高水頭船閘下游出水口布置方案試驗研究

林勇 ，代敏

（1.四川省交通勘察設計研究院有限公司，四川 成都 610031；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

某水電站位于湄公河通航河段，屬大（2）型工程，工程等別為Ⅱ等，工程由泄洪沖沙閘、發(fā)電建筑物、兩岸非溢流壩、右岸船閘、左岸魚道等建筑物組成，樞紐布置擬采用“右岸船閘+右岸泄洪沖沙閘+左岸廠房”的布置方案。根據(jù)中、老、緬、泰四國政府簽訂的《瀾滄江-湄公河商船通航協(xié)定》及《瀾滄江-湄公河航道維護與改善導則》，該工程船閘級別擬定為Ⅳ級，按通航500t 級船舶標準設計，船閘采用右岸單線1 級船閘[1]，船閘主體段由上閘首、閘室、下閘首及輸水系統(tǒng)組成，閘室有效尺寸為120m×12m×4m，閘首、閘室均采用整體式結構。由于該船閘最大工作水頭約為32.5m，無論是水頭、還是水位變幅都已接近或達到了國內外已建船閘的最高水平，而出水口水流條件的好壞關系到船閘安全穩(wěn)定的運行，考慮到該船閘是該樞紐唯一的過壩通道，其性能優(yōu)劣將直接影響到湄公河干流的航運能否暢通，航運地位十分重要，因此本文通過對下游出水口水流條件的試驗研究合理確定下游出水口的布置，保證船閘的安全穩(wěn)定運行。

1 概述

1.1 主體建筑物布置

船閘布置于右岸，為便于與下游引航道的布置與銜接，船閘中心線與壩軸線成97°夾角。船閘左側為航道沖沙閘，右側與右岸非溢流壩段相接。

船閘主體段由上閘首、閘室、下閘首及輸水系統(tǒng)組成。船閘最大工作水頭為32.38m，閘室有效尺寸為120m×12m×4m。具體布置見圖1。

圖1 輸水系統(tǒng)布置

1.2 輸水系統(tǒng)布置

輸水系統(tǒng)采用閘墻長廊道經(jīng)閘室中心進口立體分流、閘底支廊道二區(qū)段出水的分散輸水型式[2]。

進水口采用導墻垂直多支孔、部分旁側取水布置[3]，左邊進水口布置在導墻外側，右邊進水口布置在導墻內側，每側進水口由4 個尺寸為3m×3.3m（寬×高）的孔口組成，每側進水口頂側布置兩根寬度為1.2m 的消渦梁，消渦梁縫隙寬度分別為0.8m 和1.2m；進水口設攔污柵。

輸水閥門采用反弧門[4]，閥門處廊道斷面尺寸為2.2m×2.6m（寬×高），廊道頂高程為EL.294.620m。主廊道斷面尺寸為2.2m×3.3m（寬×高），在閘室中部設上、下兩層分流孔向閘室上、下游分流，每個分流孔尺寸為3.6m×1.4m（寬×高），閘室底板上、下游各1 條輸水支廊道，斷面尺寸為3.6m×3m（寬×高），共布置28 出水側支孔，孔口尺寸為0.5m×1.4m（寬×高），出水孔側面閘墻布置0.5 m×0.5m 的消能坎，消能坎頂部高程為EL.301.12m。

右支泄水廊道直接泄水入下游引航道，左支泄水廊道直接泄入航道沖沙閘下游，泄水廊道出水孔孔口前設有消能格柵，出水孔孔口尺寸為2.2m×0.6m（長×寬），共20 孔。具體布置見圖1。

2 模型設計及試驗工況

2.1 模型設計及制作

模型按重力相似設計，比尺L= 25。模型與原型各物理量換算關系為：重量及力比尺為：=15625，流速及時間比尺為(Lr)1/2=5，流量比尺為(Lr)5/2=3125。

閘室邊墻用鋼板制作，輸水廊道采用聚乙烯塑料板，輸水閥門段及閘室出水段一側閘墻用有機玻璃制造。上、下游引航道采用預制混凝土板，并以水泥砂漿粉面。水工模型的范圍包括原體上游引航道，船閘閘室、輸水系統(tǒng)（包括進水口、上閘首，閘室、下閘首泄水出水段）以及下游引航道。

