大型超高水頭船閘輸水系統(tǒng)型式研究與展望

吳英卓，江耀祖， 姜伯樂， 王智娟

(長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢　430010 )

大型超高水頭船閘輸水系統(tǒng)型式研究與展望

吳英卓，江耀祖， 姜伯樂， 王智娟

(長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，武漢430010 )

摘要：高水頭船閘輸水水流攜帶巨大能量，可能對船閘輸水系統(tǒng)運(yùn)行安全及閘室內(nèi)船舶停泊安全產(chǎn)生危害，選擇合理的輸水系統(tǒng)型式對保障工程安全至關(guān)重要。隨著大型超高水頭單級船閘——大藤峽船閘的開工建設(shè)，研究發(fā)現(xiàn)目前已成功運(yùn)行的輸水系統(tǒng)型式不能滿足該工程需要，亟需消能效果更好的輸水系統(tǒng)。結(jié)合大藤峽船閘工程相關(guān)研究，參考國內(nèi)外已建高水頭船閘輸水系統(tǒng)布置的成功經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了高水頭船閘不同輸水系統(tǒng)型式與船閘運(yùn)行水頭和閘室尺度規(guī)模的匹配關(guān)系，介紹了適應(yīng)大藤峽船閘工程特點(diǎn)的自分流全閘室出水4區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)型式，提出了消能效果更好的帶內(nèi)消能工的輸水系統(tǒng)新體型，可供類似超高水頭大型船閘的設(shè)計(jì)和研究借鑒。

關(guān)鍵詞：大型超高水頭船閘；輸水系統(tǒng)型式；自分流；全閘室出水；內(nèi)消能工

1研究背景

近年來在通航河流上已建、在建和擬建的一些運(yùn)行水頭超過30 m的高水頭船閘，有長江三峽船閘[1]、烏江銀盤船閘[2]、烏江白馬船閘[3]、大渡河安谷船閘[4]和黔江大藤峽船閘[3]等，特別是處于設(shè)計(jì)階段的大藤峽船閘和已建成的三峽船閘均是水頭(或級間水頭)超過40 m的超高水頭船閘。其中三峽船閘為連續(xù)5級船閘，其中間級最大水頭45.2 m，閘室尺度280 m×34 m，是世界上閘室尺度最大的超高水頭多級船閘；大藤峽船閘最大水頭40.25 m，閘室尺度與三峽船閘相同，是世界上閘室尺度最大的超高水頭單級船閘。

對三峽船閘，通過采用4區(qū)段8縱支廊道頂部出水蓋板消能等慣性輸水系統(tǒng)，再結(jié)合加大輸水閥門段埋深、閥門后廊道采用突擴(kuò)腔體、門楣通氣以及快速開啟閥門的運(yùn)行方式等綜合措施，成功地解決了輸水系統(tǒng)水流空化及閘室內(nèi)船舶停泊安全問題。大藤峽船閘雖然最大水頭低于三峽船閘，但因單級船閘充水時(shí)上游水位恒定、泄水時(shí)下游水位恒定的特點(diǎn)，使其閘室單次充泄水體達(dá)到三峽船閘的1.8倍，在充水時(shí)間基本相同時(shí)，充水過程中進(jìn)入閘室的水流能量更大，采用與三峽船閘一樣的輸水系統(tǒng)布置型式能否滿足工程需要，須系統(tǒng)地進(jìn)行水力學(xué)研究驗(yàn)證。

此外，隨著我國西部開發(fā)帶來的經(jīng)濟(jì)繁榮，西部通航河流的貨運(yùn)量大幅上升，許多已建樞紐有了擴(kuò)建通航建筑物的需求，而西部河流兩岸山體高陡、河床窄深的特性使得修建多級船閘存在布置困難、工程投資大等問題，且當(dāng)規(guī)模、水頭相近時(shí)，單級船閘的工程投資、技術(shù)難度與建造升船機(jī)相比要低，因此修建水頭接近或超過40 m的超高水頭單級船閘成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的迫切需要。

本文對已有高水頭船閘輸水系統(tǒng)型式展開系統(tǒng)比較，提出了消能效果更好的船閘輸水系統(tǒng)布置型式，可為今后類似超高水頭單級船閘的設(shè)計(jì)提供借鑒。

