大藤峽水利樞紐船閘輸水系統(tǒng)研究

嚴(yán)來光，常萬軍

（1.廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，537226，桂平；2.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，130021，長(zhǎng)春）

一、問題的提出

大藤峽水利樞紐船閘布置在黔江左岸Ⅰ級(jí)階地上，船閘采用單線單級(jí)布置， 設(shè)計(jì)通航最大船舶噸級(jí)為3 000 t，船閘主體段長(zhǎng)385 m，上游引航道長(zhǎng)1453m，下游引航道長(zhǎng)1897m。閘室有效尺度為280 m×34 m×5.8 m（長(zhǎng)×寬×門檻水深）。

初步設(shè)計(jì)階段船閘輸水系統(tǒng)采用四區(qū)段八分支廊道蓋板消能（自分流）方案。 進(jìn)水口采用側(cè)向多支孔分散進(jìn)水方式，分別在靠近上閘首左側(cè)導(dǎo)航墻引航道內(nèi)側(cè)和右側(cè)導(dǎo)航墻引航道外側(cè)庫內(nèi)取水。 船閘兩側(cè)各布置一條輸水主廊道， 采用5.0 m×7.0 m（寬×高）矩形斷面。 閥門段廊道采用“頂擴(kuò)+底擴(kuò)”體形結(jié)構(gòu)。 第一分流口采用垂直分流，第二分流口采用自分流體形。 泄水口布置在左岸電站尾水渠內(nèi)，水流經(jīng)左、右側(cè)泄水廊道在下閘首處匯入泄水箱涵后泄入電站尾水渠。 船閘設(shè)計(jì)最大水頭40.25 m，一次充泄水量42 萬m3， 是目前國(guó)內(nèi)外已建單級(jí)船閘之最。 船閘充泄水閥門段廊道、第一分流口及第二分流口等輸水系統(tǒng)關(guān)鍵部位水力學(xué)問題突出。

技施設(shè)計(jì)階段通過公開招標(biāo)，中水東北公司聯(lián)合長(zhǎng)科院、南科院、武漢大學(xué)等多家科研單位針對(duì)上述問題開展包括整體及局部水力學(xué)模型試驗(yàn)的8 個(gè)子課題研究，取得豐碩成果。

二、研究?jī)?nèi)容

1.進(jìn)出水口布置

（1）進(jìn)水口布置

比較了3 種進(jìn)水口布置方式，即全部自引航道內(nèi)取水、全部自庫區(qū)取水及部分自引航道內(nèi)取水、部分自庫區(qū)取水。 全部自引航道內(nèi)取水，為滿足上游引航道通航水流條件，上游引航道底高程需擴(kuò)挖，石方開挖及支護(hù)工程量大，工程投資增加較多。 采用全部自庫區(qū)取水方式，為滿足淹沒水深要求，土石方開挖及導(dǎo)航墻混凝土工程量增加較多， 工程投資增加較多。 經(jīng)綜合比較，推薦進(jìn)水口采用部分自引航道內(nèi)取水、部分自庫區(qū)取水方式， 在靠近上閘首左導(dǎo)航墻內(nèi)側(cè)、右導(dǎo)航墻外側(cè)取水，各設(shè)8 個(gè)5.0 m×7.0 m（寬×高）孔口，孔口底高程28.0 m，廊道進(jìn)口處以半徑0.5 m 修圓。

（2）出水口布置

船閘最大工作水頭時(shí)泄水最大流量達(dá)850 m3/s， 此時(shí)下游引航道內(nèi)水位最低，過水?dāng)嗝孀钚。词挂话氲乃啃谷胂掠我降纼?nèi)，其最大表面流速也超過1.2 m/s，超出規(guī)范允許值。 且下游引航道較長(zhǎng)，泄水長(zhǎng)波使得流態(tài)不好。 目前，國(guó)內(nèi)外高水頭船閘大都采用旁側(cè)或部分旁側(cè)泄水布置。 為滿足下游引航道的通航水流條件，采用泄水箱涵將閘室水體直接泄入下游河道內(nèi)。 為平衡閘室內(nèi)外水位差及事故備用， 設(shè)置輔助泄水廊道。船閘左右兩側(cè)泄水廊道通過水平轉(zhuǎn)彎， 在下閘首右側(cè)匯入泄水箱涵，箱涵出口位于左岸廠房尾水渠內(nèi)。

2.第一分流口體形研究及優(yōu)化

第一分流口與閘墻輸水廊道處為T 形相接，目前T 形管處有設(shè)分流脊和不設(shè)分流脊兩種形式。 三峽船閘未設(shè)置，而葛洲壩#1 船閘設(shè)置了。

