船閘明溝消能研究綜述

朱 磊

（重慶交通大學(xué),四川 重慶400074）

0 引 言

船閘輸水系統(tǒng)是完成閘室充泄水以實(shí)現(xiàn)船閘過船功能的關(guān)鍵部分，主要分為兩類，即集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)。閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)屬于后者，該型輸水系統(tǒng)是在閘底設(shè)置縱向輸水廊道，利用多個(gè)出水支孔與閘室相連，水流通過支孔進(jìn)出閘室。在輸水過程中，為消耗經(jīng)支孔進(jìn)入閘室的大量能量，滿足閘室內(nèi)船舶的停泊條件，需要在出水支孔出口處設(shè)置消能明溝或消能蓋板，消力梁等消能設(shè)施。

閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)明溝消能工布置，有單、雙和三明溝3 種型式。單明溝消能型式國、內(nèi)外研究較為透徹，對(duì)于低水頭、尺度小、通航要求較低的船閘，該布置型式基本可以滿足規(guī)范和使用要求。雙明溝國內(nèi)對(duì)其有一定研究，在桂平二線、貴港航運(yùn)樞紐二線等船閘中成功應(yīng)用。但研究僅限于某些特定船閘，在細(xì)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化布置研究方面并不充分。三明溝是近幾年國內(nèi)提出的一種布置型式，研究尚處于起步階段，未曾用于實(shí)際工程。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，國內(nèi)中水頭、大尺度、通航要求高的船閘不斷增多，船舶過閘安全與閘室消能問題間的矛盾越來越突出。鑒于此，為滿足船閘水頭、閘室尺度以及船舶通航條件等對(duì)閘室消能效果所需的更高要求，對(duì)雙明溝、三明溝進(jìn)行更為深入的研究顯得尤為重要。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

消能工的選擇及布置型式的優(yōu)劣對(duì)船閘充、泄水效率，船只停泊條件的影響至關(guān)重要。閘室常采用蓋板和明溝兩種消能型式。前者一般分為裙帶等高型、不等高型及翼型，布置型式分為凹形和凸形。后者研究最早開始于國外，20 世紀(jì)30年代，美國在部分船閘采用該消能型式。當(dāng)時(shí)美國的很多船閘采用底部橫支廊道輸水，在橫支廊道之間形成明溝槽，這些溝槽就是明溝消能工的雛形。其后，在下花崗巖（Lower Granite）、灣泉（Bay Spring）、新岸頭（New Bankhead）等船閘中陸續(xù)得到應(yīng)用。在我國，明溝消能型式首次運(yùn)用于葛洲壩2 號(hào)船閘，此后該消能型式得到廣泛運(yùn)用，如四川涪江蓮花寺、三臺(tái)船閘、西江桂平一線等船閘。近來，隨著明溝消能型式的廣泛應(yīng)用，我國研究人員在單明溝研究的基礎(chǔ)上，提出了雙明溝、三明溝消能方式。

2 明溝布置型式的研究

對(duì)單明溝消能型式，國內(nèi)、外研究較為成熟。1959年，田納西流域管理局著手考慮建設(shè)所屬惠勒（Wheeler）、瓦特斯維列（Guntersviile）等船閘工程中，認(rèn)為有兩種方法可以改善水流條件和輸水時(shí)長問題。第一種是將大量的支管分布于每側(cè)閘墻的一個(gè)長距離范圍，第二種是采用沿每側(cè)閘墻設(shè)一條長而狹窄明溝槽，比較均勻地分散出流。隨后，Thomas E 指出廊道支孔出流的集中水流在明溝中擾動(dòng)劇烈，消能效果明顯，并且明溝布置尺度與廊道支孔尺度有關(guān)。美國陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站對(duì)一系列船閘工程進(jìn)行試驗(yàn)研究后提出，出水口為3 排支管的單明溝，其溝深應(yīng)至少為1.8～2.5 m，4 排出水支管的溝深應(yīng)為2.5～3.05m，溝寬相應(yīng)為1.2～1.8 m。Ables[灣泉船閘輸水系統(tǒng)進(jìn)行研究后指出，明溝中加設(shè)擋檻后消能效果明顯，擋檻懸臂寬度應(yīng)為0.6 m；對(duì)于寬度為3.9～4.8 m 的明溝，擋檻懸臂應(yīng)高于出水支孔0.3～0.46 m。但明溝加設(shè)擋檻后，閘室內(nèi)縱、橫向流速分布出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，易對(duì)過閘船舶造成不利影響。20 世紀(jì)60年代，美國陸軍工程兵團(tuán)水道試驗(yàn)站對(duì)哥倫比亞河流及斯內(nèi)克河流上近十個(gè)高水頭船閘的閘底橫支廊道一排支管、單明溝消能布置輸水系統(tǒng)型式，進(jìn)行了較多的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐。但未對(duì)一排支管、單明溝消能布置及消能效果進(jìn)行專題研究。在國內(nèi)，南京水利科學(xué)研究院針對(duì)葛洲壩2 號(hào)船閘閘底縱橫支廊道、單明溝消能工布置，根據(jù)閘室水流橫向分配、過閘船舶系纜力的相關(guān)研究，提出了對(duì)明溝寬度及高度的要求，即寬度B 應(yīng)滿足：

