唐河水臺(tái)子樞紐船閘輸水系統(tǒng)研究

仝 佗

(中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007)

船閘輸水系統(tǒng)是船閘工程中至關(guān)重要的一環(huán)，其設(shè)置的合理與否直接影響到船閘工程能否可靠、安全運(yùn)行。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)船閘輸水的特點(diǎn)進(jìn)行了一系列研究，在工程水力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展成船閘水力學(xué)這門(mén)學(xué)科。各國(guó)和國(guó)際組織在船閘的選型和設(shè)計(jì)上根據(jù)不同水頭工況采取了多種標(biāo)準(zhǔn)，但普遍存在選型保守、閘室停泊條件差和經(jīng)濟(jì)性不佳等方面的問(wèn)題[1]。船閘輸水系統(tǒng)主要包括集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)2種輸水型式，對(duì)介于兩者之間的局部分散輸水系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)研究，但未在實(shí)際工程中應(yīng)用[2]。根據(jù)不同適應(yīng)范圍，集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)又可細(xì)分為很多種類(lèi)型，如何選擇合適的輸水系統(tǒng)是船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)最為關(guān)注的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外船閘輸水系統(tǒng)選型沒(méi)有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)[3]。本文結(jié)合唐河水臺(tái)子船閘工程的特點(diǎn)，對(duì)輸水系統(tǒng)型式進(jìn)行了研究和比選，并進(jìn)行了水力計(jì)算和物理模型試驗(yàn)研究。

1 項(xiàng)目概況

唐河位于南陽(yáng)盆地東側(cè)，主流潘河源于方城縣北部七峰山南麓，至社旗縣城東南河口村與趙河匯流后稱唐河。唐河流域是河南省主要經(jīng)濟(jì)帶和城鎮(zhèn)帶，分布有豐富的礦產(chǎn)資源，水運(yùn)需求對(duì)航道的開(kāi)發(fā)與利用提出了更高的要求。河南唐河從鄂豫省界水臺(tái)子至社旗焦家河口全長(zhǎng)138 km(天然河道長(zhǎng)度)，其中省界至唐河縣城85 km，唐河縣城至社旗焦家河口53 km。唐河航道曾被視為連接鄂、豫兩省的黃金水道，20世紀(jì)50年代有上千支帆船航行，60年代后由于上游來(lái)流量減小，水位下降，加上無(wú)力整治，致使唐河逐漸斷航，當(dāng)?shù)卮氨黄鹊酵馐⒓舆\(yùn)輸。

唐河省界至社旗航運(yùn)工程(省界至馬店段)屬于復(fù)航工程，航道設(shè)計(jì)等級(jí)為IV級(jí)航道，航道尺度：航道底寬50 m，最小水深2.3 m，彎曲半徑不小于330 m。

水臺(tái)子樞紐為唐河省界至社旗航運(yùn)工程(省界至馬店段)第一個(gè)樞紐，水臺(tái)子樞紐推薦壩址擬布置在鄂豫省界的新野縣王莊鎮(zhèn)唐河水臺(tái)子村段，樞紐壩線距水臺(tái)子大橋下游1.2 km，樞紐由連接壩段、泄水閘及船閘等組成。

水臺(tái)子樞紐船閘布置在泄水閘右側(cè)的灘地上，之間設(shè)51 m寬隔流堤。船閘軸線與壩軸線垂直正交。船舶進(jìn)、出閘方式采用“曲線進(jìn)閘、直線出閘”的過(guò)閘方式。船閘由上、下游引航道，上、下閘首及閘室組成，全長(zhǎng)904 m。船閘尺度為180 m×23 m×4.0 m(閘室有效長(zhǎng)度×凈寬×門(mén)檻最小水深)。上閘首位于壩軸線處，左側(cè)通過(guò)隔流堤與泄洪閘連接，右側(cè)與右岸灘地連接，為樞紐擋水建筑物的組成部分[4]。設(shè)計(jì)代表船型見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)船型主尺度表Tab.1 Dimensions of typical ships

表2 水臺(tái)子樞紐船閘特征水位(85高程基準(zhǔn))Tab.2 Characteristic water level (85 elevation datum) of Shuitaizi shiplock

2 設(shè)計(jì)水位

水臺(tái)子樞紐船閘特征水位和船閘設(shè)計(jì)水位組合見(jiàn)表2和表3。

表3 船閘設(shè)計(jì)水位組合(85高程基準(zhǔn))Tab.3 Shiplock design water level combination (85 elevation datum) m

