貴港二線船閘閘室雙明溝內(nèi)設(shè)消力檻試驗研究

彭永勤，張緒進

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

貴港二線船閘閘室雙明溝內(nèi)設(shè)消力檻試驗研究

彭永勤，張緒進

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

文章以貴港二線船閘為依托，通過建立1∶30比尺的物理模型，對閘室第一道明溝內(nèi)距閘墻3.70 m處分別增設(shè)（高×寬）0.4 m×0.5 m、0.6 m×0.5 m和0.9 m×0.5 m連續(xù)消力檻下的水流條件和船舶停泊條件進行研究，對消力檻布置在不同明溝、布置連續(xù)或間斷消力檻進行對比分析研究。結(jié)果表明，在閘室第二道明溝內(nèi)布置消力檻對水流的分配、調(diào)整作用有限，間斷消力檻水面交錯較連續(xù)檻方案布置激烈。幾種方案下，在閘室第一道明溝內(nèi)距閘墻3.70 m處增設(shè)0.6 m×0.5 m連續(xù)消力檻方案消能效果最優(yōu)，閘室內(nèi)水流較均勻，未觀測到明顯的橫向水面比降，水面無局部紊動，船舶的停泊條件較好，也為以后研究同一類型的船閘閘室消能工形式奠定了基礎(chǔ)。

船閘；閘室；雙明溝；消力檻

隨著我國西部大開發(fā)的不斷深入，航運作為一種大運量、低成本、低污染的運輸方式得到迅速發(fā)展。通航船閘以其技術(shù)相對成熟，通過量大，運行穩(wěn)定可靠，建設(shè)和維護成本較低等優(yōu)點，成為過壩通航建筑物的主要形式而得到廣泛應(yīng)用。然而由于水位差轉(zhuǎn)換而來的動能使得閘室內(nèi)水流紊動劇烈，船只停泊條件惡化。為了保證船只停泊的安全，需采用復(fù)雜的閘室消能工形式。消能工的優(yōu)劣不僅影響閘室內(nèi)船只停泊、輸水廊道工作條件，而且可能使設(shè)計和施工難度加大、工程造價增高。因此，船閘適用于通航建筑物的關(guān)鍵技術(shù)之一是閘室消能工形式和消能效果問題。

貴港航運樞紐壩址位于西江郁江河段貴港市上游6.5 km處，貴港樞紐二線船閘尺度為280m× 34 m×5.8 m，設(shè)計最大水頭為14.1 m，采用較簡單的側(cè)墻長廊道支孔輸水系統(tǒng)，閘室消能工采用較為簡單的雙明溝消能形式。由于該船閘平面尺度大、要求的充泄水時間短、充泄水流量大、輸水強度高，閘墻廊道輸水系統(tǒng)支孔布置在側(cè)面，支孔流速一般達到5~8 m/s，水流射入閘室經(jīng)消力梁消能、調(diào)整，力求橫向分配均勻。如布置不當(dāng)，則會出現(xiàn)水流分配不均，船舶停泊條件不好。本文對閘室雙明溝內(nèi)布置消力檻方案進行研究，提出適用于平面大尺度、中水頭的閘室雙明溝消能工形式。

1 不同檻高消力檻優(yōu)化研究

貴港二線船閘閘室采用閘墻長廊道輸水形式，每側(cè)主廊道均設(shè)24個出水支孔，支孔間距8.5 m，支孔尺寸為1.3 m×0.9m（高×寬）。閘室內(nèi)采用雙明溝消能工進行消能，即在閘室兩側(cè)各布置一道消力梁，消力梁高2.4 m，梁上間斷布置有尺寸為1.3 m×3.0 m（高×寬）的透水孔。為進一步提高雙明溝消能效果，在第一道明溝中增設(shè)消力檻，通過不斷調(diào)整消力檻位置，距閘墻3.7 m處消力檻消能效果最好，本次對不同檻高下的消能效果進行研究，具體方案布置如下：

方案一：0.4 m×0.5 m（高×寬）連續(xù)消力檻；

方案二：0.6 m×0.5 m（高×寬）連續(xù)消力檻（圖1）；

方案三：0.9 m×0.5 m（高×寬）連續(xù)消力檻。

圖10 .6 m×0.5 m（高×寬）連續(xù)消力檻方案（高程單位：m，長度單位：cm）Fig.10.6 m×0.5 m continuous baffle sill scheme (elevation unit:m,length unit:cm)

1.1 閘室充水流態(tài)

