大藤峽水利樞紐單級(jí)船閘輸水系統(tǒng)初步分析

覃業(yè)傳，宣國(guó)祥，麥建清，李 君

(1.廣西西江開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530028;2.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;3.廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530011)

1 工程概況

大藤峽水利樞紐是紅水河十級(jí)綜合開(kāi)發(fā)利用的最后一個(gè)梯級(jí)，壩址位于桂平市上游約12km處的黔江河段，是一座集防洪、水資源配置、發(fā)電、航運(yùn)及灌溉為一體的綜合水利樞紐.大藤峽樞紐上游連接西南水運(yùn)出海通道北線(都柳江)和中線(紅水河)，下游連接西江航運(yùn)干線，上、下游之間有很強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)互補(bǔ)性，豐富的資源和大量的產(chǎn)品迫切需要水路運(yùn)輸.因此，大藤峽樞紐成為打造西江黃金水道、發(fā)展西江經(jīng)濟(jì)帶的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，同時(shí)也是推動(dòng)西部地區(qū)優(yōu)化流域經(jīng)濟(jì)布局和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要支撐，其航運(yùn)地位至關(guān)重要.

在中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司和中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司于2008年聯(lián)合編制的《大藤峽水利樞紐工程項(xiàng)目建議書(shū)》［1］中，建議大藤峽樞紐通航建筑物規(guī)模按照二級(jí)航道、最大過(guò)閘船舶(隊(duì))為2000 t級(jí)的Ⅱ級(jí)單級(jí)船閘設(shè)計(jì)，閘室有效尺寸為250m×23m×5.0m，船閘最大設(shè)計(jì)水頭為38.61 m(61.00～22.39 m)，年單向設(shè)計(jì)通過(guò)能力為1664萬(wàn)t(下行).在上述項(xiàng)目建議書(shū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)家發(fā)改委批復(fù)及咨詢?cè)u(píng)估意見(jiàn)，廣西交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院于2011年6月編制完成了《大藤峽水利樞紐航運(yùn)功能定位及3000噸級(jí)船閘建設(shè)規(guī)模研究報(bào)告》［2］，最終建議大藤峽樞紐通航建筑物仍采用單級(jí)船閘布置，但閘室有效尺度調(diào)整為340m×34 m×5.8 m，船閘最大設(shè)計(jì)水頭增加至40.94 m(61.00～20.06m)，年單向設(shè)計(jì)通過(guò)能力達(dá)到4249.6萬(wàn)t(下行)，可滿足設(shè)計(jì)水平年(2040年)預(yù)測(cè)過(guò)閘貨運(yùn)量(下行4080萬(wàn)t)的要求.

無(wú)論上述何種方案，大藤峽樞紐通航建筑物都擬采用單級(jí)船閘布置形式，其工作水頭處于世界單級(jí)船閘的最高水平，閘室規(guī)模亦在高水頭船閘中位居前列.因此，對(duì)大藤峽水利樞紐通航船閘采用單級(jí)布置方案帶來(lái)的輸水系統(tǒng)布置及其相關(guān)水力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)可行性分析是十分必要的.

2 國(guó)內(nèi)外巨型和高水頭船閘現(xiàn)狀

隨著內(nèi)河航運(yùn)事業(yè)的發(fā)展，通航船閘的尺度及水頭逐漸增大，表1和表2列出了國(guó)內(nèi)外部分巨型和高水頭單級(jí)船閘的基本情況［3-6］.

表1 國(guó)外部分巨型船閘特征統(tǒng)計(jì)Tab.1 Typical huge shiplocks abroad

表2 國(guó)內(nèi)外部分高水頭單級(jí)船閘特征統(tǒng)計(jì)Tab.2 Typical high head single-step shiplocks at home and abroad