3 輸水系統(tǒng)型式的選擇

水臺(tái)子船閘最大水頭時(shí)的水位組合為：上游最高通航水位-下游最低通航水位，設(shè)計(jì)水頭H=9.16 m。

依據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中輸水系統(tǒng)類(lèi)型的判別公式

(1)

式中：T為輸水時(shí)間，min，T=8～10 min；H為水頭，m；m為判別系數(shù)，當(dāng)m>3.5時(shí)采用集中輸水系統(tǒng)，當(dāng)m<2.5時(shí)采用分散輸水系統(tǒng)，m=2.5-3.5時(shí)應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，參照類(lèi)似工程選用。計(jì)算得m=2.64-3.30 m，根據(jù)相關(guān)規(guī)范及同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)，兼顧考慮輸水效率及船閘基礎(chǔ)，本次設(shè)計(jì)對(duì)第一類(lèi)分散輸水系統(tǒng)-閘墻長(zhǎng)廊道短支孔方案及集中輸水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。

4 輸水系統(tǒng)比選

4.1 第一類(lèi)分散輸水系統(tǒng)-閘墻長(zhǎng)廊道短支孔方案

該類(lèi)型輸水系統(tǒng)型式輸水廊道布置在閘墻側(cè)，通過(guò)側(cè)支孔出水。依據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ306-2001)[5]，輸水閥門(mén)處廊道斷面面積可按以下公式計(jì)算

(2)

式中：ω為輸水閥門(mén)處廊道斷面面積，m2；c為計(jì)算閘室水域面積，m2，本船閘取200 m×23 m=4 600 m2；H為設(shè)計(jì)水頭，m，取9.16 m；d為閥門(mén)全開(kāi)后慣性水頭，取為0.3 m；T為閘室充水時(shí)間，取8 min；g為重力加速度，m/s2；μ為閥門(mén)全開(kāi)時(shí)輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)，取為0.8；α和kv為系數(shù)，查規(guī)范表α取0.53，kv取0.75。

根據(jù)計(jì)算得閥門(mén)處廊道斷面面積為：ω=2×3.0 m×3.4 m(高×寬)=20.4 m2。

輸水閥門(mén)處廊道斷面面積確定后，在選擇主廊道斷面面積以及出水支孔斷面面積時(shí)，有2個(gè)比值必須加以注意。即

根據(jù)工程實(shí)踐，α值與輸水系統(tǒng)主廊道各段的損失成反比關(guān)系；β取值減小，各出水支孔之間出流越均勻，但將增加出水孔段水頭損失[6]，根據(jù)美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)的經(jīng)驗(yàn)，一般取β=0.95。本工程主廊道斷面設(shè)計(jì)為(2-3.5) m×3.8 m(高×寬)，閘墻每側(cè)設(shè)21個(gè)短支孔，分為3組，上游至下游孔口尺寸分別為(0.80×0.80)m2(7孔)、(0.80×0.76)m2(7孔)、(0.80×0.72)m2(7孔)，總面積為25.54 m2，根據(jù)計(jì)算，α值為1.31，β值為0.96。

側(cè)支孔設(shè)置在閘室中部，進(jìn)、出口均修圓擴(kuò)大。由于從調(diào)整水流及消能的角度來(lái)說(shuō)，合適的消力檻高度與距離不但與支孔高度、閘室寬度及閘室水深有關(guān)，而且它們二者之間也互有影響，消力檻過(guò)高或過(guò)近對(duì)此種輸水系統(tǒng)水力特點(diǎn)的影響較大。本工程消力檻高度設(shè)計(jì)為0.35 m，距出水口距離1.50 m。

閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)的出水孔段長(zhǎng)度一般為閘室有效長(zhǎng)度的1/2～2/3。同時(shí)我國(guó)船閘設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定：出水孔間距宜為閘室寬度的1/4[5]，綜合上述因素，最后確定側(cè)出水支孔間距為5.65 m，出水孔總長(zhǎng)為5.65×21=119 m，占閘室有效長(zhǎng)度66%。

4.2 集中輸水系統(tǒng)

