洪江船閘改造輸水系統(tǒng)布置試驗研究

王 能，高衡東，胡越高，李 君，郭 超，王 鑫，普曉剛

(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司，長沙 410000；2. 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)重點實驗室，南京 210029；3.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

洪江樞紐位于湖南省懷化市洪江區(qū)境內(nèi)的沅水干流上，是沅水梯級開發(fā)的第8級，從左至右依次布置電站、泄水閘、單線二級船閘。洪江樞紐位于順直微彎河道，兩岸山體雄厚，空間狹窄，左岸無建設(shè)船閘位置。右岸為現(xiàn)有一線二級300 t級船閘，第一級船閘與大壩泄水閘相連，船閘2003年正式通航，受船閘規(guī)模小和下游通航條件控制，目前船閘使用頻率低，成為制約沅水高等級航道建設(shè)的關(guān)鍵節(jié)點，需進(jìn)行改造。

原船閘口門有效寬度12 m，為盡量減少原船閘拆除對壩體影響，參考國內(nèi)富春江船閘成功改造經(jīng)驗[3-5]，本次改造拆除原中閘首、二閘室和下閘首，利用原上閘首做為樞紐擋水建筑物的組成部分，原上閘首和一閘室作為明渠導(dǎo)航段[6]。新建船閘由上、下閘首、廣腹式閘室以及上、下游引航道組成。船閘軸線維持原船閘布置與壩軸線夾角90°，改造船閘上閘首布置于現(xiàn)有中閘首處，與原一閘室末端緊密連接。新建船閘閘室長度為215 m；上閘首口門寬度12.0 m，閘室為向右單側(cè)拓寬11 m的不對稱廣腹式，閘室總寬23.0 m，下閘首口門寬度23.0 m(圖1)。

圖1 洪江船閘改造布置圖Fig.1 Layout of the Hongjiang reconstructive lock

1 船閘輸水系統(tǒng)布置

新建船閘輸水系統(tǒng)采用閘底長廊道側(cè)支孔出水明溝消能輸水系統(tǒng)布置型式。在原有船閘基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，利用上閘首和一閘室作為明渠導(dǎo)流，閥門廊道斷面面積24.0 m2(2～3.0 m×4.0 m，寬×高，下同)，考慮船閘設(shè)計水頭大且下游水位變幅達(dá)5.7 m，降低輸水閥門頂高程至153.05 m，依靠閥門后較大的壓力，減免門后空化的發(fā)生，以此為基礎(chǔ)斷面進(jìn)行輸水系統(tǒng)布置，輸水系統(tǒng)特征尺寸匯總見表1，輸水系統(tǒng)布置見圖2。

表1 輸水系統(tǒng)特征尺寸匯總表Tab.1 Characteristic dimensions of the lock filling and emptying system

圖2 新建船閘改造輸水系統(tǒng)布置示意圖(單位：cm，高程：m)Fig.2 Layout of the reconstructive lock filling and emptying system

2 船閘輸水系統(tǒng)初步認(rèn)識

洪江船閘擴(kuò)建改造具有其特殊性和復(fù)雜性，工程中主要存在以下關(guān)鍵技術(shù)問題：

(1)洪江船閘工作水頭達(dá)27 m，船閘輸水系統(tǒng)布置及消能難度大，同時洪江船閘要在短時間內(nèi)灌滿或者泄空閘室，閘室內(nèi)水位上升速度將會很快，要求達(dá)到2.5 m/min，將影響閘室內(nèi)船舶的泊穩(wěn)條件[8]。

(2)新建上閘首門檻上游迎水面設(shè)置與老船閘閘室寬度一致的正面取水口，由于新建船閘為單側(cè)擴(kuò)寬的廣腹式船閘，造成取水口兩側(cè)輸水廊道不對稱，輸水系統(tǒng)水流條件十分復(fù)雜，復(fù)雜水流條件下的取水布置問題也是洪江船閘擴(kuò)建改造工程輸水系統(tǒng)水力學(xué)方面的技術(shù)特點之一。

3 物理模型設(shè)計

為了驗證新建船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)，開展輸水系統(tǒng)水力學(xué)物理模型試驗[7-9]。模型按重力相似設(shè)計，比尺為1:25，模型與原型各物理量換算關(guān)系為：重量及力比尺L3=15 625；流速及時間比尺L1/2=5；流量比尺L5/2=3 125。模型范圍包括原體上游引航道、船閘閘室、輸水系統(tǒng)(包括進(jìn)水口、上閘首、閘室、下閘首泄水出水段)以及下游引航道(圖3)。

