基于多因素的船閘輸水系統選型方法*

李中華，宣國祥

(南京水利科學研究院，通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029)

船閘輸水系統的類型繁多，按閘室出水口布置及消能方式主要分為集中輸水系統、分散輸水系統兩大類[1]。根據不同適應范圍，集中輸水系統和分散輸水系統又可細分為很多種類型，以分散輸水系統為列，常用的有閘墻長廊側支孔輸水系統、閘底長廊道側支孔明溝消能輸水系統、閘底長廊道側頂支孔蓋板消能輸水系統、等慣性水平分流多區段頂支孔蓋板消能輸水系統等10多種輸水系統形式。如何選擇合適的輸水系統是船閘輸水系統設計最為關注的問題，目前國內外船閘輸水系統選型沒有統一的方法和標準。

在蘇聯，船閘設計重點考慮工程投資，認為當水頭不大時(水頭在15 m以下)，與分散輸水系統相比較，集中輸水系統的工程費用可節省10%～60%，因此建議當LH< 2 000 m2(L為船閘閘室的長度，H為船閘的設計水頭)及Hhk< 3(hk為閘室的檻上水深)時可不論證就采用集中輸水系統，只有當水頭超過18～20 m時才考慮采用分散輸水系統[2]。按該標準選擇輸水系統，往往導致船閘閘室停泊條件較差，目前已很少采用。

美國陸軍工程兵團在1985年修訂的船閘設計手冊[3]中，把水頭分級以及各自適用的輸水形式作了規定，見表1，該方法僅考慮了船閘水頭影響，且輸水系統選型偏于保守，水頭超過了12.2 m就建議采用閘底縱支廊道等慣性輸水，船閘建設投資大、經濟性差。國際航運協會(PIANC)1986年的技術手冊[4]將船閘水頭劃分為小于10.0 m，10.0～15.0 m和大于15.0 m共3級，并將輸水系統分為簡單、中等、復雜共3級，不同水頭選擇不同復雜程度的輸水系統形式。

表1 美國船閘的水頭分級與輸水系統形式

JTJ 306—2001《船閘輸水系統設計規范》(簡稱《規范》)根據式(1)計算的判別系數m選擇輸水系統形式，m> 3.5時，采用集中輸水系統；m> 2.4時，可采用第一類分散輸水系統；當1.8≤m≤2.4時，可采用第二類分散輸水系統；當m< 1.8時，可采用第三類分散輸水系統；當2.5≤m≤3.5時，可采用集中輸水系統或簡單分散輸水系統。

(1)

式中：m為判別系數；H為設計水頭(m)；T為設計輸水時間(min)。

與國外輸水系統選型方法相比，我國規范中除船閘設計水頭H外，增加了輸水時間T的影響，并且對輸水系統分類做了更明細的劃分，PIANC在2009年也推薦了該方法[5]。該方法同樣沒有考慮船閘平面尺度、閘室初始水深等因素的影響，導致部分船閘根據m值選擇的輸水系統不能滿足實際的要求，見表2。由表2可知，西江長洲1#、2#船閘設計水頭和輸水時間完全相同，m均為2.54，船閘平面有效尺度分別為200.0 m×34.0 m和190.0 m×23.0 m，1#船閘選擇了更加復雜、消能效果更好的第二類分散輸水系統。同時現行規范m值與輸水系統實際選型有偏差，如黔江大藤峽船閘水頭達到了40.1 m，是世界最大水頭的單級船閘，輸水時間15 min，m值僅為2.37，根據規范可以選擇第二類分散輸水系統，但實際選擇了最復雜的第三類輸水系統。此外，實際應用過程中，船閘輸水形式多樣，我國規范中僅第二類輸水系統就有10多種形式，規范沒有量化輸水系統與判別系數，上述因素給船閘輸水系統選型帶來了很大困難。

表2 部分輸水系統選型偏差典型工程

1 輸水系統選型模型

1.1 選型方法

船閘輸水系統選型需要綜合評價船閘設計水頭、輸水時間、閘室平面尺度、閘室初始水深等多因素影響。目前，考慮多因素影響的綜合評價方法主要有層次分析法、模糊綜合評判法、數據包絡分析法、人工神經網絡評判法和灰色綜合評價法等[6-7]。這幾種評價方法各有特點，層次分析法主要針對方案基本確定的決策問題，一般僅用于方案優選[8]；數據包絡分析法完全基于指標數據的客觀信息進行評價，剔除了人為因素帶來的誤差；人工神經網絡法是一種面向復雜系統的一類新型評價方法；而灰色綜合評價法則是定量表征各因素之間的關聯程度，實質上是評價對象與參考對象特征參數比較，特征參數越接近，評價對象越接近參考對象[9]。絕對關聯度是灰色綜合評價法中一種量化幾種衡量因素間關聯程度大小的方法，該方法對數據量沒有太高的要求。該方法記H={Xi|iI={0，1，2，3，…，m}}為因素集(關聯空間)，X0H為參考因素列，X0={x0(k)|k=1，2，…，n}，YH為需要比較因素列，Y={y(k)|k=1，2，…，n}，則H中比較因素列Y對參考因素列X0的絕對關聯度可按下式計算：

R(X0，Y)=

(2)

