碾盤山船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

卜美飛，孫?；ⅲ遘?，胡開菊

(湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

1 工程概況

湖北省碾盤山船閘建設(shè)規(guī)模為Ⅲ級，設(shè)計(jì)代表船型為1 000噸級貨船，尺度為85.0 m×10.8×2.0 m(長×型寬×設(shè)計(jì)吃水，下同)，同時(shí)兼顧現(xiàn)狀1 000噸級船型及長江水系過閘1 000噸級干散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型，船舶尺度64.0 m×13.0 m×2.4 m。船閘尺度根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[1]，并考慮長江水系過閘1 000噸級干散貨船標(biāo)準(zhǔn)船型，確定船閘有效尺度采用200.0 m×23.0 m×4.0 m(有效長度×有效寬度×門檻水深)。船閘設(shè)計(jì)通過能力為：近期(2025年)單向年過閘客貨運(yùn)量692萬t，遠(yuǎn)期(2050年)單向年過閘客貨運(yùn)量895萬t。船閘最大設(shè)計(jì)水頭14.2 m[2]，通航特征水位見表1。

表1 船閘設(shè)計(jì)水位

2 輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 輸水系統(tǒng)形式選擇

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]輸水系統(tǒng)類型的選擇公式：

(1)

式中：T為閘室灌水時(shí)間(min)，根據(jù)船閘設(shè)計(jì)通過能力等要求初步取10 min；H為設(shè)計(jì)水頭(m)，最大為14.2 m；m為判別系數(shù)。根據(jù)規(guī)范，m>3.5時(shí)，采用集中輸水系統(tǒng)；m為2.5～3.5時(shí)，輸水系統(tǒng)類型應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證或參照類似工程選定；m<2.5時(shí)，采用分散輸水系統(tǒng)。本船閘m值為2.65，應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證或者參照類似工程選擇輸水系統(tǒng)。

根據(jù)國內(nèi)已建較高水頭船閘輸水系統(tǒng)形式相關(guān)資料，大多數(shù)集中輸水系統(tǒng)形式都應(yīng)用于10 m以下水頭船閘，對于10 m水頭以上船閘大多采用分散輸水系統(tǒng)形式[4-5]?？紤]到碾盤山船閘水頭較高(14.2 m)、閘室尺度大，為了縮短充、泄水時(shí)間，減少船舶的過閘時(shí)間，提高航運(yùn)效益，結(jié)合漢江上游已建崔家營船閘輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，采用閘墻長廊道側(cè)支孔出水的第一類分散輸水系統(tǒng)。

2.2 輸水閥門廊道尺寸

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，輸水閥門處廊道斷面面積可根據(jù)給定的輸水時(shí)間和閥門全開時(shí)輸水系統(tǒng)流量系數(shù)按下式計(jì)算：

(2)

式中：ω為輸水閥門處廊道斷面面積(m2)；C為計(jì)算閘室水域面積(m2)，對單級船閘取閘室水域面積，取5 175 m2；H為設(shè)計(jì)水頭(m)，取14.2 m；u為閥門全開時(shí)輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)，根據(jù)輸水系統(tǒng)流量計(jì)算取0.635；T為閘室灌水時(shí)間(s)，取600 s；α為系數(shù)，查表取0.575；kv為系數(shù)，取0.6。

經(jīng)計(jì)算，輸水閥門面積ω=31.04 m2，取整32.0 m2。

2.3 輸水系統(tǒng)布置

2.3.1進(jìn)水口段

輸水系統(tǒng)進(jìn)水口采用導(dǎo)墻垂直多支孔布置，支孔喉部面積順?biāo)鞣较蛑饾u縮小，進(jìn)水口頂高程36.0 m；進(jìn)水口面積按分散輸水系統(tǒng)進(jìn)口流速≤2.5 m/s的要求設(shè)計(jì)。按以下公式初步估算：

(3)

(4)

式中：Qmax為充水最大流量(m3/s)，經(jīng)計(jì)算為205.74 m3/s；A為進(jìn)水口面積(m2)；v為進(jìn)口流速(m/s)，按不大于2.5 m/s控制。

經(jīng)計(jì)算進(jìn)水口面積不小于82.3 m2。船閘進(jìn)水口布置在上游導(dǎo)航墻內(nèi)，左、右側(cè)進(jìn)水口均從引航道取水，每側(cè)進(jìn)水口設(shè)3個(gè)尺寸為4.0 m×4.0 m(高×寬)的進(jìn)水孔，雙側(cè)進(jìn)口總面積96 m2，進(jìn)水口頂高程36.0 m、底高程32.0 m，進(jìn)水孔外設(shè)有攔污柵，防止雜物進(jìn)入輸水廊道。

2.3.2閘室主廊道及側(cè)支孔布置

輸水閥門處廊道斷面面積確定后，選擇主廊道斷面面積及出水支孔斷面面積時(shí)，有2個(gè)比值必須加以注意，即：

(5)

(6)

