中水頭船閘輸水系統(tǒng)優(yōu)化試驗研究

王 鑫，李君濤，馮小香

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

國內(nèi)外已建、在建船閘設(shè)計研究表明，對水頭較高、設(shè)計輸水完成時間較短的船閘，為保證船閘輸水效率，常會出現(xiàn)閘室內(nèi)船舶穩(wěn)定性、輸水廊道壓力特性等不滿足《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(JTJ306-2001,以下簡稱“規(guī)范”)要求等問題[1-6]。例如，桂平二線船閘，閘室有效尺度為280 m×34 m×5.6 m(長×寬×門檻水深，下同)，最大水頭差10.5 m，對閘底長廊道輸水系統(tǒng)設(shè)計方案進行試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌、泄水閥門雙邊開啟時間分別為4 min、3 min時可滿足輸水完成時間小于10 min的設(shè)計要求，然而此時閘室內(nèi)水流橫向分配不均勻，閘室中線附近水面雍高，船舶在單一方向水流的作用下被推向閘墻，橫向系纜力無法滿足規(guī)范要求[5]；貴港二線船閘，閘室有效尺度為280 m×34 m×5.6 m，最大水頭差14.1 m，對閘墻長廊道分散輸水系統(tǒng)設(shè)計方案進行試驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灌、泄水閥門雙邊開啟時間為7 min時可滿足閘室輸水完成時間小于10 min的設(shè)計要求，然而對應(yīng)船閘灌水過程，上閘首檢修閥門井發(fā)生摻氣，不滿足規(guī)范要求[4]。根據(jù)《通航建筑物水力學(xué)模擬技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T235-2003,以下簡稱“規(guī)程”)[7]，采用幾何比尺為1:20～1:40的船閘輸水系統(tǒng)整體物理模型進行試驗研究是優(yōu)化輸水系統(tǒng)布置型式，保證船舶安全過閘、輸水系統(tǒng)合理設(shè)計的直接、有效手段。

本文以船閘改建工程為背景，通過建立1:30的船閘輸水系統(tǒng)整體物理模型，進行設(shè)計及優(yōu)化兩階段水力學(xué)模型試驗，提出滿足規(guī)范、設(shè)計要求的中水頭閘底長廊道側(cè)支孔船閘輸水系統(tǒng)優(yōu)化布置方案。

1 船閘改建工程基本資料

該船閘是在已建Ⅵ級船閘的基礎(chǔ)上，通過拆除老船閘，在原閘位上進行擴能新建。新建船閘為Ⅳ級單線單級船閘，閘室設(shè)計主尺度為190 m×23 m×4.8 m，左岸與山體相接。根據(jù)規(guī)范，結(jié)合船閘尺度、同類工程的經(jīng)驗和初步地質(zhì)勘測資料，改建船閘選用閘底長廊道輸水系統(tǒng)。改建船閘主要特性指標(biāo)見表1。

表1 船閘主要特性指標(biāo)統(tǒng)計表Tab.1 Main characteristic indexes of the ship lock

需對其輸水水力特性、船舶泊穩(wěn)條件、輸水廊道壓力特性及船閘進、出水口水流條件進行綜合測量與計算。選取上下游最大水位差作為輸水系統(tǒng)水力特性試驗最不利工況，即上游正常蓄水位93.15 m～下游最低通航水位77.95 m，最大水頭差15.2 m。

根據(jù)規(guī)范，分散輸水系統(tǒng)輸水閥門處廊道面積按式(1)進行估算

(1)

式中：ω為輸水閥門處廊道斷面面積，m2；C為閘室水域面積，m2，C=220 m×23 m=5 060 m2；H為設(shè)計水頭，m，H=15.2 m；d為慣性水頭，m，d=0.2 m(參考同類船閘試驗資料進行估算)；μ為閥門全開時輸水系統(tǒng)的流量系數(shù))，μ=0.7；T為閘室輸水時間，s，T=10 min；α為系數(shù)(可依據(jù)規(guī)范查表)；kv可取0.4～0.6；g為重力加速度，m/s2。

