泰州引江河高港二線(xiàn)船閘輸水系統(tǒng)布置及水力計(jì)算分析

劉本芹，宣國(guó)祥

(南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

泰州引江河高港樞紐工程位于江蘇省泰州市高港區(qū)境內(nèi)的引江河引江入口處，距江邊1300m.高港二線(xiàn)船閘設(shè)計(jì)通航標(biāo)準(zhǔn)為雙列1+2×1000 t級(jí)船隊(duì)，船隊(duì)尺度為160.0m×10.8 m×2.0m(長(zhǎng)×寬×吃水);船閘規(guī)模為230m×23m×4.0m(長(zhǎng)×寬×最小水深);設(shè)計(jì)上、下游通航水位組合分別為3.00～ －0.50m(水頭3.50m)，1.00～5.48 m(水頭－4.48 m)，0.50～2.50m(水頭－2.00m);輸水時(shí)間要求不超過(guò)8 min.

高港樞紐工程為引水工程，船閘根據(jù)長(zhǎng)江水位與引江河水位的不同而具有雙向水頭;船閘閘門(mén)采用三角門(mén)，船閘設(shè)計(jì)規(guī)模、通航標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)水力指標(biāo)與類(lèi)似的船閘工程相比位居前列，輸水系統(tǒng)布置難度較大.因此，在進(jìn)行船閘輸水系統(tǒng)布置和研究時(shí)，除確定合適的輸水系統(tǒng)型式外，還必須設(shè)計(jì)合適的消能工來(lái)消能，使充水時(shí)閘室內(nèi)水流條件滿(mǎn)足通航安全要求，同時(shí)需要研究提出輸水閥門(mén)的開(kāi)啟方式，以便滿(mǎn)足輸水時(shí)間的要求.

1 輸水系統(tǒng)選型

高港二線(xiàn)船閘設(shè)計(jì)反向水頭大于正向水頭，對(duì)輸水系統(tǒng)選型起控制作用.根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 306－2001)［1］，按設(shè)計(jì)輸水時(shí)間8 min計(jì)算得出的輸水系統(tǒng)選型系數(shù)為3.78，該值大于3.5，說(shuō)明可采用集中輸水系統(tǒng)方案.

考慮到高港二線(xiàn)船閘的閘門(mén)為三角閘門(mén)，而三角閘門(mén)擋水時(shí)的閘門(mén)啟閉力較小，能在動(dòng)水中啟閉，在低水頭船閘中可以利用三角閘門(mén)的門(mén)縫進(jìn)行船閘的充泄水.為了充分利用三角門(mén)的這一特點(diǎn)，研究確定高港二線(xiàn)船閘的輸水系統(tǒng)型式為短廊道和三角門(mén)門(mén)縫聯(lián)合輸水，即船閘輸水初期通過(guò)布置在閘首的短廊道輸水，隨著輸水過(guò)程的進(jìn)展，當(dāng)上下游水位差較小時(shí)逐漸開(kāi)啟三角門(mén)，此時(shí)由短廊道和三角門(mén)門(mén)縫共同輸水，但需保證由三角門(mén)門(mén)縫輸水產(chǎn)生的閘室斷面最大平均流速滿(mǎn)足規(guī)范要求.而為了克服集中輸水系統(tǒng)船閘在水力特性方面的弱點(diǎn)，可通過(guò)在短廊道出口布置合適的消能工和確定合適的輸水閥門(mén)開(kāi)啟速度來(lái)消減和控制充水過(guò)程中的波浪作用力和局部水流作用力.

2 輸水系統(tǒng)及消能工布置

2.1 輸水閥門(mén)處短廊道尺寸

在進(jìn)行聯(lián)合輸水方式的水力計(jì)算時(shí)，首先需確定設(shè)置在閘首短廊道上的輸水閥門(mén)尺寸.按規(guī)范，三角門(mén)門(mén)縫輸水型式適用于閘室最大斷面平均流速小于0.25m/s和設(shè)計(jì)水頭小于4.0m的情形，水頭在1.4 m以下可直接用三角門(mén)門(mén)縫輸水［1］.對(duì)比分析已有研究資料后確定開(kāi)啟三角門(mén)的水頭為0.40m，即:當(dāng)上下游水位差Hk降低至0.40m前由短廊道單獨(dú)輸水，上下游水位差Hk由0.40m降至閘室內(nèi)外水位齊平的這段時(shí)間由短廊道和三角門(mén)門(mén)縫共同輸水［2］.輸水系統(tǒng)布置完成后再通過(guò)計(jì)算輸水水力特性加以驗(yàn)證流速指標(biāo).

