渦陽船閘輸水系統(tǒng)布置及水力計算分析

李向前，帥志斌，陳瑩穎

（1.安徽省港航集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230092；2.安徽省亳州港航投資有限公司，安徽 亳州 236800；3.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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029）

渦陽船閘改建工程按Ⅲ級（1000 噸級）標(biāo)準(zhǔn)原位拆除老閘重建新閘，閘室有效尺度為240×23×4.5m（長×寬×門檻水深），設(shè)計單向年通過能力2056 萬噸[1]。新建渦陽船閘設(shè)計水頭為4.00m（對應(yīng)水位組合為船閘上游28.34m 至下游24.34m），最大水頭為5.52m（對應(yīng)水位組合為船閘上游28.34m 至下游22.82m），設(shè)計要求輸水時間為8～9min[2]。

1 輸水系統(tǒng)類型、布置及主要尺寸

1.1 輸水系統(tǒng)類型

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》[3]（簡稱“規(guī)范”）中的輸水系統(tǒng)型式選擇公式：

式中：m 為輸水系統(tǒng)類型判別系數(shù)，T 為閘室輸水時間（min），H 為船閘運(yùn)行水頭（m）。

計算可得，m=3.83～4，大于3.5，渦陽船閘可采用短廊道集中輸水系統(tǒng)方案[3]。我國中、低水頭船閘絕大多數(shù)采用集中輸水系統(tǒng)型式，該型式具有費(fèi)用較省的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 輸水閥門處廊道斷面面積

根據(jù)規(guī)范，短廊道輸水系統(tǒng)的輸水閥門處廊道斷面面積可按下式計算：

式中：ω 為輸水閥門處廊道斷面面積（m2）；C為計算閘室水域面積（m2）；H 為運(yùn)行水頭（m）；μ為輸水閥門全開時的流量系數(shù)；T 為閘室充水時間（s）；α 為系數(shù)，按規(guī)范中表格選用；kv=tv/T，tv為輸水閥門開啟時間；g 為重力加速度（m/s2）。

對于渦陽船閘，C ＝6373.3m2；H ＝4.00～5.52m；μ 參考其他類似已有船閘研究成果取為0.75；T=8～9min=480～540s；α 為與閥門有關(guān)的系數(shù)，查規(guī)范中相應(yīng)表格得α=0.545；kv取0.7。代入以上數(shù)據(jù)，計算得出ω=23.5～24.5m2。根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合以往類似船閘工程經(jīng)驗(yàn)，輸水閥門處廊道尺寸定為：2～3.5×3.5m（寬×高）＝24.5m2。

1.3 輸水系統(tǒng)布置及各部位主要尺寸

上閘首采用閘首門檻檻上進(jìn)水，廊道進(jìn)口布置在上游側(cè)面，進(jìn)口斷面尺寸為4.8×3.5m（寬×高），廊道底高程17.55m，頂高程21.05m，廊道進(jìn)口最小淹沒水深為5.35m。水流在廊道進(jìn)口處水平轉(zhuǎn)彎90°，進(jìn)入閥門段廊道，閥門段廊道尺寸為3.5×3.5m（寬×高），廊道底、頂高程與進(jìn)口相同。輸水廊道經(jīng)過充水閥門后，再通過水平轉(zhuǎn)彎90°將廊道出口總寬擴(kuò)為6.0m，廊道底、頂高程保持17.55m、21.05m 不變，并在轉(zhuǎn)彎段的起點(diǎn)至出口設(shè)置了分流墩，墩頭寬0.3m，墩尾寬0.6m（為使出水口水流盡可能均勻，隔墩的起點(diǎn)略偏向彎段外側(cè)），由此廊道出口尺寸為2～2×2.7×3.5m（2～寬×高）=37.8m2，廊道出口最小淹沒水深為1.77m。上閘首兩側(cè)輸水廊道出口水流經(jīng)過分流墩后對沖消能，再經(jīng)格柵消能室頂面和正面出水支孔，然后進(jìn)入閘室。格柵消能室外布置10.0m 長鎮(zhèn)靜段，然后與閘室停泊段聯(lián)接，閘室底高程為18.32m。

