某樞紐船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗

張 震，王勤振

(中交水運規(guī)劃設(shè)計院有限公司，北京 100007)

本論文研究的航道在20世紀50年代航運較發(fā)達，60年代后上游來流量減少，水位下降，加之無力整治，導(dǎo)致其逐漸斷航?，F(xiàn)通過建設(shè)5個梯級樞紐對河段進行渠化。該樞紐為低壩，不考慮攔蓄洪水的功能，主要由擋水、泄水和通航建筑物組成。樞紐船閘級別為Ⅳ級，設(shè)計代表船型為500噸級貨船和一頂2×500噸級頂推船隊，兼顧通航1 000噸級船舶。由于船閘規(guī)模較大，要求水力指標較高，需通過輸水系統(tǒng)模型試驗加以研究，以確保船閘運行及過閘船舶的安全。

1 樞紐船閘輸水系統(tǒng)形式的選擇

依據(jù)JTJ 306—2001《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[1](簡稱“規(guī)范”)中輸水系統(tǒng)類型的判別公式：

(1)

式中：m為判別系數(shù)，當m>3.5時采用集中輸水系統(tǒng)，當m<2.5時采用分散輸水系統(tǒng)，當m在2.5～3.5時應(yīng)進行技術(shù)經(jīng)濟論證，參照類似工程選用；T為輸水時間(min)，T值在8～10 min；H為水頭(m)。由式(1)計算可得：m值在2.64～3.30，介于2.5～3.5之間，可采用集中輸水系統(tǒng)，也可采用分散輸水系統(tǒng)[2-3]?？紤]某樞紐輸水效率、船閘基礎(chǔ)特點及同類工程經(jīng)驗[4]，初定采用局部分散輸水系統(tǒng)。

對于大型船閘，須基于綜合水力指標確定輸水系統(tǒng)形式，計算m值時應(yīng)考慮閘室規(guī)模對輸水系統(tǒng)形式的影響。該樞紐船閘尺度為180 m×23 m×4.0 m(閘室有效長度×凈寬×門檻最小水深)，最大設(shè)計水頭9.16 m，設(shè)計輸水時間為8～10 min。由于水頭較高，根據(jù)總體布置和規(guī)范的規(guī)定及要求，對船閘輸水系統(tǒng)進行水力學(xué)分析，確定輸水系統(tǒng)布置形式及各部位細部尺寸，并通過輸水系統(tǒng)模型試驗進行驗證。輸水系統(tǒng)m值在2.5～3.5，可選用閘墻長廊道短支管分散輸水系統(tǒng)或集中輸水系統(tǒng)。閘墻長廊道輸水系統(tǒng)形式適用于混凝土重力式閘墻，因為在閘墻底部布置主廊道是經(jīng)濟的，在閘墻主廊道上接短支孔也較為方便。這種布置因需兼顧閘室的充水和泄水，因而廊道斷面不變。但該輸水系統(tǒng)形式對閥門單邊運行的適應(yīng)性較差，單邊運行時一側(cè)完全無水出流，另一側(cè)(進水側(cè))出水支孔的水流經(jīng)消力檻消去部分能量后繼續(xù)沖至對面閘墻，在閘室內(nèi)形成水面橫向坡降，使船舶所受的橫向力較大。由于本船閘水頭較高(H=9.16 m)，且輸水時間要求較短(T在8～10 min)，布置集中輸水系統(tǒng)的難度較大，擬采用新型短廊道集中輸水系統(tǒng)。該輸水系統(tǒng)既具有可降低初始波浪力的優(yōu)點，又具有局部閘底消能效率高、可降低局部水流作用力、不設(shè)鎮(zhèn)靜段的優(yōu)點[5]。

結(jié)合2種輸水系統(tǒng)布置形式，分別對閘首、閘室結(jié)構(gòu)形式進行比選，最終決定采用新型短廊道集中輸水系統(tǒng)，節(jié)省工程量及投資(圖1、2)。船閘部位特征尺寸見表1。