圖3 新建船閘物理模型Fig.3 The reconstructive lock physical model

4 設(shè)計方案模型試驗成果及分析

4.1 船閘輸水水力特性

由于洪江船閘為典型高水頭大型單級船閘，一次輸水過程輸水體積達(dá)14.3萬m3，同時輸水水力指標(biāo)較高，閘室內(nèi)水位變動速度較大，直接影響閘室內(nèi)船舶的泊穩(wěn)條件。為保證輸水過程安全與效率，在設(shè)計水頭下分別設(shè)定閥門雙邊及單邊運(yùn)行工況，測定并計算設(shè)計水頭下，充、泄水閥門不同開啟時間的閘室水位變化過程線、流量變化過程線、閘室的充泄水時間、輸水廊道各典型斷面平均流速、閘室充泄水慣性超高降等，主要水力特征值見表2。

表2 閘室輸水水力特征值Tab.2 Hydraulic characteristic value of lock water delivery process

由表可見，設(shè)計方案下，隨著雙邊閥門勻速開啟時間的增加，閘室輸水完成時間逐漸延長、最大流量逐漸減小?？刂瞥渌y門雙邊勻速開啟時間tv<8 min時，閘室充水時間滿足設(shè)計16.5 min的要求，tv=7 min時，閘室充水完成時間16.49 min，充水最大流量為286.64 m3/s，閥門處廊道最大斷面平均流速達(dá)到11.94 m/s，水力特征指標(biāo)都滿足規(guī)范和設(shè)計要求。當(dāng)泄水閥門雙邊開啟時間tv為4～7 min時，在相同閥門開啟時間條件下，泄水工況水力特征值都略大于充水工況，當(dāng)tv=7 min時，泄水完成時間15.31 min，最大流量303.32 m3/s，閥門處廊道最大斷面平均流速12.64 m/s；當(dāng)泄水閥門tv=4 min雙邊開啟時，泄水完成時間13.62 min，最大流量324.04 m3/s，閥門處廊道最大斷面平均流速達(dá)到13.50 m/s。

當(dāng)輸水閥門單邊開啟時，除閘室輸水時間、閥門處廊道最大斷面平均流速和旁側(cè)廊道最大斷面流速外，其他特征值單邊連續(xù)運(yùn)行方式下都小于相應(yīng)的雙邊開啟方式。最大設(shè)計水頭工況下，若充水閥門采用7 min單邊連續(xù)開啟，閥門處廊道最大斷面平均流速為16.72 m/s>15 m/s，不滿足規(guī)范要求，閥門工作條件較為惡劣(圖4)。

圖4 閥門單邊開啟tv=7 min充水水力特性曲線Fig.4 Hydraulic characteristic curve of water-filling process(tv=7 min，Single side valve)

本船閘泄水系統(tǒng)中設(shè)有旁側(cè)泄水廊道，由于旁側(cè)廊道較長、且廊道采用類似結(jié)構(gòu)薄壁形式，其水流流速不能按輸水系統(tǒng)主廊道控制，目前的規(guī)范也沒有明確的指標(biāo)，只能參考運(yùn)行多年、具有類似旁側(cè)泄水廊道的三峽船閘，已經(jīng)安全運(yùn)行多年的三峽船閘末級旁側(cè)泄水廊道流速6.8 m/s。采用旁側(cè)泄水廊道進(jìn)行單邊泄水tv=4 min時，平均最大流速7.6 m/s，大于三峽船閘旁側(cè)泄水廊道流速(圖5)。

圖5閥門單邊開啟tv=4 min泄水水力特性曲線Fig.5 Hydraulic characteristic curve of water-emptying process(tv=4 min，Single side valve)

4.2 閘室內(nèi)船舶的泊穩(wěn)條件

最大設(shè)計水頭下，閘室船舶(隊)停泊條件試驗工況按船舶(隊)在閘室中受力最大；試驗船舶(隊)采用受控制的500 t設(shè)計船舶，輸水閥門開啟時間采用滿足輸水時間要求且水力指標(biāo)稍高的6～7 min；運(yùn)行方式除考慮雙邊運(yùn)行方式外，還考慮了單邊運(yùn)行方式，試驗結(jié)果如表3所示。