2高水頭船閘輸水系統(tǒng)研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

船閘輸水系統(tǒng)必須與船閘閘室尺度和水頭相匹配，因此型式眾多。早期的高水頭船閘，閘室尺度較小的多采用簡單分散輸水系統(tǒng)，如前蘇聯(lián)建成的烏斯基-卡米諾阿爾斯基單級船閘[5](閘室尺度為100 m×15 m，最大水頭為42 m)以及我國的萬安單級船閘[6](閘室尺度為175 m×14 m，最大水頭為32.5 m)均采用了閘底長廊道輸水系統(tǒng)；對于閘室尺度較大的船閘多采用較為復(fù)雜的輸水系統(tǒng)布置型式，如美國的約翰德[7]、冰港[8]、下紀(jì)念碑[9]及小鵝船閘[10](閘室尺度為206 m×26.2 m，最大水頭34.5～30.8 m)均采用了閘底前后橫支廊道輸水系統(tǒng)；隨著閘室尺度進(jìn)一步加大又出現(xiàn)了更加復(fù)雜的閘底縱橫支廊道輸水系統(tǒng)布置型式，如我國的葛洲壩2#船閘[11](閘室尺度為280 m×34 m，最大水頭27 m)。顯然為適應(yīng)船閘大型化和高水頭化發(fā)展，與之相匹配的輸水系統(tǒng)型式越來越復(fù)雜，且隨著更大尺度更高水頭船閘的出現(xiàn)，上述輸水系統(tǒng)布置型式已很難滿足過閘船舶停泊安全要求。

表1　　國內(nèi)外部分采用等慣性輸水系統(tǒng)高水頭船閘特征統(tǒng)計(jì)

注：帶上標(biāo)1的船閘處于在建階段，帶上標(biāo)2的船閘處于設(shè)計(jì)階段，其它為已建成；多級船閘最大水頭欄中括號內(nèi)數(shù)值為級間最大水頭。

自20世紀(jì)50年代法國建成第1座等慣性輸水系統(tǒng)船閘后，等慣性輸水系統(tǒng)就因輸水效率高、閘室內(nèi)船舶停泊條件好而被后續(xù)高水頭船閘廣泛采用，并且隨著閘室尺度及水頭的不同，衍生出許多不同的布置型式，但基本可歸納為2區(qū)段出水、4區(qū)段出水、8區(qū)段出水3類等慣性輸水系統(tǒng)布置(基本型式示意圖見圖1)。其中2區(qū)段及4區(qū)段布置均有成功運(yùn)用實(shí)例[12-14]，而8區(qū)段布置僅進(jìn)行過研究。

圖1　等慣性輸水系統(tǒng)基本型式示意圖Fig. 1　Basic patterns of dynamically balanced fillingand emptying system

表1列出了國內(nèi)外部分采用等慣性輸水系統(tǒng)高水頭船閘特征值。從表1可發(fā)現(xiàn)，已建成并成功運(yùn)用的等慣性輸水系統(tǒng)船閘中，閘室長度<200 m均采用了2區(qū)段的布置型式，閘室長度≥200 m則均采用了4區(qū)段的布置型式，并且這2種輸水系統(tǒng)應(yīng)用在單級船閘中水頭均未超過40 m。前蘇聯(lián)曾在特制的水頭為70.0 m、閘室尺寸為150 m×18 m的船閘模型上，研究過迄今為止最為復(fù)雜的8區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)，以及在此基礎(chǔ)上改進(jìn)的帶蓄水池的船閘方案。由此可看出，隨著閘室尺度和水頭的加大，相應(yīng)與之匹配的等慣性輸水系統(tǒng)型式將趨于復(fù)雜。

根據(jù)已建高水頭船閘資料，適應(yīng)水頭在40 m以下的高水頭船閘輸水系統(tǒng)型式已較為成熟；適應(yīng)級間水頭超過40 m的超高水頭多級船閘的輸水系統(tǒng)也有成功實(shí)例，如三峽船閘的4區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)及五強(qiáng)溪船閘的2區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)；而國內(nèi)外已建水頭超過40 m的單級船閘僅有1953年建成的烏斯基-卡米諾阿爾斯基船閘一座，但因其采用了帶中間消能室的閘底長廊道輸水系統(tǒng)，造成輸水水流嚴(yán)重?fù)綒?，閘室內(nèi)停泊條件惡劣。為解決船舶過閘問題致使輸水時(shí)間長達(dá)45 min，屬于輸水系統(tǒng)型式選擇不當(dāng)?shù)陌咐?。因此對于水頭超過40 m的超高水頭單級船閘而言，沒有成功的輸水系統(tǒng)布置型式可供借鑒。

