船閘單側(cè)閘墻廊道輸水系統(tǒng)布置及試驗(yàn)研究

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué) 西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

船閘是克服集中水位落差的重要通航建筑物，在中等水頭(10 m左右)中常采用閘墻廊道輸水型式[1-2]。為了使閘室水流分布均勻，船閘閘墻廊道通常對稱布置于閘室兩側(cè)[3-4]，而目前學(xué)術(shù)界對于單側(cè)閘墻主廊道輸水系統(tǒng)的研究較少。美國是采用此類船閘輸水系統(tǒng)最多的國家，均采用側(cè)向出水孔、明溝消能的型式，水頭均小于15 m[5]。我國在2003年建成了首座使用單側(cè)閘墻主廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)的桂林春天湖船閘[6]，但其水頭較低(4.55 m)，閘室尺寸小(18 m×9 m×0.75 m, 長×寬×門檻水深，下同)，且僅用單只閥門控制輸水，在閥門檢修時(shí)需停航，不能保證船閘的正常運(yùn)行。南京水利科學(xué)研究院對長洲三、四線并列船閘單側(cè)閘墻長廊道輸水系統(tǒng)布置型式進(jìn)行了研究，在三、四線船閘之間布置了兩根閘墻長廊道，可通過開啟連通廊道的閥門來實(shí)現(xiàn)雙線船閘相互灌泄水，該研究為單側(cè)閘墻廊道輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了良好的借鑒[7]。

草街航電樞紐工程位于重慶市合川區(qū)草街鎮(zhèn)，是嘉陵江上規(guī)模最大的航電樞紐，已建的一線船閘位于嘉陵江左岸，規(guī)劃的二線船閘緊鄰左側(cè)的已建渝合高速公路和右側(cè)的一線船閘布置，如按常規(guī)的兩側(cè)閘墻廊道方式布置二線船閘，不僅會(huì)引起渝合高速公路改道，而且會(huì)大范圍開挖山體，使得二線船閘的建設(shè)費(fèi)用大幅度增加。因此，草街二線船閘宜采用單側(cè)閘墻廊道輸水布置型式。新建草街二線船閘閘室有效尺寸為180 m×23 m×3.5 m，上游最高通航水位203.0 m，下游最低通航水位176.3 m，最大水頭26.7 m[8]。草街二線船閘進(jìn)、出水口及閥門段布置為兩獨(dú)立的輸水廊道，閘室段為單一廊道，其間通過岔管相連，可實(shí)現(xiàn)兩只閥門獨(dú)立運(yùn)行，與長洲三、四線船閘廊道布置型式不同。由于本文研究的輸水系統(tǒng)布置型式新穎，加之草街船閘水頭大，水力指標(biāo)要求高，技術(shù)難度大，因此，對草街高水頭單側(cè)閘墻主廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)布置和水力學(xué)特性展開研究，對保障草街二線船閘工程的順利實(shí)施，促進(jìn)船閘技術(shù)發(fā)展，為類似工程提供借鑒，均具有十分重要的意義。

1 草街二線船閘輸水系統(tǒng)布置

根據(jù)地形、地質(zhì)條件，結(jié)合閘室尺度、運(yùn)行水頭、輸水時(shí)間等因素，二線船閘采用單側(cè)閘墻主廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)，布置于右側(cè)閘墻底部。為了保證閥門檢修時(shí)船閘能正常運(yùn)行，將進(jìn)、出水口及閥輸水系統(tǒng)門段布置為兩獨(dú)立的輸水廊道，閘室段為單一廊道。

兩進(jìn)水口垂直布置于上游右導(dǎo)墻，在上閘首末端，兩廊道通過岔管匯合成單一主廊道，沿閘室邊墻延伸至下閘首，再通過岔管分成兩獨(dú)立廊道，兩出口垂直布置于下閘首導(dǎo)墻上。閘室段閘底橫支廊道與主廊道通過不同半徑的圓弧相連。輸水系統(tǒng)整體布置見圖1。

1.1 進(jìn)水口布置

船閘上游右導(dǎo)墻左、右兩側(cè)各垂直布置6個(gè)進(jìn)水支孔，支孔尺寸為2.2 m×4.4 m(寬×高，下同)，總面積116.16 m2。進(jìn)水口頂部高程188.25 m，最小淹沒水深3.55 m。

