艷州樞紐船閘工程輸水系統(tǒng)布置優(yōu)化及水力特性驗證分析

劉 領(lǐng)

(湖南省湘水集團(tuán)有限公司，長沙 410014)

閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)是一種簡單式分散輸水系統(tǒng)布置型式，適用于中低水頭船閘。該輸水系統(tǒng)較其他輸水型式在河網(wǎng)密布、經(jīng)濟發(fā)達(dá)的平原地區(qū)更具優(yōu)勢，其應(yīng)用前景更為廣闊[1]。該輸水系統(tǒng)以及類似輸水系統(tǒng)型式在美國的船閘建設(shè)中應(yīng)用最為廣泛，其水頭范圍為3～12 m[2-3]。目前，我國船閘較少采用閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)，船閘應(yīng)用的水頭多在10 m，最大水頭超過12 m，且采用該種輸水系統(tǒng)的船閘工程比較少見[4-7]。

閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)型式受水流慣性影響較大，充泄水時室內(nèi)會產(chǎn)生一定的水面坡降，使船舶受到較大的波浪力。同時，布置在閘墻上的側(cè)向支孔出水，水流在閘室內(nèi)分布不均勻且能量較為集中，使船舶受到較大的局部作用力，導(dǎo)致船舶系纜力偏大[8-10]?，F(xiàn)有的類似船閘一般通過布置消能工的方式解決此問題，導(dǎo)致建設(shè)成本增大且影響施工進(jìn)度[11-12]。

本文依托艷州船閘工程，研究在不增設(shè)消能建筑物的情況下，通過優(yōu)化輸水系統(tǒng)布置，將船舶系纜力控制在規(guī)定范圍內(nèi)，以確保船舶安全通行。研究成果為類似中高水頭、采用閘墻長廊道側(cè)支孔方案的船閘安全、高效、經(jīng)濟運行提供必要的技術(shù)資料，同時為工程決策提供依據(jù)。

1 樞紐概況

1.1 項目簡介

艷州樞紐由電站、船閘、大壩組成，下距澧縣縣城5 km，水庫正常擋水位40.20 m，死水位39.01 m，當(dāng)洪水流量大于最高通航流量7 000 m3/s 時，船閘停航。船閘閘室有效尺度為280 m×34 m×4.5 m，上游引航道寬60 m，采用曲進(jìn)曲出方案；下游引航道寬75 m，采用曲進(jìn)直出方案，引航道布置于右岸陸域，不影響河道行洪。該項目設(shè)計船型為1 000 t貨船，長度×寬度×吃水為85 m×10.8 m×2.0 m(近期代表船型)；2 000 t級貨船：90 m×14.8 m×2.6 m(遠(yuǎn)期代表船型)。

1.2 研究背景

根據(jù)船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范[13]，結(jié)合艷州樞紐總平面布置和項目特點，確定船閘輸水系統(tǒng)采用閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)，進(jìn)水口布置在上閘首及上游輔導(dǎo)航墻，出口布置在下閘首及下游輔導(dǎo)航墻。輸水廊道布置在上下閘首的邊墩及閘室墻內(nèi)，廊道斷面尺寸為4.0 m×4.5 m(高×寬，下同)，每側(cè)閘室墻共布置16個1.0 m×1.5 m支孔。下游最低通航水位下閘室最小淹沒深度為6.0 m。根據(jù)已建類似船閘的設(shè)計水頭及運行情況，艷州船閘初步設(shè)計方案可能存在以下3個問題。

(1)按照《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》確定輸水類型經(jīng)驗公式，8～15 min不同工況計算值范圍較寬，可選擇第二類或第三類分散輸水系統(tǒng)，但考慮到地質(zhì)和施工進(jìn)度因素，擬采用閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)。

(2)最大設(shè)計水頭為13.97 m，是國內(nèi)目前已建船閘相同規(guī)模(280×34 m)采用閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)設(shè)計水頭最高的船閘，可能存在廊道流速過大、充泄水工況慣性超高(降)超標(biāo)等問題。

(3)采用閘墻長廊道側(cè)支孔系統(tǒng)對閘室泊穩(wěn)條件影響較大，需進(jìn)一步優(yōu)化廊道及支孔細(xì)部尺寸。

1.3 船閘輸水系統(tǒng)特征資料

1.3.1 特征水位

艷州船閘主要運行水位組合如表1所示。表1中水位組合C1為船閘最大運行水頭工況，是輸水各項水力指標(biāo)的控制工況；工況組合C2為船閘常遇運行水頭工況；工況組合C3是上游進(jìn)水口流態(tài)可能的控制工況(該水力指標(biāo)的控制工況亦可能為C1)；工況組合C4為遠(yuǎn)期10 a一遇洪水條件下的運行工況；工況C7為船閘近期運行控制工況。

