上游阀门、下游阀门以及布置在闸室两侧的转置储水室及其闸阀、通气管组成，转置储水室是布置在船闸两侧的一系列储水室，用于转存船闸的水量，转置储水室按阶梯分级布置在闸室的两侧或一侧，转置储水室的阶梯级数应根据船闸具体情况设置，级数越多，节水效果越好，各级转置储水室的容积相同，等于船闸最高水位与最低水位之间的容积除以级数。利用转置储水室转存船闸闸室的水体，并重复利用，减少船闸过船时的耗水量。船闸利用转置储水室排水、注水过程的水位差很小，没有消能问题，可以实现快速、稳定的排水、注水，所需的时间较短，增大通航能力。

Description

一种节水型船闸

技术领域

船闸是水利枢纽工程的重要通航设施。本实用新型是一种新型的过船、升船水工建筑物，是一种节水型船闸，可以实现节水、快速和高效过船的功能。 

背景技术

水利工程的拦河坝拦截河流，改变河流的连续性，截断航运通道，影响内河航道的顺畅，其解决方法是在水利枢纽工程中增加过船设施。船闸过船需要耗费较大的水量，一天通航消耗的水量为几十万m³，甚至几百万m³。由于耗水量大，影响水利枢纽工程的效益发挥。 

渠化工程可以改善河道航运条件，但要修建蓄水闸坝和船闸，船闸要消耗较大的水量，这就限制渠化工程开发和运用的范围。 

因此，船闸较大的耗水量是水利枢纽工程和航道工程的一大问题。 

实用新型内容

本实用新型提供一种新型节水船闸，能够较好地解决水利枢纽工程和航道渠化工程船闸设施的缺陷及存在问题。 

一种船闸，其特征在于：该船闸由上游闸门、下游闸门、闸室、上游阀门、下游阀门以及布置在闸室两侧的转置储水室及其闸阀、通气管组成，转置储水室是布置在船闸两侧的一系列储水室，用于转存船闸的水量，转置储水室按阶梯分级布置在闸室的两侧或一侧，转置储水室的阶梯级数应根据船闸具体情况设置，级数越多，节水效果越好，各级转置储水室的容积相同，等于船闸最高水位与最低水位之间的容积除以级数。 

由于转置储水室分级、布置及其组合有很多方式，不可枚举。因此，本新型只对两种典型方式进行说明：连续设置两侧错级布置和间隔设置一侧布置。 

连续设置两侧错级布置是指在垂直方向连续设置多级转置储水室，相邻两级转置储水室没有间隔，上一级转置储水室的底板高程与下一级转置储水室的顶板高程相同，但错开在闸室两侧布置，即单数级和双数级分别布置在闸室两侧。 

间隔设置一侧布置是指垂直方向隔一级设置转置储水室，以适应结构布置需要，相邻两级转置储水室之间有一级的间隔距离，即上一级转置储水室的底板高程与下一级转置储水室的顶板高程有一级的高差，所有转置储水室均布置在船闸闸室的同一侧。 

船闸排水时由上而下逐级转存到闸室两侧的转置储水室，待上一级储水室灌满并关闭闸阀后，再开启下一级储水室闸阀灌水，依次由上而下，将所有储水室灌满。 

船闸注水时由下而上依次打开储水室闸阀，将储水室蓄水量重新注回船闸闸室，待下一 级储水室排空并关闭闸阀后，再开启上一级储水室闸阀注水，依次由下而上，将所有储水室排空。 

(1)节水船闸工作原理： 

本实用新型的特点是在船闸闸室两侧增加转置储水室及其闸阀、通气管。 

转置储水室的作用是当船闸闸室排水时，将船闸闸室的大部分水体依次转存到转置储水室；当船闸闸室需要注水时，再将转存到转置储水室的储水依次注入船闸闸室，以减少船闸过船时的耗水量。 

