不同船閘泄水過程限制性中間通航航道流速變化規(guī)律

楊俊毅，于廣年，汪 磊，馬殿光

(1.百色樞紐通航投資有限公司，廣西 百色 533000；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456)

船閘-中間航道-升船機(jī)組合型通航是我國西部高壩通航樞紐的一種常規(guī)平面布置形式，已在烏江(構(gòu)皮灘、沙陀)[1-2]、西江(百色)通航建筑物建設(shè)中被應(yīng)用。船閘泄水至下游過程中，由于流量-時(shí)間曲線的變化，在中間通航航道中產(chǎn)生非恒定流，引起水面波動(dòng)、流速和流態(tài)的變化，直接影響船舶的航行安全，對水利樞紐的運(yùn)行也會(huì)帶來不利影響。在船閘-中間航道-升船機(jī)這一組合型通航樞紐布置形式中，受山區(qū)地形限制，中間渠道往往寬度較窄，受到限制性中間航道的邊墻影響，泄水波在中間航道中無法實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)散和消能，同時(shí)下游升船機(jī)邊界對泄水波進(jìn)行反射，泄水波在中間航道內(nèi)往復(fù)傳播，形成復(fù)雜流態(tài)，船閘泄水產(chǎn)生非恒定流對通航的不利影響將進(jìn)一步加劇[3-7]。

船閘泄水波的傳播、衰減及其對通航影響的研究主要通過理論分析、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬展開?？紤]到船閘泄水波對中間渠道流態(tài)影響主要可以歸為以下方面:1)瞬時(shí)泄水流量增大、泄水時(shí)間縮短導(dǎo)致中間通航航道水位壅高，且形成上下游水位差影響中間航道流速；2)下泄水流消能后殘余機(jī)械能引起中間渠道內(nèi)流速變化[8-9]。當(dāng)中間航道流態(tài)、水面波動(dòng)等變化不能滿足通航要求時(shí)，往往需要通過優(yōu)化水流結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，包括延長時(shí)間和改善泄水方式、優(yōu)化中間航道布置、改善船閘消能方式、布設(shè)消波措施等[10-13]。

隨著我國西部大型水利樞紐的建設(shè)和航運(yùn)的快速發(fā)展，高壩通航建筑物設(shè)計(jì)中更多涉及限制性中間航道的布置和應(yīng)用。受到地形地質(zhì)條件影響，限制性中間航道的設(shè)計(jì)難以按照現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行。目前針對于船閘泄水非恒定流引起流場變化的形成機(jī)理、流速變化規(guī)律、流速衰減過程等方面[14-16]，尤其是限制性中間航道內(nèi)的水力要素與非恒定流流量變換、中間航道尺度之間的關(guān)系仍缺乏系統(tǒng)性研究[17-20]。本文依托百色通航樞紐中間航道，對船閘非恒定流泄水過程與限制性中間航道內(nèi)的流場變化進(jìn)行系統(tǒng)物理試驗(yàn)研究，探究中間航道不同區(qū)域流速變化與船閘泄水強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及不同泄水曲線對流速變化的影響機(jī)制。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

受地形制約，百色樞紐中間航道通航線路布置于百色水利樞紐左岸的那祿溝，過船設(shè)施由船閘、中間航道、擋水土壩、通航渡槽及其擋洪檢修閘、垂直升船機(jī)組成，線路全長約4.245 km。試驗(yàn)布置方案見圖1?？紤]中間航道內(nèi)水體總量平衡，模型模擬范圍包括整個(gè)中間航道、船閘下游引航道段、升船機(jī)上游引航道段及泄水汊道、模型上游—上游船閘下閘首、下游—下游升船機(jī)上閘首，并包括那祿溝低洼段。

圖1 百色樞紐中間航道模型試驗(yàn)布置方案

為獲取準(zhǔn)確水流結(jié)構(gòu)及波動(dòng)特性，選用正態(tài)模型，根據(jù)幾何相似原則，其長度比尺設(shè)置為λL＝30，對應(yīng)流速比尺為λv＝＝5.48，阻力比尺為λn＝＝1.76。

