富春江船閘擴(kuò)建改造工程輸水閥門水力學(xué)試驗(yàn)研究

李浙江，金國(guó)強(qiáng)，張公略，范大林

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州310006）

富春江船閘擴(kuò)建改造工程輸水閥門水力學(xué)試驗(yàn)研究

李浙江，金國(guó)強(qiáng)，張公略，范大林

（浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州310006）

富春江船閘擴(kuò)建改造工程采用第二類分散輸水系統(tǒng)。輸水系統(tǒng)布置受到限制，新建船閘充水閥門上下游輸水廊道在較短距離內(nèi)存在連續(xù)的水平和垂直轉(zhuǎn)彎，且閥門后廊道平順段長(zhǎng)度較短，閥門進(jìn)出水流流態(tài)較為復(fù)雜。通過(guò)減壓模型對(duì)輸水閥門進(jìn)行了試驗(yàn)研究；通過(guò)常壓模型對(duì)新老輸水系統(tǒng)銜接段進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：（“平面漸擴(kuò)”+“大銜接池”）的新老輸水系統(tǒng)銜接方案及“頂擴(kuò)體型”的閥門段布置型式，輔以“門楣通氣”工程措施后，廊道內(nèi)的水流條件較好，空化噪聲得到有效抑制，空化問(wèn)題得到有效解決。

船閘；改擴(kuò)建；閥門；模型試驗(yàn)；常壓；減壓；空化；大銜接池；平面漸擴(kuò)；門楣通氣

富春江樞紐電站及船閘建于20世紀(jì)60年代，工程位于錢塘江中下游浙江省桐廬縣境內(nèi)。原船閘設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 t單級(jí)雙向船閘，有效尺度為100 m×14.4 m×2.5 m。隨著貨運(yùn)量需求的快速增長(zhǎng)，現(xiàn)有的船閘由于等級(jí)低、規(guī)模小，已成為錢塘江中上游航運(yùn)復(fù)興的瓶頸，制約了地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，迫切需要進(jìn)行工程改擴(kuò)建。由于受到防洪、發(fā)電、大壩安全、電網(wǎng)安全等條件制約，原船閘無(wú)法拆除，經(jīng)過(guò)前期的充分技術(shù)研究和論證，提出的船閘擴(kuò)建改造工程建設(shè)方案為：保留現(xiàn)有老船閘，經(jīng)加固改造后作為上游引航渠道，緊接其下游新建一座Ⅲ級(jí)船閘，有效尺度為300 m×23 m×4.50 m，設(shè)計(jì)最大水頭20.2 m。由于船閘水頭較高，船閘平面布置受限，船閘充水閥門上下游輸水廊道存在連續(xù)的水平和垂直轉(zhuǎn)彎，閥門后廊道平順段長(zhǎng)度較短，閥門進(jìn)出水流流態(tài)較為復(fù)雜，其閥門水力學(xué)尤其是空化問(wèn)題突出。此外，根據(jù)船閘輸水系統(tǒng)整體模型試驗(yàn)成果，新船閘充水時(shí)需要從上游老閘閘室內(nèi)引水，造成老閘閘室水位下降明顯，其上閘首處形成堰流，同時(shí)老船閘閘室內(nèi)廊道上方布置了進(jìn)水孔，考慮到必須滿足老船閘閘室內(nèi)水流條件及新船閘的設(shè)計(jì)輸水時(shí)間，對(duì)新船閘充水閥門運(yùn)行條件要求較高。為此，有必要對(duì)充水閥門進(jìn)行專門的閥門水力學(xué)模型試驗(yàn)研究。

1 輸水系統(tǒng)布置方案及水力特性［1-2］

1.1 老船閘輸水系統(tǒng)利用及改造方案

現(xiàn)有老船閘的輸水系統(tǒng)為閘室底板長(zhǎng)廊道頂支孔出水的分散輸水系統(tǒng)，根據(jù)輸水系統(tǒng)整體模型試驗(yàn)，本工程輸水系統(tǒng)對(duì)老閘的利用及改造方案為：利用老船閘原有輸水廊道及上閘首進(jìn)水口，在原閘室底部輸水廊道上方加設(shè)兩支輸水廊道，廊道為矩形斷面，寬4.0 m，高4.5 m。在上層廊道頂板上開設(shè)4個(gè)矩形進(jìn)水孔，孔口尺寸為6.0 m×0.75 m，為保證進(jìn)水孔上方水流流態(tài)平緩，在每個(gè)孔口上方設(shè)置一個(gè)上、下游側(cè)透空的混凝土擋水板。

