渠江富流灘船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)

陳作強(qiáng)，宣國(guó)祥，黃 岳，李 君，金 英

(1.四川省港航開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610041;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)

渠江廣安(四九灘至丹溪口)航運(yùn)建設(shè)工程包括航道整治工程、渠化工程及港口工程三大部分.渠化工程主要為富流灘船閘的改擴(kuò)建工程，新建船閘1座，有效尺度為180.0m×23.0m×4.2m，通航標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)河Ⅲ級(jí)，代表船型為2排1列式一頂2×1000 t級(jí)船隊(duì)，設(shè)計(jì)最大水頭為11.8 m.結(jié)合國(guó)內(nèi)外類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)［1-10］，富流灘船閘確定采用第二類(lèi)分散輸水系統(tǒng)的閘底長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng);各特征部位面積和與閥門(mén)面積比分別為上閘首進(jìn)水口78.4 m2(與閥門(mén)處廊道斷面面積比為3.73，下同)，充水閥門(mén)段廊道21.0m2(1.00)，閘室出水段廊道24.0m2(1.14)，閘室出水支孔28.8 m2(1.27)，泄水閥門(mén)段廊道21.0m2(1.00)，下閘首出水口104.5m2(4.98).由于該船閘水力指標(biāo)較高，輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)須通過(guò)模型試驗(yàn)優(yōu)化.

1 物理模型設(shè)計(jì)和試驗(yàn)儀器設(shè)備

物理模型按照弗勞德數(shù)相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)地及供水能力選擇模型比尺為25，模擬范圍則包括船閘上游引航道、閘室、輸水系統(tǒng)及下游引航道.輸水系統(tǒng)及閥門(mén)段廊道分別采用聚乙稀塑料板和有機(jī)玻璃制作，經(jīng)率定的模型糙率系數(shù)約為0.0084，換算至原型為0.014，而原型混凝土糙率系數(shù)一般為0.013～0.014，因此，模型與原型輸水系統(tǒng)糙率基本一致.

模型水位和輸水閥門(mén)分別采用溢流式平水槽和無(wú)級(jí)調(diào)速步進(jìn)電機(jī)控制.閘室水位變化過(guò)程和輸水廊道非恒定流壓力、輸水廊道恒定流時(shí)均壓力、輸水流量、引航道水流流速以及船舶纜繩拉力分別用電阻式壓力傳感器測(cè)定、測(cè)壓管、矩形量水堰、旋漿流速儀及全環(huán)電阻式測(cè)力儀測(cè)定.試驗(yàn)所量測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)美國(guó)Iotech公司的Wavebook數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)進(jìn)行采集和處理.

2 船閘充、泄水水力特性試驗(yàn)及成果分析

2.1 輸水水力特性及輸水時(shí)間

在設(shè)計(jì)水頭11.8 m情況下(水位組合:213.80～202.00m)，測(cè)定了輸水閥門(mén)不同開(kāi)啟速度下的閘室水位流量變化過(guò)程線及船閘充、泄水時(shí)間.典型水力特性曲線見(jiàn)圖1，各種運(yùn)行方式下的輸水水力特征值見(jiàn)表1.

圖1 船閘閘室雙邊充、泄水水力特性曲線(閥門(mén)雙邊開(kāi)啟tv=5min)Fig.1 Filling and emptying hydraulic characteristic curves during opening of both valves(tv=5min)

表1 11.8 m設(shè)計(jì)水頭下閘室輸水水力特征值Tab.1 Hydraulic characteristics under design water head of 11.8 m

由圖2和表1可見(jiàn)，當(dāng)充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間為5min時(shí)，閘室充水時(shí)間為9.99 min，閘室充水最大流量為175m3/s，相應(yīng)的閘底主廊道的最大流速為7.29 m/s，閥門(mén)段廊道最大流速為8.33m/s，上游進(jìn)水口斷面最大平均流速為2.23m/s，上述水力特征值均符合規(guī)范要求.當(dāng)泄水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間為5min時(shí)，閘室泄水時(shí)間為10.76min，此時(shí)閘室泄水最大流量為152m3/s，輸水主廊道的最大流速為6.33m/s，閥門(mén)段廊道最大流速為7.24 m/s，上述水力特征值亦符合規(guī)范［11］要求.

因此，富流灘船閘輸水閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間只要不超過(guò)5min，其閘室平均輸水時(shí)間即可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求(10min以?xún)?nèi))，說(shuō)明輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為合理.

雙邊充水時(shí)閘室的慣性超高為0.34 m，雙邊泄水時(shí)閘室的慣性超降為0.26m左右，均超過(guò)規(guī)范允許的0.25m，實(shí)際運(yùn)行中宜采用提前關(guān)閉充、泄水閥門(mén)并在水位齊平時(shí)打開(kāi)人字門(mén)的措施加以解決，此項(xiàng)工程措施已在多座船閘中成功應(yīng)用，效果較好.