式中：b 為出水支孔的寬度，m；

明溝擋檻高度D 應(yīng)大于出水支孔出流擴(kuò)散后的高度，因此有：

式中：d0為出水孔高度，m；B 為明溝寬度，m。

同時(shí)該院與重慶交通大學(xué)西南水科所針對(duì)四川涪江蓮花寺、三臺(tái)船閘、西江桂平一線、長洲2號(hào)、大源渡、沙穎等船閘閘室內(nèi)布置單明溝消能，從不同的角度研究了單明溝消能工布置及水力特性。

隨著我國水利建設(shè)的不斷發(fā)展，閘室消能對(duì)明溝消能效果要求進(jìn)一步提高。因單明溝布置型式下，閘室水流分布面受到限制，從而減少了消能水體，限制了消能效果。為此，國內(nèi)在單明溝消能的基礎(chǔ)之上，提出了雙明溝、三明溝布置型式：西江航運(yùn)干線桂平二線船閘因單明溝布置型式的設(shè)計(jì)不能滿足船隊(duì)橫向系纜力的要求，需要對(duì)消能明溝橫向水流分配進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過模型試驗(yàn)，提出了雙明溝消能型式，并對(duì)過水孔孔高及第二道明溝底高程的布置進(jìn)行了優(yōu)化，使得水流在橫向得到均勻分配。張緒進(jìn)針對(duì)貴港二線船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)試驗(yàn)中出現(xiàn)的因原消能明溝布置設(shè)計(jì)不足，使得閘室橫向水流分配不均，導(dǎo)致閘室船舶縱、橫向系纜力超出規(guī)范允許值的情況，提出了三明溝消能工布置方案。并對(duì)消力梁開孔尺寸進(jìn)行了優(yōu)化。呂東偉、陳亮在此基礎(chǔ)上指出雙明溝消力梁上開孔高度應(yīng)與閘墻出水支孔基本等高或略低均可；消力梁上開孔面積為出水支孔面積的6～7倍為最佳。但這一成果依托貴港二線船閘研究得出，不具有一般性。另一方面，桂平二線、貴港二線船閘雖都采用雙明溝布置型式，經(jīng)優(yōu)化都能滿足規(guī)范及使用要求，但在明溝底高程布置方面存在較大差異，前者第一、二道明溝底采取高程相同的布置型式，后者采用階梯布置型式且第二道明溝高于第一道明溝，且明溝底高程對(duì)閘室消能效果影響的研究涉及甚少。同時(shí)，重慶交通大學(xué)西南水運(yùn)科學(xué)研究所以及南京水利科學(xué)研究院結(jié)合“嘉陵江草街航電樞紐通航船閘關(guān)鍵技術(shù)研究”，桂林春天湖船閘、長洲等船閘工程項(xiàng)目對(duì)雙明溝布置也做了有益的研究。

3 明溝消能機(jī)理及消能效果研究

在明溝消能機(jī)理方面，楊忠超等針對(duì)高水頭船閘，通過局部水工模型試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬，對(duì)閘室明溝消能機(jī)理做了較為系統(tǒng)性的研究。通過分析流速分布、剩余比能、水面波動(dòng)和紊動(dòng)能耗散率等參數(shù)，得出明溝的主要消能機(jī)理：1）側(cè)支孔的突擴(kuò)生成大量漩渦消能；2）高速水流沖擊擋板和閘室邊墻生成漩渦消能；3）上升水流的相互摻混消能。