表1 艷州船閘主要運行水位組合

1.3.2 輸水系統(tǒng)布置特征尺寸

艷州船閘輸水系統(tǒng)各部分特征尺寸如表2所示，閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)方案布置如圖1所示，上閘首及閘首連接段布置如圖2所示。

圖2 艷州船閘閘墻長廊道輸水系統(tǒng)上閘首及閘室連接段布置圖(單位：mm；高程：m)

1-a 艷州船閘輸水系統(tǒng)布置圖

2 研究方法及途徑

2.1 輸水系統(tǒng)水工整體模型試驗

通過船閘1∶30水工整體物理模型試驗，確定船閘輸水系統(tǒng)的布置和閥門開啟方式，測定輸水系統(tǒng)各項水力性能及參數(shù)，并分析試驗成果，提出改進(jìn)意見，為設(shè)計提供技術(shù)依據(jù)。

2.2 物理模型設(shè)計與量測

模型按重力相似設(shè)計，幾何比尺Lr=30。模型與原型各物理量的換算關(guān)系如下：

(1)重量及力比尺為(Lr)3=27 000。

(2)流速及時間比尺為(Lr)1/2=5.48。

(3)流量比尺為(Lr)5/2=4 929.5。

輸水廊道及上下游進(jìn)出口段采用聚乙烯塑料板。閘室邊墻、上下游水庫采用鋼板制作，上下游水庫尺度均為8 m×3 m×1.5 m(長×寬×高)，水庫內(nèi)布置2.5 m×2.5 m的平水槽，穩(wěn)定上下游水位。下游水庫外布置矩形量水堰以測量輸水系統(tǒng)流量系數(shù)。水工模型的范圍包括船閘閘室、輸水系統(tǒng)及部分上下游引航道。

3 試驗方案及輸水系統(tǒng)布置優(yōu)化

艷州船閘最大水頭近14 m，在小淹沒深度下，支孔出流消能空間小，導(dǎo)致船舶系纜力偏大?？紤]到國內(nèi)外已建的采用閘墻長廊道輸水系統(tǒng)方案的船閘最大設(shè)計水頭多在10 m以下，其制約因素基本為船舶停泊條件。根據(jù)輸水系統(tǒng)選型布置及水力計算分析，建議將閘墻長廊道輸水系統(tǒng)方案的閘底高程由22.31 m下降至21.31 m，從而使下游最低通航水位出水支孔淹沒深度在初步設(shè)計的基礎(chǔ)上增加1.0 m，增加艷州船閘的安全性。

閘室輸水水力特性計算分析成果表明，廊道段廊道尺寸為4.5 m×5.0 m(寬×高)、總面積為45 m2時，若輸水閥門開啟時間為5～8 min，則船閘充水時間小于11 min，泄水時間小于12 min，閘室水面升降速度、進(jìn)水口孔口最大流速和引航道流速等水力指標(biāo)基本滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

根據(jù)以往類似船閘實際運營經(jīng)驗，上述閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)輸水時間偏快，雖然較短的輸水時間能提高船閘運行效率，但輸水過程中最大流量相對較大，閘室船舶系纜力更難滿足規(guī)范要求。根據(jù)艷州船閘輸水時間要求及設(shè)計船型的系纜力要求，在進(jìn)行物理模型試驗時，對艷州船閘的細(xì)部尺寸進(jìn)行了進(jìn)一步調(diào)整。

物理模型維持下游最低通航水位下閘室最小淹沒深度為6.0 m方案不變，對后期下游最低通航水位進(jìn)行了調(diào)整，淹沒深度6.0 m時，閘室底高程下降至20.23 m。物理模型縮小了輸水廊道面積，閥門處廊道尺寸按4.2 m×4.8 m(寬×高)、總面積為40.32 m2，考慮主廊道尺寸由5.5 m×5.0 m(寬×高)縮小至4.2 m×4.8 m(寬×高)，相應(yīng)的三組出水支孔寬度由1.0 m、0.9 m和0.8 m調(diào)整為0.9 m、0.75 m和0.6 m。調(diào)整后，廊道面積約縮小12%，估算充水時間12 min左右，泄水時間13 min左右，滿足設(shè)計要求，其余各項水力指標(biāo)也能滿足相關(guān)規(guī)范要求，閘室船舶停泊條件有所改善(表3)。

