貴港航運(yùn)樞紐二線船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)試驗(yàn)

張緒進(jìn)，呂偉東，劉平昌，彭永勤

(1.重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016;2.廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530022)

貴港航運(yùn)樞紐位于貴港市上游6.5km處西江郁江河段，是郁江綜合利用規(guī)劃10個梯級中的第9個梯級，是一座以航運(yùn)為主、結(jié)合發(fā)電，兼顧其他效益的水資源綜合利用工程.船閘設(shè)計(jì)有效尺度280m×34 m×5.6m(長×寬×門檻水深)，輸水系統(tǒng)采用閘墻長廊道多支管分散輸水形式，上游最高通航水位43.1 m，下游最低通航水位29.0m，設(shè)計(jì)最大水頭14.1 m.為了論證船閘輸水系統(tǒng)及閘室內(nèi)三明溝消能布置的合理性，進(jìn)行了比尺為1∶30的水力學(xué)模型試驗(yàn).

1 輸水系統(tǒng)水力特性

試驗(yàn)首先分別對船閘閥門雙邊同步均勻開啟tv=4，5，6，7min情況觀測了閘室充、泄水時(shí)間、水流流態(tài)及停于閘室船舶系纜力.結(jié)果表明，4種閥門開啟速度均滿足設(shè)計(jì)要求的閘室充、泄水時(shí)間不超過10min的要求;而閥門雙邊同步均勻開啟tv=4，5min的閘室流態(tài)及停于閘室船舶系纜力均不滿足規(guī)范要求.因此，試驗(yàn)以閥門雙邊同步均勻開啟tv=7min進(jìn)行重點(diǎn)研究.實(shí)測的閥門開啟時(shí)間tv=7min閘室充、泄水時(shí)間分別為9.50和10.95min;最大充、泄水流量分別為420，390和375m3/s;閥門雙邊充、泄水流量系數(shù)為0.837和0.740;單邊充、泄水時(shí)流量系數(shù)分別為0.865和0.770.圖1為閘室7min充、泄水水力特征曲線，其中水位組合為43.1～29.0m，h為上閥門井水位;H為閘室水位，Q為流量.

圖1 閘室充、泄水水力特征曲線Fig.1 Hydraulic characteristic curves during gate chamber filling and emptying

2 充、泄水廊道壓力

為了保證輸水廊道的結(jié)構(gòu)安全，為設(shè)計(jì)提供主廊道上壓力參數(shù)，分別在模型輸水廊道上、下游閥門后廊道頂、側(cè)面、輸水廊道轉(zhuǎn)彎凸面處及廊道進(jìn)、出口等位置布置了測壓點(diǎn).試驗(yàn)觀測結(jié)果表明，在閥門正常雙邊開啟情況下，船閘充、泄水門槽后廊道側(cè)面及內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎段均未出現(xiàn)負(fù)壓.廊道頂部的負(fù)壓值小于3.0m，因此，不會對廊道結(jié)構(gòu)造成破壞.

在充、泄水過程中，閥門段輸水廊道流態(tài)觀測結(jié)果表明，上閘首工作閥門井、上檢修閥門井及下閘首工作閥門井、上、下檢修閥門井水位均未出現(xiàn)低于廊道頂部而發(fā)生摻氣的現(xiàn)象.唯上閘首工作閥門后的下檢修閥門井處的廊道頂高程27.0m布置較高，在閥門雙邊開啟時(shí)間tv=7min時(shí)，充水至1.5min(原體)時(shí)，閥門井水位已降至廊道頂，且水面波動約有3.3m，處于發(fā)生摻氣的臨界狀態(tài);而tv=7min單充至1.0min時(shí)，閥門井水位已低于廊道頂，并出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象.由于原體船閘充水過程中不允許摻氣，因此，必須降低上閘首下檢修門井段廊道頂高程.

經(jīng)水力學(xué)計(jì)算分析，將該段廊道頂高程修改降低至25.2m.試驗(yàn)觀測結(jié)果表明，上閘首下檢修門井廊道頂高程降低后，在非恒定流充水情況下，閥門雙單邊開啟時(shí)間tv=7min充水時(shí)，最低檢修閥門井水位仍高于廊道頂1.5m左右，上述兩種工況均未出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象.實(shí)測的該部位tv=7min充水(非恒定流，水位組合:43.1～29.0m)廊道壓力滿足規(guī)范要求(圖2).