圖1 改建船閘物理模型Fig.1 Lock physical model

2 物理模型設(shè)計

模型按重力相似設(shè)計，根據(jù)試驗?zāi)康?、模型范圍及試驗場地條件，選定比尺為1:30。模型與原型各物理量的換算關(guān)系為重量及力比尺Lr3=27 000，流速及時間比尺Lr1/2=5.477，流量比尺Lr5/2=4 929.5，糙率比尺Lr1/6=1.763，船舶幾何比尺Lr=30。

物理模型的范圍包括原型上游部分引航道、進水口段、船閘上下閘首、閘室、輸水系統(tǒng)、下游出水口段及下游部分引航道。為了便于觀察，輸水廊道、閘室內(nèi)出水支孔段、部分閘室邊墻均選用有機玻璃制作；上下閘首用灰塑料板和紅松制作；閘室用角鋼框架結(jié)構(gòu)和灰塑料板合成；上下游引航道模型邊墻用磚砌成，引航道內(nèi)地形用水泥沙漿抹面，物理模型見圖1。1 000 t級船模采用紅松、鐵皮制作，幾何比尺與輸水系統(tǒng)物理模型幾何比尺一致，并按排水量進行配重，船模見圖2。

3 設(shè)計方案水力學(xué)模型試驗研究

圖2 船模模型Fig.2 Ship model

3.1 設(shè)計方案輸水系統(tǒng)布置

閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)設(shè)計方案(由設(shè)計單位提供)，閥門廊道斷面面積21.76 m2(2～3.2 m×3.4 m，寬×高，下同)。上閘首廊道進水口采用閘墻垂直4支孔布置，廊道進水口頂高程為84.85 m，底高程81.45 m。閘室輸水主廊道斷面面積27.06 m2(2～4.1 m×3.3 m)，兩側(cè)主廊道中間設(shè)有2 m厚隔墻且無溝通。輸水系統(tǒng)出水段，每側(cè)18個出水支孔自上游向下游方向分成3組，每組6孔，每組孔寬分別為0.9 m、0.8 m、0.7 m，出水側(cè)支孔外側(cè)設(shè)有雙消能明溝，閘室灌水過程，水流從出水支孔流出，經(jīng)明溝消能后進入閘室中擴散。下閘首廊道出水口采用兩側(cè)閘墻垂直布置，出水口高度與泄水閥門段廊道高度相同，寬度增加到7.7 m，與下閘首消能室相連，并由消能室頂部出水孔出流，消能室頂部高程為73.15 m。船閘上引航道底板高程為87.15 m，寬50 m；下引航道底板高程為73.45 m，寬50 m。輸水系統(tǒng)設(shè)計方案布置如圖3。

圖3 設(shè)計方案改建船閘輸水系統(tǒng)整體布置Fig.3 Original scheme of the lock filling and emptying system

3.2 設(shè)計方案試驗成果分析

針對最大水頭差15.2 m(水位組合：93.15～77.95 m)工況對設(shè)計方案進行試驗研究，通過測定并計算閘室輸水水力特性、閘室船舶停泊條件、輸水系統(tǒng)流量系數(shù)、壓力特性及進、出水口水流條件后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案存在以下三方面問題。

3.2.1 設(shè)計方案輸水系統(tǒng)輸水效率低

設(shè)定灌、泄水閥門不同開啟時間(tv=2～4 min)，測定并計算閥門不同開啟時間下的閘室水位變化過程及流量變化過程，主要水力特征值見表2，典型水力特性過程線的試驗結(jié)果見圖4和圖5，閥門開啟時間和閘室輸水時間關(guān)系見圖6。

表2 最大設(shè)計水頭(水位組合：93.15～77.95 m)閘室輸水水力特征值(設(shè)計方案)Tab.2 Hydraulic characteristic value of lock water conveyance system (Original scheme，H=15.2 m)