1.2 新建船閘輸水系統(tǒng)布置方案

船閘最大設(shè)計(jì)水頭20.2 m，采用第二類分散輸水系統(tǒng)，即閘室底板內(nèi)長(zhǎng)廊道側(cè)支孔出水明溝消能的輸水方式［3］，設(shè)計(jì)輸水時(shí)間估算為16 min，輸水系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1。

新建船閘上閘首進(jìn)水口與老船閘新增上層輸水廊道水平銜接，通過(guò)水平轉(zhuǎn)彎和垂直轉(zhuǎn)彎，高程由2.5 m降至-8.21 m，與新船閘兩側(cè)邊墩內(nèi)廊道相接，廊道上布置工作閥門（反弧門）和檢修閥門（平板門），閥門處廊道高度和寬度均為4.0 m，閥門后廊道頂高程抬高至-3.71 m，廊道高度增大為4.5 m。

圖1 船閘輸水系統(tǒng)平面布置圖Fig.1Plane layout of filling and emptying system of ship lock

上閘首左、右兩側(cè)輸水廊道與閘室邊墻內(nèi)的廊道順直銜接，在檢修閥門井后，通過(guò)水平及豎向彎道在閘室匯合至底板中部的縱向輸水主廊道，廊道斷面為2×4.5×4.5，采用側(cè)支孔出水明溝消能，閘底廊道出水段每側(cè)設(shè)46個(gè)出水孔，分為3組。

閘室主廊道通過(guò)2個(gè)水平轉(zhuǎn)彎與下閘首閘室輸水廊道相聯(lián)接，分成左右兩支，左側(cè)輸水廊道接至左側(cè)河道，采用旁側(cè)泄水，右側(cè)廊道接入閘首下游的消能室內(nèi)，通過(guò)頂支孔出水泄入下游引航道內(nèi)。

1.3 輸水系統(tǒng)水力特性

設(shè)計(jì)水位組合下的船閘輸水和泄水水力特征值見(jiàn)表1。

表1 輸水系統(tǒng)充、泄水水力特征值Tab.1Characteristic value of water conveyance system in water filling and draining

2 一階段減壓模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法和儀器設(shè)備

本工程采取減壓物理模型試驗(yàn)開展船閘閥門水力學(xué)問(wèn)題研究，根據(jù)充水閥門具體條件，初步考慮采用門楣通氣作為抑制閥門門楣空化、底緣空化的必備措施［4-6］，鑒于原型門楣與弧門面板縫隙間歇較小，為保證門楣通氣的相似性，借鑒其他船閘試驗(yàn)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，確定閥門水力學(xué)減壓模型比尺λL=12.5［7］。為能準(zhǔn)確反映來(lái)流條件及閥門區(qū)水流特性，自上游工作閥門井以上10 m到下游檢修門井后23 m的區(qū)域，模型試驗(yàn)工作段與原型保持幾何相似。試驗(yàn)工作段（包括閥門井和上、下檢修門井）全部采用有機(jī)玻璃材料制作，以觀察水流流態(tài)。減壓試驗(yàn)在恒定流減壓箱中進(jìn)行，箱體凈寬1 m，減壓模型布置見(jiàn)圖2。

鑒于本工程輸水廊道慣性長(zhǎng)度較大，恒定流減壓試驗(yàn)不能復(fù)演非恒定流慣性作用，為此，試驗(yàn)中控制各開度流量及門后最低點(diǎn)壓力與船閘整體模型一致，保證閥門空化數(shù)相似。實(shí)驗(yàn)儀器具有水位及真空度目標(biāo)值的自動(dòng)計(jì)算、自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。

圖2 工作閥門減壓模型試驗(yàn)輸水系統(tǒng)布置圖Fig.2Layout of filling and emptying system in relief model test

空化噪聲作為空化潰滅過(guò)程的基本信息，是判斷空化初生和發(fā)展的一種極為有效的手段，為此，在減壓試驗(yàn)中，通過(guò)布置在閥門段的水聽器監(jiān)測(cè)水流噪聲，采用先進(jìn)的高速瞬態(tài)波形采集分析系統(tǒng)采集和處理噪聲信號(hào)。本試驗(yàn)中共安裝了3個(gè)水聽器：1＃水聽器主要接收門楣位置空化噪聲信號(hào)；2＃水聽器主要接收底緣空化噪聲信號(hào)；3＃水聽器主要接收到的是下檢修門井空化噪聲信號(hào)及底緣發(fā)生強(qiáng)空化時(shí)傳遞到下游的噪聲信號(hào)。水聽器布置見(jiàn)圖2。

