三峽船閘六閘首輸水閥門運行方式優(yōu)化

江耀祖，吳英卓，陳 輝，於三大，耿 峻

(1.長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢 430010;2.中國長江三峽集團公司樞紐局，湖北 宜昌 443133)

1 研究背景

三峽船閘下游與升船機共用引航道，為滿足船閘和升船機對通航水流條件的要求，船閘采用了“內(nèi)外聯(lián)泄”的泄水布置方案。即將五閘室大部分水體通過主泄水廊道和箱涵泄往長江主河道。由于河道水面縱向比降的存在，造成箱涵出口水位高于下游引航道水位，當(dāng)閘室水位與箱涵出口水位齊平后仍會出現(xiàn)閘室水位高于下游引航道水位的情況，不滿足開啟六閘首人字門的條件。因而設(shè)計上采用將泄水末期的剩余待下泄水體通過內(nèi)泄短廊道泄往下游引航道，以維持船閘正常運行的泄水方案。

三峽船閘建成通航后，六閘首輸水閥門采用在剩余水頭ΔH=5.0 m時提前動水關(guān)閉至0.2開度的方式來解決閘室超泄問題，輔閥不參與運行。

9年來的運行實踐表明，在枯水期樞紐下泄流量不大的條件下，采用上述主閥泄水方式能夠保證閘室水位與下游引航道水位齊平，人字門能夠正常開啟，但也存在一些異常情況。其一是在枯水期下泄流量很小時，易出現(xiàn)閥門尚未關(guān)至小開度水位即齊平現(xiàn)象，造成閘室超泄增加，一方面加大了下游引航道水位波動幅度，另一方面也容易導(dǎo)致另一線船閘六閘首人字門飄移現(xiàn)象發(fā)生;其二是在汛期樞紐下泄流量較大(Q＞30 000 m3/s)時，箱涵出口水位與下游引航道水位差ΔZ加大，僅通過六閘首主閥門泄水易出現(xiàn)五閘室最終水位高于下游引航道水位現(xiàn)象，導(dǎo)致人字門不能按程序開啟，須現(xiàn)地將主閥關(guān)閉后再操作輔閥泄水，泄水時間延長，影響通航效率。隨著三峽機組陸續(xù)投入調(diào)峰運用，下泄流量和下游水位變化更加頻繁，這一問題將更為突出。以上2方面的異常情況均有待通過現(xiàn)場調(diào)試、優(yōu)化閥門運行方式解決。

2 原因分析

分析發(fā)生以上異?，F(xiàn)象的原因是箱涵出口與下游引航道水位差ΔZ不恒定造成的，而形成ΔZ不恒定的原因是因為壩下流量不恒定，ΔZ值的變化幅度除受流量變化幅度的影響外，還與壩下游斷面形狀、床面阻力、下游水位及引航道內(nèi)往復(fù)流等有關(guān)。一般來說，壩下流量越大，ΔZ也越大，即枯水期壩下流量小時ΔZ小，汛期壩下流量大時ΔZ則較大。而目前所采用提前動水關(guān)閥抑制超泄的措施是固定不變的，這樣輸水系統(tǒng)的超泄量也是固定的，它只對某一特定ΔZ(記為ΔZ')是最合適的，表現(xiàn)為枯水期ΔZ＜ΔZ'，輸水系統(tǒng)的超泄量偏大，容易造成人字門飄移現(xiàn)象的發(fā)生(雙線船閘相互影響);汛期ΔZ＞ΔZ'，輸水系統(tǒng)的超泄量又嫌不足，容易出現(xiàn)閘室水位與下游引航道水位不平現(xiàn)象，人字門無法正常開啟。

3 解決途徑

解決以上問題的途徑有2個，其一是輔閥參與運行，即通過調(diào)試，適當(dāng)提高動水關(guān)閥水頭，不設(shè)小開度，將閥門一次全關(guān)到位，在動水關(guān)閥期間，通過調(diào)試選擇適當(dāng)時機開啟輔閥泄水，可保證閘室與下游引航道水位齊平，滿足開啟人字門條件。這一方案的缺點是投入運行的設(shè)備較多，主輔閥存在同時運行的情形，輔閥下泄流量會在引航道形成涌浪，將在一定程度上加大下游引航道的水位波動。其二是輔閥仍不參與運行，根據(jù)每次泄水運行初始時刻實時采集的ΔZ，采用適合于ΔZ要求的動水關(guān)閥剩余水頭ΔH或小開度nx，精確控制超泄量，使之適合于每一ΔZ的要求。這一方案可充分發(fā)揮末級泄水系統(tǒng)超泄能力強的特點，投入運行的設(shè)備少，根據(jù)前期對ΔZ變動范圍的觀測、數(shù)模計算以及探索性觀測，表明這一方案是可行的，因此本文主要介紹該方案的優(yōu)化研究成果。

