大尺度、低水頭船閘閘室消能工研究

余彬+陳亮

摘 要：隨著船閘的大型化發(fā)展，大尺度、低水頭船閘越來越多，本文針對大尺度、低水頭船閘閘室出流特點(diǎn)，采用物理模型試驗(yàn)，重點(diǎn)研究了無檻、連續(xù)低檻及間斷高檻消能工消能效果，多方案比較了各消能工布置下船閘充水過程停泊條件，試驗(yàn)表明：連續(xù)低檻、間斷高檻均能滿足閘室停泊條件要求，并提出了兩種消能工布置原則。

關(guān)鍵詞：低水頭 大尺度 閘室消能 模型試驗(yàn)

1.前言

近年來隨著貨運(yùn)量的發(fā)展，對樞紐通過能力要求越來越高，大量樞紐面臨擴(kuò)能改造，為滿足通過能力要求，新建或改建的二、三線船閘尺度，在此類船閘中大部分船閘為中、低水頭。本文以北江孟洲壩樞紐二線船閘為依托，對大尺度、低水頭船閘閘室消能工進(jìn)行了系列研究，分析比較了各類消能工消能效果及停泊條件。孟洲壩樞紐是集發(fā)電、防洪、航運(yùn)和改善生態(tài)環(huán)境為一體的綜合性低水頭樞紐。是北江干流最上游的一個梯級，已有一線船閘布置在樞紐右岸，尺度較小，不能滿足北江航運(yùn)發(fā)展，因此，建設(shè)孟洲壩樞紐二線船閘是完全必要和十分及時的，新建的孟洲壩二線船閘與一線船閘同岸布置，其有效尺度為220m×23m×4.5m（閘室有效長×寬×門檻水深，下同），船閘運(yùn)行最大水頭8.0m，設(shè)計充泄水時間小于10min，設(shè)計擬采用側(cè)墻長廊道分散輸水系統(tǒng)，設(shè)計通航船舶為1000T級，各部位特征尺寸見表1，輸水系統(tǒng)布置見圖1。

該船閘水頭較低。但平面尺度大（23m），采用較為簡單的分散輸水系統(tǒng)，對閘室消能工布置及消能效果要求較高。因此，針對此類船閘的特點(diǎn)對閘室消能工進(jìn)行研究，保證船閘高效、安全的運(yùn)行十分必要。

2.模型設(shè)計

模型按重力相似設(shè)計，比尺為1：30，模型與原型各物理量換算關(guān)系見表2。

船閘水力學(xué)模型范圍包括：原型上引航道、船閘閘室、輸水系統(tǒng)及下引航道，總共模擬原體1100m長左右，滿足試驗(yàn)相似性要求。為便于觀察閥門廊道段流態(tài)，輸水廊道主要采用有機(jī)玻璃和聚氯乙烯塑料板制作。閘室兩側(cè)墻上部由玻璃框架、下部為塑料板框架裝配而成。塑料板和有機(jī)玻璃。模型使用塑料板及有機(jī)玻璃與原型混泥土糙率相比略大，糙率引起的縮尺效應(yīng)有一定的影響，本文以輸水系統(tǒng)水力學(xué)整體模型為基礎(chǔ)的前提下，對無檻、低檻連續(xù)及高檻間斷消能工進(jìn)行研究。

3.試驗(yàn)工況

試驗(yàn)采用最不利水位組合工況：上游水庫正常蓄水位（最高通航水位）53.32m～下游最低通航水位45.32m，設(shè)計最大工作水頭8.0m。針對該水位組合工況，閥門采用tv=4min～7min雙邊勻速開啟，6min、7min單邊連續(xù)開啟，試驗(yàn)全面觀測了各消能工布置下閘室充、泄水流態(tài)；測量了1000T級船舶停于閘室各部位船舶系纜力，船舶不系纜自由漂移等，分析比較了各類消能工消能效果及船閘閘室停泊條件。

