基于多因素的船閘輸水系統(tǒng)選型方法*

李中華，宣國(guó)祥

(南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

船閘輸水系統(tǒng)的類(lèi)型繁多，按閘室出水口布置及消能方式主要分為集中輸水系統(tǒng)、分散輸水系統(tǒng)兩大類(lèi)[1]。根據(jù)不同適應(yīng)范圍，集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)又可細(xì)分為很多種類(lèi)型，以分散輸水系統(tǒng)為列，常用的有閘墻長(zhǎng)廊側(cè)支孔輸水系統(tǒng)、閘底長(zhǎng)廊道側(cè)支孔明溝消能輸水系統(tǒng)、閘底長(zhǎng)廊道側(cè)頂支孔蓋板消能輸水系統(tǒng)、等慣性水平分流多區(qū)段頂支孔蓋板消能輸水系統(tǒng)等10多種輸水系統(tǒng)形式。如何選擇合適的輸水系統(tǒng)是船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)最為關(guān)注的問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外船閘輸水系統(tǒng)選型沒(méi)有統(tǒng)一的方法和標(biāo)準(zhǔn)。

在蘇聯(lián)，船閘設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮工程投資，認(rèn)為當(dāng)水頭不大時(shí)(水頭在15 m以下)，與分散輸水系統(tǒng)相比較，集中輸水系統(tǒng)的工程費(fèi)用可節(jié)省10%～60%，因此建議當(dāng)LH< 2 000 m2(L為船閘閘室的長(zhǎng)度，H為船閘的設(shè)計(jì)水頭)及Hhk< 3(hk為閘室的檻上水深)時(shí)可不論證就采用集中輸水系統(tǒng)，只有當(dāng)水頭超過(guò)18～20 m時(shí)才考慮采用分散輸水系統(tǒng)[2]。按該標(biāo)準(zhǔn)選擇輸水系統(tǒng)，往往導(dǎo)致船閘閘室停泊條件較差，目前已很少采用。

美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)在1985年修訂的船閘設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]中，把水頭分級(jí)以及各自適用的輸水形式作了規(guī)定，見(jiàn)表1，該方法僅考慮了船閘水頭影響，且輸水系統(tǒng)選型偏于保守，水頭超過(guò)了12.2 m就建議采用閘底縱支廊道等慣性輸水，船閘建設(shè)投資大、經(jīng)濟(jì)性差。國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)(PIANC)1986年的技術(shù)手冊(cè)[4]將船閘水頭劃分為小于10.0 m，10.0～15.0 m和大于15.0 m共3級(jí)，并將輸水系統(tǒng)分為簡(jiǎn)單、中等、復(fù)雜共3級(jí)，不同水頭選擇不同復(fù)雜程度的輸水系統(tǒng)形式。

表1 美國(guó)船閘的水頭分級(jí)與輸水系統(tǒng)形式

JTJ 306—2001《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》)根據(jù)式(1)計(jì)算的判別系數(shù)m選擇輸水系統(tǒng)形式，m> 3.5時(shí)，采用集中輸水系統(tǒng)；m> 2.4時(shí)，可采用第一類(lèi)分散輸水系統(tǒng)；當(dāng)1.8≤m≤2.4時(shí)，可采用第二類(lèi)分散輸水系統(tǒng)；當(dāng)m< 1.8時(shí)，可采用第三類(lèi)分散輸水系統(tǒng)；當(dāng)2.5≤m≤3.5時(shí)，可采用集中輸水系統(tǒng)或簡(jiǎn)單分散輸水系統(tǒng)。

(1)

式中：m為判別系數(shù)；H為設(shè)計(jì)水頭(m)；T為設(shè)計(jì)輸水時(shí)間(min)。

與國(guó)外輸水系統(tǒng)選型方法相比，我國(guó)規(guī)范中除船閘設(shè)計(jì)水頭H外，增加了輸水時(shí)間T的影響，并且對(duì)輸水系統(tǒng)分類(lèi)做了更明細(xì)的劃分，PIANC在2009年也推薦了該方法[5]。該方法同樣沒(méi)有考慮船閘平面尺度、閘室初始水深等因素的影響，導(dǎo)致部分船閘根據(jù)m值選擇的輸水系統(tǒng)不能滿足實(shí)際的要求，見(jiàn)表2。由表2可知，西江長(zhǎng)洲1#、2#船閘設(shè)計(jì)水頭和輸水時(shí)間完全相同，m均為2.54，船閘平面有效尺度分別為200.0 m×34.0 m和190.0 m×23.0 m，1#船閘選擇了更加復(fù)雜、消能效果更好的第二類(lèi)分散輸水系統(tǒng)。同時(shí)現(xiàn)行規(guī)范m值與輸水系統(tǒng)實(shí)際選型有偏差，如黔江大藤峽船閘水頭達(dá)到了40.1 m，是世界最大水頭的單級(jí)船閘，輸水時(shí)間15 min，m值僅為2.37，根據(jù)規(guī)范可以選擇第二類(lèi)分散輸水系統(tǒng)，但實(shí)際選擇了最復(fù)雜的第三類(lèi)輸水系統(tǒng)。此外，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，船閘輸水形式多樣，我國(guó)規(guī)范中僅第二類(lèi)輸水系統(tǒng)就有10多種形式，規(guī)范沒(méi)有量化輸水系統(tǒng)與判別系數(shù)，上述因素給船閘輸水系統(tǒng)選型帶來(lái)了很大困難。

