大化船閘渡槽水力特性及水流條件改善措施

大化船閘渡槽水力特性及水流條件改善措施

李君1,洪娟2,胡亞安1

(1. 南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，水利部水科學(xué)與水工程重點實驗室，江蘇南京210029；2. 中國人民解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007)

摘要：通航水流條件是船閘中間渠道設(shè)計中需考慮的最為關(guān)鍵的技術(shù)問題。大化船閘渡槽為原升船機方案的中間通航渠道，與一般的船閘中間渠道相比具有其特殊性，且該船閘水頭高達29.0 m，使得其渡槽內(nèi)水力特性更為復(fù)雜，水流流態(tài)較為惡劣，嚴(yán)重影響了過閘船舶安全及船閘通過能力。首先結(jié)合明槽水力學(xué)經(jīng)典理論對大化船閘渡槽基本水力特性進行理論分析，剖析了渡槽水流條件主要影響因素，在此基礎(chǔ)上結(jié)合物理模型試驗及原型觀測，提出了以優(yōu)化船閘輸水方式這一“軟措施”為主，在渡槽斜坡段末端設(shè)置擋水墻這一“硬措施”為輔的渡槽水流條件綜合改善措施，較好地解決了復(fù)雜的水力學(xué)問題，并得到了工程實踐檢驗。

關(guān)鍵詞：高水頭船閘； 渡槽； 水力特性； 水流條件； 改善措施

中圖分類號：U641.2

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-640X(2015)03-0101-07

Abstract：Navigation flow condition is one of the most important problems which should be considered in designing the shiplock intermediate channel. As the Dahua shiplock aqueduct is the intermediate channel of the former designed ship lift, it is different from the normal shiplock intermediate channel. Besides, the working head of the Dahua shiplock reaches 29.0 m, which makes the aqueduct hydraulic characteristics and flow regime become more complicated and severe, which can produce a serious influence on the ship safety and shiplock efficiency. Based on the classical theory of the open channel hydraulics, the basic hydraulic characteristics and the main factors affecting the flow conditions in the aqueduct are analyzed, and the comprehensive measures are adopted to improve the flow regime, including “soft measure” as the main and “hard measure” as the supplementary via model experiments and prototype observation. The “soft measure” means optimizing the valve schedule and the “hard measure” means setting up a wall at the end of the sloping section of the aqueduct. The measures have perfectly solved the complicated hydraulic problems and their validity has been testified by engineering practice.

DOI:10.16198/j.cnki.1009-640X.2015.03.016

收稿日期：2014-10-05

作者簡介：趙書鋒(1979—)， 男， 山東聊城人， 講師， 碩士， 主要從事建筑材料教學(xué)和研究工作。

高水頭單級船閘的應(yīng)用，往往受地形、經(jīng)濟及自身技術(shù)條件的制約而無法實現(xiàn)，因此，就出現(xiàn)了連續(xù)和帶中間渠道的多級船閘型式。與單級船閘相比，設(shè)中間渠道的船閘能減小船閘的工作水頭，有利于簡化船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計和改善閥門工作條件，同時也有利于解決閘(閥)門加工、閘墻襯砌等問題[1]。通航水流條件是船閘中間渠道設(shè)計中需考慮的最為關(guān)鍵的技術(shù)問題，南京水利科學(xué)研究院與天津水運工程科學(xué)研究院就船閘中間渠道水力學(xué)開展了大量研究，在船閘中間渠道尺度設(shè)計、非恒定流水力特性、水流條件改善措施及設(shè)置中間渠道船閘的運行方式等方面取得了大量成果[2-6]。

大化水電站是紅水河10個梯級電站中的第6級，通航建筑物原方案為1×250 t級垂直升船機，按其設(shè)計的上游引航道、中間通航渠道、下游引航道及靠船墩基礎(chǔ)、升船機本體段基礎(chǔ)等土建工程已于1986年完成。因規(guī)劃中水位調(diào)整等原因，2000年經(jīng)過多方論證決定將升船機改建為船閘。為減小改建工程量，節(jié)省工程投資，降低施工難度，改建工程中保留了上述已建工程，僅在原升船機本體段新建了船閘。改建工程于2003年11月開工建設(shè)，2006年建成。