（1）第一分流口初始方案布置

第一分流口采用立體分流體形，充水進(jìn)口斷面尺寸4～6.0 m×3.1 m，充水出口斷面尺寸4～5.6 m×3.1 m，底高程4.45 m。 通過常壓模型試驗(yàn)， 在閘室進(jìn)行充、泄水時(shí)，第一分流口區(qū)域無明顯不利流態(tài)出現(xiàn)， 流量分配均勻，測(cè)點(diǎn)時(shí)均壓力分布正常，整體無負(fù)壓出現(xiàn)。 但充、泄水過程中，時(shí)均壓力隨著流量和壓力的增加而增加，且充、泄水過程中，進(jìn)口隔板時(shí)均壓力較大；而脈動(dòng)壓力在充水過程較大值出現(xiàn)在進(jìn)口右側(cè)隔板頭部附近，其中脈動(dòng)壓力均方差最大值為6.44×9.81 kPa，泄水過程中支廊道進(jìn)口左、右兩側(cè)隔板脈動(dòng)基本相等，脈動(dòng)壓力標(biāo)準(zhǔn)差不大于2.20×9.81 kPa。

（2）第一分流口體形優(yōu)化研究

初始方案試驗(yàn)成果表明，船閘充水工況在T 形管進(jìn)口右側(cè)隔板頭部處出現(xiàn)脈動(dòng)較大現(xiàn)象，為減小該區(qū)域較大的脈動(dòng)壓力，在初始方案基礎(chǔ)上進(jìn)行方案優(yōu)化試驗(yàn)，優(yōu)化方案一：在T形管增設(shè)導(dǎo)流脊;優(yōu)化方案二：將導(dǎo)流脊向上游移動(dòng)0.5 m。

通過增加導(dǎo)流脊并進(jìn)一步將導(dǎo)流脊上移等方案來改善第一分流口隔板頭部區(qū)域脈動(dòng)壓力較大情況。 試驗(yàn)表明T 形管增設(shè)導(dǎo)流脊兩方案均能起到明顯減小第一分流口隔板頭部脈動(dòng)壓力效果， 兩方案第一分流口隔板頭部頂點(diǎn)脈動(dòng)壓力最大值均不超過2.99×9.81 kPa，方案二略優(yōu)。 推薦第一分流口采用T 形管設(shè)置導(dǎo)流脊的方案。

3.第二分流口體形研究及優(yōu)化

（1）初設(shè)階段第二分流口布置

第二分流口（自分流）取消了常規(guī)體型中縱橫分流隔板，采用簡(jiǎn)單的大空腔低流速自行分流形式。 充水進(jìn)口縱、 橫向斷面均為尺寸5.6 m×7.0 m，充水出口斷面尺寸4～5.0 m×7.0 m。

常壓及減壓模型驗(yàn)證試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)泄水工況時(shí)，第二分流口水流流態(tài)紊動(dòng)較大，脈動(dòng)壓力成果偏大，特別在分流墩頭及頂板處有大的負(fù)向壓力脈沖，減壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)有橫向渦漩空化發(fā)生。

（2）第二分流口體形研究及優(yōu)化

技施階段針對(duì)第二分流口存在問題， 研究單位對(duì)第二分流口墩頭形式進(jìn)行優(yōu)化， 提出了增設(shè)分流脊的優(yōu)化方案。 對(duì)優(yōu)化后的第二分流口進(jìn)行常壓、減壓模型試驗(yàn)。 試驗(yàn)研究表明，在充水迎水面墩面加設(shè)分流脊優(yōu)化后，泄水時(shí)流態(tài)得到很大改善， 充泄水工況均未發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象。 充水迎水面墩頭雖仍有脈動(dòng)壓力，但幅值不大，結(jié)合方便施工需要，采用鋼板襯砌。推薦第二分流口（自分流）采用加設(shè)分流脊的優(yōu)化方案。

4.充水閥門段體形研究

初設(shè)階段充水閥門處廊道斷面尺寸5 m×5.2 m（寬×高），閥門頂高程-0.05 m，初始淹沒水深20.8 m。頂部通過兩個(gè)半徑1 m 的圓弧和斜線向上突擴(kuò)1.8m，底部垂直向下突擴(kuò)3.1m，升坎段由兩個(gè)半徑分別為12 m、10 m 的圓弧和坡度為1∶2.5 的斜線組成。突擴(kuò)腔尺寸為27.0 m×10.1 m，突擴(kuò)腔底板高程-8.35 m，升坎末端高程-5.25 m。

