沫水船閘短廊道輸水系統(tǒng)布置及試驗研究*

陳 亮,金 瑩,孫 倩,王召兵,

(1.重慶交通大學，西南水運工程科學研究所，重慶 400016；2.浙江省交通工程管理中心，浙江 杭州 311215；3.重慶交通大學 河海學院，重慶 400074)

船閘輸水系統(tǒng)是完成充泄水的關鍵部分，集中輸水系統(tǒng)以其結構形式簡單、費用較省的優(yōu)點廣泛應用于10 m以下水頭的船閘。短廊道輸水系統(tǒng)是集中輸水系統(tǒng)的一種形式，據(jù)1978年統(tǒng)計，在我國有資料的727座船閘中，帶短廊道輸水系統(tǒng)的船閘占60%左右[1]。近年來，興隆、石虎塘、高石碑、高港二線等船閘也采用短廊道輸水系統(tǒng)[2-5]。但該輸水系統(tǒng)通常進水口流量集中、流速大，輸水時易在進水口區(qū)域出現(xiàn)旋渦，惡化水流條件；船閘充水時，若上閘首消能不充分，閘室內(nèi)縱、橫向水流比降大、紊動強，從而影響閘室內(nèi)船舶的停泊安全。

本文以沫水船閘工程[6]為依托，建立幾何比尺為1:20的船閘整體輸水系統(tǒng)物理模型，對短廊道輸水系統(tǒng)的水力特性進行研究，并對輸水系統(tǒng)的布置進行優(yōu)化。

1 輸水系統(tǒng)布置

沫水船閘上游最高通航水位405.00 m，最低通航水位403.15 m；下游最高通航水位402.22 m，最低通航水位398.13 m；最大工作水頭為6.87 m，閘室有效尺度為120 m×12 m×3.5 m(長×寬×門檻水深)，設計船型為500噸級機動駁船。根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》[7]，輸水系統(tǒng)類型的選擇公式如下：

(1)

式中：m為判別系數(shù)；T為輸水時間(min)；H為水頭(m)。由T=8～10 min、H=6.87 m計算得：m=3.05～3.81。根據(jù)規(guī)范：當m> 3.5時，可采用集中輸水系統(tǒng)，考慮本船閘水頭較低，且平面尺度不大，門檻水深較富裕，因此采用短廊道輸水系統(tǒng)。輸水系統(tǒng)布置見圖1，輸水系統(tǒng)各主要尺寸見表1。

圖1 沫水船閘輸水系統(tǒng)布置(單位：m)

表1 輸水系統(tǒng)主要結構特征尺寸

2 物理模型試驗

根據(jù)重力相似準則，建立了比尺為1:20的船閘物理模型，模擬范圍包括上游引航道、船閘閘室、下游引航道、輸水系統(tǒng)等，模擬長度約400 m(原型)。在上、下游水位組合398.13～405.00 m(水頭6.87 m)情況下，閥門雙邊開啟時間tv=3～7 min時，測量了短廊道輸水系統(tǒng)充、泄水過程各項水力指標，優(yōu)化了上、下閘首的消能工布置，并對原方案和推薦方案閘室內(nèi)船舶停泊條件進行對比。

2.1 充、泄水過程水動力特性

閥門tv=3～7 min雙邊勻速開啟工況下，短廊道輸水系統(tǒng)充、泄水過程水動力特性指標見表2，從表2中可以看出：充泄水時間均在9 min以內(nèi)，考慮原型縮尺效應[8]，充泄水時間均能控制在8 min左右。最大瞬時流量為68 m3/s，閘室內(nèi)平均最大斷面平均流速為0.79 m/s，引航道內(nèi)最大斷面平均流速為0.54 m/s，上述指標均能滿足規(guī)范要求。但據(jù)試驗觀察，當tv=3 min雙邊泄水時，泄水閥門有摻氣現(xiàn)象，為不影響船閘建成后閥門的運行，避免由于摻氣引起的震動等現(xiàn)象，并考慮原型縮尺效應，推薦閥門運行方式為tv=5～7 min勻速開啟。

表2 短廊道輸水系統(tǒng)非恒定流水力特性參數(shù)