在消能效果研究方面，楊忠超、陳亮依托閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，將單、雙和三明溝消能效果進(jìn)行比較。通過對(duì)不同明溝布置型式下，閘室流速分布、剩余比能及斷面流速等特征值的比較，得出雙明溝消能效果遠(yuǎn)優(yōu)于單明溝消能，三明溝優(yōu)于雙明溝。其主要原因是，隨著明溝布置數(shù)量的增加，明溝的消能體積增大，在平面上擴(kuò)大了水流擴(kuò)散面積，同時(shí)通過改變消力檻上的透水孔面積進(jìn)一步調(diào)整了閘室的水流分布，從而可獲得較好的水流條件，提高了停泊在閘室內(nèi)過閘船舶的安全性。楊斌、陳明棟、劉保軍等將明溝同蓋板消能型式進(jìn)行對(duì)比研究后得出：在流速分布方面，采用明溝型式的閘室流速分布較采用蓋板型式的閘室流速分布均勻；流速大小方面，采用明溝型式閘室流速小于采用蓋板型式閘室流速。但該試驗(yàn)所得結(jié)論具有一定的局限性：實(shí)驗(yàn)方案僅針對(duì)一組消能工布置型式進(jìn)行對(duì)比分析，且未就該組消能工布置方案進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化；此外，船舶系纜力作為閘室水面波動(dòng)情況的綜合反映，在對(duì)消能工消能效果進(jìn)行比較時(shí)應(yīng)予以考慮。王召兵同樣對(duì)采用明溝和蓋板兩種消能型式的閘底長廊道輸水系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。在模型設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到為使兩者具有可比性，試驗(yàn)采用的兩種輸水系統(tǒng)進(jìn)、出水口及閥門前的廊道均相同。試驗(yàn)圍繞不同消能工布置型式的輸水系統(tǒng)充、泄水水力特征值、輸水廊道各段阻力系數(shù)、閘室流態(tài)以及閘室內(nèi)船舶系纜力進(jìn)行對(duì)比分析，得出采用明溝的輸水型式由于主廊道寬度較采用蓋板的輸水型式窄，導(dǎo)致出水較集中，閘室充水時(shí)水面橫比降較大，閘室內(nèi)易形成漩渦等不良流態(tài)；采用蓋板的輸水型式，由于主廊道得以擴(kuò)寬，且在廊道頂布置多排出水縫和消能蓋板，有利于減小輸水系統(tǒng)阻力系數(shù)，縮短輸水時(shí)間，減小閘室充水時(shí)的水面橫比降，改善閘室停泊條件。但這一對(duì)比研究實(shí)質(zhì)上是對(duì)蓋板與明溝兩種消能型式在閘室寬度適應(yīng)性方面的驗(yàn)證性研究，得出蓋板消能在閘室寬度適應(yīng)性方面優(yōu)于明溝消能?，F(xiàn)階段，在消能效果研究方面，單明溝與多明溝布置型式、明溝與蓋板消能型式的對(duì)比研究較為充分，所得成果部分已用于實(shí)際工程。

4 結(jié)論及展望

綜上所述，關(guān)于明溝布置和消能特性的研究多針對(duì)特定工程，并未就明溝布置的一般情況進(jìn)行系統(tǒng)分析和細(xì)部優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)比。具體而言，由于船閘輸水系統(tǒng)在閘底廊道支孔布置、出流方面存在差異，致使雙明溝布置型式具有較大不同。但現(xiàn)階段對(duì)雙明溝的研究僅限于某幾個(gè)船閘，明溝細(xì)部結(jié)構(gòu)布置的差異性未能清楚呈現(xiàn)，因而其布置原則在研究所得成果中難以系統(tǒng)體現(xiàn)；消力梁對(duì)支孔出流水體具有二次消能作用，且梁上開孔尺度直接影響閘室消能效果。鑒于消力梁在閘室水體消能方面的重要作用，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究具有重要意義。此外，明溝底高程的確定對(duì)閘室開挖工程量及閘室消能效果有較大影響，但現(xiàn)階段明溝底高程的布置存在較大差異，差異存在的原因及其對(duì)閘室消能效果影響的研究有待進(jìn)一步探索。因此，針對(duì)閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)，深入研究消力梁孔口與出水支孔尺度間的關(guān)系，系統(tǒng)性地探究雙明溝不同布置型式的消能效果及優(yōu)化布置原則，不失為一種直觀高效的研究方法。所得研究成果可為中高水頭、大尺度船閘提供科學(xué)、合理的設(shè)計(jì)依據(jù)。

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