本工程屬于中等水頭，若采用傳統(tǒng)的集中輸水系統(tǒng)，則閘室內(nèi)船舶泊位條件相對(duì)較差且輸水時(shí)間較長(zhǎng)。本工程采用帶有局部分散效果的集中輸水系統(tǒng)，該輸水系統(tǒng)既具有集中輸水系統(tǒng)工程量較省、施工方便的優(yōu)點(diǎn)，又具有局部分散輸水系統(tǒng)可降低初始波浪力、提高閥門(mén)初始開(kāi)啟速度、縮短輸水時(shí)間和不設(shè)鎮(zhèn)靜段的優(yōu)點(diǎn)[7]。

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ306-2001)[5]，輸水閥門(mén)處廊道斷面尺寸按下式計(jì)算

(3)

式中：閘室充水時(shí)間T取10 min，其余參數(shù)均與式(2)中相同。

根據(jù)計(jì)算可得閥門(mén)處廊道斷面面積ω=20.85 m2，閥門(mén)面積取2×3.4 m×3.0 m=20.4 m2。

上閘首輸水系統(tǒng)進(jìn)水口采用頂面進(jìn)水方式，頂面進(jìn)水孔尺寸為中間稍大、兩側(cè)略小的布置，廊道尺度為(2-5.5) m×3.4 m(寬×高)。兩側(cè)短廊道接連接廊道進(jìn)入閘室，連接廊道設(shè)側(cè)向出水口，在閘室連接段處的出水雙明溝內(nèi)分別設(shè)置4道消力檻(共8道)，其中兩側(cè)近壁處設(shè)置短檻，中間位置設(shè)置長(zhǎng)檻。

下閘首輸水系統(tǒng)采用門(mén)龕側(cè)面輸水廊道進(jìn)水口，出水口采用對(duì)沖式消力檻。輸水系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1～圖3。

圖1 集中輸水系統(tǒng)平面布置圖(高程：m；尺寸：mm)

圖2 集中輸水系統(tǒng)上閘首布置圖(高程：m；尺寸：mm) 圖3 集中輸水系統(tǒng)下閘首布置圖(高程：m；尺寸：mm)

輸水系統(tǒng)主要特征尺寸見(jiàn)表4。

表4 集中輸水系統(tǒng)布置特征尺寸Tab.4 Layout characteristic dimensions of centralized water filling & emptying system

4.3 方案比選

根據(jù)《船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ307-2001)，水頭較大、閘墻較高、地基條件較差或地震烈度較高的情況可采用整體式結(jié)構(gòu)[8]。由于本工程為粗砂，非巖石地基，因此閘室結(jié)構(gòu)適合選用對(duì)地基承載力要求較低的塢式結(jié)構(gòu)型式。

表5 兩種輸水系統(tǒng)閘首及閘室結(jié)構(gòu)方案工程量及投資比較表Tab.5 Comparison of engineering quantity and investment of lock head and chamber of two kinds of water filling & emptying system

結(jié)合兩種輸水系統(tǒng)型式，當(dāng)采用短廊道集中輸水時(shí)，閘室結(jié)構(gòu)選用鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)(側(cè)墻不布置輸水廊道)，當(dāng)采用閘墻長(zhǎng)廊道分散輸水時(shí)，閘室結(jié)構(gòu)也選用鋼筋混凝土塢式結(jié)構(gòu)(側(cè)墻布置輸水廊道)，并對(duì)兩種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比較。兩種輸水系統(tǒng)工程量及投資比選見(jiàn)表5。

由表5可看出，采用帶有局部分散效果的集中輸水方案比分散輸水方案更節(jié)省工程量及投資，結(jié)構(gòu)整體性較好，但也存在輸水時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)、水流條件稍差、閘室墻局部廊道側(cè)支孔段施工較為復(fù)雜等缺點(diǎn)；分散輸水系統(tǒng)水力條件較好，輸水時(shí)間短，船閘通過(guò)能力大，其缺點(diǎn)為下閘首底板較厚，鋼筋用量較多，閘室墻施工較復(fù)雜，土方開(kāi)挖及回填均較多，工程量及投資較大。因此，綜合考慮兩種輸水系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)，本工程選用集中輸水作為設(shè)計(jì)推薦方案。

5 物理模型試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)初步擬定充水閥門(mén)雙邊勻速開(kāi)啟試驗(yàn)工況為tv=5 min、6 min、7 min；泄水閥門(mén)雙邊勻速開(kāi)啟試驗(yàn)工況為tv=6 min、7 min、8 min。

