一种用于船闸的双层错孔消能船厢的制作方法

本发明属于通航船闸水工建筑物和输水系统设计技术领域，涉及一种用于船闸的双层错孔消能船厢。

背景技术：

据不完全统计，目前全世界约有船闸3000座以上，约占通航建筑物总数的97％；在我国近900座通航建筑物中，船闸约占总数的90％。然而，当水头高于60m后，船闸的应用严重受阻，至今建成的单级最高水头仅为42m的乌斯基-卡米诺阿尔斯基船闸(前苏联建设)，我国单级最高水头为40.25m在建的黔江大藤峡船闸。其主要原因在于目前的船闸输水系统水力结构不能满足超高水头条件下的消能要求。往往替代船闸的通航建筑物为升船机，但是升船机相比船闸而言有其缺陷，如通过能力小、承船厢的对接效率受电站运行影响大、自身结构和机电设备复杂、运行维护工作量巨大，等。因此，如何提高船闸的应用水头，是当前从事船闸工程研究人员面临的技术难题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种用于船闸的双层错孔消能船厢，通过将船厢设计成双层边壁结构，在双层边壁上设计呈错位布置的消能孔，使得船厢具有显著的消能效果，提高了船闸的适用水头。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于船闸的双层错孔消能船厢，设置在闸室内，包括顶部敞开的船厢本体、设置在船厢本体上的系船柱和设置在船厢本体两侧的浮筒，以及分别设置在船厢本体两端的上端卧倒门和下端卧倒门；所述船厢本体包括内层边壁和外层边壁，所述内层边壁和外层边壁上分别设有若干内层消能孔和若干外层消能孔，所述内层消能孔与外层消能孔呈错位布置。

可选地，所述内层消能孔与外层消能孔形成的错位是内层消能孔相对低于外层消能孔。

可选地，所述内层消能孔和外层消能孔均为矩阵布置。

可选地，所述消能孔的总过水面积为船闸输水阀门处的廊道总过水面积的2倍以上。

可选地，所述内层消能孔和/或外层消能孔对称设置于船厢本体的两侧。

可选地，所述内层边壁和外层边壁之间的距离a为1m～1.5m，所述内层边壁和外层边壁围成过渡区。

可选地，所述船厢本体的两侧设有用于消耗作用在船厢本体的横向动水荷载和船舶横向撞击力的横向限位轮胎；所述闸室的闸墙沿竖直方向设有横向轮胎凹槽；所述横向限位轮胎沿横向轮胎凹槽的轴向运动。

可选地，所述横向限位轮胎沿横向轮胎凹槽的轴向滚动。

可选地，所述船厢本体的两侧设有用于消耗作用在船厢本体的纵向动水荷载和船舶纵向撞击力的纵向限位轮胎；所述闸室的闸墙沿竖直方向设有纵向轮胎凹槽；所述纵向限位轮胎沿纵向轮胎凹槽的轴向运动。

可选地，所述纵向限位轮胎沿纵向轮胎凹槽的轴向滚动。

可选地，所述闸室的两侧闸墙上设有浮筒井，所述浮筒设置在浮筒井内。

本发明的有益效果在于：

1.本发明为船舶增加了双层错位消能孔消能，可有效消杀进入闸室的水流能量，改善了厢内船舶的停泊条件，大幅提高了船闸的适用水头。

2.本发明的两级消能孔为错位布置，增强了过渡区的掺混功能，使位于过渡区的水流能量因强烈地掺混而消能，不仅提高了水流能量的耗散，而且还可过渡船厢内外的水面波动，以消弱船舶停泊区的水面振荡。

3.本发明通过设置横向限位轮胎和横纵向限位轮胎，消耗作用于船厢上的动水荷载和船舶撞击力，改善了厢内船舶的停泊条件，大幅提高了船闸的适用水头。

4.本发明的消能孔可以使船厢内外的水位自适应平衡，不仅便于船舶过闸的运行管理，而且使得船厢的升降力大幅减小。

5.本发明通过在船厢本体两端设置卧倒门，避免了在船厢两端形成较大的进厢流速和波浪，改善了高水头船闸的船舶停泊条件。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明一种用于船闸的双层错孔消能船厢的结构示意图；

