金雞灘水利樞紐船閘輸水系統(tǒng)型式選擇及優(yōu)化研究

譚巧矛

(廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院 南寧 530001)

1 概況

金雞灘水利樞紐位于西江航運(yùn)干線、右江 “黃金水道”中游隆安縣城上游8km處,為右江綜合利用規(guī)劃中的第六梯級(jí),是一個(gè)以發(fā)電、航運(yùn)為主,兼有電灌、供水、養(yǎng)殖和旅游等綜合效益的水利樞紐工程。船閘位于樞紐的左岸,采用單線單級(jí)船閘布置型式,按Ⅲ級(jí)船閘規(guī)模設(shè)計(jì)。最大通航標(biāo)準(zhǔn)為一頂2×1000t分節(jié)駁船隊(duì),設(shè)計(jì)船隊(duì)尺度為160.0×10.8×2.0(m)(長(zhǎng)×寬×吃水深),閘室有效尺度為190.0×12.0×3.5m(長(zhǎng)×寬×檻上水深),最大通航水頭為13.80m,屬中水頭大型船閘。輸水系統(tǒng)采用閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)型式。船閘工程于2005年12月建成并通過(guò)驗(yàn)收投入運(yùn)行。

閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)型式對(duì)于船閘閘室采用分離式結(jié)構(gòu)型式,在閘墻底部布置主廊道是經(jīng)濟(jì)的,但該輸水系統(tǒng)型式對(duì)閥門(mén)單邊運(yùn)行的適應(yīng)性較差,單邊出流使船舶所受的橫向力較大,不利于船只穩(wěn)定。因此,合理確定并優(yōu)化輸水系統(tǒng)的布置及各部位尺寸,改善閘室的水流條件,是本船閘工程輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要研究解決的問(wèn)題。

2 輸水系統(tǒng)型式選擇

2.1 閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)的特點(diǎn)

船閘閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)由布置在閘墻中貫通上、下游,并設(shè)有一系列側(cè)支孔所組成,充、泄水時(shí)水流由閘墻廊道側(cè)支孔輸水的水流進(jìn)出閘室的,因此它的輸水水力性能比集中輸水系統(tǒng)有較大提高,而它的結(jié)構(gòu)由于在閘室底部沒(méi)有廊道,因此比其它分散輸水系統(tǒng)要簡(jiǎn)單,與集中輸水系統(tǒng)相比,雖然閘墻工程量因有廊道而有所增大,但由于它可以不設(shè)鎮(zhèn)靜段,縮短了閘室長(zhǎng)度,工程量的增加并不顯著,尤其當(dāng)船閘水頭達(dá)10m左右時(shí),其價(jià)格性能比明顯優(yōu)于集中輸水系統(tǒng)。因此,它是一種適合中等水頭、重力式閘墻的較優(yōu)船閘輸水系統(tǒng)型式。

2.2 金雞灘船閘輸水系統(tǒng)型式選擇

金雞灘船閘長(zhǎng)寬比達(dá)15.83,針對(duì)閘室長(zhǎng)寬比較大,其斷面小流量大的特點(diǎn),合理選擇輸水系統(tǒng)類型,確定進(jìn)水口及出水口消能布置型式,使閘室及上、下游引航道的流速滿足規(guī)范要求,是船閘成功的關(guān)鍵所在。

根據(jù) 《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》 (JTJ306～2001)輸水系統(tǒng)類型的選擇公式:

m—— 判別系數(shù);

H ——設(shè)計(jì)水頭 (m);

T——閘室灌水時(shí)間 (min)。

根據(jù)設(shè)計(jì)通過(guò)能力,船閘輸水時(shí)間要求10min左右。經(jīng)過(guò)計(jì)算得m=2.69。

由于m=2.69,在2.5～3.5之間,根據(jù)規(guī)范該船閘可采用集中輸水系統(tǒng),也可采用分散輸水系統(tǒng),鑒于金雞灘樞紐為右江水運(yùn)主通道的重要工程,且船閘規(guī)模較大,通航保證率要求較高,對(duì)集中輸水系統(tǒng)來(lái)說(shuō),該船閘的水頭顯然較高,因此推薦采用分散輸水系統(tǒng)方案。因其 m值大于2.4,因此選擇第一類分散輸水系統(tǒng)——閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔方案。

3 輸水系統(tǒng)布置及各部分尺寸的確定

3.1 閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)研究與應(yīng)用概況

閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)最早出現(xiàn)在美國(guó),且應(yīng)用十分廣泛,早期的布置支孔最大限度地等距離布置在閘室長(zhǎng)度內(nèi),支孔輪廓也是粗糙的,僅適用于低水頭船閘,以后通過(guò)實(shí)踐與研究,對(duì)布置的整體性和各部位的線型都作了改進(jìn)。這種輸水系統(tǒng)在美國(guó)應(yīng)用最廣泛的水頭范圍為3m～12m。