2.2 試驗(yàn)研究過(guò)程及結(jié)論

根據(jù)我國(guó)多年來(lái)類似船閘的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，為了解決閥門空化問(wèn)題，本工程中主要采取了如下兩方面工程措施［8］：（1）閥門門后廊道采用“頂擴(kuò)體型”，即門后采用1∶20坡度頂漸擴(kuò)體型，廊道高度由4 m漸變至4.5 m；（2）閥門門后廊道頂設(shè)置通氣管，進(jìn)行門楣通氣。

減壓模型試驗(yàn)重點(diǎn)進(jìn)行了最不利水位組合（上游24.00 m，下游2.78 m），閥門開度n=0.4～0.7（n=0.1～0.3時(shí)，經(jīng)初步試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)有空化現(xiàn)象）的閥門空化特性的研究。

在門楣不通氣條件下，閥門各開度下檢修門附近水流條件較好，但閥門段存在空化現(xiàn)象，空化主要發(fā)生在門楣及閥門底緣，以n=0.4～0.5空化最為劇烈，儀器接收到的最大噪聲強(qiáng)度達(dá)100 Pa。在采取門楣通氣措施后，在小開度條件下（n=0.4～0.5開度），閥門段各部位空化噪聲強(qiáng)度及高頻噪聲均能顯著降低。但是當(dāng)閥門開度大于0.6以后，閥門段依然存在空化現(xiàn)象，這與一般輸水閥門工作特性相悖。

經(jīng)分析，產(chǎn)生的原因?yàn)椋罕竟こ汤昧死洗l的輸水系統(tǒng)，較為特殊，新舊船閘銜接段存在較短距離內(nèi)的水平轉(zhuǎn)彎緊接垂直轉(zhuǎn)彎的特殊體型，在輸水廊道閥門段出現(xiàn)了一般船閘所沒(méi)有出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，通過(guò)目測(cè)發(fā)現(xiàn)，n＝0.5和n＝0.6開度時(shí)閥門上游豎向轉(zhuǎn)彎段存在一明顯螺旋流，隨著閥門開度的增大，該螺旋流強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，豎向轉(zhuǎn)彎處有空泡不斷生成與潰滅，并發(fā)出刺耳噼啪聲，屬典型強(qiáng)空化特征。該空化的存在將與工作閥門段空化產(chǎn)生疊加效應(yīng)，惡化了水流工作條件。為了真實(shí)反映輸水閥門的水流工作條件，有必要將工作閥門段及新舊船閘輸水系統(tǒng)廊道銜接段單獨(dú)研究，以避免相互干擾。

2.3 門前段體型簡(jiǎn)化后的減壓模型試驗(yàn)

在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上，對(duì)門前體型進(jìn)行修改，將原先“水平轉(zhuǎn)彎、垂直轉(zhuǎn)彎、水平轉(zhuǎn)彎”簡(jiǎn)化為“垂直轉(zhuǎn)彎、水平轉(zhuǎn)彎”（調(diào)整簡(jiǎn)化后的模型見(jiàn)圖3），以消除該處螺旋流，在此條件下重新開展工作閥門減壓模型試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，門前段調(diào)整后，因閥門前體型急劇變化而引起的螺旋流基本消失。不通氣條件下依然存在空化現(xiàn)象；門楣通氣后，各開度（n＝0.4～0.6），門楣空化及閥門底緣空化噪聲顯著減小，摻氣水流覆蓋整個(gè)門后剪切水流摻混區(qū)域，閥門空化明顯消失，門楣空化及閥門底緣空化都得到了有效抑制。

圖3 門前段體形調(diào)整簡(jiǎn)化后的減壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3Decompression test model of type in front section after adjusting

圖4 新老輸水系統(tǒng)銜接布置圖Fig.4Layout of new and old system of filling on join segments

3 二階段常壓模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法及步驟

建立比尺為1∶20的新模型，對(duì)輸水系統(tǒng)新老廊道銜接段體型進(jìn)行專門研究，開展常壓模型試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)廊道壓力分布特性，研究新舊船閘輸水系統(tǒng)廊道銜接段水流工作條件。

