嘉陵江利澤航運樞紐船閘輸水系統(tǒng)的布置與研究

廖 勁 松

(重慶航運建設發(fā)展(集團)有限公司，重慶 401121)

1 概 述

嘉陵江作為長江上游聯(lián)接陸路與水陸交通運輸?shù)闹匾删€，不僅是國家綜合運輸網(wǎng)的重要組成部分，同時也是交通運輸部規(guī)劃的全國水運主通道并被列為國家戰(zhàn)備航道。重慶嘉陵江利澤航運樞紐壩址位于嘉陵江干流重慶市合川區(qū)大石街道境內(nèi)，是嘉陵江干流梯級規(guī)劃廣元至重慶段十七級開發(fā)方案中的第十五個梯級，上游距桐子壕航電樞紐29.7 km，下游距草街航電樞紐70 km。國道212線在壩址右岸通過，渝(重慶)武(武勝)高速在其左岸通過[1]。壩址分別距利澤碼頭上游、合川城區(qū)以及重慶市區(qū)約3.5 km、32 km、100 km。開發(fā)任務以航運為主，航電結合、以電促航、兼顧發(fā)電并修復嘉陵江干流合川區(qū)水生態(tài)環(huán)境[2]。

樞紐船閘布置于左岸，船閘閘室的有效尺寸采用180 m×23 m×3 m(長×寬×檻上水深)；最大設計工作水頭8.73 m;通航2×500 t半分節(jié)駁船隊，尺寸為111 m×10.8 m×1.6 m(長×寬×吃水深度)。根據(jù)設計通過能力,確定船閘的輸水時間為8～10 min。

2 輸水系統(tǒng)的布置

2.1 輸水系統(tǒng)型式的選擇

輸水系統(tǒng)型式的選擇公式由《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》(JTJ306～2001)確定[3]：

式中T為輸水時間，min；H為水頭，m；m為輸水系統(tǒng)類型判別系數(shù)。由以上數(shù)據(jù)代入可得：

根據(jù)規(guī)范要求：m大于3.5時采用集中輸水；m小于2.5時采用分散輸水。當m為2.5～3.5時，輸水系統(tǒng)的類型應參照同類工程或進行經(jīng)濟技術論證后選定。對于分散輸水系統(tǒng)，當采用第一類輸水系統(tǒng)時，m值應大于2.4；采用第二類輸水系統(tǒng)時，m值應在1.8～2.4之間。該船閘m值介于2.64～3.3之間，考慮到該船閘平面尺度較大等因素，最終船閘采用閘墻長廊道側(cè)支孔出水的第一類分散輸水系統(tǒng)。

2.2 分散輸水系統(tǒng)與集中輸水系統(tǒng)相比具有的優(yōu)勢

集中輸水系統(tǒng)相較于閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)的輸水水力性能具有明顯的差距[4]。通過不設鎮(zhèn)靜段縮短閘室長度以彌補因廊道而使閘墻工程量增大的缺陷，其性能價格比在船閘水頭達到需求(10 m)時將明顯優(yōu)于集中輸水系統(tǒng)，是一種較優(yōu)的、適合于中等水頭與重力式閘墻的輸水系統(tǒng)型式[5]。

2.3 船閘輸水系統(tǒng)的布置

2.3.1 輸水閥門段廊道的斷面尺寸與面積

根據(jù)船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范，利澤航運樞紐船閘輸水閥門處的廊道斷面積可按以下公式進行計算：

式中ω為輸水閥門處廊道的斷面面積，m2；C為計算閘室水域面積，m2；H為設計水頭，m；μ為輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)(閥門全開)，可取0.75；t為閘室充(泄)水時間，s；α和kv為系數(shù)(可查表)；α與流量系數(shù)μ和閥門門型有關；g為重力加速度，m/s2；d亦為系數(shù)，與μ的取值有關。

對于利澤樞紐船閘：C=213×23=4 899(m2)，H=8.73 m，T=8～10 min；取d=0.25，μ=0.75，α=0.56，kv=0.5，則：

計算結果表明：輸水閥門處的廊道斷面面積為15.74～19.68 m2。考慮到船閘輸水要求高，最終取輸水閥門尺寸ω=(2～3)×3.5(寬×高)=21(m2)，可以滿足輸水時間要求。