圖2 廊道壓力變化過程線Fig.2 Gallery's pressure variation hydrograph

3 閘室停泊條件

3.1 原設(shè)計(jì)布置方案

為了解閘室內(nèi)縱向水流的分配情況，除觀測閘室內(nèi)流態(tài)外，還測定了各支管的流速(圖3).資料表明，閥門開度n＜0.2時(shí)，前面支管出流大于后面支管，n＞0.3時(shí)，后面支管出流逐漸增多，且流速值大于前面支管;應(yīng)該說，在出水段所有支管的流速分布是非均勻的，這與其輸水系統(tǒng)的特性、出水段布置長度密切相關(guān).

圖3 閥門不同開度時(shí)流速分布Fig.3 Velocity profiles with different opening degrees of valve

從閘室水流橫向分布看，當(dāng)支管水流進(jìn)入閘室第1道明溝時(shí)，由于其前正對的第1道消力梁開有6.5m×0.8 m的孔，因此，大部分水流通過其孔進(jìn)入第2道明溝翻涌上來，第1和第3道明溝水流水泡不明顯.因此，閘室橫向水面尚不太均勻.實(shí)測停于閘室內(nèi)的2×2000 t船隊(duì)、3000 t單船系纜力資料表明，雖然也滿足規(guī)范要求，但其富裕量不大.

3.2 修改布置方案

經(jīng)試驗(yàn)反復(fù)觀測，認(rèn)為閘室3道消能明溝內(nèi)橫向水流尚不均勻的主要原因是支管正對的第1道消力梁開孔偏大，大部分水流未經(jīng)消力梁阻擋通過其孔直接進(jìn)入第2道明溝翻涌上來，導(dǎo)致第1和第3道明溝水流上涌不明顯，船舶橫向系纜力較大.針對這一情況，試驗(yàn)中采取在第1道消力梁開孔的中間位置堵1.5m和1.0m寬兩種方案，以限制部分支管水流在閘室第1道明溝內(nèi)擴(kuò)散，增大第1道消力梁出口處的流速，以達(dá)到水流在第2，第3道明溝內(nèi)均勻擴(kuò)散;結(jié)果表明，3道明溝的水流分配較原設(shè)計(jì)均勻很多.當(dāng)支管水流進(jìn)入閘室第1道明溝時(shí)，該股水流被分成三部分，支管中心流核由于消力梁開孔中間位置被堵?lián)醵刍卦撁鳒蟽?nèi)，兩側(cè)的水流通過該消力梁孔口進(jìn)入第2，第3道明溝內(nèi)擴(kuò)散消能.

試驗(yàn)中認(rèn)真比較了在第1道消力梁開孔中間位置堵1.5m和1.0m寬兩種流態(tài)，前者由于消力梁開孔中間位置堵?lián)踺^寬，在第1道明溝的水流略顯多，且略有不規(guī)則水流紊動出現(xiàn);而后者3道明溝的水流多比較均勻，無不良流態(tài)出現(xiàn);通過對修改后的3道明溝的水流流態(tài)分析認(rèn)為，第1道消力梁開孔中間位置堵1.0m寬的尺寸基本是合適的(圖4).實(shí)測閘室內(nèi)船舶系纜力較原方案大為減小(表1)，修改方案后，閥門雙邊、間歇單邊充水(tv=7min時(shí)，閥門開啟82 s，停止300 s，再開啟至全開)2×2000 t船隊(duì)、3000 t單船停于閘室內(nèi)系纜力過程線見下圖，其中圖5為2×2000 t船隊(duì)停于閘室內(nèi)前端左岸方案修改前和修改后系纜力過程線圖(tv=7min，雙充，水位組合:43.1～29.0m).