1.2 充水閥門和充水閥門廊道段布置

工作閥門尺寸為3.0 m×4.4 m，總面積26.4 m2。為減小閥門段的負(fù)壓，門后輸水廊道采用更適合于高水頭船閘的上、下突擴(kuò)體型[9-11]，尺寸為3.0 m×11.0 m，閥門底高程為163.8 m，廊道頂部的最小淹沒深度為4.5 m。充水閥門段廊道與上游進(jìn)水口廊道通過鵝頸管連接，兩廊道經(jīng)工作閥門、突擴(kuò)體后，在下檢修閥門后通過岔管(見圖2)匯合為單一廊道。

1.3 閘墻主廊道布置和閘室橫支廊道布置

閘墻單一主廊道尺寸為5.0 m×6.0 m，面積30.0 m2。閘室段(長140 m，占船閘有效長度的78%)布置7根錐形變斷面的橫支廊道，橫支廊道高度保持在2.2 m不變，進(jìn)口寬度為2.2 m，末端寬度1.0 m；各橫支廊道兩側(cè)各布置10個(gè)出水面積相等的支孔，出水支孔尺寸為0.34 m×0.70 m。各進(jìn)、出口均采用半徑為0.3 m圓弧連接。橫支廊道與閘墻主廊道經(jīng)圓弧相連，各橫支廊道的進(jìn)口流量分配通過不同的圓弧半徑來控 制，自上游起橫支廊道進(jìn)口圓弧半徑依次為1.5，1.5，1.0，1.0，0.5，0.5 m和0.5 m。

橫支廊道兩側(cè)設(shè)置雙明溝消能工，明溝寬度3.35 m，擋檻高度為3.2 m。在正對出水孔的第一道明溝消力檻上開孔，每道消力墻出水孔(10個(gè))尺寸為0.4 m×0.6 m(寬×高)。閘室內(nèi)橫支廊道及支孔布置見圖3。

1.4 出水口布置

左側(cè)一支泄水廊道在突擴(kuò)廊道體后水平轉(zhuǎn)彎至下閘首出水口，采用一支橫支廊道、雙明溝消能布置型式。橫支廊道采用錐形變斷面布置，進(jìn)水首端斷面尺寸為6.0 m×5.0 m，末端為3.0 m×5.0 m。為使出流均勻，出口設(shè)分流導(dǎo)墻，導(dǎo)墻的起點(diǎn)略偏向彎段外側(cè)。橫支廊道設(shè)20個(gè)側(cè)向出水孔，各出水支孔尺寸為0.7 m×2.0 m。

右側(cè)一支泄水廊道在突擴(kuò)廊道后通過與旁側(cè)泄水廊道相連接，分3支孔泄入河道，旁側(cè)泄水廊道支孔尺寸為5.0 m×1.5 m，泄水口外設(shè)消力池消能。

2 物理模型試驗(yàn)

根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，建立了比尺為1∶40的局部物理模型，模擬范圍包括閘室段縱向廊道及橫支廊道、上游進(jìn)水口和閥門等，對各橫支廊道進(jìn)口分流比進(jìn)行了研究，并對橫支廊道進(jìn)口圓弧半徑進(jìn)行優(yōu)化。

同時(shí)，本試驗(yàn)還建立了比尺為1∶25的船閘整體輸水系統(tǒng)模型試驗(yàn)，在船閘上、下游水位組合為203.0～176.3 m情況下，擬定了閥門雙邊開啟時(shí)間tv=3,5 min和8 min、單邊閥門tv=8 min連續(xù)開啟、8 min間歇開啟等多種工況，進(jìn)行了閘室充、泄水非恒定流和恒定流試驗(yàn)研究。

圖1 草街二線船閘單側(cè)閘墻廊道輸水系統(tǒng)布置(單位：m)Fig.1 Arrangement of water filling and emptying system with a unilateral long culvert in lock wall for Caojie second-line ship lock

圖3 草街二線船閘閘室橫支廊道及支孔布置(單位：m)Fig.3 Arrangement of lateral manifolds and orifices in chamber for Caojie second-line ship lock

圖2 岔管布置(單位：m)Fig.2 Arrangement of bifurcated pipe

2.1 局部物理模型試驗(yàn)成果

閘室水流的均勻程度與各橫廊道的布置密切相關(guān)。本次試驗(yàn)實(shí)測了不同流量級各橫支廊道進(jìn)口流速分布，進(jìn)而研究各支廊道的流量分配規(guī)律，橫支廊道進(jìn)口流量分配如圖4～5所示。圖中qi(i=1,2,3…,7)為自上游至下游橫支廊道進(jìn)水支管流量。