转置储水室的闸阀作用是控制转置储水室的储水和注水过程。 

转置储水室通气管的作用是排出或吸入空气，防止转置储水室在排水或注水时出现真空或空气阻隔，确保转置储水室排水和注水的顺畅。 

转置储水室按阶梯分级布置在闸室的两侧或一侧，也可以采用其他方式灵活组合布置。 

本实用新型只说明两种典型方式：连续设置两侧错级布置(见图1)和间隔设置一侧布置(见图2)。 

船闸运行程序如下： 

船闸排水工况(船由上游过闸驶向下游)：由上而下依次打开储水室闸阀，将船闸闸室内的水量转存储水室，待上一级储水室灌满并关闭闸阀后，再开启下一级储水室闸阀灌水，依次由上而下，将所有储水室灌满，剩下无法转存的水量直接排到下游，待水位与下游齐平，开启下游闸门，船驶出船闸。 

船闸注水工况(船由下游过闸驶向上游)：由下而上依次打开储水室闸阀，将储水室蓄水量重新注回船闸闸室，待下一级储水室排空并关闭闸阀后，再开启上一级储水室闸阀注水，依次由下而上，将所有储水室排空，不足的水量开启上游阀门补充，待水位与上游齐平，开启上游闸门，船驶出船闸。 

节水船闸的特点是：①利用转置储水室转存船闸闸室的水体，并重复利用，减少船闸过船时的耗水量。②船闸利用转置储水室排水、注水过程的水位差很小，没有消能问题，可以实现快速、稳定的排水、注水。船闸利用转置储水室排水、注水过程所需的时间较短。③船闸利用转置储水室排水、注水操作方便，便于管理，不影响其他水利效益。④船闸节水效率与储水室的设置级数有关，级数越多效率越高；⑤转置储水室设置的限制性条件少，布置灵活，适应性广，可以在各类水利枢纽工程和航道工程中推广应用。 

(2)节水船闸设计方法 

①连续设置两侧错级布置 

节水型船闸分级的级数是指将船闸闸室最高水位和最低水位之间等分份数，用n表示， 每份体积为v。转置储水室数量应根据布置方式来确定，用m表示，转置储水室容积为v。 

连续设置两侧错级布置的有效转置储水室数量为 

m＝n-2       (1) 

以n＝10为例说明，见图3。将船闸闸室最高水位和最低水位之间等分为10份，称为10个单元，每个单元体积均为v。为便于说明，将10个单元从上到下依次编号为D1、D2、...、D10。闸室两侧布置8个转置储水室，为便于说明，将8个转置储水室从上到下依次编号为C1、C2、...、C8。1个转置储水室容积等于1个单元体积，即为v。 

C1与D2对齐布置，这样D1的水量可以全部自流转存到C1；C2与D3对齐布置，这样D2的水量可以全部自流转存到C2；C3与D4对齐布置，这样D3的水量可以全部自流转存到C3；如此类推，C8与D9对齐布置，这样D8的水量可以全部自流转存到C8；至此，不能再设置有效转置储水室(见注水操作过程)，D9和D10的水量只能通过下游阀门，直接排放到下游。 

水量转存操作是由上而下依次进行，待上一级储水室灌满并关闭闸阀后，再开启下一级储水室闸阀灌水，依次由上而下将所有储水室灌满，剩下无法转存的水量直接排到下游。 

转置储水室向船闸闸室注水，由下而上，见图4。C8与D9对齐布置，这样转存C8的水量，可以全部自流注入D10；C7与D8对齐布置，这样转存C7的水量，可以全部自流注入D9；C6与D7对齐布置，这样转存C6的水量，可以全部自流注入D8；如此类推，C1与D2对齐布置，这样转存转C1的水量，可以全部自流注入D3；至此，剩下D1和D2的水量只能通过上游阀门得到补充。 