圖4 消力梁孔口布置優(yōu)化方案Fig.4 Optimized scheme for stilling beam's hole

表1 方案修改前后系纜力對比(tv=7min充水)Tab.1 Mooring force contrast before and after scheme modification kN

圖5 方案修改前后系纜力過程線Fig.5 Mooring force hydrograph before and after scheme modification

4 結(jié)語

(1)在設(shè)計(jì)最高與最低通航水位43.1～29.0m組合下，經(jīng)對4種閥門開啟時(shí)間(tv=4，5，6和7min)的比較，考慮閘室內(nèi)船舶停泊條件，試驗(yàn)推薦采用雙邊閥門連續(xù)開啟tv=7min，相應(yīng)的閘室充水時(shí)間為9 min 27 s，泄水時(shí)間為10min 57 s，滿足船閘設(shè)計(jì)通過能力的要求.

(2)在上、下閘首推薦的閥門雙邊開啟時(shí)間tv=7min工況下，閘室充、泄水最大流量分別為410和365m3/s，閘室水面上升速度分別為2.7和2.5m/min;雙邊充、泄水系統(tǒng)平均流量系數(shù)分別為0.837和0.740;單邊充、泄水系統(tǒng)平均流量系數(shù)分別為0.865和0.770.

(3)在充水過程中，原方案上閘首下檢修門井出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象，試驗(yàn)將下檢修門井廊道頂由原設(shè)計(jì)高程27.0m降低至25.2m后，在推薦的閥門開啟速率工況下，避免了下檢修門井內(nèi)的摻氣現(xiàn)象;該段的廊道頂部壓力亦得到明顯提高.非恒定流充水情況下，閥門雙邊、單邊間歇開啟時(shí)間tv=7min時(shí)，門后廊道頂?shù)淖畹蛪毫τ稍桨福?.53和－2.67m分別提高至－0.66和－1.02m，更好地滿足了規(guī)范的要求.

(4)原設(shè)計(jì)閘室內(nèi)第1根消力梁開孔尺寸太大，支孔出流未經(jīng)碰撞消能.沖至第2道明溝內(nèi)集中翻涌，紊動稍大，閘室內(nèi)橫向的流量分配尚均勻;在推薦的閥門開啟速率工況下，實(shí)測2×2000 t設(shè)計(jì)船隊(duì)、3000 t單船某些測次最大縱、橫向系纜力已超出規(guī)范允許值;試驗(yàn)在第1根消力粱開孔6.5m寬的中心堵1.0m，經(jīng)對閘室流態(tài)觀察，三道明溝的水流分配較為均勻;閥門雙、單邊開啟時(shí)間tv=7min時(shí)，實(shí)測2×2000 t船隊(duì)、3000 t單船停于閘室內(nèi)的最大縱、橫向平均系纜力均小于規(guī)范允許值.

(5)研究結(jié)果表明:對于平面尺度大、輸水要求高、中水頭的貴港二線船閘，通過上述各部位尺寸的調(diào)整、方案優(yōu)化，選擇合適的閥門開啟速度和閘室內(nèi)消能明溝型式，采用閘墻長廊道多支管輸水型式是可行的.

［1］JTJ 306-2001，船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.(JTJ 306-2001，Design code for filling and emptying system of shiplocks［S］.(in Chinese))

［2］劉平昌，王召兵.貴港二線船閘側(cè)墻廊道輸水系統(tǒng)布置計(jì)算分析論證報(bào)告［R］.重慶:重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2010.(LIU Ping-chang，WANG Zhao-bin.Guigang second-line shiplock side wall corridor layout of water conveyance system calculation and analysis verification report［R］.Chongqing:Chongqing Southwest Water Transport Engineering Research Institute，2010.(in Chinese))

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［8］劉平昌，劉亞輝.涪江明臺船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.重慶:重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，1995.(LIU Ping-chang，LIU Ya-hui.Hydraulic model test research report of Mingtai lock filling and emptying system at Fujiang River［R］.Chongqing:Chongqing Southwest Water Transport Engineering Research Institute，1995.(in Chinese))

［9］劉平昌，韋代君.涪江蓮花寺船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.重慶:重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，1983.(LIU Ping-chang，WEI Dai-jun.Hydraulic model test research report of Lianhuasi lock filling and emptying system at Fujiang River［R］.Chongqing:Chongqing Southwest Water Transport Engineering Research Institute，1983.(in Chinese))

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