表3 閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)特征尺寸

4 閘室輸水系統(tǒng)水力特性驗證

4.1 試驗工況

物理模型試驗主要考慮近期、遠(yuǎn)期最大水頭工況、正常運行工況和上、下游最低通航水位組合工況。

4.2 試驗驗證及分析

針對前述試驗研究的輸水系統(tǒng)布置型式和各部位具體尺寸，開展了不同水位組合下的閘室輸水水力特性模型試驗，測定并計算了充、泄水閥門不同開啟時間下的閘室水位變化過程、流量變化過程、閘室充泄水時間及其他相關(guān)水力特征值，見表4～表7及圖4、圖5。

表4 遠(yuǎn)期最大設(shè)計水頭(水位組合：40.2 m-26.23 m)閘室雙邊充水水力特征值

表7 常水頭工況(水位組合：40.2 m-30.09 m)閘室雙邊泄水水力特征值

試驗成果表明：艷州船閘充水閥門5～8 min開啟時，最大設(shè)計水頭工況閘室充水時間10.80～12.42 min，充水過程最大流量346.7～414.9 m3/s，閘室水面最大上升速度1.98～2.37 m/min，進(jìn)水口孔口最大流速2.0～2.4 m/s；常水頭工況閘室充水時間9.38～10.97 min，充水過程中最大流量269.4～330.7 m3/s，閘室水面最大上升速度1.54～1.89 m/min，進(jìn)水口孔口最大流速1.56～1.91 m/s。閥門全開雙邊充水時慣性超高約0.32 m。

艷州船閘泄水閥門5～8 min開啟時，最大設(shè)計水頭工況閘室泄水時間12.06～13.43 min，泄水過程最大流量311.4～368.9 m3/s，閘室水面最大下降速度1.78～2.11 m/min；常水頭工況閘室泄水時間10.44～11.97 min，泄水過程中最大流量291.8～248.7 m3/s，閘室水面最大下降速度1.42～1.47 m/min。閥門全開雙邊泄水時慣性超降約0.22 m。

其余工況下輸水水力特性相關(guān)的各項水力指標(biāo)均在最大設(shè)計水頭工況和常遇水頭工況之間，不再贅述。

艷州船閘充、泄水閥門雙邊開啟時間在5～8 min時，閘室輸水時間、水面升降速度、進(jìn)水口孔口流速等輸水水力特性相關(guān)的各項水力指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求，說明所設(shè)計的輸水系統(tǒng)各部分尺寸基本合理。

表5 常水頭工況(水位組合：40.2 m-30.09 m)閘室雙邊充水水力特征值

表6 遠(yuǎn)期最大設(shè)計水頭(水位組合：40.2 m-26.23 m)閘室雙邊泄水水力特征值

圖3 船閘閘室雙邊充水tv=8 min充水水力特性曲線(水位組合：40.20 m-26.23 m) 圖4 船閘閘室雙邊泄水tv=8 min泄水水力特性曲線(水位組合：40.20 m-26.23 m)

4.3 水力特性驗證結(jié)果

通過船閘輸水系統(tǒng)水工模型分析研究了艷州船閘在采用閘墻長廊道側(cè)支孔出水檻式消能輸水系統(tǒng)的水力特性。結(jié)果表明：

因此，在課程內(nèi)容建設(shè)中，清晰梳理計算思維的科學(xué)內(nèi)涵，完成具體的、典型的計算思維培養(yǎng)內(nèi)容的抽取、凝練和總結(jié)，從計算思維的培養(yǎng)與醫(yī)學(xué)融合的角度出發(fā)，構(gòu)建課程知識體系和能力結(jié)構(gòu)，完成“理論”和“實踐”的落地，使醫(yī)學(xué)院校的大學(xué)計算機基礎(chǔ)課程呈現(xiàn)出活力十足、特點鮮明的面貌，培養(yǎng)學(xué)生具備運用計算思維的方法去分析問題、解決問題的能力。

(1)艷州船閘充水閥門5～8 min開啟時，閘室充水時間在12.42 min以內(nèi)，充水過程最大流量269.4～414.9 m3/s，閘室水面上升速度小于2.40 m/min，進(jìn)水口孔口最大流速小于2.5 m/s，閥門全開雙邊充水時慣性超高約0.32 m。

