船閘上游進(jìn)水口布置試驗(yàn)研究

曾敏，林勇，孫利敏

（四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 四川 成都 610031）

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[1]，工程布置采用“左岸廠房＋右岸泄洪沖沙閘＋右岸船閘”的布置格局。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(hù)與改善導(dǎo)則》，該工程船閘級別為Ⅳ級，按通航500t 級船舶標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，船閘采用右岸單線1 級船閘[2]。由于該船閘最大工作水頭約為32.5m，其水頭已接近或達(dá)到了國內(nèi)外已建船閘的最高水平，進(jìn)水口的合理布置關(guān)系到船閘輸水是否滿足要求，同時(shí)也與船閘整體穩(wěn)定運(yùn)行息息相關(guān)，其性能優(yōu)劣將直接影響到湄公河干流的航運(yùn)能否暢通，因此本文結(jié)合泥沙淤積模型成果，盡量減小泥沙淤積對進(jìn)水口的影響，通過對上游進(jìn)水口不同高程的試驗(yàn)結(jié)果，對提高進(jìn)水口高程后不良水流條件提出工程解決措施，滿足規(guī)范要求，保證船閘的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 船閘概況

該船閘布置于右岸，船閘左側(cè)為航道沖沙閘，右側(cè)與右岸非溢流壩段相接。船閘上游最高通航水位為340m；上游最低通航水位為334m；下游最高通航水位為329.38m；下游最低通航水位為307.62m，最大工作水頭為32.38m。

1.1 輸水系統(tǒng)型式

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

對于本船閘，其最大水頭為32.38m，設(shè)計(jì)輸水時(shí)間為10～12min。

據(jù)船閘設(shè)計(jì)規(guī)范，該船閘的m 值在1.8 左右，可采用第二類分散輸水系統(tǒng)中的閘墻主廊道閘室中心進(jìn)口、水平分流、閘底縱支廊道（二區(qū)段出水）的輸水系統(tǒng)型式[3]，也可采用第三類分散輸水系統(tǒng)型式中的閘墻主廊道閘室中心進(jìn)口、水平分流、閘底縱支廊道（二區(qū)段出水）的輸水系統(tǒng)型式[3]。鑒于該船閘水頭較高，閥門段廊道到分流口距離較短，采用水平分流較難保證上下閘室內(nèi)分流均勻，結(jié)合銀盤等類似規(guī)模水頭船閘布置經(jīng)驗(yàn)及本船閘閘室地基較好、開挖較淺的特點(diǎn)，初擬選擇閘墻長廊道、垂直分流口、閘底縱支廊道（二區(qū)段出水）、側(cè)支孔加消能明溝的第三類分散輸水系統(tǒng)型式作為該船閘的輸水布置型式[4]。

1.2 上閘首及進(jìn)水口布置

輸水系統(tǒng)進(jìn)水口采用閘墻垂直多支孔布置，廊道進(jìn)水口頂高程為320.30m，則進(jìn)水口淹沒水深為19.70m。進(jìn)水口與上閘首充水閥門段廊道通過鵝頸管相連接，工作閥門布置在鵝頸管之后，閥門頂高程為294.62m，底高程為292.02m，淹沒水深為13.0m，閥門后需要采用突擴(kuò)廊道體型。具體布置見圖1。

1.3 下閘首及出水口布置

下閘首泄水閥門段廊道通過斜坡及水平直段與閘室中部分流口相連接。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。具體布置見圖1。

1.4 分流口布置

本船閘垂直分流口布置于閘室水體中心，分別與閘室出水縱向支廊道和閘墻長廊道相連接，考慮到分流口水流條件較差，為進(jìn)一步控制斷面流速，對分流口斷面進(jìn)行了適當(dāng)加大，采用2～3.6×3.3 m2（寬×高）＝23.76 m2，寬度3.6m 與閘室出水縱向支廊道寬度一致、分流口水平隔板厚度為0.50m，過流面積為21.6m2。

1.5 閘室出水支廊道和出水支孔布置

閘室出水支廊道布置可采用兩種型式，側(cè)支孔出水明溝消能和頂支孔出水蓋板消能，前者國外采用較多，而后者則在我國三峽、葛洲壩等船閘中應(yīng)用，采用側(cè)支孔出水明溝消能可減小閘室開挖量，考慮本船閘基礎(chǔ)較好，因此采用閘室出水支廊道采用側(cè)支孔出水加消能明溝消能型式[5]。

閘底出水主廊道斷面為2～3.6×3.0=21.6m2，為減小閘室底板厚度，采用側(cè)支孔出水及明溝消能布置，每支出水廊道每側(cè)設(shè)7 個(gè)出水孔，孔口尺寸為0.5m×1.4m（寬×高），出水支孔間距為6m，出水支孔進(jìn)、出口應(yīng)三面修圓，修圓半徑r=0.3m。

支孔出口消能明溝對水流消能及二次調(diào)整作用十分顯著，為達(dá)到較好的消能效果，消能明溝寬度B 應(yīng)滿足支孔出流流核縮小到消失所需距離。據(jù)規(guī)范，消能明溝寬度B=2.5m，明溝深D=4.0m，由于明溝較深，擋檻布置于距離明溝底部2.0m 的位置。具體布置見圖1。