根據上述方法，可將船閘輸水系統根據某種特征劃分為i種類型，通過對不同類型輸水系統特征參數進行統計分析，建立第i類輸水系統影響因素指標參考序列Xi={xi(k)|k=1，2，…，n}，計算需要選型的船閘對比指標序列Y={y(k)|k=1，2，…，n}與第i類輸水系統參考序列Xi的相關性R(Xi，Y)，Y與Xi相關性最大，則選擇第i類輸水系統。

1.2 輸水系統分類

根據不同類型輸水系統布置及消能特點，在我國規范輸水系統類型基礎上，目前常用的輸水系統形式從簡單到復雜主要有以下7類：

1)集中輸水系統。水流從閘室端部輸入閘室，水流由一個閘首流向另一閘首。

2)局部分散輸水系統。充水采用分散輸水系統，泄水采用集中輸水系統。

3)第一類分散輸水系統。我國規范的第一類分散輸水系統，主要有閘墻長廊道側支孔輸水系統。

4)第二類a型。主要有閘底長廊道側支孔明溝消能輸水系統、閘底長廊道頂支孔蓋板消能輸水系統，閘室廊道側支孔輸水系統等；其特點為輸水系統閘室內不設分支廊道、不分區。

5)第二類b型。閘墻長廊道閘室橫支廊道輸水系統，其特點為閘室內布置橫向支廊道，不設縱向支廊道。

6)第二類c型。包括閘室縱、橫支廊道輸水系統，水平分流閘底支廊道輸水系統等，其特點為輸水系統在閘室內分區、水流由閘室中部廊道進入、并設置縱向支廊道。

7)第三類。我國規范的第三類分散輸水系統，如等慣性立體分流多區段分散輸水系統，其特點為輸水系統等慣性布置，第一分流口采用立體分流。

1.3 輸水系統判別指標

從船閘輸水系統水力學角度出發，船閘輸水系統選型主要受設計水頭H、閘室長度L、寬度B、初始水位深D、輸水時間T等多因素影響，如何量化各因素的影響，建立各種類型輸水系統的量化評價指標，是建立輸水系統選型模型的關鍵。船閘輸水系統選型本質是選擇合適的輸水系統形式消殺進入閘室的水流能量，根據船閘輸水能量方程，船閘輸水過程進入閘室的最大能量可表示為[10]：

(3)

則船閘水平、縱向和橫向單位面積需要消殺的水流能量，可表示為：

(4)

(5)

(6)

式中：Emax為輸水最大能量；C為閘室計算水域面積，多級船閘取閘室水域面積一半(m2)；Kv為閥門開啟時間tv與輸水時間T的比值；EH為閘室水平單位面積能量；EL為閘室縱向單位面積能量；EC為閘室橫向單位面積能量；ρ為水密度。

(7)

(8)

(9)

由上可見，mH、mL、mC這3個無量綱變量分別代表了輸水系統在水平、縱向和橫向單位面積內需要消殺的能量。我國規范船閘輸水系統判別系數m實質上代表了輸水系統閘室水面單位面積消殺的能量，為與現行規范統一，仍采用m值作為船閘水平單位面積能量的指標。

為分析不同類型輸水系統單位面積實際消殺能量，按上述方法，計算分析了國內外123座大型船閘[11]的m、mL、mC值，見圖1、2。其中集中輸水系統23座，平均作用水頭6.7 m；局部分散輸水系統5座，平均作用水頭9.0 m；第一類分散輸水系統45座，平均作用水頭11.5 m；第二類a型28座，平均作用水頭18.6 m；第二類b型12座，平均作用水頭25.7 m；第二類c型3座，平均作用水頭28.4 m；第三類7座，平均作用水頭37.0 m。

圖1 不同類型輸水系統m與mL的關系

圖2 不同類型輸水系統mL與mc的關系

按輸水系統劃分標準，統計分析了7類輸水系統形式的m、mL、mC均值，見表3。根據灰色綜合評價法，可建立輸水系統影響因素指標參考序列Xi={mi，mLi，mCi}，i=1，…，7，分別表示1.2節劃分的7類輸水系統形式。

表3 7類輸水系統形式影響因素指標

2 應用案例

選擇13座已建或在建的不同水頭、平面尺度、初始水深和輸水時間的典型船閘進行輸水系統選型[12-16]，測試船閘作用水頭7.0～45.2 m，船閘閘室長度變化范圍120～300 m，閘室寬度變化范圍12～34 m，閘室初始水深3.0～10.0 m，輸水時間8.0～16.0 min，各測試船閘具體特征參數見表4。

表4 測試船閘特征參數表與影響因素指標

表5為13座船閘與不同類型輸水系統形式關聯度計算結果，根據絕對關聯度的大小進行相關排序，絕對關聯度越大，表明該船閘越適合該輸水系統形式，最終輸水系統選型結果見表6。由表6可見，本文方法選擇確定的輸水系統形式12座與工程實際采用形式一致，其選型效果明顯優于現行規范。

表5 測試船閘與7類輸水系統形式關聯度

表6 測試船閘輸水系統選型

3 結論

2)應用本文模型計算了13座典型船閘的輸水系統形式，結果表明：模型計算的輸水系統形式與工程實際采用的輸水系統形式基本一致，不僅選型結果明顯優于現行規范，而且可以量化輸水系統選型結果，具有很好的實用價值。