注：tv為閥門開啟時間，T為輸水時間，Qmax為最大流量，vmax為閘室或引航道最大斷面平均流速，umax為水面最大上升(下降)速度。

2.2 上閘首消能工優(yōu)化

2.2.1上閘首消能工原方案

集中輸水系統(tǒng)的消能措施按其有無消能工以及消能工的復雜程度分為無消能工、簡單消能工、復雜消能工等。集中輸水系統(tǒng)上、下閘首斷面最大平均流速可分別按下列近似公式計算：

(2)

圖2 原方案上閘首消能工布置(單位：m)

針對該上閘首消能工布置形式，對船閘充水過程進行觀測。從閘室縱向來看，上閘首充水閥門開啟后，閘室內(nèi)水流開始向下游流動，直至充水結束前的短暫時刻，才由下游向上游流動，充水過程中存在一定的縱向比降，但比降較小。從上閘首消能工出流情況來看，水流經(jīng)上閘首消能工出流后，翻涌而上，消能工頂部中心位置出流量大，在消能工頂部翻涌較為劇烈，水面涌高較大，分析其原因為消能工消能不充分，導致閘首水面有較大的波動。試驗對充水過程閘室系纜力進行了測量，當tv=4 min雙邊均勻開啟時，船舶最大橫向系纜力達15.2 kN，接近規(guī)范值16 kN，考慮原型縮尺效應，系纜力將超過規(guī)范允許值。研究分析認為，此種消能工消能效果差主要存在兩個原因：1)消力檻高度較低，僅1.0 m，上閘首出水口廊道高2.2 m，充水過程中隨著流量、流速的增大，水流從消能工頂部流出，在上閘首消能工中部對沖碰撞，導致消能工中部出流量集中，閘室內(nèi)涌水高度較大；2)消力檻結構形式過于簡單，出流的水流未充分碰撞消能，直接翻涌至閘室下游段，引起閘室上游段水面浪花大。原方案上閘首消能工的布置達不到充分消能的效果，試驗將對上閘首消能工進行優(yōu)化。

2.2.2上閘首消能工優(yōu)化方案1

考慮上述分析的原因，首先在原方案基礎上加高消力檻高度至1.5 m，進行流態(tài)觀測后發(fā)現(xiàn)，上閘首消能工中部出流量也較為集中，閘室上游段水面波動雖有所改善但波動仍明顯，無實質性改變。

2.2.3上閘首消能工優(yōu)化方案2

優(yōu)化方案2調整上閘首出水口廊道高度至2.2 m，并將原方案4根消力梁改為3根，采用T型消力梁，并提高消力梁高度及消力梁上孔口高度至1.2 m。模型試驗在此優(yōu)化方案2的基礎上對充水過程閘室流態(tài)進行了觀測，在充水過程中，該優(yōu)化方案較原方案和優(yōu)化方案1閘室內(nèi)水面紊動明顯減小，消能工頂部涌高也有所減小，但仍出現(xiàn)消能工中部較兩側流量集中、涌高大的特點，且消能工下游2.0 m處，閘室中部涌高較大，仍須進一步調整消能工布置。

2.2.4上閘首消能工優(yōu)化方案3

優(yōu)化方案3在優(yōu)化方案2的基礎上，將消力塘底寬由4.1 m增加為8.54 m，深度1 m和坡度1:1.5保持不變。試驗表明，消能工頂部涌高較小，閘室水面波動較小，流量分布均勻，水流流態(tài)較好。因此將上閘首消能工優(yōu)化方案3作為沫水船閘的推薦方案(圖3)。

綜上所述，對上閘首消能工的優(yōu)化主要包括：T型消力梁的平面位置、消力梁孔口高度、消力梁翼緣長度和增大上閘首出口消力塘等。

圖3 推薦方案上閘首消能工布置(單位：m)

2.3 下閘首消能工優(yōu)化

2.3.1流態(tài)分析

泄水初期，水面平穩(wěn)下降，在泄水過程中未觀測到旋渦和明顯的水流紊動等現(xiàn)象，當閥門開度n大于0.6時，在下閘首泄水廊道進口兩側觀測到兩個范圍較大的串通漏斗旋渦，流場照片見圖4。

圖4 原方案下閘首進水口流態(tài)(n=0.6)