2.3.2 主廊道及閘室段出水支孔的斷面面積

主廊道斷面與出水支孔的斷面尺寸在閥門處廊道斷面尺寸確定后進行選擇。選擇時應注意以下幾個比值：

根據(jù)相關經(jīng)驗，φ值的大小與輸水主廊道各段的損失和γ值與出水孔段阻力損失成反比；各出水支孔之間出流越均勻，表明β值愈小，但此時的出水孔段阻力卻相應增大。表1給出了部分船閘φ、β、γ的統(tǒng)計值。

表1 國內(nèi)外部分船閘側(cè)墻廊道支孔輸水系統(tǒng)特征統(tǒng)計表

由表1可知：上述所有船閘的φ值均大于1，β值在0.94～1.07之間變化，γ在1.08～1.41范圍內(nèi)。根據(jù)試驗研究可知：利澤船閘閥門處的廊道斷面面積為21 m2，閘室主廊道斷面面積為24 m2，斷面尺寸為(2～3 )m×4 m(寬×高)。船閘閘室有效長度為180 m，閘室中部兩側(cè)出水支孔錯開布置，每側(cè)共布置22個中心線距離為5.6 m的出水支孔。為使船閘充水時閘室縱向出流均勻，減小縱向比降，閘室出水支管喉部采用了不同尺寸的斷面，支管上游前7個支孔喉部斷面尺寸為0.66 m×0.9 m(寬×高，下同)，中間8個支孔喉部斷面的尺寸為0.6 m×0.9 m，后7個支孔喉部尺寸為0.54 m×0.9 m，出水支孔總斷面面積為23.76 m2。經(jīng)計算，船閘取φ=1.14，β=0.99，γ=1.13。

2.4 上下閘首輸水廊道和出水口布置

導墻垂直多支孔布置于上閘首廊道進水口處，順水流方向支孔喉部面積逐漸減小，進水口頂高程為205.6 m，淹沒水深按最低通航水位計算為4.7 m，大于規(guī)范中的0.4倍設計水頭3.5 m的要求。經(jīng)采用以下公式進行初步估算得知：

利澤船閘充水最大流量為145 m3/s時，其進水口面積不小于60 m2。

在上閘首導航墻上布置船閘進水口，左、右側(cè)進水口均從引航道取水，每側(cè)進水口設4個尺寸為3 m×4 m(寬×高)的進水孔?？紤]到進水口流速的不均勻性，進口總面積為96 m2，其平均流速為1.51 m/s；船閘進水口通過鵝頸彎管與上閘首閥門前廊道平順銜接，工作閥門布置在二次轉(zhuǎn)彎后9.78 m處，底高程為195.5 m，頂高程為199 m，門高3.5 m，廊道頂最小淹沒水深為3 m。工作閥門后廊道頂按1∶10的坡度漸擴，頂高程由199 m增加至199.5 m，廊道高度由3.5 m擴大至4 m，后經(jīng)1∶4的坡度升高，升高后主廊道底高程為197 m，頂高程為201 m，閘室主廊道頂最小淹沒水深為1 m。船閘上游檢修閥門井與工作閥門井相距22 m，工作閥門井與下游檢修閥門井的間距為15 m(圖1)。

圖1 上閘首布置圖

下閘首工作閥門處廊道頂高程為197.5 m，最小淹沒水深4.5 m，工作閥門斷面尺寸與上閘首同為3 m×3.5 m(寬×高)，工作閥門井與上、下游檢修閥門井相距5 m、12.5 m，工作閥門后的廊道高度采取3.5～4 m逐漸向上的擴大型式。將導墻垂直多支孔同樣布置于下游廊道出水口處是為了避免基坑開挖深度增大、下閘首底板高程過低現(xiàn)象的出現(xiàn)。出水口頂高程為198.5 m，最小淹沒水深為3.5 m，大于規(guī)范1.5 m淹沒水深的要求，斷面面積為48 m2的下閘首出水口廊道是主廊道面積的2倍(圖2)。