图2为本发明一种用于船闸的双层错孔消能船厢的平面布置图；

图3为图2纵剖面图；

图4为双层错孔平面布置局部图；

图5为图4的剖面图；

图6为纵向限位轮胎、浮筒以及横向限位轮胎沿闸室纵向的布置三维图；

图7为应用船厢的船闸输水系统布置图；

图8为船闸灌水水力特性图。

附图标记：闸室1、纵向限位轮胎2、浮筒3、横向限位轮胎4、船厢本体5、外层边壁6、内层边壁7、闸墙8、下闸门9、下端卧倒门10、外层消能孔11、内层消能孔12、横向轮胎凹槽13、浮筒井14、纵向轮胎凹槽15、上端卧倒门16、上闸门17、纵向轮胎传动轴18、横向轮胎传动轴19、a为流量线、b为阀门开度线、c为水位线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图8，一种用于船闸的双层错孔消能船厢，设置在闸室1内，包括顶部敞开的船厢本体5、设置在船厢本体5上的系船柱和设置在船厢本体5两侧的浮筒3，以及分别设置在船厢本体5两端的上端卧倒门16和下端卧倒门10；船厢本体5包括内层边壁7和外层边壁6，内层边壁7和外层边壁6上分别设有若干内层消能孔12和若干外层消能孔11，内层消能孔12和外层消能孔11均对称设置于船厢本体5的两侧，且内层消能孔12与外层消能孔11呈错位布置，内层消能孔12和外层消能孔11用于消杀输水过程进入闸室1的水流能量；内层消能孔12的总过水面积、外层消能孔11的总过水面积均为船闸输水阀门处的廊道总过水面积的2倍以上；由内层边壁7与外层边壁6形成的过渡区，可进一步消杀进入闸室1的水流能量；船厢本体5的骨架上设置有系船柱，系船柱位于闸室1的水面以上。

进一步，内层消能孔12与外层消能孔11形成的错位在高度方向上是内层消能孔12相对低于外层消能孔11。

进一步，内层消能孔12和外层消能孔11均为矩阵布置。

进一步，内层消能孔12的总过水面积、外层消能孔11的总过水面积均为船闸输水阀门处的廊道总过水面积的2～2.5倍。

进一步，内层消能孔12和外层消能孔11的形状均为圆形。

为了能增加消能效果，本发明在船厢本体5的两侧对称设有用于消耗作用在船厢本体5的横向动水荷载和船舶横向撞击力的横向限位轮胎4；船厢本体5的两侧对称设有用于消耗作用在船厢本体5的纵向动水荷载和船舶纵向撞击力的纵向限位轮胎2；横向限位轮胎4和纵向限位轮胎2为充气橡胶轮胎。

进一步，纵向限位轮胎2、浮筒3、横向限位轮胎4沿闸室1的纵向依次布置。

进一步，纵向限位轮胎2、浮筒3、横向限位轮胎4沿闸室1的纵向交错布置。

为了限制横向限位轮胎4的运动轨迹，本发明的闸墙8沿竖直方向设有横向轮胎凹槽13，横向限位轮胎4的径向面平行于闸室1的横剖面，横向限位轮胎4沿横向轮胎凹槽13的轴向运动；横向限位轮胎4连接有横向轮胎传动轴19，横向轮胎传动轴19穿过横向限位轮胎4的中心，横向轮胎传动轴19与横向限位轮胎4的连接方式可为转动连接，也可为固定连接，横向轮胎传动轴19的另一端与船厢本体5的骨架固定连接。

进一步，横向限位轮胎4的传动轴对称连接于船厢本体5左右两侧的骨架上，位于闸室1的水面以上。

为了限制纵向限位轮胎2的运动轨迹，本发明的闸墙8沿竖直方向设有纵向轮胎凹槽15，纵向限位轮胎2的径向面平行于闸室1的纵剖面，纵向限位轮胎2沿纵向轮胎凹槽15的轴向运动；纵向限位轮胎2连接有纵向轮胎传动轴18，纵向轮胎传动轴18穿过纵向限位轮胎2的中心，纵向轮胎传动轴18与纵向限位轮胎2的连接方式可为转动连接，也可为固定连接，纵向轮胎传动轴18的另一端与船厢本体5的骨架固定连接。

进一步，纵向限位轮胎2的传动轴对称连接于船厢本体5左右两侧的骨架上，位于闸室1的水面以上。

为了限制浮筒3的运动轨迹，本发明在闸室1的两侧闸墙8上对称设有浮筒井14，浮筒井14沿闸墙8竖直方向设置；浮筒3设置在两侧的浮筒井14内，通过浮筒连接轴连接在船厢本体5的底部横梁上。

本发明的船厢本体5嵌套于闸室1内，顶部为开口型式；双层结构是通过在船厢本体5的左右两侧分别布置内外双层边壁，内层边壁7与外层边壁6之间的距离a宜为1m～1.5m；错孔结构是通过在内外层边壁上分别布置相同数量的消能孔，内外双层消能孔呈错位布置，形成的错位在高度方向上是内层消能孔12相对低于外层消能孔11；在船厢本体5的上、下游两端均设置卧倒门。

