三峽船閘水力學問題及其安全監(jiān)測設計

鄧　浩　夏　煜

摘要：對三峽船閘水力學研究的主要問題以及所采取的工程措施作了綜合論述，并根據(jù)三峽船閘各種設計運行條件闡述了水力學原型監(jiān)測的目的和內(nèi)容。按上游引航道，下游引航道，閘室主體三個區(qū)段分別對涌浪、流速、流態(tài)、船只系纜力、廊道壓力、水下噪聲、閘閥門啟門力、門楣通氣量、水位等物理量進行監(jiān)測的測點位置作了詳細設計布置。

關鍵詞：空化噪聲；門楣通氣；廊道壓力；啟門力；超灌超泄；涌浪；廊道體型

1三峽船閘工程概況

三峽船閘為雙線連續(xù)五級船閘，布置在左岸臨江最高峰壇子嶺外側(cè)。船閘中心線與壩軸線夾角67.42°。船閘線路總長6 442m，其中上游引航道閘前直線段930m，后接向上游左轉(zhuǎn)42°、轉(zhuǎn)彎半徑為1 000m的轉(zhuǎn)彎段733m，再接450m直線段至隔流防淤堤頭，全長2 113m。船閘主體結(jié)構(gòu)段長1 607m。下游引航道直線段930m，后接向下游左轉(zhuǎn)54♀、轉(zhuǎn)彎半徑為1 000m的轉(zhuǎn)彎段942m，再下接850m直線段，全長2 720m。上游引航道導航段底寬152m，?？慷螌?80m，堤頭口門底寬220m。上游導航墻段長250m，下游導航墻段長220m，上、下游靠船墩段各長200m。閘室有效尺寸為280mX34mX5m(長X寬X起始水深)。

船閘上游最高通航水位175m，最低通航水位135m，下游最高通航水位73.8m，最低通航水位62m。船閘總水頭113m。根據(jù)水級劃分，五級船閘中間級最大水頭為45.2m。船閘可一次通過1+9X1 000t或l+4X3 000t船隊，是當今世界上水頭最高，規(guī)模最大，技術最復雜的船閘工程。

2水力學研究的主要問題和采取的工程措施

三峽船閘水力學研究的主要問題有：輸水系統(tǒng)布置形式，輸水廊道閥門段的空化和流激振動，第2級或第3級閘室補水措施，閘室船隊安全停泊條件，閘室充泄水末期水位超灌超泄的控制，上、下游引航道中涌浪、往復流等。

2.1三峽船閘輸水廊道布置形式

上游取水口布置采用在引航道全寬度內(nèi)正向取水，取水口底部高程為119m。船閘輸水主廊道布置在每線船閘的左右兩側(cè)，共4條主輸水廊道，其斷面形式為上圓，下方的門洞型。主廊道在每級閘室中部設有第1分流口，分上下兩層，與閘室中支廊道相接。在每級閘室1／2處和3／4處設有第2分流口，與閘室分支廊道相接。第1、2分流口均采用立體分流形式。閘室內(nèi)采用底部4區(qū)段8支廊道頂部出水孔布置，出水孔頂部帶消能蓋板，共96個出水孔。輸水系統(tǒng)布置特征值見表1。

第5級閘室泄水出口布置研究過直接泄入下游引航道的方案，由于船閘和升船機共用下游引航道，試驗研究表明，無論一線或兩線閘室泄水所產(chǎn)生的涌浪對升船機承船廂處允許波高(士15cm)都無法滿足。因此，最終設計采用長涵管布置型式將閘室水體直接泄人引航道隔流堤外側(cè)主河道中。并在 第6閘首布置環(huán)繞閘首的短廊道，用以平衡閘室泄水末期閘室和引航道之間的水位差。

2.2閘室船只安全停泊條件

閘室在充泄水過程中，由于水流慣性作用，閘室水位會高于上游水位或低于下游水位，即閘室水位的超灌超泄現(xiàn)象。閘室水位的超灌超泄后，較大的反向水頭不僅對人字門啟閉機構(gòu)件產(chǎn)生不利影響，而且會在閘室里形成明顯的縱向水流，對閘室內(nèi)船隊的停泊安全有嚴重的影響。過大的系纜力會導致纜繩斷裂，危及船隊的安全。為保證船隊在閘室里安全運行，通常采用的主要措施是優(yōu)化輸水系統(tǒng)布置形式和選用較好的消能措施。