為了消除閥門段的廊道豎向轉(zhuǎn)彎段的螺旋流，試驗(yàn)中先后考慮了多個(gè)布置方案，由于受到工程建設(shè)條件限制，無(wú)法對(duì)輸水系統(tǒng)大的布局進(jìn)行調(diào)整，經(jīng)過(guò)多次模型試驗(yàn)，最終獲得了新舊船閘輸水系統(tǒng)銜接段最優(yōu)的布置型式（圖4）：老船閘下閘首與新船閘上閘首銜接段采用一“大銜接池”銜接，代替?zhèn)鹘y(tǒng)船閘廊道銜接方式，同時(shí)老閘閘室新增的上層輸水廊道與“大銜接池”頂面采用“平面漸擴(kuò)”銜接方式。

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)修改后的新老輸水系統(tǒng)銜接結(jié)構(gòu)進(jìn)行常壓模型試驗(yàn)，試驗(yàn)表明：在閥門各開度下，廊道頂沿程壓力均為正值，符合規(guī)范要求，值得注意的是，與常規(guī)船閘輸水廊道頂壓力分布不同，本船閘閥門段由于新舊船閘輸水廊道連接段水流存在急轉(zhuǎn)，盡管采用了“大銜接池”+“平面漸擴(kuò)”的銜接方式，新舊船閘輸水廊道銜接段工作壓力已有明顯提高，原布置方案中銜接段廊道最低壓力由-2.95 m提升為8.06 m，但較弱的螺旋流存在不可避免，體現(xiàn)在廊道頂壓力分布上，由于螺旋流的存在，工作閥門后水流頂沖范圍較大，直至檢修門后測(cè)點(diǎn)（約門后6.6倍廊道高），壓力才達(dá)到最大值，模型最下游3個(gè)測(cè)點(diǎn)壓力依然存在一定差別，即水流流向未完全調(diào)整過(guò)來(lái)。

鑒于此，有必要對(duì)新老輸水系統(tǒng)銜接體型調(diào)整后的模型再次進(jìn)行減壓模型試驗(yàn)。

4 二階段減壓模型試驗(yàn)

根據(jù)新老輸水系統(tǒng)銜接段優(yōu)化后的體型修改了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并第三次進(jìn)行減壓模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：體型修改后輸水廊道（閥門段）螺旋流已基本消失，水流過(guò)渡平順。各開度條件下空化噪音監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，輸水廊道銜接段空化完全消失，水流條件有明顯改善，推薦的銜接段體型達(dá)到了預(yù)期效果。新老輸水系統(tǒng)銜接段體型調(diào)整前后水聽器監(jiān)測(cè)到的噪聲值對(duì)比見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 體型調(diào)整前的閥門空化噪聲Fig.5Valve cavitation noise before shape adjustment

圖6 體型調(diào)整后的閥門空化噪聲Fig.6Valve cavitaion noise after shape adjustment

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

富春江船閘擴(kuò)建改造工程是在保留老船閘基礎(chǔ)上，緊接其下游新建一座高等級(jí)、大尺度的船閘工程，由于船閘規(guī)模大，水頭較高，受到擴(kuò)建條件限制，工作閥門上下游輸水廊道存在連續(xù)的水平和垂直轉(zhuǎn)彎，閥門后平順段距離較短，閥門進(jìn)出水流流態(tài)較為復(fù)雜，其閥門水力學(xué)尤其是空化問(wèn)題突出。通過(guò)輸水閥門前后廊道體型的多次調(diào)整優(yōu)化，經(jīng)反復(fù)的減壓和常壓模型試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：調(diào)整優(yōu)化后提出的（“平面漸擴(kuò)”+“大銜接池”）的新老輸水系統(tǒng)銜接方案及“頂擴(kuò)體型”的閥門段布置型式，輔以“門楣通氣”工程措施后，充水閥門前后的廊道水流條件較好，空化得到有效抵制，能夠滿足本工程工作閥門安全運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。