4.模型試驗(yàn)成果分析

4 . 1消能工布置及流態(tài)觀測

4.1.1無檻方案

閘室內(nèi)不布置消能工，水流對沖消能，閘室布置圖見2。

從閘室橫向水面看，雙邊閥門開啟充水時，充水初期，支孔出流較小，水面較為平穩(wěn)，閘室兩側(cè)水面略高于閘室中部，橫向比降較?。怀渌泻笃?，支孔流量逐漸增大，支孔出水水流匯集于閘室中部，水流交錯碰撞后，在閘室中部翻涌而上，在閘室中形成水花和漩渦，閘室中間水面較兩側(cè)高，形成中間高，兩側(cè)小的橫比降。在船閘閥門單邊開啟充水時，隨著流量的增大，支孔流速增大，且由于閘室無任何消能工，支孔出流的射流直接沖到另一側(cè)閘墻，翻涌而上，充水側(cè)則無明顯翻涌，閘室水面非充水側(cè)明顯高于充水側(cè)，橫向比降大。

4.1.2連續(xù)低檻方案

根據(jù)無檻方案輸水過程閘室流態(tài)的特點(diǎn)，試驗(yàn)在兩側(cè)出水口各布置一根連續(xù)消力梁，根據(jù)目前國內(nèi)外船閘閘室消能工研究成果和類似船閘試驗(yàn)研究經(jīng)驗(yàn)，消力梁檻高擬定為0.6m（出水支孔高度的2/3），寬0.6m，對于消力檻的平面位置進(jìn)行了距孔口1.0m、1.2m、2.0m三種方案比較，連續(xù)消力檻布置圖見3。

經(jīng)平面位置多方案觀測比較，連續(xù)檻消能閘室水流出流特點(diǎn)為由于消力檻的阻擋，水流與消力檻碰撞消能后，部分水流反彈至消力檻內(nèi)側(cè)與檻內(nèi)水體摩擦消能，而從消力檻頂端翻涌出流的水流，沿閘室橫斷面，沿程擴(kuò)散，損失，與閘室水體交換，翻涌而上。

三種平面布置下流態(tài)呈以下特征：

距閘墻1.0m方案：由于兩側(cè)消力檻離支孔較近，支孔出流經(jīng)消力檻碰撞消能后，水流反彈，大部分水流從消力檻內(nèi)側(cè)涌出，閘室兩側(cè)翻涌激烈，橫向比較為兩側(cè)高，中間低。

距閘墻1.2m方案：充水初期，消力檻內(nèi)水域出流量稍大，但由于出流流量不大，水面平穩(wěn)，橫向比降較小。隨著閥門開度的增大，在充水中期，在消力檻后方約4m的水面出現(xiàn)小范圍紊動，在充水后期，隨著閘室水位的升高和出流量的減小，紊動強(qiáng)度及范圍逐步減弱直至消失，閘室水面逐漸平穩(wěn)。整個充水過程中，除消力檻后局部水域紊動外，閘室水面較平穩(wěn)，閘室水流條件較好，未觀測到泡漩和漩渦等不良水流現(xiàn)象。試驗(yàn)分析認(rèn)為，在充水初期，閘室支孔出流流速小，消力檻對水流的攔阻作用??；在充水中期，支孔出流流速逐漸增大，水流達(dá)到消力檻時，部分出流從檻頂上方流向閘室中間，部分水流經(jīng)消力檻消能反彈后從消力檻內(nèi)側(cè)流出，反彈水體在向上出流時與消力檻上方水流交匯，在消力檻后方水面涌出，兩股水流的相互作用，使閘室橫向出流更趨均勻。

距閘墻2.0m方案：閥門雙邊開啟充水中后期，閘室中部水面涌高大，出流集中在閘室中部，橫比降大，閘室中部出現(xiàn)紊動和漩渦。試驗(yàn)分析認(rèn)為：隨著消力檻與出水支孔距離的增加，消力檻對水流的調(diào)整和消能作用減弱，支孔出流大部分從消力檻上方?jīng)_至閘室中間，使閘室橫向出流分布不均，閘室橫向比降較大。