可見(jiàn)，巨型船閘主要分布在歐洲沿海國(guó)家及巴拿馬運(yùn)河上，且多為海船閘，水頭一般都不大，但一次性輸水水體較大.而超過(guò)25m的高水頭單級(jí)船閘則主要分布在前蘇聯(lián)、美國(guó)、巴西、葡萄牙及中國(guó)等國(guó)家，其中水頭最高的Ust-Kamenogorsk船閘，雖采用了跌水消能室的布置，但水流自由跌落高度達(dá)28 m，盡管設(shè)置了除氣裝置，但水流摻氣仍十分嚴(yán)重，直接影響了閘室內(nèi)船舶的停泊安全，且船閘充、泄水時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)行效果不太理想.由此可見(jiàn)，擬建的大藤峽船閘無(wú)論在工作水頭還是閘室規(guī)模上都處于世界單級(jí)船閘前列，因此其設(shè)計(jì)中存在的相關(guān)問(wèn)題尤其是水力學(xué)問(wèn)題將尤為突出.

3 大藤峽船閘輸水系統(tǒng)布置初步分析

船閘輸水系統(tǒng)是完成閘室充泄水的主要設(shè)備，輸水系統(tǒng)技術(shù)上是否可行，其標(biāo)準(zhǔn)主要為:是否能夠在要求的時(shí)間內(nèi)，完成閘室的充、泄水并進(jìn)行充分消能從而滿足船舶安全停泊要求.對(duì)于大藤峽船閘，其設(shè)計(jì)水頭處于世界單級(jí)船閘的最高水平，現(xiàn)有的輸水系統(tǒng)型式能否滿足上述要求是單級(jí)布置方案能否成立的關(guān)鍵問(wèn)題.為此引入3個(gè)指標(biāo)參數(shù)，即:一次輸水過(guò)程進(jìn)入閘室的平均能量E，一次輸水過(guò)程單位面積的平均能量Ec和一次輸水過(guò)程的平均比能Ep.

進(jìn)入閘室的平均能量E(功率)可以表示為:

式中:g為重力加速度;T為輸水時(shí)間;H為水頭;B，L分別為閘室的長(zhǎng)度和寬度.

考慮到高水頭船閘的水流都是經(jīng)過(guò)復(fù)雜的輸水廊道進(jìn)入閘室底部，出水廊道一般都布滿閘室底部，這樣將進(jìn)入閘室的平均能量E除閘室平面面積就可以得到單位面積的平均能量Ec，即:Ec=E/(BL).同時(shí)，輸水水流經(jīng)過(guò)閘室水體消能后作用于船舶，引起船舶的運(yùn)動(dòng)，因而使系船纜繩受力，因此定義一次輸水過(guò)程的平均比能Ep為:Ep=Ec/S，其中S為閘室初始水深.

表3給出了國(guó)內(nèi)外部分船閘一次輸水的相關(guān)水力指標(biāo)，其中包括了2座巨型船閘，表中已建船閘輸水時(shí)間采用實(shí)際運(yùn)行值，大藤峽船閘輸水時(shí)間初步考慮在12～16min之間.

表3 國(guó)內(nèi)外部分船閘一次輸水的相關(guān)水力指標(biāo)Tab.3 Typical hydraulic characteristics during one filling course of some shiplocks at home and abroad

由表可見(jiàn):

(1)Panama Canal 3rdLock lane和Bristol船閘雖然規(guī)模巨大，但是無(wú)論是進(jìn)入船閘的平均能量E還是單位平均能量Ec以及平均比能Ep都不大，因此對(duì)輸水系統(tǒng)的要求不高，事實(shí)上這兩座船閘的輸水系統(tǒng)也不是最復(fù)雜的.

(2)由于大藤峽船閘規(guī)模和水頭都較大，一次輸水平均能量E也較大，已建的三峽中間級(jí)閘室輸水時(shí)與之相當(dāng).

(3)從更能夠反映對(duì)輸水系統(tǒng)要求的單位面積平均能量Ec以及平均比能Ep可以看出:大藤峽船閘即使采用12min輸水時(shí)間，也與國(guó)內(nèi)外已建高水頭船閘相當(dāng)，如采用16min輸水時(shí)間，則對(duì)輸水系統(tǒng)的要求低于一些已建的高水頭船閘.