2.3輸水廊道閥門水力學問題

船閘輸水閥門不同于其它泄水建筑物的閥門，它運用頻繁，承受不同水頭荷載作用，充泄水閥門啟閉過程中的水流運動屬非恒定流范疇，尤其是高水頭的船閘中，閥門承受各種復雜水動力作用，極易發(fā)生空化和聲振現(xiàn)象，從而危害閥門安全運行。因此，閥門水力學問題是船閘水力學設計中最關鍵問題之一，對保證船閘的安全運行極為重要。

閥門段的空化和聲振與閥門段廊道體型，閥門的開啟速度，閥門淹沒水深，閥門的結(jié)構(gòu)形式等因素有關。

2.4抑制閥門段空化采取的工程措施

閥門水力學是三峽五級船閘水力學研究中最為關鍵的問題之一，中間級閘室最大水頭差高達45.2m，超過了國內(nèi)外已建船閘的水平。為了確保船閘安全運行，防止閥門及閥門段廊道空化、空蝕及危害建筑物振動的發(fā)生，科研部門多年來圍繞閥門水力學問題行進了許多專門研究。提出了優(yōu)化設計 方案。

(1)閥門段廊道體型布置

模型試驗研究過閥門后廊道頂板以一斜坡向上擴大和閥門后突然擴大等兩大類型，后者經(jīng)過優(yōu)選簡化為門后廊道頂板斜向上擴大和底板突然擴大(兩側(cè)壁不擴大)的型式?？紤]到三峽船閘主廊道是在山體巖石中開挖隧洞形成，有利于降低布置廊道高程，增大閥門淹沒水深，使其滿足閥門底緣工作空化數(shù)大于臨界空化數(shù)。經(jīng)過反復論證分析，確定閥門最小淹沒水深為26m。這一措施在廊道頂擴方案正常運行充水時(tv＝2min)，閥門底緣空化可以克服，但單邊廊道充水時，閥門底緣空化仍未克服。對底擴方案，由于閥門開啟過程中，底緣處的水流發(fā)生變化，流速降低，門后壓力提高，壓力脈動強度減小，對抑制底緣空化更加有利。非恒定流減壓模型試驗表明，在同一運行條件下，采用底擴方案，閥門底緣未發(fā)生空化，但在底擴跌坎和突擴腔末端升坎處出現(xiàn)了新的空化源。經(jīng)過多次修改比較試驗，采取縮短從閥門關閉處至跌坎段長度，使之為35～55cm，升坎段采用5次曲線連接，這樣新生空化源將得以消除。最終設計采用閥門后廊道頂板為1:10斜坡向上擴大，底板向下突擴3.1m的布置型式。

(2)閥門段廊道高程布置及閥門開啟方式

在可行性研究和初設階段，曾研究過各種閥門開啟方式與降低廊道高程相結(jié)合的措施，以求避免閥門段產(chǎn)生空化。研究結(jié)果表明，閥門快速開啟可以利用慣性水頭提高門后壓力，降低流速，對減免空化有利；慢速開門則相反。所以，當選定閥門按tv＝1min開啟，閥門段廊道淹沒水深由17m增加到26m，可以滿足閥門底緣不發(fā)生空化。后來，考慮到液壓啟閉機系統(tǒng)方面的困難，閥門開啟時間改為2min。

根據(jù)模型試驗研究得出底擴方案閥門底緣臨界空化與閥門開啟速度和起始淹沒水深的關系見表。

由表列數(shù)據(jù)可見，快速開啟閥門對抑制閥門底緣空化作用較為明顯。

(3)門楣體型

根據(jù)我國已建高水頭船閘的經(jīng)驗，閥門除底緣產(chǎn)生空化外，門楣縫隙也是容易產(chǎn)生空化的部位。在三峽船閘門楣型式的研究中，根據(jù)門楣與弧門面板構(gòu)成的幾何形狀，將門楣體型分為：

擴散型α <0o，最小間隙位于縫隙段進口。(α 為縫隙直線段傾角，以下同)

基本平行型α ＝0o，縫隙段變化不大。

收縮型 α> 0o，最小間隙位于縫隙段出口。

門楣縫隙空化數(shù)定義：

σ i=p s+p α-pv/ps-pn

式中：ps、pn分別表示縫隙進、出口壓力；pa為大氣壓力；pv為水的飽和蒸氣壓力。

在相同進出口布置和同一最小間隙條件下，通過改變縫隙直線段傾角α 進行了不同門楣體型空化特性試驗，空化均發(fā)生在最小斷面處，對擴散型，門楣空化表現(xiàn)為邊界層剪切空化，收縮型和平行型表現(xiàn)為射流空化，其臨界空化數(shù)列于表。