由表可見，最大設(shè)計水頭15.2 m，試驗設(shè)定閥門開啟時間2～4 min，對應(yīng)的灌水完成最短時間為11.5 min(閥門開啟時間2 min)，泄水完成最短時間為13.97 min(閥門開啟時間2 min)。設(shè)定的閥門開啟時間下，船閘灌水完成時間大于11 min，泄水完成時間大于13 min，即在灌、泄水閥門快速開啟時都無法滿足設(shè)計輸水完成時間。對應(yīng)閘室灌水最大流量為203.70 m3/s，泄水最大流量為189.15 m3/s，均出現(xiàn)在閥門全開以后。

圖4 設(shè)計方案閘室最大水頭灌水水力特性曲線(雙邊閥門開啟,tv=2 min)Fig.4 Filling curve(Original scheme, H=15.2 m,tv=2 min)圖5 設(shè)計方案閘室最大水頭泄水水力特性曲線(雙邊閥門開啟,tv=2 min)Fig.5 Emptying curve(Original scheme, H=15.2 m,tv=2 min)

在恒定流條件下，測定閥門全開的輸水流量及引航道和閘室水位，計算得到灌水系統(tǒng)的平均流量系數(shù)μ=0.568；泄水系統(tǒng)的平均流量系數(shù)μ=0.540。

設(shè)計方案中輸水閥門段廊道斷面面積為21.76 m2，較按規(guī)范計算值25.71 m2小約18.2%。輸水系統(tǒng)中廊道基本尺度小是造成輸水系統(tǒng)流量系數(shù)小，輸水效率低，無法滿足設(shè)計要求的主要原因。

3.2.2 閥門單邊開啟時閘室內(nèi)橫向水流分布不均

設(shè)計方案輸水主廊道斷面面積為27.06 m2(2～4.1 m×3.3 m)，分為左右兩支廊道且由2 m厚隔墻相隔，中間無溝通，如圖3。選擇1 000 t單船為設(shè)計船型控制灌水閥門不同開啟時間及不同開啟方式(雙邊開啟、單邊開啟)進行試驗，根據(jù)規(guī)范1 000 t單船在安全過閘允許縱向系纜力32 kN，允許橫向水平分力16 kN。試驗表明當(dāng)閥門單邊開啟時，停泊在閘室中間位置的船舶所受前橫向力均超出規(guī)范要求，即水流橫向分布不均勻，如圖7，需對閘室橫向水流條件加以改善。

圖6 設(shè)計方案閘室輸水時間和閥門開啟時間相互關(guān)系Fig.6 Relationship between the completion time and valve opening time (Original scheme)圖7 設(shè)計方案設(shè)計船舶停泊閘室中段系纜力過程線(閥門單邊開啟,tv =2 min)Fig.7 Hawser forces process of the ship in middle lock chamber (Original scheme, Single side valve, tv =2 min)

通過分析設(shè)計方案中輸水主廊道的布置形式發(fā)現(xiàn)，閘室底部兩側(cè)輸水廊道中間設(shè)有2 m厚隔墻，無溝通，使得閥門單側(cè)開啟時水流僅由單側(cè)側(cè)支孔流出并灌入閘室內(nèi)，造成水流沿閘室寬度方向擴散不均勻，進而引起橫向系纜力超標(biāo)。

3.2.3 設(shè)計方案進水口水流條件

圖8 設(shè)計方案進水口水流流態(tài)Fig.8 Intake flow pattern (Original scheme)

設(shè)計方案上閘首廊道進水口采用閘墻垂直4支孔布置，廊道進水口頂高程為84.85 m，底高程81.45 m，當(dāng)閥門雙邊開啟灌水時，進水口存在一定范圍立軸漩渦，漩渦出現(xiàn)時間對應(yīng)最大流量發(fā)生時間，進水口水流流態(tài)見圖8，不滿足規(guī)范中為保證輸水系統(tǒng)運轉(zhuǎn)安全提出的技術(shù)指標(biāo)與要求。