2.2 試驗工況

上游最高通航水位為340m、最低通航水位為334.00m；下游最高通航水位為329.38m、最低通航水位為307.62m。試驗研究考慮的主要水位組合包括：

（1）上游最高通航水位340.00m ～下游最低通航水位307.62m，此時水位差為船閘最大工作水頭32.38m；

（2）上游最低通航水位334.00m ～下游最低通航水位307.62m，水頭為26.38m。

2.3 測點布設

該船閘下游與沖沙閘共用引航道，下游引航道寬50m，為調順引航道內水流，船閘下游兩個出水口分別布置在船閘下閘首和沖沙閘下游，下游出水口選用頂出水格柵式消能室，消能室頂與下游引航道底高程一致，為合理確定出水口布置方案，于下游引航道內布置兩個監(jiān)測斷面共計14 個監(jiān)測點，具體布置如圖2 示。

圖2 下游引航道流速測點布置

3 下游出水口水流條件成果及方案調整

滿足閘室船舶停泊條件、輸水廊道水動力特性、輸水時間要求及上游進水口水流條件時，泄水閥門開啟時間tv 取6min，閘室泄水時間11.16min，閘室泄水最大流量為140m3/s，根據(jù)出水口水流條件進一步研究確定下游出水口布置方案。

3.1 原方案出水口水流條件

為調順引航道內水流，下游出水口選用頂出水格柵式消能室[2]，消能室頂與下游引航道底高程一致，為使引航道內水流均勻在消能室內則設挑流檻，以調順出水口橫向流速分布，格柵孔縫尺寸為2 ～20×2.2×0.6 m（數(shù)量×長×寬），頂出水格柵式消能室及挑流坎尺寸見圖3～4。

圖3 沖砂閘側

圖4 下閘首側

該布置型式下，最大流量時，下游引航道流速分布見表1，雙邊船閘雙邊泄水時，I 斷面最大流速0.79m/s，最小流速0.41m/s；II 斷面最大流速0.72m/s，最小流速0.48m/s。單邊泄水時，除距離岸邊較近的流速較大，接近規(guī)范限值外，其余各測點流速均較小。

表1 原方案下游引航道流速（單位：m/s）

該布置方案雖基本滿足規(guī)范要求，但引航道內流速分布不均勻，特別是引航道內的流速分布呈中間小、兩邊大的分布，對引航道內的船舶停泊待閘不利，有必要采取進一步的措施，優(yōu)化下游引航道內的流速分布。

3.2 方案優(yōu)化調整及水流條件

3.2.1 方案優(yōu)化調整

將下閘首左側導航墻采用底部透空的布置型式，即在下游最低水位以下1m（導墻306.62m 高程以下）采用透空城門式布置，以使水流內快速向引航道中間調整，解決雙邊運行時引航道內流速兩邊大、中間小的問題，同時將下游兩支出水廊道連通，解決單邊運行時引航道內出水側流速過大的問題，調整后的布置如圖5 示。

圖5 調整后的出水口布置

3.2.2 出水口水流條件

方案優(yōu)化調整后，船閘最大流量時下游引航道流速分布見表2。雙邊船閘雙邊泄水時，I斷面最大流速0.75m/s，最小流速0.41m/s；II 斷面最大流速0.73m/s，最小流速0.49m/s；引航道內流速呈左側小右側大的分布，更有利于船舶在引航道內停泊待閘（船舶停泊在引航道左側）。左側單邊泄水時，I 斷面最大流速0.78m/s，II 斷面最大流速0.63m/s；右側單邊泄水時，I 斷面最大流速0.51m/s，II 斷面最大流速0.49m/s。由試驗結果可知，上述調整對改善下游引航道水流條件起到了較好的作用，各工況下引航道流速均滿足規(guī)范要求。

表2 調整方案后下游引航道流速（單位:m/s）

4 結語

該船閘是湄公河航運干線的咽喉，航運地位十分重要，其性能優(yōu)劣將直接影響到湄公河干流的航運能否暢通，因此本文通過對下游出水口水流條件的試驗研究合理確定下游出水口的布置，保證船閘的安全穩(wěn)定運行。

根據(jù)出水口下游引航道水流條件，布置格柵式消能室、設置不同尺寸挑流坎、連通下游兩支出水廊道等措施可有效改善下游引航道水流條件，有利于船舶在引航道內停泊待閘，各工況下引航道流速均滿足規(guī)范要求。