下閘首泄水時廊道進(jìn)口布置在兩側(cè)，進(jìn)水口尺寸也為2～4.8m×3.5m（寬×高），廊道底高程17.22m，頂高程20.72m。進(jìn)口廊道通過90°水平轉(zhuǎn)彎與泄水閥門段廊道聯(lián)接，泄水閥門段廊道尺寸為2～3.5m×3.5m（2～寬×高）。泄水閥門后廊道通過90°水平轉(zhuǎn)彎聯(lián)接下閘首出水口，廊道出口總寬擴(kuò)為6.6m，中間設(shè)有分流墩，墩頭寬0.3m，墩尾寬0.6m（為使出水口水流盡可能均勻，分流墩起點(diǎn)同樣略偏向彎段外側(cè)）。兩側(cè)輸水廊道出口水流經(jīng)過分流墩后對沖消能，廊道出口尺寸為2～2×3.0×3.5m（2～寬×高）=42.0m2，廊道高度始終保持3.5m 不變。同時，出水口外設(shè)消力檻消能，考慮到下游引航道的不對稱性，設(shè)置3 道不對稱消力檻以調(diào)整出流，消力檻的高度自左側(cè)至右側(cè)分別為0.5m、1.1m及0.3m。

由此，上閘首充水系統(tǒng)和下閘首泄水系統(tǒng)平面布置如圖1 和圖2 所示。

圖1 上閘首充水系統(tǒng)布置圖

圖2 下閘首泄水系統(tǒng)布置圖

圖3 充水水力特性曲線（設(shè)計水頭H=4.00m）

2 輸水水力計算

根據(jù)計算得到的輸水閥門開啟時間（最大水頭時，按設(shè)計船舶計算，輸水閥門開啟時間近5min），從安全角度出發(fā)，參考已建同類船閘實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，并考慮不同運(yùn)行水頭時閥門開啟速度盡量一致，便于運(yùn)行管理，初步建議渦陽船閘輸水閥門運(yùn)行方式為：充、泄水閥門雙邊勻速連續(xù)開啟時間均為6min。

渦陽船閘在設(shè)計水頭（H=4.00m）和最大水頭（H=5.52m）條件下運(yùn)行，充、泄水閥門開啟時間為6min 時，閘室輸水時間、輸水最大流量、閘室斷面最大平均流速等特征值見表1，充、泄水時閘室水位和流量變化過程線如圖 3 和圖4 所示。

表1 充、泄水時閘室水力特征值

圖4 泄水水力特性曲線（設(shè)計水頭H=4.00m）

由表 1 可見，渦陽船閘在設(shè)計水頭4.00m 條件下運(yùn)行，輸水閥門開啟時間為6min 時，閘室充、泄水時間均可滿足8min的設(shè)計要求；最大水頭5.52m條件下運(yùn)行，輸水閥門開啟時間同樣為6min 時，閘室充、泄水時間也均可滿足9min 的設(shè)計要求。

根據(jù)閘室輸水最大流量計算可得廊道進(jìn)口斷面最大平均流速為3.43m/s，閘室充、泄水時的最大水面升降速度為1.89cm/s，上述水力特征值均滿足規(guī)范要求。

根據(jù)規(guī)范，集中輸水系統(tǒng)消能段后宜設(shè)鎮(zhèn)靜段，鎮(zhèn)靜段的長度可按下式計算：

式中：B 為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與船閘輸水消能型式有關(guān)，對于渦陽船閘擬采用的格柵消能室消能集中輸水系統(tǒng)，B 取0.1～0.3；EP 為理論最大比能（kW/m2）。

通過水力計算可得不同水位組合工況，閘室橫斷面最大比能為28.4kW/m2，由此計算得到鎮(zhèn)靜段的長度L為2.84～8.52m，因此，渦陽船閘格柵消能室外布置的鎮(zhèn)靜段長度為10.0m 是合理的。

3 結(jié)論

（1）根據(jù)渦陽船閘的整體布置、水頭、輸水時間和設(shè)計船舶等，渦陽船閘具備采用格柵消能室的條件，采用頂部及正面出水的短廊道格柵消能室消能型式集中輸水系統(tǒng)布置合理可行，且性價比較佳。

（2）提出了渦陽船閘輸水系統(tǒng)各部位尺寸，建議渦陽船閘充、泄水閥門雙邊勻速連續(xù)開啟時間均為6min。

（3）船閘輸水過程水力計算結(jié)果表明：充、泄水閥門在船閘不同運(yùn)行水頭時開啟時間均為6min 是合適的，提出的輸水系統(tǒng)輸水水力特性均可滿足設(shè)計輸水時間和規(guī)范要求。