大尺度、低水頭船閘閘室消能工研究

◎ 余彬 廣東省航道測(cè)繪中心陳亮 重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所

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大尺度、低水頭船閘閘室消能工研究

◎ 余彬 廣東省航道測(cè)繪中心陳亮 重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所

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(duì)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。

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(duì)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(duì)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(gè)梯級(jí)，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(shí)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(zhǎng)×寬×門檻水深，下同），船閘運(yùn)行最大水頭8.0m，設(shè)計(jì)充泄水時(shí)間小于10min，設(shè)計(jì)擬采用側(cè)墻長(zhǎng)廊道分散輸水系統(tǒng)，設(shè)計(jì)通航船舶為1000T級(jí)，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(jiǎn)單的分散輸水系統(tǒng)，對(duì)閘室消能工布置及消能效果要求較高。因此，針對(duì)此類船閘的特點(diǎn)對(duì)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(jì)

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

圖1　孟洲壩二線船閘輸水系統(tǒng)布置圖

表1　孟洲壩二線船閘輸水系統(tǒng)特征尺寸表

表2　模型比尺表

圖2　閘室無檻方案布置

a.剖面圖

圖3　閘室連續(xù)檻布置圖

a.平面圖圖4 間斷消力檻布置圖

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(zhǎng)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(duì)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(jì)最大工作水頭8.0m。針對(duì)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(cè)了各消能工布置下閘室充、泄水流態(tài)；測(cè)量了1000T級(jí)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(cè)

4.1.1無檻方案

閘室內(nèi)不布置消能工，水流對(duì)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(shí)，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，橫向比降較小；充水中后期，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(cuò)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(shí)，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(guó)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(duì)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(cè)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(dòng)，在充水后期，隨著閘室水位的升高和出流量的減小，紊動(dòng)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(gè)充水過程中，除消力檻后局部水域紊動(dòng)外，閘室水面較平穩(wěn)，閘室水流條件較好，未觀測(cè)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(duì)水流的攔阻作用?。辉诔渌衅?，支孔出流流速逐漸增大，水流達(dá)到消力檻時(shí)，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(shí)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(dòng)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(duì)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。

以上幾種方案，在閥門單邊充水過程中，充水初期，支孔出流流量較小，閘室內(nèi)水面平穩(wěn)，橫向比降小。充水中后期，隨著流量的增大，支孔出流水流，經(jīng)消力檻碰撞后部分沖往非充水側(cè)，部分流于消力檻附近，非充水側(cè)水面略高于充水側(cè)，橫向比降較無檻方案明顯減小，閘室泄水過程水面平穩(wěn)。

4.1.3間斷檻方案

鑒于連續(xù)消力檻存在底部水流與檻頂水流相互影響，導(dǎo)致在檻后出現(xiàn)紊動(dòng)的特點(diǎn)，為進(jìn)一步改善閘室水流條件，試驗(yàn)還進(jìn)行了間斷式（墩式）消能工研究，在檻高不變的情況下，間斷檻消能工對(duì)水流的重新分配能力有限，造成閘室水流紊亂，閘室橫比降大。由于組合形式的復(fù)雜性，為增加消能墩對(duì)水流的重新分配效果，本文初步擬定檻高取1.15m，長(zhǎng)2.8m，間距2.8m，布置于出水孔兩側(cè)，試驗(yàn)進(jìn)行了消力檻距閘墻1.5m、3.0m兩方案進(jìn)行了比較，布置圖見4。

間斷檻距閘墻1.5m方案：雙邊閥門開啟工況下，雙邊閥門開啟工況下，在充水初期，閘室水面較為平穩(wěn)，在充水中期，閘室兩側(cè)水面紊動(dòng)較大，水面翻涌明顯并出現(xiàn)漩渦。隨著水位上升，閘室水面逐漸趨于平穩(wěn)，在整個(gè)充水過程中，消能效果不理想，距離出水孔太近，阻水作用明顯，致使閘墻兩側(cè)出流量大，閘室橫向比降大。