在上游最高通航水位43.1 m、下游最低通航水位29.0 m組合下，閥門勻速開啟tv=7 min的工況下，試驗對3個方案進行了流態(tài)觀測。

通過試驗比較：

方案一：消力檻高0.4 m，在充水整個過程中，大部分水流沖往閘室中部，充水過程中流態(tài)與初設(shè)方案基本相同，分析其原因：檻高0.4 m過低，支孔水流與消力檻碰撞較少，閘室橫向水流分配不均勻。

方案二：消力檻高0.6 m，充水過程中閘室內(nèi)紙花均勻分布在整個閘室，水流無明顯不均勻分布紊動。試驗認(rèn)為：增設(shè)消力檻后，水流從支孔射流出來后，底部與檻進行激烈碰撞，部分水流留在檻前，射流流速衰減，并越過消力檻、通過消力梁上孔口擴散到閘室中部，水流達到閘室中部時能量已基本耗散，且流量較小。致使閘室內(nèi)橫向水流分配較為均勻。

方案三：消力檻高0.9 m，由于消力檻較高且離孔口較近，支孔出口水流與消力檻劇烈碰撞后，一部分水流從消力檻前第一道消能明溝內(nèi)向上翻涌，大部分水流翻過消力檻經(jīng)消力梁碰撞再進入第二道明溝內(nèi)翻涌而出，該部位水面高于閘室兩側(cè)及中部，橫向水流分配不均勻，且在閘室中部、尾部伴隨有不規(guī)則紊動。

1.2 船舶系纜力

在上下游最高、最低通航水位43.1 m、29.0 m組合下，試驗實測了設(shè)計3 000 t單船船舶系纜力，并分析比較各方案下縱、橫向系纜力特性，各方案系纜力最大平均值統(tǒng)計于表1，船舶系纜力過程線方案二與方案三比較見圖2。

表1 各方案最大平均系纜力統(tǒng)計表Table 1Maximum average mooring force of different scheme kN

試驗是在閥門雙邊勻速開啟tv=7 min、船舶停靠在閘室中部左側(cè)閘墻的工況下進行的。方案一實測的船舶橫向系纜力資料表明：在充水整個過程中，船舶前、后橫向系纜力曲線均偏離中軸線，顯示船舶大部分時間往閘墻偏移，也說明了閘室中部水流多于兩側(cè)的橫向分配情況。閥門單邊勻速開啟船舶受力特性基本與雙充情況相同，但偏移情況更加加劇。

方案二：閥門雙邊充水整個過程中，船舶橫向系纜力曲線均無偏離中軸線，且最大橫向系纜力僅為10.1 kN，為規(guī)范允許值的44%；閥門單邊連續(xù)tv=7 min充水時，船舶有向閘中方向位移的趨勢，船舶前、后橫向系纜力曲線稍有偏離中軸線，但絕對值較小，最大橫向系纜力僅為13.6 kN，為規(guī)范允許值的59%，安全富裕度較大。

方案三：由于在閘室充水過程中，中間的出流較多，致使在閥門雙邊充水的船舶最大橫向力達20.1 kN，為規(guī)范允許值的88%；閥門單邊連續(xù)tv=7 min充水240 s起至結(jié)束時間段船舶一直往閘室中部位移，且前后最大橫向系纜力分別達到20.1 kN、22.0 kN，接近規(guī)范允許值。

因此，第一道消能明溝中部設(shè)0.6 m高消力檻，其布置較其他兩方案優(yōu)。

圖23 000 t船舶停于閘室系纜力過程線Fig.2Mooring force hydrograph of 3 000 t boat berthing chamber

2 同高度不同位置消力檻試驗研究

上述試驗中，確定了在第一道明溝中增設(shè)0.6 m高消力檻，對均勻閘室橫向水流分配、減小船舶橫向系纜力，改善閘室水流條件最為有效。為進一步研究不同位置消力檻消能效果，試驗比較了在第一道明溝和第二道明溝內(nèi)分別設(shè)0.6 m高度消力檻方案。