2.2 輸水系統(tǒng)流量系數(shù)、阻力系數(shù)

通過(guò)恒定流試驗(yàn)，測(cè)定了輸水廊道典型部位壓力及上、下游引航道和閘室水位，從而計(jì)算出輸水系統(tǒng)各典型區(qū)段的阻力系數(shù)、輸水系統(tǒng)總阻力系數(shù)和流量系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.可見(jiàn)，富流灘船閘雙邊充、泄水流量系數(shù)分別為0.769和0.688;單邊充、泄水的流量系數(shù)分別為0.945和0.885.

表2 充泄水輸水廊道阻力系數(shù)Tab.2 Resistance coefficients of filling and emptying culverts

2.3 輸水廊道壓力特性

為分析輸水廊道水力特性，在充泄水閥門(mén)后廊道頂部共設(shè)置10個(gè)壓力傳感器，以測(cè)定充、泄水閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)閥門(mén)后廊道的非恒定流壓力及其脈動(dòng)值.充、泄水閥門(mén)工作門(mén)井典型測(cè)點(diǎn)廊道壓力過(guò)程曲線見(jiàn)圖2.

圖2 充、泄水閥門(mén)后廊道非恒定流壓力過(guò)程線(閥門(mén)雙邊開(kāi)啟tv=5min)Fig.2 Unsteady flow pressure of the culvert behind valves(both valves opening，tv=5min)

(1)充水廊道.充水閥門(mén)開(kāi)啟過(guò)程閥門(mén)后廊道頂部的非恒定流壓力試驗(yàn)表明，最大設(shè)計(jì)水頭下，雙邊開(kāi)啟(tv=5min)充水過(guò)程中以開(kāi)度n=0.3附近壓力最低，測(cè)得最低平均和瞬時(shí)壓力分別為1.34和0.56m水柱.

(2)泄水廊道.泄水廊道閥門(mén)后非恒定流壓力試驗(yàn)在檢修門(mén)門(mén)井封閉情況下進(jìn)行，試驗(yàn)表明最大設(shè)計(jì)水頭下，雙邊開(kāi)啟(tv=5min)，最低壓力出現(xiàn)在n=0.5附近，最低平均和瞬時(shí)壓力分別為0.14 m和－0.20m水柱.

由此可知，其廊道壓力滿(mǎn)足不小于－3.0m的要求，但考慮到船閘輸水系統(tǒng)模型試驗(yàn)的縮尺效應(yīng)，原型中閥門(mén)的工作條件將較模型更為嚴(yán)峻，為確保閥門(mén)的安全運(yùn)行，建議在輸水閥門(mén)后設(shè)置通氣管，同時(shí)適當(dāng)提高輸水閥門(mén)段廊道的混凝土標(biāo)號(hào).

3 船舶(隊(duì))在閘室中的停泊條件

為使閘室縱向的流量分配均勻，輸水系統(tǒng)布置時(shí)已考慮閘室縱向的流量分配，閘室內(nèi)每側(cè)支孔出口外側(cè)設(shè)置了消能明溝，對(duì)水流進(jìn)行消能及縱向二次調(diào)整，以改善船舶在閘室中的停泊條件;為使水流導(dǎo)向閘室中部，明溝上部按1∶1坡度向閘室中心傾斜，并在消能明溝內(nèi)設(shè)置了擋檻，使閘底側(cè)支孔的出流均勻.

閘室內(nèi)船舶系纜力試驗(yàn)主要針對(duì)最大設(shè)計(jì)水頭，選擇1000 t/100TEU集散兩用船和2000 t液貨船作為單船的代表船型，典型工況最大系纜力值見(jiàn)表3.試驗(yàn)結(jié)果表明:上述布置獲得了預(yù)期的效果，閘室內(nèi)無(wú)明顯縱橫向水流，水面非常平穩(wěn)，橫向水流分布亦較為均勻.

表3 閘室內(nèi)船舶(隊(duì))最大系纜力Tab.3 The maximum mooring forces of ship in lock chamber

由表可見(jiàn)，當(dāng)充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟(tv=5min)時(shí)，停泊在不同位置，設(shè)計(jì)2000 t單船的最大縱向系纜力為26 kN，最大橫向力為15 kN;設(shè)計(jì)1000 t單船的最大縱向系纜力為17 kN，最大橫向力為14 kN.單邊開(kāi)啟時(shí)設(shè)計(jì)2000 t單船的最大縱向系纜力為17 kN，最大橫向力為16 kN;設(shè)計(jì)1000 t單船的最大縱向系纜力為8 kN，最大橫向力為6 kN.船舶(隊(duì))的系纜力均滿(mǎn)足規(guī)范要求.