百色樞紐中間航道在山體中開鑿，邊坡采用混凝土板襯砌，糙率在0.016～0.020，根據(jù)重力相似原理，對應(yīng)模型糙率為0.009～0.011，因此模型選用水泥砂漿抹面壓光，對應(yīng)糙率在0.01 左右。根據(jù)模型范圍，模型全長120 m，平均寬度10 m(含泄水汊道)。試驗(yàn)利用非恒定流控制系統(tǒng)準(zhǔn)確控制不同船閘泄水非恒定過程，并利用Nortek 公司生產(chǎn)的Vectrino 小威龍ADV 流速測量系統(tǒng)進(jìn)行流速測量。

2 工況設(shè)置

根據(jù)船閘泄水資料，百色船閘泄水工況分為正常蓄水位省水工況及汛限水位非省水工況，根據(jù)前期船閘水力學(xué)試驗(yàn)，獲得船閘泄水流量-時(shí)間變化曲線見圖2。原設(shè)計(jì)泄水方式采用單峰泄水形式，在450 s 內(nèi)完成船閘流量下泄，最大下泄流量在船閘開啟后54 s 內(nèi)達(dá)到50.85 m3∕s，中間限制性航道內(nèi)最大回流流速達(dá)到-0.6 m∕s，嚴(yán)重影響船舶航行和下游升船機(jī)運(yùn)行，因此需要對泄水曲線優(yōu)化。優(yōu)化泄水曲線采用多次下泄流量方式，工況1 采用雙峰泄水曲線方式，增加下泄時(shí)間至550 s 的同時(shí)，有效減小了下泄過程中的最大流量，兩個(gè)峰值分別為54 s 時(shí)的50.85 m3∕s 和408 s時(shí)的50.77 m3∕s；工況2 則采用三峰下泄過程，進(jìn)一步減小峰值流量，3 個(gè)峰值分別為47s 時(shí)的44.25 m3∕s、247s 時(shí)的49.63 m3∕s 和407 s 時(shí)的49.24 m3∕s?？紤]到原始流量下泄方式無法保證中間樞紐運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，因此本文僅對工況1 和2 泄水方式中泄水波傳播及衰減規(guī)律進(jìn)行研究。

圖2 不同工況下上游船閘泄水流量-時(shí)間曲線

3 結(jié)果分析

上游船閘泄水過程中，流量在短時(shí)間內(nèi)迅速下泄并向下游發(fā)展，形成推進(jìn)型泄水長波。在推進(jìn)過程中，隨著能量衰減、波動(dòng)疊加和波峰坦化效應(yīng)，波動(dòng)逐漸減小。隨著波動(dòng)傳遞到限制性中間航道末端，受到下游升船機(jī)閘門的反射，波動(dòng)向上游傳遞，經(jīng)過往復(fù)反射與疊加，形成往復(fù)運(yùn)動(dòng)的振蕩波，最后在航道內(nèi)形成以中部為節(jié)點(diǎn)的駐波。