對于位置已確定的進水口，其漩渦主要受到初始環(huán)量、進水口流量和淹沒深度影響[8-9]。結(jié)合設(shè)計方案，上游引航道底高程設(shè)計值為87.65 m，上閘首門檻頂高程設(shè)計值為86.85 m，而進水口頂高程為84.85 m，同時低于上游引航道與上閘首，即在進水口上方形成下凹的形態(tài)，如圖9。該特殊突變邊界條件使得進水口上方形成一定的初始環(huán)量，進而產(chǎn)生、發(fā)展成為進水口上方的串狀吸氣漩渦。

圖9 設(shè)計方案進水口局部高程示意圖Fig.9 Sketch of local elevation relationship of the intake

4 優(yōu)化方案水力學(xué)模型試驗研究

4.1 優(yōu)化方案輸水系統(tǒng)布置

針對設(shè)計方案存在的上述問題，將船閘輸水系統(tǒng)及上游引航道與船閘進水口銜接段進行了優(yōu)化布置：(1)為提高船閘輸水系統(tǒng)輸水效率，將閥門段廊道斷面面積增大至29.40 m2(2～3.5 m×4.2 m)，并以此為基礎(chǔ)對輸水系統(tǒng)進出水口及輸水主廊道斷面均加以擴增；(2)為改善閥門單邊開啟時閘室內(nèi)橫向水流條件，將主廊道中間2 m厚隔墻改為由8個1 m厚隔流墩相隔，兩側(cè)兩道間留有50%互通面積；(3)為改善進水口水流條件，消除初始環(huán)流，保持上游引航道底高程87.15 m不變，抬高進水口底高程至81.65 m，兩者間采用1:10的緩坡相連。船閘輸水系統(tǒng)優(yōu)化方案與設(shè)計方案的具體對比見表3，優(yōu)化方案布置如圖10。

4.2 優(yōu)化方案試驗成果

4.2.1 優(yōu)化方案閘室輸水水力特性試驗

針對最大水頭差進行優(yōu)化方案試驗研究，測定了灌、泄水閥門不同開啟時間的閘室水位變化過程及閘室的灌、泄水時間。

主要水力特征值見表4，典型水力特性過程線的試驗結(jié)果見圖11和圖12，閥門開啟時間和閘室輸水時間關(guān)系見圖13。由圖表可見，閥門雙邊運行時只要灌、泄水閥門開啟時間分別小于6 min和5 min，輸水完成時間均可基本滿足9～10 min的設(shè)計要求，說明優(yōu)化后的輸水系統(tǒng)各部分尺寸合理。

圖10 優(yōu)化方案改建船閘輸水系統(tǒng)整體布置(單位：長度mm，高程m)Fig.10 Optimization scheme of the lock filling and emptying system

輸水方式閥門開啟時間tv(min)閘室輸水時間T(min)最大流量Qmax(m3/s)慣性超高(降)(m)閥門斷面最大流速(m/s)灌水雙邊單邊48.95243.760.458.2959.49222.130.387.5669.86214.420.407.29512.69174.800.2811.89613.60167.780.1711.41713.88170.920.1011.63泄水雙邊單邊39.49215.370.447.3349.86204.430.306.95510.04192.210.356.54414.88142.350.279.68515.43137.080.159.33615.61137.420.099.35

由表可見，當(dāng)灌、泄水閥門雙邊開啟時間分別為tv=6 min和tv=5 min時，閘室灌、泄水完成時間分別為9.86 min和9.86 min。此時閘室灌、泄水最大流量分別為214.42 m3/s和204.43 m3/s，相應(yīng)的閥門廊道斷面最大流速分別為7.29 m/s和6.95 m/s，符合設(shè)計規(guī)范要求。

圖11 優(yōu)化方案閘室最大水頭灌水水力特性曲線(雙邊閥門開啟,tv=6 min)Fig.11 Filling curve(Optimization scheme, H=15.2 m,tv=6 min)圖12 閘室最大水頭灌水水力特性曲線(雙邊閥門開啟,tv =4 min)Fig.12 Emptying curve(Optimization scheme,H=15.2m,tv=4 min)