本发明中的双层错孔消能过程为：闸室1内的水体首先经外层消能孔11流入内层边壁7与外层边壁6形成的过渡区，通过消能孔的突缩突扩以及在过渡区的强烈掺混而消能，同时过渡区除具消能功能外，还可过渡船厢内外的水面波动，以消除船舶停泊区的水面振荡，最后通过内层消能孔12消杀剩余水流能量。

轮胎相对于闸室1的设置方式：横向限位轮胎4的径向面平行于闸室1的横剖面，纵向限位轮胎2的径向面平行于闸室1的纵剖面，均通过传动抽与船厢本体5连接；为起到消能和对船厢本体5的横向位移约束，横向限位轮胎4的胎面始终与横向轮胎凹槽13接触，且横向限位轮胎4的两个径向面与横向轮胎凹槽13存在一定缝隙。为保障船厢的顺利升降，纵向限位轮胎2的胎面及其两个径向面均与纵向轮胎凹槽15存在一定缝隙，且该缝隙小于横向限位轮胎4的径向面与横向轮胎凹槽13间的缝隙。

本发明的船厢运行原理为：通过对称设置在两侧闸墙8上的浮筒3实现自适应水位变幅的升降运动，并通过在两侧闸墙8上对称设置的横向限位轮胎4和纵向限位轮胎2以抵抗船厢的晃动和在水平面上的运动。船厢上下游两端均设置有卧倒门，以保障船舶的顺利进出。

实施例：本发明以设计水头为61.3m，闸室1的尺度为140m×27m×3m的船闸工程为例。

本发明的设计方案：船厢尺度设计为136m×23m×6m，内层边壁7与外层边壁6之间的距离a为1.2m，消能孔的总过水面积为56m²，左、右两侧的闸墙8各布置6个浮筒3，6个横向限位轮胎4和6个纵向限位轮胎2。采用本发明的设计方案后，实现了船闸单级水头大幅提升至60m级，且船闸输水系统仍可采用常规类型，即闸底长廊道侧支孔加盖板消能型式，输水廊道阀门处的断面总面积为2×3.5m×4.0m＝28.0m²，主廊道的断面总面积为2×4.0m×5.0m＝40.0m²，顶缝出水总面积为2×40×4.0m×0.22m＝70.4m²。根据计算，在阀门开启时间为6min时，灌水段的总阻力系数为1.91，流量系数为0.72，船闸完成一次灌水需881s，最大输水流量为253m³/s。

上述的一种用于船闸的双层错孔消能船厢，船舶一次单向上行过闸包括以下步骤：

(1)船舶在下游引航道等待进闸上行，此时下闸门9和下端卧倒门10处于关闭状态，闸室1的水位和船厢本体5内的水位均与下游水位齐平。

(2)开启下闸门9，同时开启下端卧倒门10。

(3)船舶经过闸室1后直接驶入船厢本体5。

(4)船舶系泊停稳后，关闭下闸门9，同时关闭下端卧倒门10。

(5)船闸进行灌水，12个浮筒3和船舶随水位同步上升，船厢本体5和12个横向限位轮胎4及12个纵向限位轮胎2在浮筒3的带动下，适应水位的变幅实现同步上升。

(6)灌水结束时，闸室1内的水位与上游水位齐平，此时船厢本体5和限位轮胎随浮筒3提升至闸室1的最高水位。

(7)开启上闸门17，同时开启上端卧倒门16。

(8)船舶驶出船厢本体5后经过闸室1直接进入上游引航道。

(9)关闭上闸门17，同时关闭上端卧倒门16。

(10)船闸进行泄水，12个浮筒3和船舶随水位同步下降，船厢本体5和所有限位轮胎在浮筒3的带动下，适应水位的变幅实现同步下降。

(11)泄水结束时，闸室1内的水位与下游水位齐平，此时船厢本体5和限位轮胎随浮筒3下降至闸室1的最低水位，回到步骤(1)的初始状态。

本发明通过设计双层错位消能孔、过渡区、横向限位轮胎、纵向限位轮胎的多级消能结构，使得船厢具有显著的消能效果，不仅大幅提高了船闸的应用水头，而且提高了船闸输水阀门的启闭速度。由于船闸输水阀门启闭时间的缩短，本发明可有效缩短船闸输水时间，缩短了船舶的过闸时间，提高了船闸的通过能力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。