表2 部分輸水系統(tǒng)選型偏差典型工程

1 輸水系統(tǒng)選型模型

1.1 選型方法

船閘輸水系統(tǒng)選型需要綜合評(píng)價(jià)船閘設(shè)計(jì)水頭、輸水時(shí)間、閘室平面尺度、閘室初始水深等多因素影響。目前，考慮多因素影響的綜合評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法、模糊綜合評(píng)判法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)判法和灰色綜合評(píng)價(jià)法等[6-7]。這幾種評(píng)價(jià)方法各有特點(diǎn)，層次分析法主要針對(duì)方案基本確定的決策問(wèn)題，一般僅用于方案優(yōu)選[8]；數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法完全基于指標(biāo)數(shù)據(jù)的客觀信息進(jìn)行評(píng)價(jià)，剔除了人為因素帶來(lái)的誤差；人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是一種面向復(fù)雜系統(tǒng)的一類(lèi)新型評(píng)價(jià)方法；而灰色綜合評(píng)價(jià)法則是定量表征各因素之間的關(guān)聯(lián)程度，實(shí)質(zhì)上是評(píng)價(jià)對(duì)象與參考對(duì)象特征參數(shù)比較，特征參數(shù)越接近，評(píng)價(jià)對(duì)象越接近參考對(duì)象[9]。絕對(duì)關(guān)聯(lián)度是灰色綜合評(píng)價(jià)法中一種量化幾種衡量因素間關(guān)聯(lián)程度大小的方法，該方法對(duì)數(shù)據(jù)量沒(méi)有太高的要求。該方法記H={Xi|iI={0，1，2，3，…，m}}為因素集(關(guān)聯(lián)空間)，X0H為參考因素列，X0={x0(k)|k=1，2，…，n}，YH為需要比較因素列，Y={y(k)|k=1，2，…，n}，則H中比較因素列Y對(duì)參考因素列X0的絕對(duì)關(guān)聯(lián)度可按下式計(jì)算：

R(X0，Y)=

(2)

根據(jù)上述方法，可將船閘輸水系統(tǒng)根據(jù)某種特征劃分為i種類(lèi)型，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型輸水系統(tǒng)特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立第i類(lèi)輸水系統(tǒng)影響因素指標(biāo)參考序列Xi={xi(k)|k=1，2，…，n}，計(jì)算需要選型的船閘對(duì)比指標(biāo)序列Y={y(k)|k=1，2，…，n}與第i類(lèi)輸水系統(tǒng)參考序列Xi的相關(guān)性R(Xi，Y)，Y與Xi相關(guān)性最大，則選擇第i類(lèi)輸水系統(tǒng)。

1.2 輸水系統(tǒng)分類(lèi)

根據(jù)不同類(lèi)型輸水系統(tǒng)布置及消能特點(diǎn)，在我國(guó)規(guī)范輸水系統(tǒng)類(lèi)型基礎(chǔ)上，目前常用的輸水系統(tǒng)形式從簡(jiǎn)單到復(fù)雜主要有以下7類(lèi)：

1)集中輸水系統(tǒng)。水流從閘室端部輸入閘室，水流由一個(gè)閘首流向另一閘首。

2)局部分散輸水系統(tǒng)。充水采用分散輸水系統(tǒng)，泄水采用集中輸水系統(tǒng)。

3)第一類(lèi)分散輸水系統(tǒng)。我國(guó)規(guī)范的第一類(lèi)分散輸水系統(tǒng)，主要有閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)。

4)第二類(lèi)a型。主要有閘底長(zhǎng)廊道側(cè)支孔明溝消能輸水系統(tǒng)、閘底長(zhǎng)廊道頂支孔蓋板消能輸水系統(tǒng)，閘室廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)等；其特點(diǎn)為輸水系統(tǒng)閘室內(nèi)不設(shè)分支廊道、不分區(qū)。

5)第二類(lèi)b型。閘墻長(zhǎng)廊道閘室橫支廊道輸水系統(tǒng)，其特點(diǎn)為閘室內(nèi)布置橫向支廊道，不設(shè)縱向支廊道。

6)第二類(lèi)c型。包括閘室縱、橫支廊道輸水系統(tǒng)，水平分流閘底支廊道輸水系統(tǒng)等，其特點(diǎn)為輸水系統(tǒng)在閘室內(nèi)分區(qū)、水流由閘室中部廊道進(jìn)入、并設(shè)置縱向支廊道。

7)第三類(lèi)。我國(guó)規(guī)范的第三類(lèi)分散輸水系統(tǒng)，如等慣性立體分流多區(qū)段分散輸水系統(tǒng)，其特點(diǎn)為輸水系統(tǒng)等慣性布置，第一分流口采用立體分流。