由表列數(shù)據(jù)可知，平行型臨界空化數(shù)最小，抗空化性能最好，收縮型次之，擴散型極易產(chǎn)生空化。從縫隙段過流能力比較，擴散型過流能力最強，收縮型次之，平行型較低。

盡管基本平行型和收縮型具有抗空化能力強的優(yōu)點，但由于門楣施工及安裝精度較難控制，門體長期運行后的變型等因素的影響很難保證其尺度。而擴散型門楣體型由于水流易在縫隙段產(chǎn)生負壓區(qū)，過流能力強，縫隙段流速大，容易滿足設置通氣設施。因此，設計選定帶通氣設施的擴散型門楣體型。

(4)通氣措施

在閥門段廊道為底擴體型，tv＝2min開啟閥門，淹沒水深26m條件下，單邊開啟閥門充水及某些事故情況下還不能滿足閥門底緣不發(fā)生空化。根據(jù)葛洲壩船閘設置門楣通氣設施減免空化的經(jīng)驗，確定三峽船閘也采用帶通氣設施的擴散型門楣體型來防止空化。通過模型試驗，可見其通氣穩(wěn)定，對抑制門楣及閥門底緣空化的效果良好。

(5)提前動水關閉閥門

葛洲壩一號船閘曾因水位慣性超高過大對人字門啟閉設備產(chǎn)生過有害作用。對三峽船閘來說，此問題更應引起重視。模型試驗表明：中間級閘室充水時慣性超高達1.2m；第五級閘室泄水涵管長達1000多m，慣性超降可達1.5m，如不加以控制，則對船閘運行不利，并且影響閘室船只停泊安全。根據(jù)模型研究結(jié)果，采取在閘室充泄水過程末期剩余水頭差約3m時開始關閉充(泄)水閥門和在閘室水位第一次齊平時開啟人字門。這一措施可將超高超降的影響控制在允許值范圍內(nèi)。

2.5閥門啟閉力特性

閥門門型，廊道體型，閥門開啟速度對閥門啟閉力都有影響。相互影響的程度都進行過比較研究。綜合各種因素改慮，最后設計選定為雙面板橫梁全包型閥門。雙面板橫梁全包門底緣型式對啟閉力反應較為敏感，曾經(jīng)進行多種底緣型式的比較，較為尖銳流線型底緣可以減少啟門力及其脈動幅值，但對閉門力不利。由于結(jié)構(gòu)布置方而的原因和已建船閘的實踐經(jīng)驗，設計采用閥門關閉時底緣與廊道底板夾角為90°的布置型式，為了避免吊桿出現(xiàn)受壓狀況，在任何情況下閥門關閉速度應大tv＝2min。

3水力學監(jiān)測目的及內(nèi)容

3.1監(jiān)測目的

三峽船閘是在大量物理模型試驗，并吸取國內(nèi)外已建工程經(jīng)驗的基礎上設計建造的。但由于該工程的規(guī)模和運行的復雜程度為世界空前，在許多方面尚無成熟的經(jīng)驗可供借鑒，其運行狀況將關系到長江航運暢通，并且，由于船閘水力學自身的特性，原、模型之間尚存在明顯的縮尺效應。因此應對人字門、輸水閥門及其啟閉系統(tǒng)的運行條件、受力情況及振動特性，輸水廊道及閥門段壓力、空化、通氣量、噪聲特性，閘室充泄水水力特性、慣性超高(超降)及其控制效果以及補水操作措施的可行性，閘室及上下游引航道的船舶航行及停舶條件等事關航運及船閘建筑物安全的內(nèi)容進行現(xiàn)場監(jiān)測。通過資料分析，若發(fā)現(xiàn)不利因素，要及時查明原因并研究對策，以便確定船閘正式投入運行后應采用的合理操作及運行方式。通過系統(tǒng)、完整的船閘水力學監(jiān)測，將為工程驗收、制定船閘管理運行規(guī)程和確保工程安全運行提供依據(jù)。同時，亦為今后同類工程的水力學設計及模型預測提供寶貴的經(jīng)驗。