從圖4可以看出，在原設(shè)計(jì)的支管進(jìn)口圓弧半徑布置情況下，當(dāng)充水流量Q=38.0～230.7 m3/s時(shí)(原型，下同)，q1(上游第1支廊道流量)與各支廊道流量差的最大百分比在15%～19%之間；當(dāng)充水流量Q=323.8 m3/s時(shí)，q1與q4差值的最大百分比高達(dá)24%，與其余各支廊道流量的百分比也達(dá)10%以上，支孔間流量分配不均勻，因此需要對橫支廊道的布置進(jìn)行優(yōu)化。

圖4 橫支廊道進(jìn)口流量分配規(guī)律(原設(shè)計(jì)方案)Fig.4 Flow distribution of all the lateral manifolds inlets (original layout scheme)

考慮廊道內(nèi)水流慣性的影響，在保持橫支廊道進(jìn)口面積不變的情況下，調(diào)整進(jìn)口圓弧半徑，調(diào)整后橫支廊道進(jìn)口半徑分別為第1、2根R上=3.0 m，R下=2.0 m，第3～5根R上=2.0 m，R下=1.4 m；第6、7根R上=1.0 m，R下=0.7 m。修改后的橫支廊道進(jìn)口流量分配如圖5所示，同樣當(dāng)充水流量Q=38.0～230.7 m3/s時(shí)，q1與各廊道流量差的最大百分比僅為12%，當(dāng)充水流量Q=323.8 m3/s時(shí)，q1與各廊道流量差的百分比也僅在10%左右。由此可見，修改調(diào)整后的橫支廊道進(jìn)口圓弧半徑比較合理，各支廊道的流量分布較為均勻。

2.2 整體物理模型試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1輸水系統(tǒng)水力特性

在閥門雙邊同步勻速開啟tv=3,5,8 min情況下，實(shí)測的閘室充水時(shí)間分別為：11′30″、12′05″和13′35″；泄水時(shí)間為12′30″、12′55″和14′30″。草街二線船閘如按閥門雙邊tv=5～8 min速率運(yùn)行時(shí)，考慮模型縮尺效應(yīng)[12]，原型的泄水時(shí)間為12 min左右，基本滿足通過能力要求。

閥門雙邊開啟tv=5 min，閘室充、泄水最大流量分別為339.6m3/s和289.3 m3/s，閘室水面最大上升速度分別為6.7 cm/s和5.7 cm/s；計(jì)算閘室內(nèi)慣性超高、降分別為0.44 m和0.28 m，單、雙邊充(泄)水時(shí)系統(tǒng)平均流量系數(shù)分別為0. 784，0.726(0.775，0.605)。雙邊閥門5 min勻速開啟閘室充水水力特性曲線如圖6所示。

圖5 橫支廊道進(jìn)口流量分配規(guī)律(修改方案)Fig.5 Flow distribution of all the lateral manifolds inlets (modified layout scheme)

圖6 閘室充水水力特性曲線(tv=5 min，雙充)Fig.6 Filling hydraulic characteristic curves in lock chamber with double valves operation (tv=5min)

2.2.2突擴(kuò)體廊道壓力

試驗(yàn)詳細(xì)觀測了充、泄水輸水系統(tǒng)廊道壓力特性，實(shí)測了閘室充、泄水時(shí)，雙邊閥門5，8 min開啟及單邊閥門8 min勻速開啟工況下廊道各測點(diǎn)壓力，試驗(yàn)結(jié)果表明突擴(kuò)體段廊道壓力分布具有如下特點(diǎn)。

(1) 在門楣不通氣的情況下，最大負(fù)壓出現(xiàn)在閥門后突擴(kuò)體廊道頂部及升坎凸弧處，對應(yīng)測點(diǎn)的壓力隨閥門開啟時(shí)間增大而減小，閘室泄水時(shí)廊道壓力低于充水時(shí)，閥門雙邊開啟低于單邊開啟。