我國(guó)對(duì)閘墻廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)的研究和應(yīng)用是從二十世紀(jì)70年代開(kāi)始的,已建成的有廣西桂平和貴港、河南沙潁以及湖南大源渡等船閘工程,應(yīng)用的水頭多在10m以上。通過(guò)這些船閘的設(shè)計(jì)研究,我國(guó)已積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),這些工程的設(shè)計(jì)研究成果及工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)金雞灘水利樞紐船閘工程輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究有重要參考價(jià)值。

3.2 金雞灘船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

本船閘工程委托南京水利科學(xué)研究院進(jìn)行了輸水系統(tǒng)模型試驗(yàn)。其閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)及其各部位尺寸的設(shè)計(jì),參考和借鑒了國(guó)內(nèi)外的研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),并在設(shè)計(jì)中結(jié)合水工模型試驗(yàn)成果[2]進(jìn)行了優(yōu)化。

3.2.1 輸水廊道及出水孔斷面尺寸的確定

首先確定輸水閥門(mén)處廊道斷面的尺寸,根據(jù)船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范計(jì)算及已建船閘的成果,選定輸水閥門(mén)處廊道斷面面積為2-2.4×2.7m2。

在輸水閥門(mén)廊道斷面面積確定后,在選擇主廊道斷面面積以及側(cè)支孔斷面面積時(shí),有兩個(gè)比值必須加以注意,即:

原則上,α值越大,輸水系統(tǒng)出水孔段的損失越小;β值越小,有利于前后支孔出水均勻,但將增加出水孔段水頭損失。根據(jù)我國(guó)部分已建船閘α、β值表明,一般船閘出水段長(zhǎng)度為閘室有效長(zhǎng)度的0.7倍左右,α值均大于1.0,β值為0.95左右。經(jīng)比較,取主廊道斷面為2-2.7×3.0m2,與輸水閥門(mén)面積比為1.25。閘墻每側(cè)設(shè)36個(gè)側(cè)支孔,分為3組,上游至下游孔口尺寸分別為0.50×0.47m2(12孔)、0.50×0.42m2(12孔)、0.50×0.37m2(12孔),總面積為15.12m2,β值為0.94,略小于0.95。

根據(jù)南京水利科學(xué)研究院的研究成果分析,對(duì)于相同斷面的出水孔,當(dāng)β=1.0,順?biāo)鞣较蚴啄┏鏊Э椎钠骄髁勘葹?︰1.3。為保證出水孔段在輸水過(guò)程中較長(zhǎng)時(shí)段內(nèi)能均勻進(jìn)入閘室,將出水首末孔面積比確定為與相同斷面時(shí)流量比的相反值。金雞灘船閘出水段順?biāo)鞣较蚴啄┏鏊追侄蚊娣e比采用1.27。

考慮到金雞灘船閘近期有小型船舶以及減少閘室泥沙淤積等因素,設(shè)計(jì)要求盡量增加閘室出水段長(zhǎng)度。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(即3.0m),而金雞灘船閘長(zhǎng)寬比大于15︰1,如按1/4閘室寬度布置出水孔間距,則出水孔數(shù)量較多,出水孔尺寸過(guò)小,將增加施工難度。綜合上述因素,最后確定側(cè)支孔間距為4.0m,每側(cè)布置有36個(gè)出水孔,出水孔總長(zhǎng)為35×4.0=140.0m,占閘室有效長(zhǎng)度的73.7%。

按設(shè)計(jì)規(guī)范要求,側(cè)支孔長(zhǎng)度L≥3.6D,D為出水支孔直徑或斷面寬度,取支孔斷面最大寬度D=0.47m,則 L ≥1.69 m,取 L=2.0m,為減少水力損失,支孔進(jìn)、出口斷面作了修圓擴(kuò)大,喉部的出口作一定的擴(kuò)大,擴(kuò)大角為θ=1.72°,滿足規(guī)范要求的小于3°。