圖13 優(yōu)化方案閘室輸水完成時間與閥門開啟 時間相互關(guān)系Fig.13 Relationship between the completion time and valve opening time (Optimization scheme)

選取同樣的tv=4 min的灌、泄水閥門雙邊開啟工況，將設(shè)計方案船閘輸水水力特性值(閘室水位過程及流量過程)與優(yōu)化方案進行對比分析，如圖14和圖15。發(fā)現(xiàn)優(yōu)化方案較設(shè)計方案灌水完成時間提高了30%，最大流量增大了29%，泄水完成時間提高了32%，最大流量增大了19%，同時灌、泄水最大流量發(fā)生時間均較設(shè)計方案有所提前，對應(yīng)閥門全部開啟的時刻，有效解決了設(shè)計方案中船閘輸水系統(tǒng)輸水效率低的問題。同時對比優(yōu)化方案與設(shè)計方案輸水系統(tǒng)布置，說明輸水系統(tǒng)閥門段廊道尺度的選取不宜小于依據(jù)式(1)得出的計算值。

圖14 灌水閥門雙邊開啟4 min方案對比Fig.14 Comparison of schemes (bilateral filling valve,tv=4 min)圖15 泄水閥門雙邊開啟4 min方案對比Fig.15 Comparison of schemes (bilateral emptying valve,tv=4 min)

表5 優(yōu)化方案灌水廊道流量系數(shù)Tab.5 Discharge coefficient of the lock filling system (Optimization scheme)

表6 優(yōu)化方案泄水廊道流量系數(shù)Tab.6 Discharge coefficient of the lock emptying system (Optimization scheme)

4.2.2 優(yōu)化方案流量系數(shù)試驗

在恒定流條件下，測定閥門全開的輸水流量及引航道和閘室水位，計算閥門全開的輸水系統(tǒng)流量系數(shù)。表5和表6分別為不同閥門開啟狀態(tài)下輸水系統(tǒng)灌、泄水流量系數(shù)測量計算表格。試驗中經(jīng)多次測定，取各測量計算結(jié)果平均值，得灌水時閥門雙邊全開流量系數(shù)為μ=0.695，單邊閥門全開流量系數(shù)為μ=0.715；泄水時閥門雙邊全開流量系數(shù)為μ=0.597，單邊閥門全開流量系數(shù)為μ=0.623。灌水流量系數(shù)提高了22%，泄水流量系數(shù)提高了11%。

4.2.3 優(yōu)化方案閘室船舶停泊條件試驗

優(yōu)化后的輸水主廊道由左右兩支廊道組成，總面積為32 m2，中間由8個1 m厚的隔流墩將兩支廊道相隔；出水支孔分別設(shè)于左右兩支廊道外側(cè)，每側(cè)各設(shè)24個出水支孔，自上游向下游方向分成3組，每組8孔，斷面尺寸為階梯型布置，每組孔寬分別為0.75 m、0.70 m、0.65 m。每側(cè)出水側(cè)支孔出口處設(shè)有雙消能明溝。出水支孔橫斷面布置如圖16。

選取同樣設(shè)計船型進行優(yōu)化方案試驗，試驗設(shè)定將船舶分別放于閘室上游段、閘室中段、閘室下游段三個位置，對每個位置分別進行雙邊灌、泄水試驗及單邊灌、泄水試驗。船閘灌、泄水過程中，船舶停泊在閘室內(nèi)所受系纜力值列于表7。

圖16 優(yōu)化方案閘室出水孔段消能明溝布置Fig.16 Energy dissipation layout of the culvert side hole (Optimization scheme)

表7 閘室內(nèi)船舶最大系纜力表Tab.7 Maximum hawser forces (Optimization scheme)