技施階段優(yōu)化進(jìn)行兩方案研究：

方案一：充水閥門處廊道斷面尺寸5 m×5.5 m （寬×高）， 閥門頂高程-1.75 m，初始淹沒水深22.5 m。 頂部通過兩個(gè)半徑1 m 的圓弧和斜線向上突擴(kuò)2.0 m， 再以1∶50 的坡度漸擴(kuò)。 底部垂直向下突擴(kuò)4.0 m，升坎段由兩個(gè)半徑為10 m 的圓弧和坡度為1∶2.0 的 斜 線 組 成。 突 擴(kuò) 腔 尺 寸 為32.82 m×11.50 m， 突 擴(kuò) 腔 底 板 高程-11.25 m，升坎末端高程-6.25 m。

方案二：充水閥門處廊道形式為跌坎按坡度1∶0.45 設(shè)置臺(tái)階向下突擴(kuò)4.0 m，升坎段采用五次曲線。

減壓模型試驗(yàn)研究成果表明，方案一臺(tái)階型跌坎在閥門開啟過程中跌坎處易出現(xiàn)壓力陡降， 有空化現(xiàn)象；“圓弧—直線—圓弧”升坎體形在升坎出口處存在明顯的低壓區(qū)及分離型空化。 方案二“五次曲線”升坎體形， 水流能很好地貼合高次曲線升坎，升坎末端未見明顯分離水流。 跌坎采用強(qiáng)迫通氣儲(chǔ)備措施，摻氣水流即可完全抑制跌坎自身存在的空化，跌坎摻氣水流在升坎出口處部分被主回旋區(qū)摻混，對(duì)閥門底緣抑制效果也極為顯著。 其對(duì)下檢修門井門槽及其后廊道也有較好的保護(hù)作用。

推薦采用充水閥門段體型：閥門后廊道采用“頂擴(kuò)+底擴(kuò)”體形，廊道頂部向上突擴(kuò)2.0 m， 再以1∶50 坡度上擴(kuò)，跌坎部位垂直向下突擴(kuò)4.0 m，升坎部位以五次曲線與輸水主廊道相接。 采用門楣自然通氣和跌坎強(qiáng)迫通氣（儲(chǔ)備措施）的工程措施。

5.泄水閥門段廊道及旁側(cè)泄水箱涵研究

泄水閥門段體形與充水閥門優(yōu)化體形一致，工作閥門下游檢修井布置在閥門井下游37.0 m 處，閥門后廊道采用“頂部突擴(kuò)+底部突擴(kuò)”形式。

研究表明，適當(dāng)縮減泄水箱涵出口斷面面積，提高泄水系統(tǒng)總阻力及改變泄水閥門前后阻力分配，降低泄水流量，即將快速開閥時(shí)輸水系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵部位流速控制在規(guī)范及相關(guān)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)要求的范圍內(nèi)，能滿足泄水時(shí)間要求，充分利用泄水系統(tǒng)較大的慣性長(zhǎng)度，通過快速開閥帶來的慣性有效提高泄水突擴(kuò)腔壓力。 優(yōu)化方案仍采用縮減泄水箱涵出口面積的方式，出口面積漸縮至2～7.5 m×3.9 m，泄水突擴(kuò)腔跌坎體形為直立型跌坎。

優(yōu)化方案常壓試驗(yàn)結(jié)果表明，泄水閥門后廊道頂板在閥門開啟至0.5開度左右，脈動(dòng)強(qiáng)度最大，最大壓力脈動(dòng)均方根值約為2.74 m 水柱，位于閥門井下游30.3 m 處；底板脈動(dòng)均方根最大值為5.17 m 水柱，位于離臺(tái)階跌坎始端5.72 m 處。 五次曲線升坎脈動(dòng)均方根最大值為4.04 m 水柱。 下檢修門門槽底板區(qū)域壓力脈動(dòng)均方根最大值為1.43 m 水柱。

減壓模型試驗(yàn)結(jié)果表明， 雙閥泄水tv=2 min 非恒定流開啟，在未采取門楣自然通氣及跌坎強(qiáng)迫通氣措施的前提下，除了門楣空化外，推薦的閥門段廊道體形還存在底緣空化、 跌坎空化、升坎空化和下檢修門槽出口空化。底緣空化發(fā)生的開度范圍為0.2～0.6。 跌坎空化發(fā)生的開度范圍為0.1～0.5。 升坎空化被限制在0.3～0.4 開度。 下檢修門槽出口在0.3～0.4 開度偶見空化。 采用門楣自然通氣措施后，底緣空化得到充分抑制。采取跌坎強(qiáng)迫通氣儲(chǔ)備措施后摻氣水流即可完全抑制跌坎自身存在的空化，跌坎摻氣水流在升坎出口處部分摻混至主回旋區(qū)，對(duì)閥門底緣抑制效果也極為顯著，對(duì)下檢修門井門槽和廊道也有較好的保護(hù)作用。