最大設(shè)計(jì)水頭時(shí)，閘室充水完成時(shí)間分別為9.22 min、9.68 min、10.13 min，基本滿足設(shè)計(jì)輸水完成時(shí)間要求，此時(shí)充水廊道最大流速分別為6.14 m/s、5.73 m/s、5.60 m/s，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。閘室泄水完成時(shí)間分別為9.40 min、9.86 min、10.22 min，基本滿足設(shè)計(jì)輸水完成時(shí)間要求，此時(shí)泄水廊道最大流速分別為6.49 m/s、6.48 m/s、6.07 m/s，均符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

根據(jù)模型試驗(yàn)，輸水時(shí)閘室仍然存在一定的慣性超高(降)，截止閘室充泄水完成，當(dāng)充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間為5 min時(shí)，慣性超高達(dá)最大值0.27 m，超出規(guī)范0.25 m的要求；當(dāng)充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間延長(zhǎng)至6 min、7 min時(shí)，慣性超高值有所下降，分別為0.17 m、0.02 m，滿足規(guī)范要求。當(dāng)泄水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間為6 min時(shí)，慣性超降最大值0.28 m，超出規(guī)范0.25 m的要求；同樣當(dāng)泄水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間延長(zhǎng)至7 min、8 min時(shí)，閘室慣性超降值(絕對(duì)值)有所減小，分別為0.12 m、0.05 m，滿足規(guī)范要求。閘室水力特征值見(jiàn)表6。

表6 閘室輸水水力特征值Tab.6 Hydraulic characteristic values of lock chamber

表7 船舶雙列并排停放停泊條件特征值(充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟)Tab.7 Characteristic values of berthing conditions for double-row berthing of ships (double opening of water-filled valves)

船舶系纜力試驗(yàn)選擇設(shè)計(jì)船型中1 000 t級(jí)單船及2×500 t級(jí)船隊(duì)進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)定1 000 t級(jí)單船與2×500 t級(jí)船隊(duì)并列停放于閘室上游，以1 000 t級(jí)單船作為試驗(yàn)測(cè)量船型，進(jìn)行雙邊充水試驗(yàn)，試驗(yàn)工況及系纜力特征值見(jiàn)表7。

由表7可以看出，當(dāng)充水閥門(mén)以7 min雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)，1 000 t級(jí)單船所受各向系纜力均滿足規(guī)范要求；當(dāng)充水閥門(mén)以6 min雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)，船舶所受縱向及后橫向系纜力滿足規(guī)范要求，閥門(mén)開(kāi)啟后約246 s時(shí)，前橫向系纜力達(dá)到最大值16.72 kN，較規(guī)范要求有所偏大。

船閘輸水具有非常顯著的非恒定流特征，由于模型試驗(yàn)縮尺效應(yīng)的存在，工程原型與模型間的差別尚無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測(cè)[9]。根據(jù)物理模型試驗(yàn)可以看出，采用帶有局部分散效果的集中輸水系統(tǒng)，既具有結(jié)構(gòu)工程量比分散輸水型式少的優(yōu)點(diǎn)，又具備分散輸水系統(tǒng)水流條件好的一些特點(diǎn)，船閘在閘室內(nèi)的停泊條件優(yōu)于其他集中輸水系統(tǒng)指標(biāo)[10]。

6 結(jié)論

(1)本工程為中等水頭船閘，輸水系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)范及同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)，兼顧考慮輸水效率及船閘基礎(chǔ)，對(duì)分散輸水系統(tǒng)和集中輸水系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證；(2)相較于集中輸水系統(tǒng)，分散輸水系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)整體性及抗震性能較好、水力條件好、輸水時(shí)間短、船閘通過(guò)能力大等優(yōu)點(diǎn)，但造價(jià)相對(duì)較高；而集中輸水系統(tǒng)工程量及投資均較省，因此本工程推薦采用具有局部分散效果的新型短廊道集中輸水系統(tǒng)；(3)根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)充水閥門(mén)雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)間為7 min時(shí)，輸水完成時(shí)間、對(duì)應(yīng)最大流量、斷面平均流速均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求；當(dāng)充水閥門(mén)以7 min雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)，1 000 t級(jí)單船所受橫向系纜力及縱向系纜力均滿足規(guī)范要求；船閘上閘首廊道進(jìn)口采用橫支廊道頂支孔布置，進(jìn)水條件良好，因此本工程采用具有局部分散效果的新型短廊道集中輸水系統(tǒng)是合適的。