3.2監(jiān)測內(nèi)容

(1)首末級閘室充泄水時，上下游引航道中的涌浪傳播過程及水流流速、流態(tài)對船只停泊的影響；

(2)各級閘室充泄水水力特性；

(3)第2級或第3級閘室充水需要補水時，控制補水運行操作條件；

(4)輸水廊道壓力特性；

(5)輸水廊道閥門段水流空化噪聲特性；

(6)閥門啟閉力及閥門啟閉過程程中，門體和啟吊系統(tǒng)的動力特性；

(7)門楣通氣量；

(8)閘室及引航道中船只系纜力；

(9)閘室充泄水水位齊平時，超灌(泄)運行條件的控制；

(10)人字門啟閉力及啟閉過程中動力特性。

4水力學監(jiān)測測點設計特點

三峽五級船閘水力條件顯著特點之一就是上下游水位變幅很大。船閘建成投入運行后，初期上游水位135.0～156.0m，水位最大變幅21m；后期上游水位145.0o～175.0m，水位最大變幅30m。下游水位最大變幅11.8m。根據(jù)上游水位變化過程和水級劃分原則，船閘將分別出現(xiàn)3級、4級、5級閘室運行方式，上游水位135.0～145.0m和上游水位152.4～165.75m條件下，第2級閘室、第3級閘室充水過程中需要運用補水運行控制措施，最大補水水體厚度分別為10m、13.35m。從各項監(jiān)測內(nèi)容出現(xiàn)最不利的影響考慮，對上下引航道水力學問題，最不利的條件出現(xiàn)在最低通航水位，即上游135.0m，下游62.0m；對人字門動力特性和閘室補水量最大的不利條件出現(xiàn)在上游水位175.0m和152.4m；對閥門啟閉力，閥門后廊道邊壁壓力出現(xiàn)低壓和空化的最不利條件是中間級閘室充泄水最大起始水頭差45.2m和閥門后廊道頂板最小淹沒水深26m；對閘室船只停?白系纜力最不利條件出現(xiàn)在閘室充泄起始水頭差最大和出現(xiàn)充水流量最大時段以及閘室充泄水水位齊平人字開啟過程中。因此，水力學監(jiān)測設計必須以這些運行方式作為依據(jù)來布置各監(jiān)測測點。

5水力學監(jiān)測測點布置

三峽船閘為雙線連續(xù)五級船閘，兩線船閘在結(jié)構(gòu)上完全對稱。水力學監(jiān)測選擇了南線閘室和南坡輸水廊道進行監(jiān)測，其中第1、2、5閘室、第4、6閘首人字門，第2、5、6閥門井段，上、下游引航道中船隊停泊區(qū)為重點監(jiān)測部位。

水力學監(jiān)測點分為預埋測點和非預埋測點。預埋測點隨主體工程砼澆筑而進行埋設。預埋測點有脈動壓力計和水聽器，非預埋測點有：水位計、聲級計、風速儀、油壓傳感器、拉力傳感器，波浪傳感器、應變計、加速度計、水尺、流速儀等。具體布置如下：

5.1上、下游引航道測點布置

三峽水利樞紐中通航建筑物由雙線連續(xù)五級船閘和一線垂直升船機組成，二者布置鄰近，共用上下游引航道。五級船閘首、末級閘室充泄過程中，上游引航道水流產(chǎn)生負波涌浪，下游引航道則產(chǎn)生正波涌浪。涌浪幅值的大小對升船機承船廂運行條件的影響極為重要?？看罩灵l前導航浮堤930m 段，船閘在不同運行方式下所產(chǎn)生的涌浪波面比降和流速、流態(tài)的綜合作用對等待過閘船只停泊安全有無影響。為此，上、下游引航道水力學監(jiān)測作以下布置：

(1)上游引航道

涌浪監(jiān)測：在上游引航道中，設計布置12個測點；

流速監(jiān)測：布置3個斷面和二個點流速，每個斷面3點，共計11點；

船只系纜力監(jiān)測：在閘前導航浮堤處和靠船墩處共布置4個測點；

流態(tài)監(jiān)測：在堤頭口門，靠船墩，閘前，升船機進口處采用錄相或照相；

水位監(jiān)測：在南一閘首進口南、北墻上各布置一條水尺；

另在1號、10號靠船墩上各設1條水尺。

(2)下游引航道

涌浪監(jiān)測：在下游引航道中布置11個測點；

流速監(jiān)測：在下游引航道中布置2個斷面，共計4點；

船只系纜力監(jiān)測：在閘下導航墻及靠船墩處布置4個測點；

流態(tài)監(jiān)測：在下游導航墻墩，船閘和升船機引航道交匯處，堤頭出口，旁側(cè)泄水出口等處采取錄相或照相。

5.2閘室測點布置

閘室水位監(jiān)測：每級閘室布2只水位計，共計l0支；門井水位監(jiān)測：每級閥門井布置1支水位計，共計6支；閘室流態(tài)監(jiān)測：采用錄相或照相。