(2) 在工作閥門后，廊道壓力值沿水流方向呈先減小后增大的趨勢，最低壓力出現(xiàn)在閥門開度n=0.3～0.4時(shí)，約為2倍閥門高度的廊道頂部。

(3) 根據(jù)試驗(yàn)資料，以5，8 min開啟雙邊充水閥門時(shí)，閥門后廊道各測點(diǎn)最低壓力值僅個(gè)別點(diǎn)小于-3.0 mH2O，大部分測點(diǎn)的壓力值在規(guī)范[13]允許范圍內(nèi)；而以5，8 min開啟雙邊泄水閥門及以8 min開啟單邊充、泄水閥門時(shí)，閥門后廊道部分測點(diǎn)負(fù)壓高達(dá)9 mH2O，圖7為某特征點(diǎn)在門楣是否通氣情況下的壓力過程線(tv=5 min，雙邊泄水)，該特征點(diǎn)位于泄水閥門后4.65 m的廊道頂部。從圖7中可以看出，在門楣不通氣方案下，特征點(diǎn)的最大負(fù)壓高達(dá)9 m H2O，門楣通氣后，減小到2.6 mH2O，可見，采用門楣通氣后，廊道負(fù)壓急劇減小，滿足規(guī)范中規(guī)定的負(fù)壓小于3 mH2O的要求。

圖7 壓力過程線對比曲線(tv=5 min，雙邊泄水)Fig.7 Comparison of pressure with double valves operation in emptying process(tv=5 min)

2.2.3閘室船舶停泊條件

從閘室縱向流量分配來看，充水初期，閘室前部橫支廊道段先出水；緊接由閘室中、后部的橫支廊道出水，其出流量與前端沒有明顯差別；就閘室寬度方向而言，由于橫支廊道采取變截面設(shè)計(jì)，因此閘室內(nèi)未出現(xiàn)明顯的橫比降。

各橫支廊道上沿閘室寬度的1號支孔流速均略小于末端支孔流速，閘室橫向出流尚均勻；縱向的第1，3，7橫支廊道對應(yīng)支孔的出流流速值相差不大，閘室縱向各橫支廊道的出流量較為均勻。在閥門單邊充水時(shí)，閘室縱、橫向流態(tài)均較雙邊充水時(shí)有明顯改善。

在最不利水位組合工況下，試驗(yàn)以3，5，8 min雙邊開啟充水閥門，分別測量了100 t單船、500 t單船和2×1 000 t船隊(duì)停于閘室內(nèi)上、中、下游3個(gè)位置(靠右閘墻)的系纜力，在同一船舶停放位置，針對相同船舶進(jìn)行了多組次觀測，并對各最大系纜力取平均值。

在各閥門開啟方式下，100 t單船縱向力、前橫向力、后橫向力分別為4.95，1.82，1.91 kN，500 t單船為11.87，4.78，5.97 kN，2×1 000 t船隊(duì)為19.46，6.56，8.26 kN，遠(yuǎn)小于規(guī)范[13]允許值，說明船閘充水時(shí)閘室縱、橫向出流較為均勻，能夠滿足船舶安全系泊的要求。雙邊閥門3 min勻速開啟時(shí)，500 t單船停靠于閘室中部的系纜力過程線見圖8。

圖8 500 t單船?？坑陂l室中部的系纜力過程線(tv=3 min)Fig.8 Mooring force of a 500t boat berthing in the middle of the lock chamber(tv=3 min)

3 結(jié) 論

本文以草街二線高水頭船閘為依托，對單側(cè)閘墻主廊道、閥門體型及高程布置、閘室橫支廊道各部位尺度布置，輸水廊道各部位壓力特性，主廊道及橫支廊道各支孔的流量分配及閘室船舶停泊條件等進(jìn)行了全面系統(tǒng)的研究，主要研究結(jié)論如下。

(1) 提出高水頭單側(cè)閘墻主廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)的合理布置型式，研究成果為草街二線船閘工程設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)，可為類似工程的設(shè)計(jì)提供借鑒。

(2) 對橫支廊道進(jìn)口圓弧半徑與流量分配規(guī)律進(jìn)行研究，提出了等面積變圓弧半徑的橫支廊道進(jìn)口布置型式，使閘室各橫支廊道進(jìn)口流量更趨均勻。

(3) 在設(shè)計(jì)水位203.0～176.3 m組合工況下，船閘輸水時(shí)間、廊道壓力、閘室船舶停泊條件等水力學(xué)特性指標(biāo)可滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。