3大型超高水頭單級船閘輸水系統(tǒng)型式研究

大藤峽船閘是典型的超高水頭大型單級船閘，該船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案采用了與葛洲壩1#船閘以及三峽船閘類似的4區(qū)段8縱支廊道頂部出水蓋板消能等慣性輸水系統(tǒng)型式[1]。輸水系統(tǒng)第1分流口采用立體分流體型，第2分流口采用水平與立體組合分流型式[15]，輸水閥門段廊道為 “底擴(kuò)”體型[1]，閥門段埋深20 m，閘室內(nèi)出水孔區(qū)域面積占閘室總面積60%。

圖2　自分流全閘室出水方案輸水系統(tǒng)布置Fig.2　Layout of filling and emptying system with autonomic diversion outletsin the whole shiplock

相關(guān)試驗(yàn)成果表明:該設(shè)計(jì)方案船閘輸水流量大(Qmax>1 000 m3/s)、輸水時(shí)間短;采用與三峽船閘相同的閥門開啟時(shí)間tv=2 min快速開啟閥門運(yùn)行方式時(shí)，輸水時(shí)間T較15 min的設(shè)計(jì)允許值少近4 min，但閘室內(nèi)船舶停泊條件較差，系纜力超標(biāo)1倍左右，即使將閥門開啟速度放慢至tv=12 min，系纜力仍超標(biāo)13%以上，并且輸水閥門后突擴(kuò)腔壓力偏低，如最高通航水頭下雙閥采用tv=2 min快速開啟輸水時(shí)，突擴(kuò)腔各典型測點(diǎn)最低時(shí)均壓力為1.32×9.8 kPa(充水閥門段)、5.48×9.8 kPa(泄水閥門段)；采用tv=8 min較慢速度開啟輸水時(shí)，突擴(kuò)腔各典型測點(diǎn)最低時(shí)均壓力為0.65×9.8 kPa(充水閥門段)、-0.13×9.8 kPa(泄水閥門段)，瞬時(shí)最低壓力均為負(fù)壓，類比相似工程原型與模型壓力差異，在考慮模型縮尺效應(yīng)后可判定閥門工作條件較差。

上述成果表明設(shè)計(jì)方案輸水廊道尺寸偏大，造成進(jìn)入閘室的輸水流量及水流能量偏大。因此，通過物模對輸水系統(tǒng)型式及閥門運(yùn)行方式進(jìn)行了如下優(yōu)化：①將輸水主廊道面積縮小約7%、閥門孔口面積縮小約13%，以控制輸水流量；②縮減閘室內(nèi)出水孔(充水系統(tǒng)出口)以及泄水箱涵出口(泄水系統(tǒng)出口)面積各30%，調(diào)整充泄水閥門段前后阻力分配，以提高閥門段廊道壓力[14，16]；③擴(kuò)大出水孔布置區(qū)域范圍，使有出水孔區(qū)域面積與閘室總面積比由設(shè)計(jì)方案的60%提高至65%(三峽船閘為62%)，以減小單位水體比能；④優(yōu)選閥門運(yùn)行方式，充水閥采用慢速開啟(tv=6～8 min)，泄水閥采用快速開啟(tv=2～4 min)。經(jīng)采用以上綜合措施，控制了船閘輸水流量(Qmax≤850 m3/s)，并且輸水時(shí)間滿足T≤15 min的設(shè)計(jì)要求并略有富余；提高了充泄水閥門段突擴(kuò)腔壓力，最高通航水頭下tv=8 min雙閥開啟充水，突擴(kuò)腔各典型測點(diǎn)最低時(shí)均壓力為8.69×9.8 kPa，瞬時(shí)最低壓力亦為正壓，tv=2 min雙閥開啟泄水，突擴(kuò)腔各典型測點(diǎn)最低時(shí)均壓力為9.03×9.8 kPa，瞬時(shí)最低壓力為4.00×9.8 kPa；改善了閘室內(nèi)船舶停泊條件，縱向系纜力已滿足規(guī)范要求，但仍存在橫向系纜力偏向一側(cè)且超標(biāo)的問題。表明常規(guī)的4區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)布置型式已不能適應(yīng)該工程需要，必須探索新型的輸水系統(tǒng)布置型式。

分析造成閘室停泊條件仍不理想的原因基本為以下3方面：①閘室內(nèi)出流的分散程度仍不夠，單位水體比能過大；②閘底有出水孔區(qū)域與無出水孔區(qū)域會(huì)形成一定的水面坡降，使閘室水面產(chǎn)生擾動(dòng);③通過第2分流口的水流流速過高與分流口體型不匹配，使得進(jìn)入閘室不同區(qū)域水流的均勻度不夠。根據(jù)上述分析可知，進(jìn)一步降低船舶系纜力的途徑為優(yōu)化第2分流口體型及進(jìn)一步加大有出水孔區(qū)域的范圍。