表3 船舶(隊)最大系纜力表Tab.3 The maximum mooring forces

由表可見，當(dāng)充水閥門雙邊開啟時間tv=7 min時，船舶最大縱向系纜力為9.79 kN(停泊于下半閘室)，最大橫向力為9.51 kN(停泊于上半閘室)；當(dāng)充水閥門單邊開啟時間tv=7 min，設(shè)計500 t單船的最大縱向系纜力為8.80 kN(停泊于閘室中部)，最大橫向力為9.39 kN(停泊于上半閘室)。

因此，輸水系統(tǒng)采用雙明溝消能布置，在改善閘室中船舶停泊條件方面獲得了預(yù)期的效果，船閘正常運(yùn)行時閘室內(nèi)水流較平穩(wěn)，充水閥門開啟時間為7 min時，各類設(shè)計船舶(隊)的系纜力均小于規(guī)范允許值，并且留有一定富余。

4.3 取水口流速流態(tài)

設(shè)計方案中船閘上游進(jìn)水口采用正面進(jìn)水口布置，直接在老閘室內(nèi)取水，廊道進(jìn)水口頂高程為176.75 m，進(jìn)水口面積為12.0 m×5.0 m(寬×高)=60 m2。當(dāng)充水閥門雙邊開啟時間tv=7 min時，最大設(shè)計水頭工況下，雙邊充水最大流量為287 m3/s，進(jìn)水口最大斷面平均流速為4.78 m/s，充水過程中發(fā)現(xiàn)有間歇出現(xiàn)的串心旋渦；上游最低通航水位工況下(水位組合：186.00 m～163.00 m)，充水閥門雙邊開啟tv=7 min時，雙邊充水最大流量為253 m3/s，進(jìn)水口最大平均流速為4.22 m/s，出現(xiàn)較為強(qiáng)烈的間歇串心旋渦(圖6)。

圖6 進(jìn)水口串心旋渦Fig.6 Vortex above the hydraulic intakes

當(dāng)充水閥門單邊開啟時間tv=7min時，最大設(shè)計水頭工況下，單邊充水最大流量為201 m3/s，進(jìn)水口最大斷面平均流速下降為3.35 m/s，此時進(jìn)水口水流條件良好，充水時水面平穩(wěn)；上游最低通航水位工況下(水位組合：186.00 m～163.00 m)，單邊充水最大流量為188 m3/s，進(jìn)水口最大平均流速為3.13 m/s，進(jìn)水口水流條件較為滿意，水面平穩(wěn)，未見漩渦等不良水力現(xiàn)象。

4.4 設(shè)計方案小結(jié)

(1)最大設(shè)計水頭工況、雙邊閥門運(yùn)行方式時，推薦充水閥門開啟時間tv=7 min，泄水閥門開啟時間tv=4 min，此時水力特征指標(biāo)都滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

(2)在充水閥門開啟時間tv=7 min時，進(jìn)水口最大斷面平均流速超過規(guī)范要求，加之充水流量多在狹窄的老閘室內(nèi)取水，因此進(jìn)水口水流條件需加以關(guān)注；在泄水閥門開啟時間tv=4 min時，水力特征值較高，但由于其淹沒水深始終保持不變，因此其閥門工作條件較充水閥門要更為惡劣，仍需進(jìn)一步研究。

(3)單邊閥門連續(xù)開啟時關(guān)鍵水力指標(biāo)較雙邊閥門輸水工況有較大增加，閥門處廊道最大斷面平均流速將超過15 m/s，不滿足規(guī)范，會對閥門及輸水廊道運(yùn)行造成一定不利影響。

(4)當(dāng)以tv=7 min充水閥門單、雙邊運(yùn)行，設(shè)計500 t單船系纜力均滿足規(guī)范要求。

(5)充水閥門雙邊開啟時間tv=7 min時，充水過程中新建船閘進(jìn)水口發(fā)現(xiàn)間歇出現(xiàn)的串心旋渦。

5 優(yōu)化方案模型試驗成果及分析

5.1 優(yōu)化方案輸水系統(tǒng)布置

針對設(shè)計方案存在的上述問題，在船閘輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方面進(jìn)行以下優(yōu)化布置, 將新船閘上閘首充水閥門埋深深度增加2.45 m，為消除洪江新船閘進(jìn)水口處的串心旋渦，在進(jìn)水口前設(shè)置消渦板[10]，并配合填平老閘室進(jìn)水口至門檻高程178 m(圖7)。同時，針對設(shè)計方案存在的單邊閥門連續(xù)開啟時輸水廊道流速過大這一不利影響，優(yōu)化新船閘在閥門單邊運(yùn)行時采用間歇開啟方式，以保證船閘廊道的輸水安全。