4 結(jié)語(yǔ)

(1)富流灘船閘采用閘底長(zhǎng)廊道分散輸水系統(tǒng)型式及側(cè)向出水支孔與明溝消能的組合布置是合適的.

(2)結(jié)合模型試驗(yàn)成果，最終確定富流灘船閘充、泄水閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間tv均采用5min，相應(yīng)的閘室充、泄水時(shí)間分別為9.99和10.76min，考慮縮尺效應(yīng)，其原型平均輸水時(shí)間將小于10min;此時(shí)閘室充、泄水最大流量分別為175和152m3/s.

(3)閘底側(cè)向出水支孔與消能明溝的布置滿(mǎn)足了過(guò)閘船舶的停泊安全，設(shè)計(jì)2000 t單船和1000 t單船的最大縱向系纜力分別為26和17 kN，最大橫向力分別為15和14 kN，最大橫向力為14 kN，均滿(mǎn)足規(guī)范要求.

(4)最大設(shè)計(jì)水頭11.8 m下，泄水閥門(mén)后廊道頂壓力較低，有一定的脈動(dòng)值，在設(shè)計(jì)中應(yīng)引起足夠重視.建議在輸水閥門(mén)后設(shè)置通氣管，并適當(dāng)提高輸水閥門(mén)段廊道的混凝土標(biāo)號(hào).

(5)為了便于今后船閘運(yùn)行時(shí)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整閥門(mén)開(kāi)啟速度以提高船閘通過(guò)能力或保證運(yùn)行安全，建議閥門(mén)啟閉機(jī)的速度應(yīng)在4～6min內(nèi)可調(diào).

［1］EM 1110-2-1604，Hydraulic design of navigation locks［S］.

［2］Hydraulic Laboratory，USAE Waterways Experiment Station.Filling and emptying system for high-lift navigation lock［R］.Mississippi:USAE Waterways Experiment Station，1978.

［3］連恒鐸.五強(qiáng)溪船閘輸水系統(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，1993.(LIAN Heng-duo.Hydraulic model test study of the filling and emptying system of Wuqiangxi shiplock［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，1993.(in Chinese))

［4］董鳳林，喬文荃.廣東北江飛來(lái)峽水利樞紐船閘水力學(xué)試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，1994.(DONG Fenglin，QIAO Wen-quan.Hydraulic model test of Feilaixia shiplock on Beijiang River in Guangdong Province［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，1994.(in Chinese))

［5］宣國(guó)祥，黃岳.柳江紅花船閘輸水系統(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，2003.(XUAN Guo-xiang，HUANG Yue.Hydraulic model test study of the filling and emptying system of Honghua shiplock on Liujiang River［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2003.(in Chinese))

［6］李中華，宣國(guó)祥，黃岳.廣西紅水河橋鞏船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2005.(LI Zhong-hua，XUAN Guo-xiang，HUANG Yue.Hydraulic model test of the filling and emptying system of Qiaogong shiplock on Hongshuihe River in Guangxi Zhuang Autonomous Region［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2005.(in Chinese))

［7］宣國(guó)祥，黃岳，李君.西江航運(yùn)干線桂平航運(yùn)樞紐二線船閘閘底長(zhǎng)廊道輸水系統(tǒng)方案布置、水力特性分析和水力學(xué)模型試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2007.(XUAN Guo-xiang，HUANG Yue，LI Jun.Hydraulic model test study of the bottom longitudinal culvert filling and emptying system of Guiping 2ndlane shiplock on Xijiang River［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2007.(in Chinese))

［8］黃岳，李君，宣國(guó)祥.江西省峽江水利樞紐船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2009.(HUANG Yue，LI Jun，XUAN Guo-xiang.Hydraulic model test study of the filling and emptying system of Xiajiang shiplock in Jiangxi Province［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2009.(in Chinese))

［9］宣國(guó)祥，李君，黃岳.長(zhǎng)洲水利樞紐三線四線船閘工程初步設(shè)計(jì)階段輸水系統(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，2011.(XUAN Guo-xiang，LI Jun，HUANG Yue.Hydraulic model test study of the filling and emptying system of Changzhou 3rdand 4thlane shiplocks under preliminary design stage［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2011.(in Chinese))

［10］宣國(guó)祥，李君，黃岳.湄公河老撾薩拉康水電站船閘輸水系統(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，2011.(XUAN Guo-xiang，LI Jun，HUANG Yue.Hydraulic model test study of the filling and emptying system of Sanakham shiplock on Mekong River in Laos［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2011.(in Chinese))

［11］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))