為此對第2分流口體型通過數(shù)模和物模進(jìn)行了優(yōu)化，將通過水平隔板與垂直隔板控導(dǎo)的分流方式，修改為簡單的大空腔水流自行分流方式，該簡單的大空腔體型減小了第2分流口的平面尺寸，使得閘室內(nèi)布置出水孔的廊道長度得到有效延伸。這一新的船閘輸水系統(tǒng)稱之為自分流全閘室出水4區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)，其具體布置型式見圖2。

研究成果表明，自分流全閘室出水方案，在最高通航水頭下，采用tv=6～10 min雙閥開啟充水、tv=2～4 min雙閥開啟泄水，充水時(shí)間為12.85～14.19 min、泄水時(shí)間為13.19～13.87 min[17]，滿足設(shè)計(jì)輸水時(shí)間T≤15 min要求；輸水廊道關(guān)鍵部位流速滿足規(guī)范要求；閘室內(nèi)3 000 t單船最大縱向系纜力34～27 kN、最大橫向系纜力9～8 kN，滿足縱向系纜力≤46 kN、橫向系纜力≤23 kN的規(guī)范要求，且有較大富余,2×2 000 t船隊(duì)最大縱向力29～21 kN、最大橫向系纜力5～3 kN，滿足縱向系纜力≤40 kN、橫向系纜力≤20 kN的規(guī)范要求，且有較大富余；充泄水閥門段、分流口各典型測點(diǎn)時(shí)均壓力均為正壓，壓力狀況良好，如最高通航水頭下tv=8 min雙閥開啟充水，閥門段突擴(kuò)腔各典型測點(diǎn)最低時(shí)均壓力為9.63×9.8 kPa，瞬時(shí)最低壓力為正壓，tv=2 min雙閥開啟泄水，閥門段突擴(kuò)腔各典型測點(diǎn)最低時(shí)均壓力為8.58×9.8 kPa，瞬時(shí)最低壓力為正壓；分流口區(qū)域壓力狀況良好，特別是第2分流口的廊道時(shí)均壓力較高(≥12.80×9.8 kPa)、壓力脈動(dòng)小，說明采用大空腔降低流速分流的方式，分流口自身無空蝕破壞之憂。

圖3　帶內(nèi)消能工的新型輸水系統(tǒng)示意圖Fig.3　New type of filling and emptying system withinternal energy dissipater

4帶內(nèi)消能工新體型展望

從上述研究成果可知，已有的成功運(yùn)用于40 m水頭下的成熟的輸水系統(tǒng)布置型式不能滿足大藤峽船閘的要求，但通過充分?jǐn)U展出水孔范圍以及調(diào)整輸水系統(tǒng)局部廊道尺寸后，確定的自分流全閘室出水4區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)，很好地解決了閘室內(nèi)船舶系纜力超標(biāo)、輸水系統(tǒng)輸水閥門后突擴(kuò)腔壓力偏低的問題?？梢灶A(yù)見，隨著更大尺度更高水頭船閘的出現(xiàn)，上述輸水系統(tǒng)布置型式又將可能不滿足工程需要。因此亟待研究一種結(jié)構(gòu)簡單且消能效果好的輸水系統(tǒng)型式，以適應(yīng)更高的船閘運(yùn)行水頭。

閘室內(nèi)船舶系纜力超標(biāo)等一系列問題，均是因?yàn)檩斔髂芰窟^大，輸水系統(tǒng)消能有限，進(jìn)入閘室內(nèi)水流的能量過大和(或)分布不均勻所致。針對上述問題，長江科學(xué)院提出了一種帶內(nèi)消能工的2區(qū)段高水頭船閘分散輸水系統(tǒng)新體型，見圖3。這一體型較好地解決了超高水頭船閘輸水時(shí)進(jìn)入閘室內(nèi)水流能量過大的難題，使常規(guī)需采用4區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)的船閘輸水系統(tǒng)型式得到簡化，另外通過內(nèi)消能工調(diào)整輸水系統(tǒng)阻力、擴(kuò)大輸水廊道尺寸，達(dá)到降低輸水廊道流速的目的。該新型高水頭船閘輸水系統(tǒng)已獲得國家發(fā)明專利[18]。