圖5　1000t閘室系纜力過程線（tv=6min，雙充，無消力檻方案）

圖6　1000t閘室系纜力過程線（tv=6min，單充，無消力檻方案）

圖7　1000t閘室系纜力過程線（tv=6min，雙充，連續(xù)消力檻方案）

圖8　1000t閘室系纜力過程線（tv=6min，單充，連續(xù)消力檻方案）

圖9　1000t閘室系纜力過程線（tv=6min，雙充，間斷檻方案）

圖10　1000t閘室系纜力過程線（tv=6min，單充，間斷檻方案）

間斷檻距閘墻3.0m方案：調(diào)整后閥門雙邊開啟工況下，充水過程閘室水面無明顯涌高，閘室橫向水流分布較均勻，但閘室水面水流紊動(dòng)強(qiáng)度較連續(xù)檻方案有所增大，且在消力檻處水面和閘室中間觀測(cè)到水流存在小范圍漩渦。

經(jīng)試驗(yàn)分析，考慮間斷消力檻雖縱向未完全連續(xù)阻水，但消力檻高度較高（1.15m），不宜布置離出水支孔太近，試驗(yàn)調(diào)整消力檻至距閘墻3.0m位置。調(diào)整后閥門雙邊開啟工況下，支孔出流水流與消力檻進(jìn)行碰撞消能，充水過程閘室水面無明顯涌高，閘室橫向水流分布較為均勻，但閘室水面水流交錯(cuò)強(qiáng)度較連續(xù)檻方案有所增大，且在消力檻處水面觀測(cè)到水流存在小范圍旋轉(zhuǎn)。

表2　各方案下閘室內(nèi)船舶（隊(duì)）平均最大系纜力比較表

4.2船舶停于閘室系纜力

為了進(jìn)一步研究閘室停泊條件，分析上述幾種消能工消能效果的優(yōu)劣，試驗(yàn)對(duì)上述幾個(gè)方案下1000t船舶停于閘室船舶系纜力進(jìn)行了比較試驗(yàn)。試驗(yàn)水位組合為53.32m～45.32m，閥門開啟方式為雙邊tv=4min～7min開啟和單邊tv=6min～7min開啟，船舶均停于閘室中部。實(shí)測(cè)系纜力結(jié)果比較表2，各方案船舶系纜力過程線見圖5～10。

從表2可看出，三種方案下，閥門雙邊開啟4min～7min工況下，1000t單船，最大縱向系纜力為10.2KN，最大橫向系纜力為8.5KN，三種方案縱、橫向系纜力相差不大，均滿足規(guī)范要求。就橫向系纜力而言，無檻方案整體較另外兩方案大，連續(xù)消力梁略小，間斷消力檻最小。如tv=6min雙邊充水工況，三種方案前橫向系纜力分別為：5.0KN、4.9KN、3.2KN；后橫向系纜力分別為：5.0KN、4.1KN、3.6KN。測(cè)試縱向系纜力表明，在閥門快速開啟時(shí)，間斷檻方案略大，連續(xù)消力檻其次，無消能工時(shí)最?。欢陂y門開啟速度較慢時(shí)，三種方案的縱向系纜力基本相同。

閥門單邊開啟6min～7min工況，縱向系纜力均滿足要求，但無消力檻方案最大橫向系纜力達(dá)28.7KN，超過規(guī)范允許值。其余兩方案，橫向系纜力滿足規(guī)范要求，其中間斷檻方案橫向系纜力略大于連續(xù)消力檻，如tv=6min單邊充水工況，連續(xù)檻方案前、后橫向系纜力分別為：7.0KN、7.2KN；間斷檻方案前、后橫向系纜力分別為：7.1KN、9.6KN。

5.結(jié)語

對(duì)于大尺度、低水頭船閘消能工，本文經(jīng)多種形式、多種方案消能工的比較得出以下主要結(jié)論：

（1）無消力檻方案，雙邊充水工況，利用水體對(duì)沖及淹沒消能，能滿足閘室停泊條件，但閘室水面紊動(dòng)劇烈，閘室漩渦數(shù)量、強(qiáng)度較其它兩方案大，單邊運(yùn)行時(shí)，閘室水流條件、停泊條件皆不能滿足要求。

（2）連續(xù)消力檻和間斷消力檻兩方案閘室停泊條件均滿足規(guī)范要求，且系纜力絕對(duì)值相差不大，但考慮連續(xù)消力檻較間斷消力檻結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，檻高較小，對(duì)船舶安全停泊航行有利，故在同等情況下推薦連續(xù)低檻。

［1］JTJ 306-2001 船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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