表1 船閘局部分散輸水系統(tǒng)設(shè)計方案特征尺寸

圖1 輸水系統(tǒng)總體布置

圖2 上、下閘首局部布置(高程：m；尺寸：mm)

2 輸水系統(tǒng)水力特性試驗與成果分析

2.1 閘室輸水水力特性

船閘水力學(xué)模型范圍包括船閘上/下閘首、閘室、輸水系統(tǒng)、進/出水口、上/下游部分引航道。

依據(jù)樞紐船閘結(jié)構(gòu)和輸水系統(tǒng)布置初步設(shè)計進行模型制作(圖3)。為便于觀察，輸水廊道、閘室內(nèi)出水支孔段、部分閘室邊墻均選用有機玻璃制作；上、下閘首用灰塑料板和紅松制作；閘室用角鋼框架結(jié)構(gòu)和灰塑料板合成；上、下游引航道模型邊墻用磚砌成，引航道內(nèi)地形用水泥沙漿抹面；試驗代表船型選取1 000噸級單船及2×500噸級船隊，船模采用紅松、鐵皮制作，幾何比尺1:30，并按排水量進行配重。

最大設(shè)計水頭9.16 m，充、泄水閥門雙邊勻速開啟時，閘室輸水水力特征值見表 2。

表2 閘室輸水水力特征值

通過模型試驗結(jié)果分析可知，最大設(shè)計水頭時，試驗設(shè)定充水閥門雙邊開啟時間tv分別為5、6、7 min，閘室充水完成時間T分別為9.22、9.68、10.13 min，基本滿足設(shè)計輸水完成時間要求。此時閘室充水最大流量Qmax分別為125.34、116.98、114.22 m3/s，相應(yīng)的充水廊道最大流速vmax分別為6.14、5.73、5.60 m/s，符合設(shè)計規(guī)范要求。

最大設(shè)計水頭時，試驗設(shè)定泄水閥門雙邊開啟時間tv分別為6、7、8 min，閘室泄水完成時間T分別為8.67、9.77、10.13 min，基本滿足設(shè)計輸水完成時間要求。此時閘室泄水最大流量Qmax分別為132.47、132.15、123.84 m3/s，相應(yīng)的泄水廊道最大流速vmax分別為6.4、6.48、6.07 m/s，均符合設(shè)計規(guī)范要求。

圖4為最大設(shè)計水頭時充泄水閥門雙邊勻速開啟時間與輸水完成時間關(guān)系曲線。由于所采用的輸水系統(tǒng)形式介于集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)之間，因此，輸水時閘室仍然存在一定的慣性超高(降)，當充水閥門雙邊開啟時間tv為5 min時慣性超高達最大值d為0.27 m；當充水閥門雙邊開啟時間tv延長至6、7 min時，慣性超高值d有所減小，分別為0.17、0.02 m；當泄水閥門雙邊開啟時間tv為6 min時慣性超降最大值d為0.49 m，同樣當泄水閥門雙邊開啟時間tv延長至7、8 min時，閘室慣性超降值d有所減小，分別為-0.18、-0.05 m。因此當充、泄水時閘室水面超高、超降值d超出規(guī)范0.25 m的要求時，充、泄水后期須采取平水開啟人字閘門或提前關(guān)閉輸水閥門等工程措施。

圖4 最大設(shè)計水頭下輸水時間與閥門開啟時間關(guān)系

綜合閘室內(nèi)船舶停泊條件試驗成果及閘室輸水水力特性試驗成果，推薦閥門運行方式為：輸水系統(tǒng)充水閥門雙邊勻速開啟時間tv為6 min，泄水閥門雙邊勻速開啟時間tv為7 min。

2.2 閘室船舶(隊)停泊條件

船閘輸水過程中閘室內(nèi)船舶(隊)停泊條件主要受充水工況控制，對某樞紐船閘而言，船舶停泊條件控制工況應(yīng)為最大設(shè)計水頭工況。船舶系纜力試驗選擇設(shè)計船型中1 000噸級單船及2×500噸級船隊進行試驗。試驗設(shè)定船舶(隊)在閘室內(nèi)不同排列方式，并進行雙邊充水試驗，試驗工況及系纜力特征值見表3。