5.2 建議

閥門的水力學(xué)條件是關(guān)系到船閘安全運(yùn)行及船閘航運(yùn)效益發(fā)揮的關(guān)鍵問(wèn)題。船閘輸水具有非常顯著的非恒定流特征，由于模型試驗(yàn)的縮尺效應(yīng)的存在，工程原型與模型間的差別尚無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測(cè)。由于富春江船閘改擴(kuò)建工程布置型式特殊，且工作水頭較高，輸水系統(tǒng)較復(fù)雜，國(guó)內(nèi)尚無(wú)工程實(shí)例，為了掌握模型試驗(yàn)與工程實(shí)際間的差別，建議船閘建成投運(yùn)前進(jìn)行必要的船閘水力學(xué)原型觀測(cè)和調(diào)試工作，確保閥門的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，以充分發(fā)揮船閘的航運(yùn)效益。

［1］金國(guó)強(qiáng)，劉本芹，宣國(guó)祥，等.富春江船閘擴(kuò)建改造工程船閘輸水系統(tǒng)布置研究［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012（4）：60-64. JIN G Q.LIU B Q，XUAN G X，et al.Layout of filling and emptying system of ship lock reconstruction project on Fuchunjiang River［J］.Hydro?Science and Engineering，2012（4）：60-64.

［2］宣國(guó)祥，劉本芹，黃岳，等.富春江船閘改擴(kuò)建工程輸水系統(tǒng)布置水力特性分析及水力學(xué)模型試驗(yàn)研究［R］.南京：南京水利科學(xué)研究院，2011．

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［6］戴會(huì)超，朱紅兵.三峽永久船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)問(wèn)題研究［J］.水力發(fā)電，2005，31（1）：28-31. DAI H C，ZHU H B.Study on hydraulic of convey water system in TGP 5?step ship lock of Three Gorges［J］.Water Power，2005，31（1）：28-31.

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Experimental research on filling valve of ship lock reconstruction project on Fuchu River

LI Zhe?jiang,JIN Guo?qiang,ZHANG Gong?lue,FAN Da?lin
（Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning,Design＆Research,Hangzhou 310006,China）

The second type of filling and emptying system was used in ship lock reconstruction project on Fuc?hun River.Because the layout of water system was limited,there was consecutive level and vertical turn of culvert up and down filling valve.The length of culvert smooth section was shorter,and the water flow of water inlet and out?let from valve was complex.Experimental research on filling wave was carried out through decompressed model tests,and the experimental research on the joint of new and old water system was hold through atmospheric model test.The test results show that:with the(flat diverging+big convergence pool)of new and old water system and top expansion valve arrangement type segment,supplemented by lintel ventilation engineering measures,the flow condi?tion of culvert is pretty good,the cavitation noise and the cavitation problem are effectively restrained.

ship lock；reconstruction；valve；model test；atmosphere；decompression；cavitation；big conver?gence pool；flat diverging；lintel ventilation

U 641.1

A

1005-8443（2014）06-0618-05

國(guó)家新聞出版廣電總局確定第一批認(rèn)定學(xué)術(shù)期刊名單

2014-03-16；

2014-05-12

李浙江（1975-），男，江蘇省連云港人，高級(jí)工程師，主要從事港口及航道工程設(shè)計(jì)和研究工作。

Biography：LI Zhe?jiang（1975-），male，senior engineer.

本刊從國(guó)家新聞出版廣電總局新聞報(bào)刊司獲悉，國(guó)家新聞出版廣電總局于2014年11月18日發(fā)布公示了第一批認(rèn)定學(xué)術(shù)期刊名單，本刊榜上有名。為嚴(yán)格學(xué)術(shù)期刊出版資質(zhì)，優(yōu)化學(xué)術(shù)期刊出版環(huán)境，促進(jìn)學(xué)術(shù)期刊健康發(fā)展，根據(jù)新聞出版廣電總局《關(guān)于規(guī)范學(xué)術(shù)期刊出版秩序促進(jìn)學(xué)術(shù)期刊健康發(fā)展的通知》《關(guān)于開展學(xué)術(shù)期刊認(rèn)定及清理工作的通知》，總局組織開展了學(xué)術(shù)期刊認(rèn)定工作。經(jīng)過(guò)各省、區(qū)、市新聞出版廣電局，中央期刊主管單位初審上報(bào)，總局組織有關(guān)專家嚴(yán)格審定，確定了第一批認(rèn)定學(xué)術(shù)期刊名單。第一批通過(guò)認(rèn)定的學(xué)術(shù)期刊共計(jì)5 756種，其中社科類期刊2 043種，科技類期刊3 713種。（殷缶，梅深）