由上分析可知，无论转存还是注水，连续设置两侧错级布置的转置储水室，均有2个转置储水室不能实现水量转存，因此有效转置储水室数量为m＝n-2。 

连续设置两侧错级布置的水利用率为 

$\mathrm{\η}=\frac{n-2}{n}---\left(2\right)$

②间隔设置一侧布置 

间隔设置一侧布置的有效转置储水室数量比较复杂。以n＝10为例，见图5。将船闸闸室最高水位和最低水位之间等分为10份，称为10单元，每个单元体积均为v。为便于说明，将10个单元从上到下一次编号为D1、D2、...、D10。闸室一侧布置8个转置储水室，为便于说明，将8个转置储水室从上到下一次编号为C1、C2、...、C8。1个转置储水室容积等于1个单元体积，即为v。 

C1和C2并联布置并与D3对齐布置，这样D1和D2的水量可以同时全部自流转存到C1和C2；C3和C4并联布置并与D5对齐布置，这样D3和D4的水量可以同时全部自流转存 到C3和C4；C5和C6并联布置并与D7对齐布置，这样D5和D6的水量可以同时全部自流转存到C5和C6；C7和C8并联布置并与D9对齐布置，这样D7和D8的水量可以同时全部自流转存转到C7和C8；至此，不能再设置有效转置储水室，D9和D10的水量只能通过下游阀门，直接排放到下游。 

因此，转存过程有效转置储水室数量仍然为 

m_c＝n-2      (3) 

但考虑注水操作时，C8的作用不大，而且影响注水操作的便利性，所以取消C8。那么 

m_c＝n-3      (4) 

转置储水室向船闸闸室注水，由下而上，见图6。C7与D9对齐布置，开闸后，转存C7的水量，可以全部自流注入D10；C5和C6与D7对齐布置，开闸后，转存转C5和C6的水量，可以全部自流注入D8和D9；C3和C4与D5对齐布置，开闸后，转存C3和C4的水量，可以全部自流注入D6和D7；C1和C2与D3对齐布置，开闸后，这样转存C1和C2的水量，可以全部自流注入D4和D5；至此，剩下D1、D2和D3的水量只能通过上游阀门得到补充。 

间隔设置一侧布置的有效转置储水室数量为 

m＝n-3       (5) 

水利用率为 

$\mathrm{\η}=\frac{n-3}{n}---\left(6\right)$

转置储水室的设置方式还有很多，可以采用类似的方法分析。应根据具体情况，进行优化设置。 

附图说明

图1为连续设置两侧错级布置船闸横断面图。 

图2为间隔设置一侧布置船闸横断面图。 

图3为连续设置两侧错级布置船闸转存过程示意图。 

图4为连续设置两侧错级布置船闸注水过程示意图。 

图5为间隔设置一侧布置船闸转存过程示意图。 

图6为间隔设置一侧布置船闸注水过程示意图。 

具体实施方式

(1)实施例 

北江某水利枢纽工程现建有船闸为500吨级，通航500吨级船舶。为适应未来内河航运需要，规划北江干流为III级航道，通航1000吨级船舶。在北江某水利枢纽工程拟增设1000 吨级船闸。船闸有效尺寸为：闸室有效长度×闸室宽度×槛上水深＝220m×34m×4.5m。 

船闸闸室最高水位(上游最高通航水位)为24.81m，船闸闸室最低水位(下游最低通航水位)为10.37m。按通航最大水位差计算，一次过闸耗水量为108011m³，耗水量较大。因此，采用节水布置方案，根据水利枢纽工程新船闸的闸址位置及其连接建筑物情况，采用连续设置两侧错级布置方案，按15级设置，转置储水室13个，单个容积为7200m³，长度×宽度×级高＝220m×34m×0.963m。一次过闸耗水量最大为14401m³，水利用率为0.867，大大节省用水量。 