由表3可知，最大設(shè)計水頭9.16 m條件下，當1 000噸級單船單列排列在閘室上游段、充水閥門雙邊開啟時間分別為tv=5 min時，最大縱向系纜力為32.42 kN，大于規(guī)范允許值32.00 kN。

表3 閘室內(nèi)船舶(隊)停泊條件特征值(充水閥門雙邊開啟)

但當充水閥門雙邊開啟時間分別為6、7 min時，最大縱向系纜力分別為26.30、16.10 kN，最大前橫向系纜力分別為6.58、7.31 kN，最大后橫向系纜力分別為6.80、3.69 kN；當單船單列排列在閘室下游段、對應(yīng)充水閥門雙邊開啟時(tv為6、7 min)時，最大縱向系纜力分別為14.93、10.95 kN，最大前橫向系纜力分別為2.82、3.47 kN，最大后橫向系纜力分別為8.22、3.69 kN；1 000噸級單船以單列方式停泊在閘室內(nèi)時，所有縱、橫系纜力均滿足規(guī)范要求。

當1 000噸級單船以雙列方式停泊在閘室內(nèi)時，對應(yīng)充水閥門雙邊開啟時間tv=6 min，當單船停泊在閘室上游段時縱向系纜力達到最大值22.43 kN時，對應(yīng)閥門開啟時間tv=6 min，單船停泊在閘室上游段時后橫向系纜力達最大值為8.39 kN，仍小于規(guī)范規(guī)定的縱、橫向允許系纜力。

針對2×500噸級船隊，對應(yīng)充水閥門雙邊開啟時間tv=6 min，船隊停泊在閘室上游段所受縱向系纜力達最大值12.23 kN，對應(yīng)充水閥門雙邊開啟時間tv=6 min，停泊在閘室下游段的船隊所受前橫向系纜力達最大值9.50 kN，仍小于規(guī)范規(guī)定的縱、橫向允許系纜力。

2.3 進、出水口水流條件

樞紐船閘上閘首廊道進水口采用橫支廊道頂支孔布置，最大設(shè)計水頭9.16 m的條件下，上游進水口頂淹沒水深為12.9 m，當充水閥門分別以6、7 min勻速開啟時，進水口最大平均流速為1.72 m/s(tv=6 min)，在最大流量發(fā)生前、后進水口偶見少量表面旋轉(zhuǎn)水流，并未形成有害串氣漩渦，不影響船閘正常運行。

最大設(shè)計水頭條件下，對應(yīng)泄水閥門不同的開啟方式，下游引航道流速特征值見表4。當泄水閥門以tv=6 min雙邊開啟時，消能段最大壅水值為0.55 m，泄流時水流水平擴散完好，流速分布較為均勻，無回漩現(xiàn)象。

表4 不同閥門開啟方式下游引航道流速特征值

3 結(jié)論

1)船閘采用局部分散輸水系統(tǒng)的整體布置設(shè)計合理可行，達到了預(yù)期的目標和要求。

2)最大設(shè)計水頭9.16 m時，推薦輸水系統(tǒng)充水閥門雙邊勻速開啟時間為6 min，泄水閥門雙邊勻速開啟時間為7 min。當充水閥門雙邊勻速開啟時間為6 min時，輸水完成時間為9.68 min，最大縱向系纜力26.30 kN(單船單列停泊于閘室上游段)，最大橫向系纜力9.50 kN(船隊單列停泊于閘室上游段，前橫向系纜力)。

3)船閘上閘首廊道進口采用橫支廊道頂支孔布置，進水條件良好，在最大流量前后進水口偶見少量表面旋轉(zhuǎn)水流，但未形成有害串氣漩渦，不影響正常運行。出水口水流水平擴散良好，無回漩現(xiàn)象。