式中：α、β為系數(shù)；ω1為主廊道面積(m2)；ω為閥門處廊道面積(m2)；ω2為出水支孔斷面總面積(m2)。

原則上，α值越大，輸水系統(tǒng)出水孔段的損失越?。沪轮翟浇咏?，越有利于前后支孔出水均勻，但將增加出水孔段水頭損失。根據(jù)我國多數(shù)船閘的統(tǒng)計(jì)，α值在1.01～1.31，β值在0.91～1.02[6-7]。因此，取主廊道斷面尺寸為4.2 m×4.2 m，則2個(gè)斷面總面積為35.28 m2，閘墻每側(cè)設(shè)24個(gè)側(cè)支孔，分為3 組，每組8孔，為使順充水流方向的首、末出水支孔流量分布比較均勻，從上游至下游3組孔口尺寸分別為0.85 m×0.90 m、0.78 m×0.90 m、0.71 m×0.90 m，出水孔總面積為33.7 m2，由此計(jì)算得到的α、β值分別為1.10、0.96。

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，出水孔間距宜為閘室寬度的1/4，因此確定出水支孔間距為23 m的1/4為5.75 m，每側(cè)布置24 個(gè)出水孔，閘室兩側(cè)出水孔交錯(cuò)布置于閘室中部，單側(cè)出水孔總長為132.25 m，占閘室有效長度的66.13%。根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，支孔出口應(yīng)布置在下游最低通航水位時(shí)設(shè)計(jì)船舶深度以下，本支孔出口頂、底高程分別為32.90、32.00 m，下游最低通航水位36.52 m，船舶最大吃水2.4 m，滿足規(guī)范要求。

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，側(cè)支孔長度L介于2D～4D，D為出水支孔直徑或斷面寬度，取支孔斷面最大寬度D=0.850 m，則L在1.7～3.4 m，取L=3.15 m，支孔斷面采用標(biāo)準(zhǔn)的與閘墻垂直的水平布置，為減少水力損失，支孔進(jìn)口斷面采用四面修圓，圓弧半徑為0.30 m，出口斷面三面修圓，圓弧半徑也采用0.30 m，水平方向按3.0°角擴(kuò)散。出水孔外布置消能檻，消能檻布置于閘室中間，單側(cè)長138.0 m，兩側(cè)反對稱布置，頂面高程為32.50 m，頂面寬度0.5 m，消能檻中心線距閘墻邊緣線2.0 m。

2.3.3出水口段

廊道出水口布置在下游導(dǎo)航墻出水口段內(nèi)，出水口尺寸為4.0 m×6.5 m，2個(gè)出水孔總面積為52 m2，出水口頂、底高程分別為35.0、31.0 m，出水廊道內(nèi)布置隔流墩，出水口外布置不對稱消能檻進(jìn)行消能。

2.3.4輸水系統(tǒng)主要尺寸

碾盤山輸水系統(tǒng)主要尺寸見表2。

表2 碾盤山船閘輸水系統(tǒng)特征尺寸

2.4 輸水系統(tǒng)水力計(jì)算

碾盤山輸水系統(tǒng)水力計(jì)算根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》4.3.1條采用MathCAD軟件編程計(jì)算，最大水頭工況下水力特性計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 碾盤山船閘閘墻長廊道輸水系統(tǒng)水力計(jì)算結(jié)果

碾盤山船閘閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)充水過程水力特性曲線見圖1，泄水過程水力特性曲線見圖2。根據(jù)水力計(jì)算結(jié)果，輸水系統(tǒng)各項(xiàng)水力指標(biāo)均能滿足規(guī)范要求，輸水系統(tǒng)布置基本上是合理的。

圖1 充水過程水力特性曲線

圖2 泄水過程水力特性曲線

3 模型試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)工況

為模擬不同水頭下船閘過閘輸水系統(tǒng)水力特性，選定3組水位作為試驗(yàn)工況，見表4。

表4 試驗(yàn)工況

3.2 模型設(shè)計(jì)

碾盤山船閘輸水系統(tǒng)模型試驗(yàn)采用正態(tài)水工整體模型進(jìn)行試驗(yàn)研究[8-9]，模擬船型采用1 000噸級單船，尺度為85.0 m×10.8 m×2.0 m(長×型寬×設(shè)計(jì)吃水)，遵循重力相似準(zhǔn)則并按照幾何相似進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，根據(jù)試驗(yàn)任務(wù)及要求，模型幾何比尺采用1:15。模型的模擬范圍包括船閘部分上游引航道、上閘首、閘室、下閘首、部分下游引航道，最終選擇模型縱向模擬范圍為360 m，橫向模擬范圍75 m，模型尺寸為24 m×5 m(縱向×橫向)。水工及船舶模型見圖3。

圖3 水工及船舶模型

3.3 試驗(yàn)成果分析

3.3.1輸水系統(tǒng)水力特性

在3種不同水位組合運(yùn)行工況下，船閘充泄水(閥門雙邊運(yùn)行)主要水力特征參數(shù)見表5。

表5 3種工況下充泄水主要水力特征參數(shù)