由于聯(lián)合輸水的水力計(jì)算十分復(fù)雜，文中計(jì)算時(shí)在水位差小于0.40m的這段時(shí)間只考慮三角門(mén)門(mén)縫輸水，對(duì)于短廊道輸水部分由輸水流量不均勻系數(shù)β加以調(diào)整［3］.依據(jù)規(guī)范對(duì)三角門(mén)門(mén)縫輸水規(guī)定的水力指標(biāo)，針對(duì)正、反向最大水頭運(yùn)行工況，計(jì)算得出水位差Hk≤0.40m時(shí)通過(guò)三角門(mén)門(mén)縫輸水的時(shí)間Tk分別需滿(mǎn)足Tk≥38 s和Tk≥28 s，因此要求Hk＞0.40m時(shí)短廊道輸水系統(tǒng)的輸水時(shí)間Td分別需滿(mǎn)足下列條件:正向最大水頭時(shí)Td≤T－Tk=480－38=442 s，反向最大水頭時(shí)Td≤T－Tk=480－28=452 s.

而根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》及參考文獻(xiàn)，可進(jìn)一步推導(dǎo)出由初始水頭降至Hk經(jīng)短廊道輸水所需時(shí)間Td與閥門(mén)面積ω的關(guān)系［3］，即:

式中:C為計(jì)算閘室水域面積，對(duì)于高港二線(xiàn)船閘，C=23×253=5819 m2;H為水頭，正、反向最大水頭分別為3.50和4.48 m;μ為閥門(mén)全開(kāi)時(shí)的流量系數(shù)，對(duì)比分析了采用類(lèi)似輸水系統(tǒng)布置的船閘物理模型試驗(yàn)資料，取高港二線(xiàn)船閘輸水閥門(mén)全開(kāi)時(shí)短廊道輸水的流量系數(shù)為0.73;α為系數(shù)，查《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的表3.3.2得出α=0.55;kv為閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間與輸水時(shí)間之比，暫取0.8;g為重力加速度.

由上式計(jì)算得出短廊道輸水閥門(mén)面積在正向最大水頭時(shí)需滿(mǎn)足ω≥18.7m2，反向最大水頭時(shí)需ω≥21.3m2.考慮到該船閘不進(jìn)行物理模型試驗(yàn)，且計(jì)算時(shí)相關(guān)系數(shù)為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值或暫定值，因此在上述水力計(jì)算出的最小允許值的基礎(chǔ)上留有一定余地，確定短廊道輸水閥門(mén)面積為24.5m2，由此設(shè)計(jì)出兩側(cè)輸水閥門(mén)處廊道斷面尺寸均為3.5m×3.5m(寬×高).

2.2 進(jìn)、出水口及消能工布置

上閘首有短廊道側(cè)面進(jìn)、出水，出水口外設(shè)消力檻，進(jìn)水口廊道底高程為 －5.60m，廊道頂高程－2.10m;下閘首采用反向布置，以充分利用門(mén)庫(kù)進(jìn)行消能，其短廊道也有側(cè)面進(jìn)、出水，出水口外設(shè)消力檻，進(jìn)水口廊道底高程為－5.00m，廊道頂高程－1.50m.上、下閘首輸水系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1.

為使船閘充水運(yùn)行時(shí)閘室內(nèi)獲得較好的水流條件，對(duì)消能工型式及布置方案進(jìn)行了詳細(xì)的研究，在輸水系統(tǒng)細(xì)部布置時(shí)采取了以下幾點(diǎn)措施:①上閘首短廊道進(jìn)、出水口外第一根消力檻底部布置2個(gè)高度為0.80m的過(guò)水孔，使出水水流通過(guò)第一道消力檻后進(jìn)一步向中心部位擴(kuò)散，以減小出水口水面的壅高，下閘首由于受檻的高度限制未布置過(guò)水孔;②在兩側(cè)門(mén)庫(kù)邊墻內(nèi)側(cè)各布置一道高0.75m的豎向鼻檻，以減少進(jìn)入短廊道的水流，并可使短廊道外水流形成鼻檻消能，提高消能效果，也增大了消能水體，豎向鼻檻長(zhǎng)度大于廊道高度0.50m以上;③為了避免充水時(shí)出水水流對(duì)沖消能區(qū)臨近船舶停泊處，在上、下閘首閘室側(cè)的短廊道出口處布置了高度為0.30m的豎向擋檻，從而進(jìn)一步改善水流的平面分布.