(2)艷州船閘泄水閥門5～8 min開啟時，閘室泄水時間在13.43 min以內(nèi)，泄水過程最大流量291.8～368.9 m3/s，閘室水面下降速度低于2.11 m/min；閥門全開雙邊泄水時慣性超降約0.22 m。

(3)船閘充、泄水閥門雙邊開啟時間在5～8 min時，閘室輸水時間、水面升降速度、進(jìn)水口孔口流速等輸水水力特性相關(guān)的各項水力指標(biāo)均滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求，調(diào)整后的輸水系統(tǒng)各部分尺寸基本合理。

(4)雙邊充水時閘室慣性超高降試驗值為0.32 m，大于規(guī)范限值；雙邊泄水時閘室慣性超高降試驗值為0.22 m，雖小于0.25 m，但是裕量較小。實際運行時可酌情采用提前關(guān)閉充、泄水閥門，并在閘室內(nèi)外水位齊平時打開人字門的措施以減小慣性水頭，保障人字門運行安全。

5 閘室船舶停泊條件試驗成果

5.1 最大設(shè)計水頭工況雙邊輸水

最大設(shè)計水頭工況即水頭13.97 m，對應(yīng)上游水位40.20 m，下游水位26.23 m的工況下，閘室輸水體積最大，進(jìn)入閘室的水流能量最大，對閘室消能效果要求最高。根據(jù)輸水系統(tǒng)水力特性研究，艷州船閘充水閥門5～8 min開啟時，輸水時間、閘室水位上升速度、進(jìn)水口流速等指標(biāo)均能滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計要求。因此，進(jìn)行閘室船舶停泊條件試驗時，充水閥門開啟時間取7 min和8 min。

最大設(shè)計水頭工況下船舶停泊于閘室不同位置時的系纜力最大值見表8。

表8 最大設(shè)計水頭工況下閘室內(nèi)船舶最大系纜力

試驗結(jié)果表明：

(1)閥門開啟速度越快，船舶系纜力越大；船舶停泊于閘室中部和下半閘室時系纜力較大，停泊于上半閘室時系纜力相對較??；船舶噸級越大，系纜力越大；由于輸水系統(tǒng)布置較為合理，閘室出水均勻，船舶縱向系纜力普遍較小。

圖5 最大設(shè)計水頭工況下2 000 t貨船停泊于閘室中部系纜力過程線 (水位組合：40.20 m-26.23 m，H=13.97 m，雙邊充水，tv =8 min)

5.2 常遇水位組合雙邊輸水

根據(jù)最大設(shè)計水頭工況下船舶停泊條件試驗所得基本規(guī)律，常遇水位組合，即上游水位40.20 m、下游水位30.09 m、水頭10.11 m的工況下，閘室雙邊輸水，重點分析2 000 t級貨船停泊于閘室中部和下半閘室時的系纜力情況。由于常水頭工況閘室初始淹沒深度較最大設(shè)計水頭工況增大了3.86 m，閘室船舶停泊條件將有顯著改善。因此，常水頭工況下，船舶停泊條件試驗中取充水閥門開啟時間為6 min和8 min。此試驗條件下，船舶系纜力最大值見表9。系纜力過程線詳見圖6。

表9 常水頭工況下閘室內(nèi)船舶最大系纜力

圖6 常水頭工況下2 000 t貨船停泊于閘室中部系纜力過程線(水位組合：40.20 m-30.09 m，H=10.11 m，雙邊充水，tv=8 min)

試驗結(jié)果表明：常遇水位組合下，充水閥門6～8 min開啟時，2 000 t級貨船縱向系纜力最大值9.83 kN，前、后橫向系纜力最大值10.30 kN。相比于最大設(shè)計水頭工況，閘室船舶系纜力顯著減小，1 000 t級貨船系纜力將較表中結(jié)果更小。因此，常遇水位組合下充水閥門6～8 min開啟時設(shè)計船舶閘室停泊縱、橫向系纜力均能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 單邊輸水停泊條件

在船閘一側(cè)充水閥門處于檢修工況無法投入使用或單側(cè)充水廊道、閥門發(fā)生事故時，另一側(cè)充水閥門需要單獨運行。為此，對單邊閥門充水工況也進(jìn)行了船舶停泊條件試驗。