由表7可見，灌水閥門雙邊開啟時，當(dāng)灌水閥門開啟時間為tv=6 min，設(shè)計1 000 t船舶的最大縱向系纜力為17.73 kN(船停泊在閘室上游位置時)，最大橫向力15.20 kN(船停泊在閘室中間位置時，船舶后橫向力)，均小于規(guī)范規(guī)定的允許系纜力。試驗同時進行了單邊灌水時設(shè)計船舶在閘室內(nèi)的停泊條件研究，當(dāng)同樣采取tv=6 min的開啟時間時，設(shè)計1 000 t船舶的最大縱向系纜力為29.85 kN(船舶停泊在閘室上游位置時)，最大橫向力12.27 kN(船舶停泊在閘室中間位置時，船舶后橫向力)；灌水閥門單邊開啟最大系纜力出現(xiàn)的位置與雙邊開啟位置相同，系纜力仍均小于規(guī)范規(guī)定的允許系纜力。泄水過程中船舶所受系纜力不作為控制條件。試驗結(jié)果表明，出水支孔斷面分組且面積階梯布置，使縱向水流分配均勻；兩側(cè)主廊道中間進行溝通處理，改善了閥門單邊開啟時橫向水流分布條件。

4.2.4 優(yōu)化方案進、出水口水流條件

(1)進水口水流條件。

上閘首廊道進水口采用閘墻垂直4支孔布置，廊道進水口頂高程為85.85 m，底高程81.65 m，進水口總面積114.24 m2。

考慮進水口水面局部降落，對應(yīng)上游最低通航水位92.15 m，進水口頂淹沒水深為6.3 m；最大設(shè)計水頭、灌水閥門雙邊開啟時，在閥門開啟時間tv=5 min條件下，最大流量所對應(yīng)的進水口斷面平均流速為1.94 m/s，均滿足規(guī)范要求。通過對優(yōu)化上游引航道與船閘進水口間相對高程關(guān)系，進水口水流條件較好，未見有害串氣漩渦。

(2)出水口水流條件。

下閘首廊道出水口采用兩側(cè)閘墻垂直布置，出水口高度與泄水閥門段廊道高度相同，出水口廊道寬度8.4 m，與下閘首消能室相連，并由消能室頂部格柵出水孔出流，消能室頂部高程為73.15 m。

對應(yīng)下游最低通航水位77.95 m，出水口淹沒水深為4.80 m；泄水時水平擴散完好，無回旋現(xiàn)象，水面平穩(wěn)，均滿足規(guī)范要求。

5 結(jié)論

某船閘改建工程，最大設(shè)計水頭15.2 m，閘室規(guī)模190 m×23 m×4.8 m，輸水設(shè)計完成時間較短、水力指標(biāo)較高，通過船閘輸水系統(tǒng)整體模型試驗研究是保證船舶安全過閘及輸水系統(tǒng)安全高效運行的最有效手段。

試驗分為兩個階段進行：第一階段為設(shè)計方案試驗研究，第二階段為在設(shè)計方案基礎(chǔ)上進行的優(yōu)化方案試驗研究。研究表明設(shè)計方案在輸水系統(tǒng)尺度、閘室主廊道出水段平面布置及進水口與上游引航道銜接方面存在不足，導(dǎo)致設(shè)計方案船閘輸水系統(tǒng)輸水效率低、閘室橫向水流分布不均、進水口出現(xiàn)串狀吸氣旋渦。

在優(yōu)化方案試驗階段，在船閘整體設(shè)計及輸水系統(tǒng)布置上有針對性的進行了修改：(1)為提高輸水效率將船閘輸水系統(tǒng)尺度增大，以閥門段廊道為例，優(yōu)化方案尺度較設(shè)計方案增大35.1%；(2)為有效解決灌水閥門單邊開啟時閘室內(nèi)水流橫向分布不均的問題，將兩側(cè)主廊道進行溝通處理，設(shè)計兩側(cè)廊道留有約50%互通面積；(3)為消除進水口不利水流條件，在抬高進水口底高程的基礎(chǔ)上，將上游引航道與船閘進水口底高程間采用1:10緩坡連接，以消除由于邊界帶來的水流初始環(huán)量。對優(yōu)化方案開展了輸水系統(tǒng)水力模型試驗，證明優(yōu)化后的閘底長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)的整體布置是合理的，各輸水水力特性指標(biāo)均達到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)和要求。