(2)常用的布置方案 

①方案一，连续设置两侧错级布置方案，见图1。是指在垂直方向连续设置转置储水室，相邻两级转置储水室没有间隔，上一级转置储水室的底板高程与下一级转置储水室的顶板高程相同，但错开在两侧布置，即单数级和双数级分别布置在闸室两侧。 

②方案二，连续设置一侧错级布置方案。是指在垂直方向连续设置转置储水室，相邻两级转置储水室没有间隔，上一级转置储水室的底板高程与下一级转置储水室的顶板高程相同，转置储水室均布置在同一侧，但水平错开布置，以适应结构布置需要。 

③方案三，间隔设置一侧布置方案，见图2。是指垂直方向隔一级设置转置储水室，相邻两级转置储水室之间有一级的距离，即上一级转置储水室的底板高程与下一级转置储水室的顶板高程有一级的高差，所有转置储水室均布置在船闸闸室同一侧。 

④方案四，间隔设置分侧布置方案。是指垂直方向隔一级设置转置储水室，相邻两级转置储水室之间有一级的距离，即上一级转置储水室的底板高程与下一级转置储水室的顶板高程有一级的高差，转置储水室分别布置在船闸闸室的两侧。 

⑤方案五，多级船闸中，可以在各级船闸之间设置转置储水室，结合各级之间人字闸的运用，进行各级或同级船闸之间的水体转存和注水。 

⑥方案六，一级多段船闸，即对大型、较长的船闸分段，各段间设置人字闸隔开，在每段均设置各自的转置储水室，结合各段之间人字闸的运用，进行各段之间或同段的水体转存和注水。利用各段之间人字闸的合理调配，可以实现“先来先过，后来后过”，减少船舶等候时间。 

创新之处： 

船闸过船需要耗费较大的水量，一天通航消耗的水量超过几十万m³，甚至几百万m³。由于耗水量大，影响水利枢纽工程的效益发挥，也限制渠化工程的开发运用范围，制约内河航运的拓展和升级。 

“节水型船闸”运行机理简单、有效，过闸运行所需水量小、时间短。“节水型船闸”设计模式新颖，是过船设施的创新设计思路，对水利工程和航道工程发展有一定意义，其主 要创新有： 

(1)提出转置储水室的转置储水原理，提高水体转换的利用率，减少耗水量，不仅可以在船闸工程中运用，也可以在其他类似水利工程中运用。 

(2)提出转置储水室的布置、设计和分析方法，为节水型船闸的运用推广，提供必要的设计依据和方法。 

(3)提出几种典型节水型船闸的布置方案，供节水型船闸实际设计参考。 

(4)提出典型节水型船闸的运作模式和工作程序。 

(5)提出多级、多段船闸的运用思路和方案。 

Claims (4)

1.一种节水型船闸，其特征在于：该船闸由上游闸门、下游闸门、闸室、上游阀门、下游阀门以及布置在闸室两侧的转置储水室及其闸阀、通气管组成，转置储水室是布置在船闸两侧的一系列储水室，用于转存船闸的水量，转置储水室按阶梯分级布置在闸室的两侧或一侧，转置储水室的阶梯级数应根据船闸具体情况设置，级数越多，节水效果越好，各级转置储水室的容积相同，等于船闸最高水位与最低水位之间的容积除以级数。 

2.如权利要求1所述的船闸，其特征在于在闸室两侧的转置储水室分级连续设置，也可间隔设置。 

3.如权利要求1所述的船闸，其特征在于船闸排水时由上而下逐级转存到闸室两侧的转置储水室，待上一级储水室灌满并关闭闸阀后，再开启下一级储水室闸阀灌水，依次由上而下，将所有储水室灌满。 

4.如权利要求1所述的船闸，其特征在于船闸注水时由下而上依次打开储水室闸阀，将储水室蓄水量重新注回船闸闸室，待下一级储水室排空并关闭闸阀后，再开启上一级储水室闸阀注水，依次由下而上，将所有储水室排空。