改建船閘按通過2×500 t級船隊設(shè)計，位于原升船機本體段，進水前池緊接渡槽(即原升船機方案中間通航渠道)，船閘總體布置見圖1。船閘設(shè)計上游最高通航水位155.0 m，最低通航水位153.0 m，下游最高通航水位136.4 m，最低通航水位126.0 m，設(shè)計最大工作水頭達29 m，船閘有效尺度為120 m×12 m×3 m(長×寬×門檻水深)。渡槽總長293.5 m，其中擋水壩段長22 m，寬11 m，平直段長233.5 m，寬12.5 m，斜坡段長40 m，寬12.5 m，斜坡段底坡坡度1∶10。擋水壩段和平直段均為平底，較上游引航道高1.0 m，最大和最小通航水深分別為4和2 m。船閘進水前池長50 m，寬12 m，池底為溢流堰曲線，末端與船閘進水口底部齊平。

由于設(shè)計上的變更，大化船閘雖設(shè)置了渡槽，但與一般船閘中間渠道不同，具有其特殊性。因由原方案的垂直升船機改建而成，其渡槽按升船機方案要求設(shè)計并已建成，渡槽位于改建船閘上游，并且大化船閘的設(shè)計最大水頭為29 m(國內(nèi)已建單級船閘中實際運行水頭最高)，因此渡槽的設(shè)置非但沒有減小船閘工作水頭，而且還面臨由于通航建筑物改型而帶來的上游引航道及渡槽中的一系列水力學(xué)難題。

圖1　大化船閘總體布置(單位：長度mm，高程m) Fig.1 General layout of Dahua shiplock (unit: length in mm; elevation in m)

1大化船閘渡槽水力特性分析

1.1渡槽水力特性分析

船閘中間渠道水力特性主要受兩方面的影響，一方面受船閘灌(泄)水非恒定流影響，中間渠道中的水流也呈非恒定流特性；另一方面則受中間渠道布置等方面的影響，在兩端封閉的中間渠道中出現(xiàn)波浪的往復(fù)運動及疊加現(xiàn)象。

由于大化船閘渡槽的特殊性，其水力特性與其他船閘的中間渠道相比有其自身的特點，一方面，船閘輸水系統(tǒng)的進水口位于與渡槽末端相連的進水前池，船閘灌水時將直接從渡槽內(nèi)取水，因此渡槽過流能力成為控制閘室灌水時間和上游引航道船舶停泊條件的關(guān)鍵；另一方面，由于船閘渡槽為原升船機的中間通航渠道，渡槽并非位于兩個單級船閘之間，而是直接連接船閘與上游引航道，因此，渡槽并非兩端封閉，而是一端封閉，一端近似開敞(由于上游連接的是上游引航道，且上游進口為縮窄斷面，并不能認(rèn)為是真正的開邊界)，因此其中的波浪運動特性也具有其特殊性。

圖2　上游水位與船閘及渡槽最大流量關(guān)系 Fig.2 Relationship between upper water level and the maximum discharge of shiplock and aqueduct

對于船閘灌水過程，采用不同的閥門開啟方式會有不同的非恒定流量過程，而其灌水則全部來自渡槽，因此，船閘灌水流量與渡槽過流能力關(guān)系的不同將直接影響渡槽內(nèi)水流流態(tài)。

圖3　渡槽水面線示意圖(Q m>Qm) Fig.3 Sketch of water surface profile in the aqueduct (Q m>Qm)

當(dāng)船閘充水最大流量小于渡槽最大過流流量時(即當(dāng)上游水位大于154.60 m時，見圖2)，渡槽的過流能力能夠滿足船閘取水要求，此時渡槽平底直段末端將不會出現(xiàn)臨界水深，斜坡上亦無水躍發(fā)生，進水前池水面降落很小，渡槽內(nèi)僅形成較穩(wěn)定的降水曲線，船閘灌水結(jié)束后的波浪運動也較小，整個過程流態(tài)較平穩(wěn)。

1.2對船舶停泊及航行條件的影響

2大化船閘渡槽水流條件改善措施

2.1改善措施分析

由上述分析可知，改善渡槽水流條件最有效的措施就是增大其過流能力或者設(shè)法減小船閘灌水流量，也可采取工程措施以減小渡槽中的水面波動，如增大渡槽寬度和水深以增加渡槽過流能力；改造船閘進水口，將相對集中布置改為相對分散布置，將正面進水改為旁側(cè)取水以減小渡槽中的流量變化從而減小水面波動；若地形條件適合，還可以設(shè)置調(diào)水池以調(diào)節(jié)渡槽流量，減小渡槽水面波動。以上幾點均需通過施工改造完成，可稱之為“硬措施”。與之相對，還可以通過“軟措施”，即通過優(yōu)化船閘的運行方式，適當(dāng)增加輸水時間以降低灌水流量，從而達到改善渡槽水流條件的目的。