該內(nèi)消能工是一種變異的突擴(kuò)突縮式消能工，設(shè)置在輸水系統(tǒng)閘室內(nèi)出口區(qū)域，在輸水支廊道后、出水孔前。輸水水流經(jīng)主廊道過分流口進(jìn)入上下支廊道，通過支廊道側(cè)壁上設(shè)置的多個(gè)分流孔進(jìn)入一個(gè)封閉式消力池，消力池內(nèi)可設(shè)置消力墩和消力梁，水流在消力池內(nèi)先消耗部分能量，再從消力池頂板上設(shè)置的多個(gè)出水孔進(jìn)入閘室，最后通過與出水孔頂設(shè)置的消能蓋板碰撞再消耗部分能量。因進(jìn)入閘室的水流經(jīng)過內(nèi)、外2次消能，并且內(nèi)部消力池淹沒在水下規(guī)避了水流摻氣問題[19]，改善了閘室船舶停泊條件。預(yù)期經(jīng)過進(jìn)一步系統(tǒng)研究與優(yōu)化，這一新的輸水系統(tǒng)型式有望在更高水頭的大型船閘中應(yīng)用。

5結(jié)語

借鑒國內(nèi)外已建高水頭船閘輸水系統(tǒng)布置的成功經(jīng)驗(yàn)，通過對相似規(guī)模船閘進(jìn)行類比分析及物模與數(shù)模研究，對大藤峽船閘輸水系統(tǒng)型式進(jìn)行了論證及優(yōu)化，提出的自分流全閘室出水方案充分吸取了4區(qū)段等慣性輸水系統(tǒng)對不同流量適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，通過全閘室分散輸水減小了閘室水流縱橫向流動(dòng)，有效降低了主要參與消能水體的比能，實(shí)測系纜力已遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值。上述研究成果表明，自分流全閘室出水方案全面兼顧了船閘通過能力、船舶停泊安全及輸水系統(tǒng)自身安全三大船閘運(yùn)行要素，是水頭超過40 m的大型單級船閘的一種可靠的輸水系統(tǒng)布置型式。

在輸水系統(tǒng)閘室內(nèi)出口設(shè)置內(nèi)消能工，規(guī)避了具有開敞水面內(nèi)消能工可能出現(xiàn)的水流摻氣問題，從理論上可解決超高水頭船閘輸水廊道流速過大及閘室內(nèi)水流條件較差的問題；通過加設(shè)的可調(diào)控消能率的內(nèi)消能工，對整個(gè)輸水系統(tǒng)阻力進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對輸水閥門前后阻力分配也進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到適應(yīng)不同條件超高水頭船閘要求的目的。但鑒于針對該輸水系統(tǒng)型式的研究尚不充分，今后有必要進(jìn)行系統(tǒng)研究與優(yōu)化，探明輸水系統(tǒng)阻力分配與水力特性響應(yīng)關(guān)系，獲取帶內(nèi)消能工的船閘輸水系統(tǒng)的適用條件，為更高水頭船閘的設(shè)計(jì)提供科技支撐。

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(編輯：劉運(yùn)飛)

Research and Prospect on Filling and Emptying System ofShiplock with Large-scale and Super-high Head

WU Ying-zhuo, JIANG Yao-zu, JIANG Bo-le, WANG Zhi-juan

(Hydraulics Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:The great stream power in shiplock filling and emptying system with high head may cause harm to the safety of shiplock operation and ship berthing. Choosing a proper type of filling and emptying system will be vital in guaranteeing engineering safety. With the construction of Datengxia shiplock which is a large single lift lock with super-high head, the existing filling and emptying systems cannot meet the shiplock requirement, and a system with better energy dissipation effect is in urgent need. According to relative researches on Datengxia shiplock and successful experiences in the layout patterns of shiplock’s filling and emptying system with high head at home and aboard, we summarize the matching relations between shiplock type and operation head as well as chamber scale, and present a new dynamically balanced system pattern fit for the main features of Datengxia shiplock, with autonomic diversion outlets in the whole chamber at 4 zones. This new type of shiplock filling and emptying system with interior energy dissipation function can provide reference for the design and study of subsequent large shiplocks with super-high head.

Key words:large-scale shiplock with super-high head; type of filling and emptying system; autonomic diversion; whole bottom water filling; internal energy dissipater

收稿日期：2015-10-08 ；修回日期：2015-11-11

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51379019)

作者簡介：吳英卓(1964-)，女，湖北鄖西人，高級工程師，主要從事通航水力學(xué)研究，(電話)13387663107(電子信箱)ckywuyingz@163.com。

doi:10.11988/ckyyb.20150836

中圖分類號：TV135.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)06-0053-05

2016,33(06):53-57