圖1 高港二線(xiàn)船閘輸水系統(tǒng)布置(單位:高程:m，其他:cm)Fig.1 Layout of the filling and emptying system for Gaogang second-line shiplock(unit:elevation:m，others:cm)

3 閥門(mén)開(kāi)啟方式研究

3.1 滿(mǎn)足波浪力要求的充水閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間

對(duì)于采用集中輸水系統(tǒng)的船閘，規(guī)范規(guī)定充水時(shí)受第一波浪力控制的輸水閥門(mén)勻速全開(kāi)時(shí)間［1］為:

計(jì)算得a=0.048，b=0.792;正向水頭時(shí)α=0.530，β=0.975，反向水頭時(shí)α=0.658，β=0.989;正向水頭充水時(shí)雙列船隊(duì)的波浪力系數(shù)D=1.587，相應(yīng)的充水閥門(mén)全開(kāi)時(shí)間約為tv=404 s;反向水頭充水時(shí)則有D=1.447，tv=244 s.

3.2 滿(mǎn)足波浪力要求的泄水閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間

另外，《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定下游引航道流速不應(yīng)大于0.8～1.0m/s［1］，因此對(duì)于高港二線(xiàn)船閘，泄水時(shí)引航道船舶所受波浪力不是泄水閥門(mén)開(kāi)啟方式的控制條件，需考慮泄水時(shí)引航道內(nèi)流速條件等各種因素后再確定.

3.3 閥門(mén)開(kāi)啟方式及速度的確定

由于船閘具有雙向水頭，在綜合考慮船舶停泊條件、輸水時(shí)間要求、閘室及引航道水流條件等多種因素的前提下，盡量簡(jiǎn)化閥門(mén)運(yùn)行方式，從而便于船閘運(yùn)行及操作管理.由此確定高港二線(xiàn)船閘上閘首不論正向水頭充水還是反向水頭泄水，輸水閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間均為390 s;下閘首不論正向水頭泄水還是反向水頭充水，輸水閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間均為300 s.

4 輸水水力特性

4.1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算參數(shù)

根據(jù)船閘輸水原理及Bernoulli方程［4-6］，可以寫(xiě)出描述單級(jí)船閘輸水時(shí)的非恒定流方程組，而三角門(mén)門(mén)縫輸水的水流流態(tài)十分復(fù)雜，美國(guó)通常采用的計(jì)算式為，其中 Qk為三角門(mén)門(mén)縫輸水的流量;μd為三角門(mén)門(mén)縫輸水的流量系數(shù)，此處依據(jù)美國(guó)的相關(guān)試驗(yàn)研究資料取0.55;ωk為三角門(mén)門(mén)縫過(guò)水?dāng)嗝婷娣e，計(jì)算中取三角門(mén)勻速全開(kāi)時(shí)間為240 s;h為門(mén)縫上下游水位差.由此可建立短廊道與三角門(mén)門(mén)縫聯(lián)合輸水方式的船閘輸水?dāng)?shù)學(xué)模型，本文采用迭代和差分法求解，從而計(jì)算船閘聯(lián)合輸水過(guò)程的水力特征值.

高港二線(xiàn)船閘具有雙向水頭，研究確定的上、下閘首布置基本相同，僅檻的高度及底高程有所差別，因此上、下閘首輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)較為接近，具體取值參考了采用類(lèi)似輸水系統(tǒng)型式船閘的物理模型試驗(yàn)研究資料［8-10］，不同水頭運(yùn)行工況下數(shù)學(xué)模型計(jì)算特征參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 數(shù)學(xué)模型計(jì)算特征參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of mathematical model

4.2 輸水水力特性

計(jì)算得出不同運(yùn)行工況的船閘充、泄水水力特征值見(jiàn)表2，典型水力特性曲線(xiàn)見(jiàn)圖2.計(jì)算結(jié)果表明:各種運(yùn)行水頭下，輸水時(shí)間滿(mǎn)足設(shè)計(jì)不超過(guò)8 min的要求;充水時(shí)閘室斷面最大平均流速均小于0.65m/s，滿(mǎn)足規(guī)范布置簡(jiǎn)單消能工的流速指標(biāo);泄水時(shí)引航道斷面最大平均流速遠(yuǎn)小于0.8 m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求;三角門(mén)門(mén)縫輸水產(chǎn)生的閘室斷面最大平均流速小于0.25m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求.經(jīng)輸水水力特征值的數(shù)模計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證，前述輸水系統(tǒng)布置及確定的閥門(mén)開(kāi)啟方式是合適的.