由于我國(guó)船閘對(duì)閘室最小水深的規(guī)定,一般不能滿足此種輸水系統(tǒng)對(duì)船底富裕水深的最佳要求,如按最佳要求金雞灘船閘的船底富裕水深應(yīng)為2.9m,而規(guī)范要求僅為3.5m-1.6m=1.9m,差距較大。根據(jù)我國(guó)多座船閘的實(shí)驗(yàn)研究成果表明,出水側(cè)支孔出口設(shè)置消力檻,對(duì)調(diào)整閘室水流條件,彌補(bǔ)閘底富裕水深較小帶來(lái)的問(wèn)題,作用明顯。尤其對(duì)船閘單側(cè)輸水情況效果更佳,根據(jù)我國(guó)部分已建船閘閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水船閘消力檻布置形式及相應(yīng)的數(shù)據(jù)表明:消力檻高度在0.5～0.25之間變化,消力檻距出水口距離差別很大,本工程選擇檻高0.35m,距出水口2.0m。

3.2.2 廊道進(jìn)水口斷面尺寸的確定

上閘首廊道進(jìn)水口底高程比引航道底高程高0.50 m,進(jìn)水口面積則根據(jù)分散輸水系統(tǒng)進(jìn)口流速≤2.5m/s的要求設(shè)計(jì),根據(jù)最大流量小于110m3/s,需進(jìn)水口面積大于45m2,取進(jìn)水口為2—4×2.1×3.0m2,進(jìn)水口總面積為50.4m2,滿足要求。進(jìn)水口與閘墻出水段通過(guò)二次垂直及水平轉(zhuǎn)彎相連接,工作閥門(mén)在二次垂直轉(zhuǎn)彎以下,閥門(mén)頂淹沒(méi)水深為3.3m;閥門(mén)后通過(guò)水平轉(zhuǎn)彎將輸水廊道寬度由2.4m擴(kuò)大至2.7m,高度由2.7m調(diào)至3.0m。

3.2.3 廊道出水口斷面尺寸的確定

金雞灘船閘下游引航道在設(shè)計(jì)通航水位 (上游最高、下游最低通航水位)時(shí)水深僅3.5m,按泄水最大流量110m3/s計(jì),船閘泄水時(shí)引航道平均最大流速較大,水流條件較差。根據(jù)水力模型試驗(yàn)結(jié)果,下閘首輸水系統(tǒng)選擇部分旁側(cè)泄水布置,即將船閘一支廊道的泄水口設(shè)置在船閘右側(cè)電站下游尾水側(cè),另一支布置在該船閘的下閘首下游引航道中。

表1 閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)特征尺寸

下閘首輸水廊道通過(guò)兩個(gè)水平轉(zhuǎn)彎、一個(gè)垂直轉(zhuǎn)彎與閘室出水廊道及出水口相連接。同時(shí)將廊道寬度由2.7m調(diào)整至2.4m,高度由 3.0m調(diào)整為2.7m,泄水閥門(mén)后一支廊道平底轉(zhuǎn)彎至下游引航道出水口,出水口斷面面積取閥門(mén)斷面面積的2倍,即2-2.4×2.7m2,出水支孔斷面面積為閥門(mén)斷面面積的4.4倍,即2-6×1.0×2.4m2;另一支廊道直接以45°泄入河道尾水渠,出水口斷面面積為閥門(mén)面積的3.3倍,即4-2.0×2.7m2。輸水系統(tǒng)各部分尺寸見(jiàn)表1。

4 運(yùn)行情況

金雞灘船閘是我國(guó)西江航運(yùn)干線上的核心樞紐,最大通航水頭為13.8m,根據(jù)水力計(jì)算分析及模型試驗(yàn)成果驗(yàn)證,確定采用閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)型式并合理確定其各部位尺寸。自2005年12月運(yùn)行以來(lái),通過(guò)四年多的運(yùn)行證明,得到以下結(jié)論:

(1)金雞灘船閘采用的閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)的整體布置設(shè)計(jì)是合理的,工程投資較省,施工較簡(jiǎn)便,水流平穩(wěn),船閘停泊條件好,運(yùn)行安全可靠,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

(2)閘室內(nèi)出水孔段設(shè)置的兩根消力檻,在改善船舶在閘室中的停泊條件方面獲得了預(yù)期的效果,船閘正常運(yùn)行時(shí)閘室內(nèi)水流較平穩(wěn),閘室中線處水面無(wú)壅高。

(3)上閘首廊道進(jìn)水口采用閘墻垂直多支孔布置,運(yùn)行過(guò)程中未見(jiàn)旋轉(zhuǎn)水體,水流流態(tài)良好。上、下引航道流速較小,水流條件較好。

1 廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院.廣西金雞灘水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].南寧.廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院,2003.

2 南京水利科學(xué)研究院,廣西南寧水利電力設(shè)計(jì)院.廣西右江金雞灘水利樞紐船閘輸水系統(tǒng)模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].南京.南京水利科學(xué)研究院,2004.