不同工況條件下中間航道上游(1＃測點(diǎn))、下游(10＃測點(diǎn))及錨泊區(qū)(4＃測點(diǎn))平均流速變化見圖3。

圖3 不同工況條件下流速隨時(shí)間變化過程

中間航道上游流速隨時(shí)間變化過程見圖3a)，因受到閘門泄水的直接影響，泄水水流在上游形成有限域自由界面射流，最大流速隨著流量的增加而增加，工況1 泄流過程中最大流速出現(xiàn)在3.72 min 時(shí)為0.32 m∕s，而最大回流流速出現(xiàn)在10.46 min 時(shí)為-0.29 m∕s。與之相比，隨著最大瞬時(shí)泄流流量減小，工況2 的最大流速和最大回流流速均減小，泄流過程中最大流速出現(xiàn)在2.01 min 時(shí)為0.22 m∕s，最大回流流速出現(xiàn)在8.67 min 時(shí)-0.20 m∕s。由于工況2 泄流流量的峰值更早達(dá)到，因此工況2 最大流速和最大回流流速的最大值均更早達(dá)到。錨泊區(qū)的流速隨時(shí)間變化見圖3b)，水流經(jīng)過一段時(shí)間的傳遞，由于沿程阻力的作用，最大泄流流速和會(huì)流流速均較中間渠道上游減小。工況1 泄流過程中最大流速出現(xiàn)在4.65 min 時(shí)為0.19 m∕s，而最大回流流速出現(xiàn)在12.23 min 時(shí)為-0.08 m∕s。與之相比，隨著最大瞬時(shí)泄流流量減小，工況2 的最大流速和最大回流流速均減小，泄流過程中最大流速出現(xiàn)在4.87 min時(shí)為0.18 m∕s，最大回流流速出現(xiàn)在13.27 min 時(shí)為-0.14 m∕s。中間渠道下游升船機(jī)上游閘門處流速時(shí)間變化過程見圖3c)，隨著水流傳播中沿程能量的進(jìn)一步損耗，最大流速小于船閘下游和錨泊區(qū)流速，工況1 最大流速為0.12 m∕s，最大回流流速為-0.05 m∕s。與之相比，工況2 最大流速為0.10 m∕s，最大回流流速為-0.05 m∕s。

對比不同工況流速衰減過程，在中間渠道上游，工況1 和2 的流速隨時(shí)間演化過程中速度振幅存在一個(gè)明顯的隨時(shí)間衰減的過程，但在錨泊區(qū)和升船機(jī)閘門上游的流速隨時(shí)間演化過程并未出現(xiàn)明顯的衰減，均在20～25 min 后流速數(shù)值振蕩達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定的區(qū)間，錨泊區(qū)速度區(qū)間在-0.08～0.08 m∕s，而升船機(jī)上游則在-0.05～0.05 m∕s。

中間通航渠道沿程最大流速變化過程見圖4，由于中間渠道緊接上游船閘泄水口，因此不同泄水曲線對中間渠道上游引航道的流速變化影響最大。相比于工況1，工況2 最大泄流流量減小，因此在下泄過程中，中間渠道上游的最大流速和最大回流流速均更小。由于中間渠道長度接近2.5 km，流速傳播過程中沿程能量消耗導(dǎo)致最大流速和最大回流流速均減小，在中間渠道末端，工況1 和2 的回流流速接近，均不影響船舶正常進(jìn)出升船機(jī)。

圖4 限制性中間航道最高和最低水位與斷面距離之間關(guān)系

不同工況下中間渠道內(nèi)最大泄流流速和泄水20 min 后最大泄流流速見表1?？梢钥闯?0 min后，隨著泄水波消耗與反射，水流流速逐漸達(dá)到穩(wěn)定值，此時(shí)工況1 中間渠道上游最大流速為0.14 m∕s，較工況2 大40%，而最大回流流速較工況2 大55%。在中間渠道下游，工況1 和2 在泄水20 min 后流速差異較小。

表1 不同工況條件下中間航道上、下游流速變幅

4 結(jié)論

1)泄水波迅速下泄過程中，消能不充分和下泄流量增加是導(dǎo)致中間渠道流速變化的主要原因。

2)利用分段泄水、減小泄水峰值是減小上游最大流速和最大回流流速的有效手段。隨著流速沿程傳遞中的能量消耗，長中間渠道中、下游最大流速和最大回流流速受峰值影響較小。

3)中間渠道水流流態(tài)平穩(wěn)后(泄水時(shí)間＞20 min)，中間渠道上游最大流速與最大回流流速均隨著泄流曲線峰值的增加而增加；中間渠道下游流速不受下泄峰值流量的影響，不同工況的最大流速和最大回流流速趨于一致。