由于大化船閘渡槽已于1986年建成，若再進行大規(guī)模的工程改造，工程量及施工難度均較大，成本亦較高，只能進行小范圍的改造以改善局部水流條件。相對于“硬措施”，“軟措施”在應(yīng)用方面有較大優(yōu)勢，因為優(yōu)化船閘運行方式只需在控制程序上稍作修改即可實現(xiàn)，并且優(yōu)化運行方式已在三峽[8]、樂灘[9]等許多高水頭船閘中得到應(yīng)用，效果較好，其主要缺點是要犧牲一部分輸水時間，但對于貨運壓力不是很大的船閘影響較小。因此，對于大化船閘，主要采取“軟措施”為主，輔以簡單的“硬措施”，以改善其渡槽復(fù)雜的水流條件，從而保證過閘船舶在上游引航道內(nèi)停泊(系纜力滿足規(guī)范要求)或在渡槽內(nèi)航行時的安全(航行平穩(wěn)，不觸底)，以及船閘輸水過程中船閘結(jié)構(gòu)尤其是上閘首臥倒門的自身安全(臥倒門啟閉桿件不被破壞)。

圖4　渡槽擋水墻布置(單位：高程 m,長度 cm) Fig.4 Layout of water barrier in the aqueduct (unit: elevation in m, length in cm)

圖5　設(shè)置擋水墻前后渡槽水面線(模型試驗) Fig.5 Comparation of water surface profile in the aqueduct before and after setting up water barrier (model test)

2.2工程措施

由于大規(guī)模的施工改造不易進行，船閘整體模型試驗表明，在渡槽斜坡段末端設(shè)置頂面高程與平底段渠底高程(151.0 m)相同的擋水墻，可以有效消除船閘灌水期間斜坡段發(fā)生的水躍及其淹沒時出現(xiàn)的涌浪，以改善渡槽水流條件。并在墻頂下1.1 m處設(shè)4個寬1 m，高0.25 m的過水孔，以解決由跌流水舌貼墻和通氣不足形成的水舌擺動現(xiàn)象。擋水墻的最終布置見圖4。

試驗及現(xiàn)場觀測結(jié)果[10-11]表明，雖然設(shè)置擋水墻會減小渡槽過流能力，但在設(shè)置過水孔后，渡槽最大流量與未布置擋水墻前已接近，各種工況下前池水面與墻頂水面齊平前，前池內(nèi)水躍和表面漩滾均已消失，齊平時無明顯涌浪，上游引航道內(nèi)水面波動微小，船舶系纜力過程線亦無船舶受力突增跡象，系纜力明顯減小并低于允許值。設(shè)置擋水墻前后的渡槽水面線如圖5所示。

在斜坡段末端設(shè)置擋水墻，施工難度及成本較低，其改善渡槽水流條件的效果較為明顯，并在實際應(yīng)用工程中得到驗證，是一項簡單但效果顯著的工程措施。

2.3船閘運行方式優(yōu)化

雖然設(shè)置擋水墻可以有效消除斜坡段水躍及其淹沒時的涌浪，但僅是解決了局部的水流流態(tài)問題，要改善整個渠道的水流條件則必須從其根本入手，即增大渡槽的過流能力或減小船閘的灌水流量。由于前者在現(xiàn)有條件下較難實現(xiàn)，因此，可以利用“軟措施”，即優(yōu)化船閘運行方式來有效控制船閘的灌水流量，從而解決渡槽的水流問題。

優(yōu)化船閘運行方式主要依靠改變輸水閥門運行方式來實現(xiàn)控制灌水流量。整體模型試驗推薦的閥門運行方式為連續(xù)開啟，閥門開啟時間tv為8 min。現(xiàn)場觀測[12]表明，模型試驗推薦的閥門運行方式在較低的初始作用水頭(17.4 m)下，實測渡槽平底段末端斷面最大流速超過3 m/s，水面跌落約2 m，前池進水口水位跌落超過11 m，最大灌水流量達83 m3/s，已大于渡槽最大過流能力，斜坡段形成急流，并伴隨有波狀水躍，水面流態(tài)較為惡劣，灌水結(jié)束后水面波動較大，最大波幅達0.77 m且持續(xù)時間較長。

鑒于此種情況，在原型調(diào)試中采用了兩種閥門開啟方式，一種為閥門局部開啟，即將閥門開至某一開度直至灌水結(jié)束；另一種方式為閥門間歇開啟，先將閥門開至某一小開度，等作用水頭減小后再將閥門開啟至另一開度，最后在一定剩余水頭時動水關(guān)閥至某一開度直至灌水結(jié)束。