詳細(xì)分析表3中單位面積平均能量Ec數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):大藤峽船閘由于輸水水體較大，一次輸水進(jìn)入閘室的平均能量E也較大，但是由于船閘閘室的平面尺度也較大，因此單位面積的平均能量Ec與其他已建高水頭船閘相差不大.這類(lèi)似于樞紐泄水建筑物的單寬流量，泄水總流量可能很大，但并表示它的單寬流量也一定較大，而對(duì)于泄水建筑物而言，單寬流量顯然是最重要的參數(shù).

同時(shí)分析表3中平均比能Ep數(shù)據(jù)還可以看到:由于我國(guó)新的船閘設(shè)計(jì)規(guī)范加大了船閘閘室的初始水深(同為3000 t級(jí)船閘，三峽為5.0m，而大藤峽則要求5.8 m)，使得大藤峽船閘消能水墊層加大，平均比能Ep與其他已建高水頭船閘基本一致，甚至若其輸水時(shí)間采用16min，其平均比能Ep將小于表中部分已建的高水頭船閘.

綜上所述，大藤峽船閘雖然規(guī)模較大、水頭較高，但是對(duì)輸水系統(tǒng)的水力指標(biāo)要求與已建高水頭船閘相當(dāng)，因此，現(xiàn)有已建高水頭船閘的輸水系統(tǒng)型式基本可滿足大藤峽船閘的要求.特別是如考慮適當(dāng)延長(zhǎng)輸水時(shí)間后，解決其輸水系統(tǒng)問(wèn)題的難度將進(jìn)一步降低，因而，輸水系統(tǒng)問(wèn)題不致成為大藤峽船閘采用單級(jí)方案設(shè)計(jì)中不可克服的難題.

4 大藤峽船閘取、泄水方案初步研究

式中:kp為校正系數(shù);C為閘室的水域面積;H為水頭;kv=tv/T，tv為輸水閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間，取T=12～16min，tv=5min.上游最高和最低通航水位分別為61.00和47.60m，上游引航道底高程40.00m，引航道底寬75～120m;下游最低通航水位20.06m，下游航道底高程14.26m，引航道底寬75～120m，可以得到大藤峽船閘最大設(shè)計(jì)水頭以及上游最低通航水位時(shí)的最大流量估算值(見(jiàn)表4).

船閘引航道平面尺度一般根據(jù)過(guò)閘船舶航行與?？糠绞?、進(jìn)出閘要求進(jìn)行計(jì)算和布置，而引航道深度則根據(jù)水位、船舶的吃水要求確定.有了上述基本尺度后，再進(jìn)行其他因素的復(fù)核計(jì)算，其中包括船閘充泄水時(shí)引航道的水動(dòng)力條件和指標(biāo)，如不滿足相關(guān)要求，則采用工程和技術(shù)措施.

對(duì)于低水頭船閘，由于船閘輸水流量不大，船閘充泄水時(shí)全部設(shè)置在引航道內(nèi)，其水動(dòng)力條件和指標(biāo)可以滿足.但對(duì)高水頭船閘而言，由于其充泄水流量較大，除開(kāi)敞式引航道外，水力條件和指標(biāo)一般無(wú)法滿足相關(guān)規(guī)范要求.

大藤峽船閘的輸水最大流量可按下式［7］估計(jì):

表4 大藤峽船閘輸水最大流量和引航道水流條件估計(jì)Tab.4 Estimation of the maximum flow discharges and flow conditions in the approach channels of the Datengxia lock