4 數(shù)模計算

為便于運行監(jiān)控，應(yīng)船閘管理部門要求，需保持動水關(guān)閥剩余水頭ΔH恒定，因此在將ΔH適當(dāng)提高至5.5 m后，采用變換動水關(guān)閥小開度nx的方法來控制超泄量，使之滿足不同ΔZ的要求。為建立nx-ΔZ的恰當(dāng)關(guān)系，根據(jù)船閘輸水非恒定流方程和船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［1］，通過數(shù)學(xué)模型對不同ΔZ下閘室輸水時間tf與關(guān)閥小開度nx的關(guān)系及輸水系統(tǒng)固有慣性超泄di與關(guān)閥小開度nx的關(guān)系進行了系列計算，部分結(jié)果見圖1。圖1表明閘室輸水時間隨小開度增大而縮短，閘室慣性超泄(負(fù)值)則隨小開度增大而增大，同時滿足輸水時間小于12min和閘室慣性超泄小于25 cm設(shè)計要求的小開度為一個較小區(qū)間，將區(qū)間中值作為nx與ΔZ建立關(guān)系，并通過回歸分析方法進行擬合，即可得到nx-ΔZ關(guān)系式，見圖2。

圖2 nx-ΔZ關(guān)系Fig.2 Curves of nxvs.ΔZ

5 原型驗證

在出庫流量4 350～45 200 m3/s范圍內(nèi)，分5次實時采集ΔZ值，根據(jù)計算確立的nx-ΔZ關(guān)系式計算出相應(yīng)的nx，在原型上進行了調(diào)試驗證，監(jiān)測結(jié)果見表1。數(shù)據(jù)表明:在不同泄量下，按照ΔZ實時采集值，通過nx-ΔZ關(guān)系式計算出的nx控制閥門運行，同時滿足了輸水時間小于12 min和閘室慣性超泄小于25 cm的設(shè)計要求，既避免了枯水期閘室超泄偏大的問題，也解決了汛期樞紐下泄流量較大時，人字門不能按程序正常開啟的問題，提高了通航效率。

表1 五閘室泄水水力特征值Table 1 Hydraulic characteristic values during water discharge in the five-step shiplock

監(jiān)測還表明［2－3］:泄水過程中，輸水系統(tǒng)各部位預(yù)埋測點未監(jiān)測到有害負(fù)壓和不利水流流態(tài)，閥門和人字門啟閉機油缸油壓和啟閉力均在設(shè)計容許范圍內(nèi)，與設(shè)計值相比，存在較大富余。這表明當(dāng)泄水箱涵出口大江水位與下游引航道水位差在0.59 m以下時，采用在剩余水頭5.5 m動水關(guān)閥，關(guān)至按nx-ΔZ關(guān)系式確定的小開度等待水位齊平的運行方式是合適的。

圖1 tf-nx，di-nx關(guān)系Fig.1 Curves of tfvs.nx，and divs.nx

6 結(jié)論

通過數(shù)模計算分析和原型試驗研究，給出了適應(yīng)不同下泄流量下三峽船閘六閘首閥門動水關(guān)閉參數(shù)，可保證在現(xiàn)通航流量范圍內(nèi)，五閘室泄水時在不動用輔閥的情況下六閘首人字門均能正常開啟，并可降低閘室超泄及因超泄過大引起的人字門飄移現(xiàn)象，其成果可為三峽船閘運行程序及規(guī)程編制提供參考。

［1］JTJ306—2001.船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2001.(JTJ306—2001，Designing Code for Filling and Emptying System of Shiplocks［S］.Beijing:People’s Communication Press，2001.(in Chinese))

［2］吳英卓，江耀祖，於三大，等.三峽工程156 m蓄水位船閘水力學(xué)安全監(jiān)測總報告［R］.武漢:長江科學(xué)院，2008.(WU Ying-zhuo，JIANG Yao-zu，YU San-da，et al.Overall Report on the Hydraulic Safety Monitoring of the Shiplock of TGP with 156m Impoundment Water Level［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2008.(in Chinese))

［3］吳英卓，江耀祖，於三大.三峽船閘六閘首泄水閥門運行方式優(yōu)化研究報告［R］.武漢:長江科學(xué)院，2012.(WU Ying-zhuo，JIANG Yao-zu，YU San-da，et al.Report on the Optimization of the Operation of Sixth-step Discharhing Shiplock of TGP［R］.Wuhan:Yangtze River Scientific Research Institute，2012.(in Chinese))