1.3 輸水系統(tǒng)判別指標(biāo)

從船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)角度出發(fā)，船閘輸水系統(tǒng)選型主要受設(shè)計(jì)水頭H、閘室長(zhǎng)度L、寬度B、初始水位深D、輸水時(shí)間T等多因素影響，如何量化各因素的影響，建立各種類(lèi)型輸水系統(tǒng)的量化評(píng)價(jià)指標(biāo)，是建立輸水系統(tǒng)選型模型的關(guān)鍵。船閘輸水系統(tǒng)選型本質(zhì)是選擇合適的輸水系統(tǒng)形式消殺進(jìn)入閘室的水流能量，根據(jù)船閘輸水能量方程，船閘輸水過(guò)程進(jìn)入閘室的最大能量可表示為[10]：

(3)

則船閘水平、縱向和橫向單位面積需要消殺的水流能量，可表示為：

(4)

(5)

(6)

式中：Emax為輸水最大能量；C為閘室計(jì)算水域面積，多級(jí)船閘取閘室水域面積一半(m2)；Kv為閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間tv與輸水時(shí)間T的比值；EH為閘室水平單位面積能量；EL為閘室縱向單位面積能量；EC為閘室橫向單位面積能量；ρ為水密度。

(7)

(8)

(9)

由上可見(jiàn)，mH、mL、mC這3個(gè)無(wú)量綱變量分別代表了輸水系統(tǒng)在水平、縱向和橫向單位面積內(nèi)需要消殺的能量。我國(guó)規(guī)范船閘輸水系統(tǒng)判別系數(shù)m實(shí)質(zhì)上代表了輸水系統(tǒng)閘室水面單位面積消殺的能量，為與現(xiàn)行規(guī)范統(tǒng)一，仍采用m值作為船閘水平單位面積能量的指標(biāo)。

為分析不同類(lèi)型輸水系統(tǒng)單位面積實(shí)際消殺能量，按上述方法，計(jì)算分析了國(guó)內(nèi)外123座大型船閘[11]的m、mL、mC值，見(jiàn)圖1、2。其中集中輸水系統(tǒng)23座，平均作用水頭6.7 m；局部分散輸水系統(tǒng)5座，平均作用水頭9.0 m；第一類(lèi)分散輸水系統(tǒng)45座，平均作用水頭11.5 m；第二類(lèi)a型28座，平均作用水頭18.6 m；第二類(lèi)b型12座，平均作用水頭25.7 m；第二類(lèi)c型3座，平均作用水頭28.4 m；第三類(lèi)7座，平均作用水頭37.0 m。

圖1 不同類(lèi)型輸水系統(tǒng)m與mL的關(guān)系

圖2 不同類(lèi)型輸水系統(tǒng)mL與mc的關(guān)系

按輸水系統(tǒng)劃分標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)分析了7類(lèi)輸水系統(tǒng)形式的m、mL、mC均值，見(jiàn)表3。根據(jù)灰色綜合評(píng)價(jià)法，可建立輸水系統(tǒng)影響因素指標(biāo)參考序列Xi={mi，mLi，mCi}，i=1，…，7，分別表示1.2節(jié)劃分的7類(lèi)輸水系統(tǒng)形式。

表3 7類(lèi)輸水系統(tǒng)形式影響因素指標(biāo)

2 應(yīng)用案例

選擇13座已建或在建的不同水頭、平面尺度、初始水深和輸水時(shí)間的典型船閘進(jìn)行輸水系統(tǒng)選型[12-16]，測(cè)試船閘作用水頭7.0～45.2 m，船閘閘室長(zhǎng)度變化范圍120～300 m，閘室寬度變化范圍12～34 m，閘室初始水深3.0～10.0 m，輸水時(shí)間8.0～16.0 min，各測(cè)試船閘具體特征參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 測(cè)試船閘特征參數(shù)表與影響因素指標(biāo)

表5為13座船閘與不同類(lèi)型輸水系統(tǒng)形式關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果，根據(jù)絕對(duì)關(guān)聯(lián)度的大小進(jìn)行相關(guān)排序，絕對(duì)關(guān)聯(lián)度越大，表明該船閘越適合該輸水系統(tǒng)形式，最終輸水系統(tǒng)選型結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可見(jiàn)，本文方法選擇確定的輸水系統(tǒng)形式12座與工程實(shí)際采用形式一致，其選型效果明顯優(yōu)于現(xiàn)行規(guī)范。

表5 測(cè)試船閘與7類(lèi)輸水系統(tǒng)形式關(guān)聯(lián)度

表6 測(cè)試船閘輸水系統(tǒng)選型

3 結(jié)論

2)應(yīng)用本文模型計(jì)算了13座典型船閘的輸水系統(tǒng)形式，結(jié)果表明：模型計(jì)算的輸水系統(tǒng)形式與工程實(shí)際采用的輸水系統(tǒng)形式基本一致，不僅選型結(jié)果明顯優(yōu)于現(xiàn)行規(guī)范，而且可以量化輸水系統(tǒng)選型結(jié)果，具有很好的實(shí)用價(jià)值。