由表4可見(jiàn):現(xiàn)大藤峽樞紐船閘上、下游引航道布置下(底寬75m)，由于船閘充泄水流量巨大，如果船閘充泄水全部布置在引航道內(nèi)(取、泄水方案1)，其水流條件尤其是上游最低通航水位工況上游引航道流速，以及最大設(shè)計(jì)水頭工況下游引航道流速都將遠(yuǎn)超過(guò)設(shè)計(jì)要求指標(biāo).而當(dāng)采用部分旁側(cè)取泄水布置或增大引航道底寬時(shí)可大大減小引航道內(nèi)流速，且采用旁側(cè)布置對(duì)改善引航道水流條件的效果更為明顯，工程量也更為節(jié)省.所以，對(duì)于大藤峽這樣規(guī)模較大、水頭較高、上下游采用封閉式(限制式)引航道布置的船閘，必須采取旁側(cè)取、泄水布置型式以滿足船閘及過(guò)閘船舶的安全運(yùn)行.事實(shí)上，國(guó)內(nèi)外幾乎所有已建的高水頭船閘都采用了這一布置型式.如美國(guó)的Lower Granite船閘［9］，采用部分旁側(cè)取水和全部旁側(cè)泄水的布置;巴西的Tucurui船閘［10］，取泄水布置均采用了全部旁側(cè)的布置;我國(guó)三峽船閘末級(jí)采用超長(zhǎng)旁側(cè)泄水廊道(長(zhǎng)1380m)布置［11］.

因此，根據(jù)表4的計(jì)算結(jié)果和國(guó)內(nèi)外高水頭船閘的成功經(jīng)驗(yàn)，大藤峽船閘充、泄水方案宜采用旁側(cè)取、泄水布置，同時(shí)可適當(dāng)增大引航道寬度，以使引航道水流條件滿足相關(guān)要求.

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)與國(guó)內(nèi)外巨型及高水頭船閘的綜合比較，無(wú)論從輸水系統(tǒng)水力指標(biāo)方面還是從船閘取、泄水方案選擇方面，現(xiàn)有技術(shù)均能夠解決大藤峽單級(jí)船閘的相關(guān)水力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)難題，輸水系統(tǒng)布置和水力學(xué)問(wèn)題不會(huì)成為制約大藤峽船閘采用單級(jí)布置的控制因素.但仍需開(kāi)展相關(guān)的水力學(xué)專題研究，以更好地為設(shè)計(jì)、運(yùn)行及管理提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)還可提高我國(guó)船閘建設(shè)領(lǐng)域的科技水平.

［1］中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司.大藤峽水利樞紐工程項(xiàng)目建議書(shū)［R］.長(zhǎng)春:中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，2008.(China Water Northeast Investigation，Design＆Research Co，Ltd，China Water Resources Pearl River Planning Surveying ＆ Design Co，Ltd.Project proposal of Datengxia hydro-junction［R］.Changchun:China Water Northeast Investigation，Design＆ Research Co，Ltd，2008.(in Chinese))

［2］廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院.大藤峽水利樞紐航運(yùn)功能定位及3000噸級(jí)船閘建設(shè)規(guī)模研究報(bào)告［R］.南寧:廣西壯族自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院，2011.(Guangxi Communications Planning Surveying and Design Institute.Report of the navigation function and construction scale of the 3000 DWT class shiplock of the Datengxia hydro-junction［R］.Nanning:Guangxi Communications Planning Surveying and Design Institute，2011.(in Chinese))

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［4］PIANC.Innovation in navigation lock design［R］.Brussels:PIANC，2009.

［5］Panama Canal Authority.Proposal for the expansion of the Panama Canal——third set of locks project［R］.Panama City:Panama Canal Authority，2006.

［6］李君.內(nèi)消能工在船閘輸水系統(tǒng)中的應(yīng)用研究［D］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2007.(LI Jun.The application of interior energy dissipater in the filling and empting system of navigation lock［D］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2007.(in Chinese))

［7］王作高.船閘設(shè)計(jì)［M］.北京:水利電力出版社，1992.(WANG Zuo-gao.Navigation lock design［M］.Beijing:China Waterpower Press，1992.(in Chinese))

［8］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))

［9］JNHNSON R L，PERKINS L Z，KUBO M M.Navigation lock for Lower Granite Dam Snake River，Washington，Hydraulic model investigations［R］.Portland:Army Engineer DIV North Pacific Bonnneville，1979.

［10］鈕新強(qiáng)，宋維邦.船閘與升船機(jī)設(shè)計(jì)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2007.(NIU Xin-qiang，SONG Wei-bang.Navigation lock and ship lift design［M］.Beijing:China WaterPower Press，2007.(in Chinese))

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