串通漏斗旋渦不僅會惡化下游引航道水流條件、對閥門的運行造成危害，還會對閘室內(nèi)停泊的船舶安全造成威脅。分析產(chǎn)生旋渦的原因為：船閘泄水口布置于兩側閘墻上，進水口尺寸為1.8 m×2.2 m(寬×高)，總面積為7.92 m2,在最大流量45 m3/s時，進口處最大平均流速約為5.68 m/s，大于4.0 m/s，且由于進口淹沒水深小，故產(chǎn)生漏斗旋渦。

2.3.2泄水廊道優(yōu)化方案

為改善下閘首的流態(tài)，對下閘首進口布置進行了優(yōu)化：將下閘首進口寬度由1.8 m增大至3.6 m，高度保持不變，此時進口尺寸為3.6 m×2.2 m

(寬×高)，總面積為15.84 m2,進口處最大平均流速約為2.84 m/s。經(jīng)過優(yōu)化后，重新對泄水過程流態(tài)進行了觀測，整個輸水過程未觀測到串通漏斗旋渦，水面紊動較小，下閘首的流態(tài)得到了改善，原方案及優(yōu)化方案下閘首消能工布置見圖5，優(yōu)化方案流場照片見圖6。

圖5 優(yōu)化后下閘首進水口布置(單位：m)

圖6 優(yōu)化方案下閘首進水口處流態(tài)(n=0.6)

2.4 流量系數(shù)研究

在非恒定流的實測數(shù)據(jù)上對船閘充泄水流量系數(shù)進行了計算，雙邊充、泄水流量系數(shù)分別為0.832、0.881。消能工經(jīng)過優(yōu)化后，對流量系數(shù)和輸水時間基本無影響，分析其原因為，消能工距離出水口距離較遠，且消能空間較大，不影響出口的出流情況，所以對流量系數(shù)和輸水時間影響甚微。

模型試驗實測了tv=6 min雙邊充、泄水恒定流工況下輸水系統(tǒng)各段壓力，通過計算獲得了輸水系統(tǒng)各段阻力系數(shù)及流量系數(shù)(表3)。

表3 輸水系統(tǒng)各段阻力系數(shù)及輸水系統(tǒng)流量系數(shù)

2.5 閘室停泊條件研究

為進一步研究船閘輸水過程閘室停泊條件，判斷消能工消能效果，試驗對原方案和優(yōu)化方案進行了船舶系纜力的測量。試驗在398.13～405.00 m水位組合、閥門雙邊開啟tv=4～7 min工況下，測試了500噸級機動駁船停于閘首中部時船舶系纜力，實測船舶系纜力結果見表4，典型系纜力過程線見圖7。

圖7 典型系纜力過程線(tv=6 min)

表4 實測閘室最大平均系纜力比較

注：差值百分比=(原方案-優(yōu)化方案)/原方案×100%。

由上述兩個方案船舶系纜力比較結果可看出，各閥門開啟工況下，原方案系纜力均大于優(yōu)化方案。如表4所示，優(yōu)化方案最大縱向系纜力較原方案減小7.44%～22.61%，最大前橫向系纜力減小54.17%～72.37%，最大后橫向系纜力減小53.33%～72.24%，說明消能工的優(yōu)化起到了很好的作用，閘室船舶停泊條件有較大改善。

3 結語

1)上、下閘首的消能工布置經(jīng)優(yōu)化后，輸水系統(tǒng)各水力性能滿足規(guī)范和設計的要求。

2)針對上閘首消能工中部水流對沖碰撞、閘室流量集中在中部的現(xiàn)象，提出了新型高效的T型消力梁，減小了閘室水面波動，閘室出流較均勻。

3)對于下閘首泄水廊道進口處出現(xiàn)串通漏斗旋渦現(xiàn)象，分析認為是由于泄水時泄水廊道瞬時流速過大引起的，增大泄水廊道進口段尺寸后，泄水時閘室內(nèi)未觀測到旋渦等不良流態(tài)，水面下降平穩(wěn)。

4)通過對比原方案和優(yōu)化方案的船舶系纜力，結果表明優(yōu)化后的消能工有效地改善了閘室停泊條件，其中最大橫向系纜力減小幅度達50%以上，保障了過閘船舶的停泊安全。