單邊輸水時，由于水流僅從一側(cè)閘墻支孔進(jìn)入閘室，消力檻消能后水流能量仍較為集中，將不可避免地在閘室內(nèi)形成較為明顯的橫向水流，極易導(dǎo)致船舶系纜力尤其是橫向系纜力超過規(guī)范允許值。

試驗結(jié)果表明：最大設(shè)計水頭下，單邊充水閥門8 min勻速開啟時，2 000 t級貨船縱向系纜力18.7 kN，但橫向系纜力達(dá)114.3 kN，遠(yuǎn)超規(guī)范允許值，即使閥門開啟速度繼續(xù)降低也無法有效降低船舶橫向系纜力。由此可得，單邊充水工況下閥門全開的運行方式不可行。

因此考慮對閥門間歇開啟方式下的閘室船舶系纜力試驗，停機時間分別為12 min和15 min時的系纜力最大值見表10。系纜力過程線詳見圖7。

表10 單邊充水時閘室內(nèi)船舶最大系纜力

圖7 單邊充水工況下2 000 t貨船停泊于閘室中部系纜力過程線 (水位組合：40.20 m-26.23 m，H=13.97 m，單邊充水，tv=8 min，停機開度0.3，等待時間15 min)

試驗結(jié)果表明：船閘單邊充水時，采用充水閥門以8 min勻速開啟至0.3開度，并停機等待15 min后繼續(xù)開至全開的運行方式，則閘室船舶縱向系纜力小于10 kN，橫向最大系纜力19.83 kN，停泊條件滿足相關(guān)規(guī)范要求。單邊輸水時，在上述運行方式下，輸水時間31.67 min，最大流量161.89 m3/s，慣性超高0.21 m。

5.4 閘室船舶停泊條件結(jié)果

閘室船舶停泊條件試驗成果表明：

(1)最大設(shè)計水頭工況下，充水閥門8 min開啟時，2 000 t級貨船縱向系纜力最大值14.06 kN，前、后橫向系纜力最大值19.75 kN，停泊條件滿足相關(guān)規(guī)范要求。1 000 t級貨船吃水較小，所受局部水流作用力不大，充水閥門8 min開啟時，縱、橫向系纜力均能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

(2)常水頭工況下，閘室初始淹沒深度大，船舶系纜力較最大設(shè)計水頭工況顯著減小。充水閥門8 min開啟時設(shè)計船舶閘室停泊縱、橫向系纜力均能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，并有一定富裕。

(3)船閘單邊充水時，采用充水閥門以8 min勻速開啟至0.3開度，并停機等待15 min后繼續(xù)開至全開的運行方式，則閘室船舶縱向系纜力小于10 kN，橫向最大系纜力19.83 kN，停泊條件滿足相關(guān)規(guī)范要求。

6 結(jié)語

本文通過物理模型試驗對艷州船閘輸水系統(tǒng)進(jìn)行了驗證和優(yōu)化，主要結(jié)論如下：

(1)針對280×34 m規(guī)模尺度船閘輸水系統(tǒng)進(jìn)行了驗證，結(jié)果表明：在設(shè)計水頭為13.97 m的極端工況下，輸水系統(tǒng)的廊道最大流量達(dá)414.9 m3/s，雙邊充水時閘室慣性超高降試驗值為0.32 m，大于規(guī)范限值；雙邊泄水時閘室慣性超高降試驗值為0.22 m，雖小于0.25 m，但是裕量較小。

(2)通過降低閘室底板頂高程，增大初始水深，并采用下閘首底板頂出水和旁側(cè)出水方式，將主廊道尺寸縮小為5.2 m×4.8 m(寬×高)，閥門段廊道調(diào)整為4.2 m×4.8 m(寬×高)，同時相應(yīng)將三組出水支孔寬度調(diào)整為0.9 m、0.75 m、0.6 m，經(jīng)試驗驗證可以滿足規(guī)范要求。

(3)通過對閘室泊穩(wěn)條件進(jìn)行試驗，最大設(shè)計水頭工況下，充水閥門8 min開啟時，2 000 t級貨船縱向系纜力最大值14.06 kN，前、后橫向系纜力最大值19.75 kN，停泊條件滿足相關(guān)規(guī)范要求。1 000 t級貨船吃水較小，所受局部水流作用力不大，充水閥門8 min開啟時縱、橫向系纜力均能滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

以上成果可為艷州船閘建成試運行后提供輸水系統(tǒng)調(diào)試依據(jù)，也可為國內(nèi)類似中高水頭船閘安全、高效、經(jīng)濟運行提供借鑒。