5.3輸水廊道系統(tǒng)測點布置

輸水廊道系統(tǒng)水力學監(jiān)測測點布置主要考慮三個原則。第一，各級閘室充泄過程中，對輸水廊道體型各典型變化段設置壓力測點，用來分析計算廊道系統(tǒng)的阻力系數(shù)。第二，閥門開啟過程中門后突擴廊道段在高速水流非恒定流態(tài)作用下，壓力脈動對廊道邊壁和閥門是否產(chǎn)生有害作用，有無空化現(xiàn)象以及對閥門啟閉的影響。第三，檢驗采用門楣通氣設施對抑制閥門空化的效果。

(1)主廊道壓力監(jiān)測

第1閘首閥門前布置壓力測點4點，第1閘首閥門后至第2閘首閥門前壓力測點11點，第2閘首閥門后至第3閘首閥門前壓力測點15點，第3閘首閥門后至第4閘首閥門前壓力測點11點，第4閘首閥門后至第5閘首閥門前壓力測點15點，第5閘首閥門后至第6閘閥門前壓力測點15點，第6閘首閥門后壓力測點14點，共計70點。

(2)閘室支廊道壓力監(jiān)測

第1閘室布置壓力測點2點，第2閘室布置壓力測點10點，第3閘室布置壓力測點2點，第4閘室布置壓力測點4點，第5閘室布置壓力測點12點。

(3)空化噪聲監(jiān)測

廊道閥門段及輸水廊道第1、2分流口空化噪聲包括：第1閘首閥門段布置空化噪聲測點6點，第2閘首閥門段8點，第3閘首閥門段7點，第4閘首閥門段8點，第5閘首閥門1段8點，第6閘首閥門段6點；第1閘室中，第1、2分流口布置空化噪聲測點3點；第2閘室中，第1、2分流口布置空化噪聲測點6點；第5閘室中，第1、2分流口布置空化噪聲測點6點。

(4)閥門門楣通氣測量

在第2、3、4、5、6級閥門井門楣通氣管進口臨時布置5臺風速儀。

(5)空氣噪聲監(jiān)測

在第2、3、4、5、6級閥門井臨時布置5支聲級計進行監(jiān)測。

5.4人字門、反弧門流激振動監(jiān)測

閥門運行過程流激特性取決于閥門隨機荷載場的作用狀況，與普通水工閥門相比，船閘輸水閥門流態(tài)極為復雜，作用于閥門的動荷載為非恒定水流。影響閥門振動的因素很多，如閥門結(jié)構(gòu)，閥門段廊道體型，閥門兩側(cè)止水安裝狀況等。因此，人字門、反弧門動力學監(jiān)測布置如下：

(1)輸水廊道反弧門

選擇南4、6級閥門并反弧門進行監(jiān)測。在兩個反弧門門體，支臂和吊桿上共布置64支應變計，50支加速度計，8支脈動壓力計；在第3、4、5、6級閥門井反弧門液壓啟閉機油缸上各布置2支油壓傳感器，共計8支油壓傳感器，用于閥門啟閉力監(jiān)測。

(2)閘室人字門監(jiān)測

選擇4閘首人字門進行監(jiān)測。在人字門門體、頂樞A、B桿，背拉桿等部位布置38支應變計；在人字門門體，背拉桿等部位布置24支加速度計，在4閘首人字門液壓啟閉機油缸上布置2支油壓傳感器，用于閘門啟閉力監(jiān)測。

5.5觀測站設置

各級閥門井段和閘室內(nèi)的測點電纜分別引入相應閘室人字門啟閉機房內(nèi)觀測站觀測。上、下游引航道中測點電纜在觀測時引入臨時設置的觀測站。

6結(jié)語

三峽船閘水力學監(jiān)測從設計、施工埋設到正式觀測，歷時長達6年之久，工作量大，監(jiān)測內(nèi)容廣而復雜是國內(nèi)外都沒有過的。通過三峽船閘水力學安全監(jiān)測能夠全面了解船閘在不同運行方式情況下，由非恒定水流動力作用對船閘水力學中各種物理量產(chǎn)生的影響，從而獲得比較全面的認識，并為工程驗收和船閘安全運行提供可靠的科學數(shù)據(jù)。