由表5可知，最大設(shè)計(jì)水頭工況下(工況1，14.2 m水頭)，當(dāng)閥門雙邊運(yùn)行開啟時(shí)間為6 min時(shí)，船閘充水時(shí)間為9.89 min，最大充水流量189.82 m3/s；船閘泄水時(shí)間為10.77 min，最大泄水流量為169.96 m3/s，最大流量均小于設(shè)計(jì)計(jì)算流量。船閘泄水時(shí)間相比較于設(shè)計(jì)要求的輸水時(shí)間(10 min)略長，考慮到模型存在縮尺影響，原型船閘運(yùn)行時(shí)流量系數(shù)將較模型有所增加，輸水時(shí)間較模型有所縮短，根據(jù)已建國內(nèi)外船閘原型觀測與模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，原型船閘輸水時(shí)間較模型縮短10%～15%，因此預(yù)計(jì)輸水閥門雙邊開啟時(shí)間不超過6 min時(shí)，輸水時(shí)間可滿足10 min內(nèi)。上述水力特性指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，輸水系統(tǒng)各部分尺寸基本合理。

3.3.2輸水廊道阻力系數(shù)及流量系數(shù)

試驗(yàn)在輸水廊道各特征位置布置壓力測點(diǎn)，通過測壓管測定恒定流下廊道各部位的壓力及上下游引航道水位和閘室水位[10]，計(jì)算出輸水廊道各區(qū)段的阻力系數(shù)。試驗(yàn)所得輸水廊道充水時(shí)阻力系數(shù)為2.87，流量系數(shù)為0.59；泄水時(shí)廊道阻力系數(shù)為2.44，流量系數(shù)為0.64。

3.3.3輸水廊道壓力結(jié)果分析

充水試驗(yàn)中，1#～9#測點(diǎn)布置在輸水廊道進(jìn)口段，10#～18#測點(diǎn)布置在上游輸水閥門附近；泄水試驗(yàn)中，19#～22#測點(diǎn)布置在下游輸水閥門附近，23#～29#測點(diǎn)布置在輸水廊道出口段。測點(diǎn)布置見圖4。最大水頭工況下，充泄水試驗(yàn)各測點(diǎn)壓力峰值見表6。

圖4 非恒定流壓力測點(diǎn)分布

表6 最大水頭工況充水和泄水試驗(yàn)各測點(diǎn)壓力最大和最小值

試驗(yàn)結(jié)果表明，船閘充泄水過程中，上下游輸水閥門門后廊道頂部測點(diǎn)14#、16#、18#～22#都產(chǎn)生了不同程度的負(fù)壓，但廊道頂部的負(fù)壓值均大于-30 kPa，不會出現(xiàn)空化現(xiàn)象。

3.3.4閘室停泊條件

最大設(shè)計(jì)水頭工況(工況1，14.2 m水頭)、雙邊閥門運(yùn)行開啟時(shí)間6 min，船舶停泊條件試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 閘室船舶最大系纜力

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)閥門雙邊運(yùn)行時(shí)間為6 min時(shí)，閘室內(nèi)無明顯縱橫向水流，閘室水面平靜，流態(tài)良好，無局部紊動，未觀測到漩渦等不良水流現(xiàn)象，說明閘室側(cè)支孔處設(shè)置明溝消能在改善船舶停泊條件方面獲得了預(yù)期效果；充水時(shí)船舶最大縱向系纜力21.26 kN，最大橫向系纜力15.27 kN，泄水時(shí)船舶最大縱向系纜力16.41 kN，最大橫向系纜力10.27 kN，均滿足規(guī)范要求(縱向系纜力不大于32 kN，橫向系纜力不大于16 kN)。

4 結(jié)語

1)碾盤山船閘長廊道輸水系統(tǒng)在最大設(shè)計(jì)水頭工況下(50.72～36.52 m)，工作閥門雙邊開啟時(shí)間tv=6 min時(shí)，船閘充泄水時(shí)間均可控制在10 min內(nèi)，滿足船閘設(shè)計(jì)通過能力，各項(xiàng)水力特性指標(biāo)滿足規(guī)范要求；充泄水過程中，輸水閥門門后部分廊道頂部測點(diǎn)產(chǎn)生了不同程度的負(fù)壓，但負(fù)壓值均大于-30 kPa，不會出現(xiàn)空化現(xiàn)象，類似工程設(shè)計(jì)時(shí)可加大閥門段淹沒水深以減少負(fù)壓；充泄水過程中，閘室內(nèi)流態(tài)良好，未觀測到漩渦等不良水流現(xiàn)象，充水時(shí)船舶最大縱向系纜力21.26 kN，最大橫向系纜力15.27 kN，泄水時(shí)船舶最大縱向系纜力16.41 kN，最大橫向系纜力10.27 kN，均滿足規(guī)范要求。

2)碾盤山船閘閘室平面尺度大，為保證船閘設(shè)計(jì)通過能力，輸水時(shí)間要求短，輸水強(qiáng)度高，瞬時(shí)流量大，采用閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)是合理的，該輸水系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。