在閥門局部開啟情況下(停機開度為40%)，灌水流量得到有效控制，接近設(shè)計水頭下最大灌水流量為55 m3/s，小于渡槽最大過流能力，渡槽內(nèi)水流呈緩流狀態(tài)，前池水位跌落值小于1 m，前池表面漩滾較弱，渡槽及前池流態(tài)較好，最大波幅小于0.4 m，對上游引航道待閘船舶不會產(chǎn)生不利影響。但是其輸水時間過長，超過20 min。

為盡量縮短船閘灌水時間，在局部開啟基礎(chǔ)上提出了間歇開啟并進行了多組試驗研究，最終選擇第1次停機開度為40%、第2次停機開度為60%、停機時間為5 min的開啟方式，既能滿足上游引航道及渡槽水流條件，又可盡量縮短輸水時間。在接近設(shè)計水頭下，最大流量約65 m3/s，小于渡槽最大過流能力，輸水時間為18 min，渡槽平底段末端斷面最大流速2.37 m/s，前池水面最大降落約0.7 m，渡槽及臥倒門前水流流態(tài)平穩(wěn)，前池表面漩滾較弱。整個灌水過程，上游1#靠船墩處水位波動較小，最大水位波幅小于0.2 m，最大流速0.55 m/s，實測的200 t級單船最大系纜力約5.2 kN，上游靠船墩船舶停泊條件滿足規(guī)范要求。臥倒門開啟后，渡槽內(nèi)水面較為平靜，船舶航行條件較好。

3種不同閥門開啟方式下渡槽水力特性對比見表1。

表1　雙邊灌水工況渡槽水力特征值

由表1可見，采用間歇開啟方式后，渡槽水力特性大大優(yōu)于連續(xù)開啟方式，與局部開啟時間接近，但灌水時間減小較多，因此，推薦船閘雙邊灌水工況的閥門運行方式為間歇開啟，即灌水閥門以tv=8 min速率開至40%，停5 min，再開至60%，當(dāng)剩余水頭為0.5 m時動水關(guān)閥至40%，上游臥倒門前后水位差為10 cm時開啟臥倒門，在臥倒門開至全開位后，將灌水閥門關(guān)至全關(guān)位，最終關(guān)閉臥倒門。推薦的閥門運行方式下?lián)跛畨斔弧⒍刹燮降锥文┒藬嗝媪魉?、上游引航?#系船柱處水位波動及船舶系纜力過程線見圖6。

圖6　推薦的閥門運行方式下渡槽水力特性曲線 Fig.6 Typical hydraulic characteristic curves of the aqueduct under the recommended valve operation mode

3結(jié)語

由于紅水河大化船閘是由原升船機方案改建而成，其渡槽原為升船機方案的連接上游引航道與升船機本體段的中間通航渠道，與一般船閘中間渠道有較大區(qū)別，因而造成了其獨特的水力特性，加之大化船閘水頭高達29.0 m，使得大化船閘的渡槽水流條件更為復(fù)雜，若不加以解決，將成為限制船閘正常運行的瓶頸。

本文對大化船閘渡槽的水力特性進行了理論分析，并在此基礎(chǔ)上提出了以采用優(yōu)化船閘運行方式的“軟措施”為主，同時進行適當(dāng)?shù)墓こ谈脑斓摹坝泊胧睘檩o的綜合改善手段，較好地解決了大化船閘渡槽復(fù)雜的水力學(xué)問題，并在實際應(yīng)用中得到了驗證，其方法及經(jīng)驗可供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。在船閘實際運行中，為確保過閘船舶安全，應(yīng)提醒過閘船舶在上游引航道停泊時需按要求系緊纜繩，待灌水結(jié)束渡槽內(nèi)水面相對平穩(wěn)后再由上游引航道經(jīng)渡槽慢速駛?cè)腴l室內(nèi)停泊。此外，需對船閘結(jié)構(gòu)尤其是上閘首臥倒門進行定期檢查和維護，以確保船閘自身安全。

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Analysis of hydraulic characteristics for Dahua shiplock aqueduct and its flow condition improvement measures

LI Jun1, HONG Juan2, HU Ya-an1

(1.StateKeyLaboratoryofHydrology-WaterResourcesandHydraulicEngineering,KeyLaboratoryofNavigationStructuresConstructionTechnologyofMinistryofTransport,KeyLaboratoryofWaterScienceandEngineeringofMinistryofWaterResources,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China; 2.CollegeofFieldEngineering，PLAUniversityofScience&Technology，Nanjing210007,China)

Key words： high water head shiplock; aqueduct; hydraulic characteristic; flow regime; improvement measures

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