在第二道明溝內(nèi)設(shè)0.6 m高度消力檻方案，試驗同精度的觀測了閘室充水流態(tài)和設(shè)計3 000 t單船船舶系纜力。從閘室充水流態(tài)和船舶系纜力資料可看出，在整個充水過程中，閘室內(nèi)大部分時段紙花向兩側(cè)閘墻靠攏，閘室中間流量較大。閘室橫向水面呈現(xiàn)中部高于兩側(cè)水面比降。船舶最大橫向力21.0 kN，已接近規(guī)范允許值。分析其原因：當(dāng)支孔出口水流通過消力梁孔口與第二道明溝中部的消力檻發(fā)生碰撞時，雖然一部分水流折回于第二道明溝內(nèi)，但由于此時的水流動能還是較大，大部分水流直接進入閘室中部翻涌明顯。因此，消力檻對水流的分配、調(diào)整作用有限。閘室內(nèi)橫向水流分配不太均勻。即使把消力檻高度提高至0.9 m，上述情況也無大的好轉(zhuǎn)。

3 第一道明溝中設(shè)連續(xù)檻和間斷檻試驗研究

前面已提及，經(jīng)過3個方案的試驗比較研究，認(rèn)為方案二，即在第一道明溝中間設(shè)0.6 m高連續(xù)檻方案，船閘充水時閘室流態(tài)好，3 000 t單船船舶橫向系纜力最小。因此，該方案較其他方案優(yōu)越。

為尋求更經(jīng)濟、合理的消能工布置方案，試驗從減小工程量角度出發(fā)，進一步比較了在第一道明溝中間設(shè)0.6 m高間斷檻方案。以此作為比較方案來論證推薦方案的可靠性。間斷檻方案平面布置見圖3。

圖3 間斷檻方案平面布置Fig.3Discontinuous baffle sill scheme layout

試驗結(jié)果表明：閥門雙邊勻速開啟tv=7 min，充水過程中水面上升平穩(wěn)，閘室內(nèi)無明顯不規(guī)則紊動。但水面交錯較連續(xù)檻方案布置激烈；雖然3 000 t船舶橫向系纜力曲線未有偏移，但其最大橫向系纜力達17.8 kN；閥門單邊勻速開啟，3 000 t船舶有靠閘墻偏移，且絕對值也較大，最大橫向系纜力達20.0 kN；基本滿足規(guī)范要求，安全富裕度不大。

4 結(jié)語

本文以貴港二線船閘為依托，通過建立1∶30比尺的物理模型，對閘室第一道明溝內(nèi)距閘墻3.70 m處分別增設(shè)（高×寬）0.4 m×0.5 m、0.6 m× 0.5 m和0.9 m×0.5 m連續(xù)消力檻下的水流條件和船舶停泊條件進行研究，并對消力檻布置在不同明溝、布置連續(xù)或間斷消力檻也進行了對比分析研究。結(jié)果表明，在閘室第一道明溝內(nèi)距閘墻3.70 m處增設(shè)0.6 m×0.5 m連續(xù)消力檻方案消能效果最優(yōu)，閘室內(nèi)水流較均勻，未觀測到明顯的橫向水面比降，水面無局部紊動，船舶的停泊條件較好；在閘室第二道明溝內(nèi)布置消力檻對水流的分配、調(diào)整作用有限，間斷消力檻水面交錯較連續(xù)檻方案布置激烈，系纜力有增大的趨勢。試驗結(jié)果為以后研究同一類型的船閘閘室消能工形式奠定了基礎(chǔ)。

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Experimental study on baffle sill in double open ditch of Guigang second-line ship lock chamber

PENG Yong-qin,ZHANG Xu-jin
（Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China）

Based on Guigang second-line ship lock,we established a 1:30 physical scale model to study flow and vessel berthing conditions of 0.4 m×0.5 m,0.6 m×0.5 m,0.9 m×0.5 m continuous baffle sill in chamber first open ditch from lock wall 3.7 meters.And we also carried the comparative and analytic research on the baffle sill which layout in different ditch and continuous or discontinuous.The results show that the baffle sill flow distribution effect is limited if it layout in the second open ditch.The surface interleaving under discontinuous baffle sill is fiercer than continuous baffle sill.Between several schemes, the 0.6 m×0.5 m continuous baffle sill in chamber first open ditch from lock wall 3.7 meters scheme is the best.In this scheme, chamber water flow was uniform,we didn't observe obvious transverse surface slope and partial turbulent,and vessel berthing conditions were well,it lays the foundation for the study of the same type of lock chamber energy dissipater scheme.

ship lock;chamber;double open ditch;baffle sill

U641.1

A

2095-7874（2017）05-0032-04

10.7640/zggwjs201705008

2016-10-21

2017-01-24

交通運輸部科技項目（20113283501580）

彭永勤（1984—），女，湖南長沙人，碩士，工程師，港航工程專業(yè)。E-mail：174588703@qq.com