表2 閘室輸水時(shí)最大水力特性值Tab.2 Maximum hydraulic characters of lock during filling and emptying

此外，正向最大水頭以及反向常水頭充水水力特性計(jì)算結(jié)果顯示，短廊道輸水閥門(mén)尚未開(kāi)啟完畢水位差Hk已降至0.40m，此時(shí)三角閘門(mén)也開(kāi)始開(kāi)啟;而反向常水頭泄水運(yùn)行時(shí)，輸水結(jié)束后短廊道輸水閥門(mén)尚未開(kāi)啟完畢.因此，建議設(shè)計(jì)部門(mén)在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮上述短廊道輸水閥門(mén)和三角閘門(mén)同時(shí)運(yùn)行的情況，閘、閥門(mén)采用獨(dú)立的啟閉系統(tǒng).

圖2 典型水力特性曲線(xiàn)Fig.2 Typical hydraulic characteristic curves of lock during filling and emptying

5 結(jié)語(yǔ)

(1)高港二線(xiàn)船閘具有雙向水頭，本文在分析國(guó)內(nèi)部分集中輸水系統(tǒng)船閘資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)水力計(jì)算分析并結(jié)合工程特點(diǎn)，研究確定采用短廊道和三角門(mén)門(mén)縫相結(jié)合的輸水系統(tǒng)，并提出了輸水系統(tǒng)具體布置，在消能工布置時(shí)研究了三項(xiàng)具體措施來(lái)保證閘室獲得較好的水流條件.

(2)在綜合考慮船舶停泊條件、輸水時(shí)間要求、閘室及引航道水流條件以及便于船閘運(yùn)行和操作管理等多種因素的前提下，研究確定了上、下閘首閥門(mén)開(kāi)啟方式;通過(guò)建立船閘聯(lián)合輸水?dāng)?shù)學(xué)模型，計(jì)算了不同運(yùn)行工況的閘室輸水水力特性，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求.

(3)根據(jù)水力特性計(jì)算成果，正向最大水頭充水和反向常水頭充、泄水時(shí)，輸水閥門(mén)尚未開(kāi)啟完畢三角門(mén)便已開(kāi)始開(kāi)啟，提出了在液壓?jiǎn)㈤]機(jī)和電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中考慮短廊道輸水閥門(mén)和三角閘門(mén)同時(shí)運(yùn)行的情況，閘、閥門(mén)采用獨(dú)立的啟閉系統(tǒng).

［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］劉本芹，宣國(guó)祥.泰州引江河第二期工程高港樞紐二線(xiàn)船閘輸水系統(tǒng)布置及水力計(jì)算分析報(bào)告［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2010.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang.Layout and hydraulic computational analyses report of the filling and emptying system of Gaogang second-line shiplock on Yinjiang River in Taizhou City［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2010.(in Chinese))

［3］劉本芹，宣國(guó)祥，李中華.船閘短廊道和三角門(mén)門(mén)縫聯(lián)合輸水的水力計(jì)算［J］.水道港口，2008(4):278-282.(LIU Benqin，XUAN Guo-xiang，LI Zhong-hua.Hydraulic calculations of the lock short culvert associated with sector gate gap filling and emptying［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008(4):278-282.(in Chinese))

［4］王作高.船閘設(shè)計(jì)［M］.北京:水利電力出版社，1992.(WANG Zuo-gao.Design of shiplocks［M］.Beijing:China Water Power Press，1992.(in Chinese))

［5］德烏斯 N M.通航船閘［M］.陳士蔭，金煜，譯.大連:大連理工大學(xué)出版社，1988.(DEWUSI N M.Navigation Lock［M］.CHEN Shi-yin，JIN Yu.Dalian:Dalian University of Technology Press，1988.(in Chinese))

［6］須清華，張瑞凱.通航建筑物應(yīng)用基礎(chǔ)研究［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1999.(XU Qing-hua，ZHANG Rui-kai.Application basic research of navigation structure［M］.Beijing:China WaterPower Press，1999.(in Chinese))

［7］EM1110-2-1604，Hydraulic design of navigation locks［S］.

［8］劉本芹，宣國(guó)祥.蕪申運(yùn)河楊家灣船閘輸水系統(tǒng)水力計(jì)算及模型試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang.Hydraulic calculations and physical model experiment study of Yangjiawan shiplock's filling and emptying system on Wushen Canal［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［9］劉本芹，宣國(guó)祥，宗慕偉.施橋三線(xiàn)船閘輸水系統(tǒng)水力計(jì)算及模型試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang，ZONG Mu-wei.Hydraulic calculations and physical model experiment study of the Shiqiao third line shiplock's filling and emptying system［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［10］劉本芹，宣國(guó)祥，宗慕偉.蕪申運(yùn)河下壩二線(xiàn)船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang，ZONG Mu-wei.Hydraulic model experiment study of the Xiaba second line shiplock's filling and emptying system on Wushen Canal［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))