綜合分析試驗(yàn)成果，并考慮施工方便，推薦采用的泄水閥門段體形同充水閥門段體形一致：閥門后廊道采用“頂擴(kuò)+底擴(kuò)”體形，廊道頂部向上突擴(kuò)2.0 m，再以1∶50 坡度上擴(kuò)，跌坎部位垂直向下突擴(kuò)4.0 m， 升坎部位以五次曲線與泄水箱涵相接，并預(yù)留門楣自然通氣和跌坎強(qiáng)迫通氣（儲(chǔ)備措施）的工程措施；泄水箱出口斷面涵斷面尺寸2～7.0 m×3.9 m。

6.輸水系統(tǒng)整體試驗(yàn)研究

在第一分流口、 第二分流口、充泄水閥門段體形及泄水箱涵等數(shù)值模擬分析及模型試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，開展了輸水系統(tǒng)整體模型優(yōu)化試驗(yàn)及驗(yàn)證試驗(yàn)。 試驗(yàn)研究取得以下成果：

（1）閥門運(yùn)行方式

①正常運(yùn)行工況：充水閥門采用6～8 min 速度雙閥勻速開啟方式充水。 泄水閥門采用2～4 min 速度雙閥同步勻速開啟泄水。

②事故單閥運(yùn)行工況：充水閥門采用6～8 min 速度開至0.5 開度，停機(jī)6 min 后再以6～8 min 速度開至全開的間歇開啟方式充水。 泄水閥門采用大于或等于5 min 速度勻速開啟或采用2～4 min 速度開至0.7 開度間歇2 min 后再以2～4 min 速度開至全開的間歇開啟方式泄水；主輔閥聯(lián)合運(yùn)行方式為在剩余水頭3 m 時(shí)以2 min速度開啟輔閥， 在剩余水頭2.5 m 時(shí)以3 min 速度動(dòng)水關(guān)閉主閥。

③事故緊急關(guān)閥工況：關(guān)閥速度為3 min。

（2）閘室輸水時(shí)間

充水閥門采用6～8 min 速度雙閥同步勻速開啟，泄水閥門采用2～4 min速度雙閥同步勻速開啟， 最大工作水頭下閘室充、 泄水時(shí)間小于或等于13.5 min；47.60～22.40 m 水位組合下閘室充、泄水時(shí)間小于或等于10.8 min。

（3）流態(tài)

船閘在正常雙閥、事故單閥及事故緊急關(guān)閥工況下運(yùn)行，充、泄水過程中上游引航道水面平靜，未出現(xiàn)漩渦；閘室內(nèi)水面上升、下降平穩(wěn)，未見明顯的縱橫向水流流動(dòng)；充水閥門上下檢修門井、工作閥門井水位均未出現(xiàn)脫空帶氣現(xiàn)象。

（4）最大輸水流量與流速

最大工作水頭下各運(yùn)行工況采用各自對(duì)應(yīng)的閥門運(yùn)行方式充水，雙閥充、 泄水最大流量小于或等于849 m3/s， 單閥充泄水最大流量小于或等于457 m3/s，相應(yīng)輸水系統(tǒng)進(jìn)水口、主廊道、分流口等關(guān)鍵部位流速滿足規(guī)范及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)要求。

（5）閘室停泊條件

最大工作水頭下采用6～8 min 速度雙閥勻速開啟充水，閘室內(nèi)3 000 t單船系纜力均能滿足縱向力不大于46 kN、 橫向力不大于23 kN 規(guī)范要求；2×2 000 t 船隊(duì)系纜力均能滿足縱向力不大于40 kN、 橫向力不大于20 kN 規(guī)范要求且有較大富余。

三、主要成果

通過多家科研單位深入研究，解決了大藤峽船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)問題。

①進(jìn)水口采用側(cè)向垂直多支孔分散進(jìn)水方式。部分自引航道內(nèi)取水、部分自庫區(qū)取水。 出水口采用泄水箱涵將閘室水體旁側(cè)泄入下游河道內(nèi)。

②第一分流口在T 形管處設(shè)置不對(duì)稱分流脊， 解決了第一分流口充水工況分流舌局部易發(fā)生氣蝕問題。

③第二分流口加設(shè)分流脊的自分流體形，分流均勻，充泄水工況均未發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象。 泄水工況脈動(dòng)壓力幅值不大，優(yōu)化后體型合理可行。

④充水閥門段跌坎采用垂直形式，升坎采用五次曲線。

⑤泄水閥門段廊道及旁側(cè)泄水箱涵。 泄水閥門段采用同充水閥門段一致體形。泄水箱涵斷面尺寸采用7.5 m×7.0 m， 出口斷面縮減為7.5 m×3.9 m，有利于改善泄水閥門段工作條件。

⑥整體輸水系統(tǒng)。 優(yōu)化后的四區(qū)段八分支廊道蓋板消能 （自分流）輸水系統(tǒng)水力特性、 廊道壓力特性、船舶停泊條件均滿足規(guī)范要求。