圖2 下閘首布置圖

3 輸水系統(tǒng)的水力特性

在最不利水位組合運行工況下(水位組合：高程210.73～202 m，水頭8.73 m)，輸水的主要特征值見表2，充水時間和閥門開啟時間的關系見圖3。

由圖3、表2可見：當充水閥門雙邊開啟時間分別為4 min、5 min、6 min和7 min時，閘室充水時間分別為8.1 min、8.8 min、9.4 min和10 min，閘室最大充水流量分別為145 m3/s、136 m3/s、128 m3/s和119 m3/s，相應的輸水主廊道最大斷面平均流速分別為6.04 m/s、5.67 m/s、5.33 m/s和4.96 m/s，工作閥門廊道的最大斷面平均流速分別為6.9 m/s、6.48 m/s、6.1 m/s和5.67 m/s，上游進水口斷面最大平均流速分別為1.51 m/s、1.42 m/s、1.33 m/s和1.24 m/s，閘室水位最大上升速度分別為3 cm/s、2.8 cm/s、2.6 cm/s和2.4 cm/s。

表2 船閘非恒定流水力特性參數(shù)表(水位組合：高程210.73～202 m)

圖3 閘室充、泄水時間與閥門開啟時間關系曲線圖

當泄水閥門雙邊開啟時間分別為4 min、5 min、6 min和7 min時，閘室泄水時間分別為8.7 min、9.6 min、10.1 min和10.8 min，閘室最大泄水流量分別為139 m3/s、131 m3/s、123 m3/s和113 m3/s，相應的輸水主廊道最大斷面平均流速分別為6.18 m/s、5.76 m/s、5.14 m/s和4.76 m/s，閥門段廊道的最大斷面平均流速分別為5.79 m/s、5.46 m/s、5.13 m/s和4.71 m/s，閘室水位最大下降速度分別為2.8 cm/s、2.7 cm/s、2.5 cm/s和2.3 cm/s。

在充水閥門單邊開啟時間為6 min、7 min時，閘室的充水時間分別為14.2 min和15.4 min。此時，閘室的最大充水流量分別為82 m3/s和78 m3/s，輸水主廊道、工作閥門廊道的最大斷面平均流速相應為6.83 m/s、6.5 m/s和7.81 m/s、7.43 m/s，上游進水口斷面的最大平均流速分別為1.71 m/s和1.63 m/s。在閥門單邊開啟時間為6 min、7 min泄水時，閘室的泄水時間分別為15.3 min和16.5 min。此時，閘室充水的最大流量分別為76 m3/s和71 m3/s，輸水主廊道、工作閥門廊道的最大斷面平均流速相應為6.33 m/s、5.91 m/s和7.24 m/s、6.76 m/s。

4 結 語

筆者通過對船閘閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)特點進行分析，運用水力計算和已有相似船閘對比分析的研究方法，對嘉陵江利澤航運樞紐船閘輸水系統(tǒng)的選型、布置、尺寸等方面的確定提出了較為全面的研究成果，主要有以下結論：

(1)根據(jù)利澤航運樞紐船閘特點，采用閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)的布置型式較為合適。該型式的輸水系統(tǒng)具有較高的性價比且適用于利澤航運樞紐船閘的水力指標范圍。

(2)所提出的輸水系統(tǒng)布置滿足《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》，且同時適合于利澤航運樞紐船閘的具體條件。

(3)采用6 min勻速開啟船閘充、泄水閥門時，閘室的平均輸水(充、泄)時間為9.75 min；采用7 min勻速開啟船閘充、泄水閥門時，則閘室對應的平均輸水時間(充、泄)為10.4 min。輸水時間若考慮模型縮尺效應均滿足設計要求的10 min以內(nèi)，各項水力學指標滿足規(guī)范要求，說明輸水系統(tǒng)各部分尺寸的設計基本合理。

(4)可以通過不設鎮(zhèn)靜段縮短閘室長度以此彌補因廊道而使閘墻工程量增大的缺陷，其性價比在船閘水頭達到需求 (10 m )時將明顯優(yōu)于集中輸水系統(tǒng)。