2 試驗(yàn)?zāi)康募霸囼?yàn)工況

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

在擬定的輸水系統(tǒng)布置方案下，考慮閘室船舶停泊條件、輸水廊道水動力特性、輸水時(shí)間要求及上下游進(jìn)出水口水流條件等因素，充、泄水閥門開啟時(shí)間tv 采取6min，閘室充、泄水時(shí)間分別為10.60min 和11.16min，閘室充、泄水最大流量分別為146m3/s 和140m3/s，此時(shí)相應(yīng)的廊道最大平均流速分別為10.1m/s和9.6m/s，分流口最大平均流速分別7.2m/s 和6.9m/s，均滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，且有安全富裕度。

樞紐整體模型及泥沙淤積模型試驗(yàn)成果表明，船閘上游進(jìn)水口附近泥沙淤積較為嚴(yán)重，為防止進(jìn)水口出現(xiàn)泥沙淤積，減小泥沙淤積對進(jìn)水口的影響，擬將現(xiàn)進(jìn)水口底高程317.00m 抬高到?jīng)_沙閘堰頂高程317.00m 以上至少2m。因此，對進(jìn)水口高程抬高后的進(jìn)水口水流條件進(jìn)行試驗(yàn)分析，當(dāng)不滿足要求時(shí)提出合理解決措施。

2.2 試驗(yàn)工況

為取得船閘充水時(shí)進(jìn)水口水流條件的最不利情況，采用充水閥門雙邊開啟（開啟時(shí)間tv=6min）的情況進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)工況水位組合如下。

（1）上游最高、下游最低通航水位340.0m～307.62m；

（2）上下游最低通航水位334.0m～ 307.62m；

3 試驗(yàn)結(jié)果及解決措施

3.1 原進(jìn)水口高程方案

原進(jìn)水口布置方案下，當(dāng)上游最高～下游最低通航水位340.0m～ 307.62m 時(shí)，其最大設(shè)計(jì)水頭32.38m，充水閥門雙邊開啟（開啟時(shí)間tv=6min）時(shí)，充水最大流量為146m3/s，進(jìn)水口流速為1.84m/s，且此時(shí)上游進(jìn)水口淹沒水深達(dá)19.7m，因此進(jìn)水口水流條件良好，水面平穩(wěn)，未出現(xiàn)漩渦。

當(dāng)上、下游均為最低通航水位（334.00m～307.62m）情況下，充水閥門雙邊開啟（開啟時(shí)間tv=6min）時(shí)，充水最大流量僅為129m3/s，進(jìn)水口流速僅為1.63m/s，此時(shí)上游進(jìn)水口淹沒水深為13.7m，進(jìn)水口水流條件仍令人滿意，水面平穩(wěn)，未見旋轉(zhuǎn)水體，見圖2。

圖2 上游進(jìn)水口流態(tài)（334.00m～307.62m 組合）

3.2 進(jìn)水口高程抬高2m 方案

據(jù)泥沙淤積模型試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)水口附近泥沙淤積較為嚴(yán)重，擬將現(xiàn)進(jìn)水口底高程抬高到高程317.00m 以上至少2m。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，盡管進(jìn)水口底高程僅抬高2m，但在正常運(yùn)行工況下，在閥門全開（最大流量）時(shí)，上閘首引航道一側(cè)的進(jìn)水口上方附近出現(xiàn)了明顯的漩渦出現(xiàn)，見圖3，不能滿足要求。因此，若要防止進(jìn)水口出現(xiàn)泥沙淤積而抬高進(jìn)水口底高程，則必須采取一定的消渦措施。

圖3 底高程抬高2m 流態(tài)（334.00m～307.62m 組合）

3.3 解決措施

為解決進(jìn)水口高程抬高后船閘充水時(shí)出現(xiàn)的不良水流條件，在保證船閘輸水系統(tǒng)鵝頸管、充水閥門水流條件不惡化及不影響船舶安全航行的條件下，通過在進(jìn)水口外布置簡單消渦梁的工程措施，盡可能抬高進(jìn)水口高程。

通過多組不同進(jìn)水口抬升高度及消渦梁布置試驗(yàn)，最終確定將進(jìn)水口底高程由原來的317.0m 高程抬升到322.0m 高程，在每側(cè)進(jìn)水口外采用2 根寬度為1.2m 的消渦梁，2 根消渦梁間的縫隙寬度分別為0.8m 和1.2m，進(jìn)水口及消渦梁布置見圖4。在采取此工程措施情況下，進(jìn)水口高程抬高后，水流條件仍令人滿意，水面平穩(wěn)，未見旋轉(zhuǎn)水體。

圖4 調(diào)整后的進(jìn)水口及消渦梁布置圖

4 結(jié)語

該船閘的性能優(yōu)劣將直接影響到湄公河干流的航運(yùn)能否暢通。為盡量減小庫區(qū)泥沙淤積對進(jìn)水口的不利影響，在保證船閘輸水系統(tǒng)鵝頸管、充水閥門水流條件不惡化及不影響船舶安全航行的條件下，抬高進(jìn)水口高程，針對高程抬高后船閘充水出現(xiàn)的漩渦等不良水流條件，提出在進(jìn)水口設(shè)置消窩梁的工程措施，有效地改善了進(jìn)水口的水流條件，滿足規(guī)范要求，保證船閘的安全穩(wěn)定運(yùn)行。