圖7 優(yōu)化方案改建船閘輸水系統(tǒng)整體布置(單位：cm，高程：m)Fig.7 The optimization scheme of the reconstructive lock filling and emptying system

5.2 優(yōu)化方案模型試驗成果及分析

5.2.1 單邊運(yùn)行方式下的充泄水水力特性

由于單邊閥門連續(xù)開啟時輸水廊道流速過大，對船閘閥門在單邊間歇開啟時的水力特性進(jìn)行分析。調(diào)整船閘充水時閥門單邊開啟方式，單邊閥門以tv1=7 min的速度開至n=0.7開度后，停機(jī)tv2=4 min，再以原速度開至全開；船閘泄水時單邊閥門以tv1=4 min的速度開至n=0.7開度后，停機(jī)tv2=4 min，再以原速度開至全開。

此時，最大設(shè)計水頭下單邊充水最大流量為157.26 m3/s，輸水時間為25.13 min，輸水閥門處廊道斷面平均最大流速為13.11 m/s，進(jìn)水口最大斷面平均流速為2.63 m/s(圖8)。單邊泄水時最大流量為169.30 m3/s，輸水時間為23.85 min，輸水閥門處廊道斷面平均最大流速為14.11 m/s，旁側(cè)泄水廊道最大斷面平均流速為4.70 m/s，小于三峽船閘末級旁側(cè)泄水廊道流速(6.8 m/s)值(圖9)。

圖8 閥門單邊間歇開啟充水水力特性曲線Fig.8 Hydraulic characteristic curve of water-filling process(Single side valve intermittent opening)

圖9 閥門單邊間歇開啟泄水水力特性曲線Fig.9 Hydraulic characteristic curve of water-emptying process(Single side valve intermittent opening)

因此，洪江船閘改造工程在單邊開啟時采用上述間歇開啟方式，船閘廊道的輸水水力特征值均滿足規(guī)范要求。

5.2.2 進(jìn)水口水流條件

針對充水過程中新船閘進(jìn)水口出現(xiàn)串心旋渦，在進(jìn)水口前設(shè)置了消渦板，消渦板沿進(jìn)水口向上游延伸17 m、寬12 m、厚0.8 m；消渦板上間距0.8 m設(shè)置0.05 m、0.08 m、0.1 m、0.15 m、0.25 m寬不等的取水槽(圖10)。設(shè)置消渦板后，新船閘進(jìn)水口前水面在充水閥門大開度時仍有一定的表面旋渦，但尚未形成串心旋渦(圖11)。

6 結(jié)論

洪江樞紐改造船閘最大水頭為27.0 m，閘室有效尺度為215 m×23 m×4.0 m(長×寬×門檻水深)，設(shè)計輸水時間為16.5 min。根據(jù)改造工程條件及地形限制，確定采用閘底長廊道側(cè)支孔出水明溝消能輸水系統(tǒng)，且需利用原已有船閘設(shè)施進(jìn)行布置，具有其特殊性和復(fù)雜性。為確保船閘運(yùn)行及過閘船舶安全，建立1:25水工物理模型進(jìn)行試驗研究。研究結(jié)果表明，最大設(shè)計水頭工況、雙邊閥門運(yùn)行方式時，推薦充水閥門開啟時間tv=7 min，泄水閥門開啟時間tv=4 min，此時輸水水力特征指標(biāo)及船舶系纜力均滿足規(guī)范和設(shè)計要求。

然而設(shè)計方案下，當(dāng)單邊閥門以tv=7 min連續(xù)開啟時，閥門處廊道最大斷面平均流速將超過15 m/s，閥門工作條件較為惡劣。對此，通過優(yōu)化充水閥門單邊運(yùn)行方式為單邊間歇開啟，即建議單邊閥門以tv1=7 min的速度開至n=0.7開度后，停機(jī)tv2=4 min，再以原速度開至全開；船閘泄水時單邊閥門以tv1=4 min的速度開至n=0.7開度后，停機(jī)tv2=4 min，再以原速度開至全開，可有效改善單邊輸水水力特性。同時為消除設(shè)計方案進(jìn)水口在充水過程中間歇出現(xiàn)的串心旋渦，建議在進(jìn)水口前設(shè)置消渦板。