徐 瑛

水利工程建設帶動了船閘研究的發(fā)展,船閘作為主要的一種通航建筑物,在世界各地的水利水運工程中得到廣泛應用。許多學者從物理模型試驗方面對其進行了研究。國內外已建船閘運行經驗表明,與一般水工泄水建筑物不同,當船閘水頭超過20m時,就被稱為高水頭。如:三峽船閘、水口船閘和五強溪船閘(工作水頭40m以上);葛洲壩1#、2#、3#船閘,大化船閘,惡灘船閘和萬安船閘工作水頭27m以上;東西關船閘和草街船閘工作水頭24m以上等。我國葛洲壩2#高水頭船閘首次采用了閘室底部縱橫支廊道輸水系統(tǒng);葛洲壩1#船閘所采用的等慣性八支管閘室底部廊道輸水系統(tǒng)中,首次采用了第2級立交分流口型式;三峽連續(xù)5級高水頭船閘輸水系統(tǒng)亦采用了類似葛洲壩1#船閘的型式,在第2級分流口布置方面作了改進;廣西昭平船閘輸水系統(tǒng)采用了檻下分散輸水型式;福建水口與沙溪口、浙江七里垅、湖南五強溪和江西萬安等船閘的輸水系統(tǒng)均采用了閘室底部長廊道的輸水型式。國內外部分高水頭單級船閘見表1。由表1可知,已建船閘中水頭最高的單級船閘為前蘇聯(lián)的烏斯基-卡米諾柯爾斯基船閘(H=42m),但其輸水性能較差,灌水時間長達27 min。嘉陵江為我國西部水運的主通道,在西部內河航運中起骨干作用。草街樞紐是嘉陵江上規(guī)模最大的航電樞紐,其二線船閘將為該樞紐的第2條過船通道,船閘輸水性能直接關系到嘉陵江航道能否通暢。如按常規(guī)方式布置二線船閘,不僅需要大范圍開挖山體,而且渝合高速需要改線,使二線船閘的建造成本大幅度增加,如采用單側廊道輸水系統(tǒng),則不僅可以大大減少工程開挖量,還可以避免渝合高速的改線,減少工程投資。由于草街船閘水力指標較高,加之,地形要求船閘輸水系統(tǒng)布置須突破常規(guī),因此提出采用單側廊道輸水系統(tǒng)這一新型式,國內、外尚無類似船閘的成功實例;因此,結合草街實際情況,進行高水頭單側廊道輸水系統(tǒng)布置和船閘水力學研究,對解決草街樞紐布置難題和提高我國船閘設計研究水平都具有十分重要的意義。

表1 國內外部分高水頭單級船閘特征統(tǒng)計

1 模型設計與制作

模型試驗結合嘉陵江草街航電樞紐工程進行,采用1∶25比尺的整體模型,模型布置如圖1所示。模擬范圍包括上游進水口、閥門及閘室段縱向廊道、閘室橫支廊道的進水管部分。上游流量由矩形堰控制,水位由帶有測針的水位指示器控制,可同步調節(jié)上游閥門的高度來決定進入縱向廊道流量的大小。上游進水口,閥門及閘室段縱向廊道,閘室橫支廊道的進水管均采用有機玻璃制作;閘墻采用紅磚砌筑,水泥砂漿抹面。流速測量采用HD-4智能流速儀進行采集處理。測定不同閥門開啟工況時閘室充、泄水水力特性指標,充、泄水廊道壓力,各段廊道阻力系數(shù)及各種船舶、船隊停于閘室內的系纜力。

圖1 模型布置平面示意圖

2 研究成果與分析

2.1 水流流態(tài)

船閘進水口采用垂直多支孔形式,在上游最高通航水位和下游最低通航水位組合情況下,進口淹沒度達14.75m。在閥門雙邊開啟時間為3,5,8min時,進水口漩渦強度隨閥門開啟速度的快慢而變化,但其隨機性較強。進水口在閥門開度大于0.6后漩渦逐漸形成,初始漩渦強度和直徑較小。在閥門全開前后,進水口附近流態(tài)較為紊亂,漩渦直徑最大達0.6m左右,凹陷深度0.3m左右,未出現(xiàn)串通漏斗和吸氣現(xiàn)象,閥門全開后隨著閘室水位的升高漩渦逐漸減弱、消失。在同種閥門開啟工況下,漩渦出現(xiàn)的時間和位置不固定,且在進水口一定范圍內移動。在上游最低通航水位和下游最低通航水位組合情況下,進口淹沒度達11.75m,在各試驗工況下,整個充水過程中進口處漩渦發(fā)生的時段及強度(直徑和深度)與最高通航水位時基本一致,未觀察到串通漏斗和吸氣現(xiàn)象。

在船閘充水過程中,工作閥門井水面隨閥門開度的增大而下降。當閥門全開時,門井水位下降至最低,以后開始回升。泄水時則隨著閘室水位降低而逐漸下降,直至降至下游起始水位。觀測結果表明,閥門開啟速率越快,閥門井水位降落及下檢修門井水位波動值均越大。在閘室充水時,僅在閥門單邊開啟條件下,下游檢修閥門井出現(xiàn)水位低于廊道頂部而發(fā)生門井摻氣的現(xiàn)象。而閘室泄水時,由于下游水位后閥門段的壓力均較低,加之門后的水位幅動大,致使下檢修門井水位時常出現(xiàn)低于廊道頂而摻氣現(xiàn)象。

充、泄水輸水閥門段廊道水流流態(tài)從垂直空間看,可分為3個區(qū)域:(1)門后水流收縮和擴大形成的回流區(qū)域;(2)突擴體底部主流區(qū);(3)介于兩者之間的水流混摻區(qū)域。閥門段輸水廊道水流流態(tài)示意圖見圖2。在閥門局部開啟過程中,水流沿閥門底緣向下傾斜,通過閥門后,過流斷面面積增大,流線向上擴散,到達升坎處,水流流向壓力較小的突擴體上方,在突擴體內形成旋轉水流,該漩渦強度及范圍是隨閥門開度增大而逐漸減小;在突擴體跌坎底部,有一直徑較小的漩渦。由于在跌坎處設置了消能階梯,減小了靜水區(qū)域的體積,跌坎處的漩渦大大減小;突擴體加長后,增加了消能效果,減小了升坎對水流的向上頂托強度,削弱了門后漩渦和主流交界面上的剪切強度。

圖2 突擴體段流態(tài)示意圖

2.2 輸水系統(tǒng)水力特性

恒定流及非恒定流試驗兩種方法實測閥門雙邊充水流量系數(shù)在0.726～0.739之間,雙邊泄水流量系數(shù)在0.602～0.605之間。單邊充、泄水流量系數(shù)大于雙邊。閥門雙邊充、泄水時橫支廊道段的阻力系數(shù)是有差異的,前者橫支廊道段的阻力系數(shù)為0.935,而后者該段阻力系數(shù)為1.205;充、泄水閥門段阻力系數(shù)ξvn≈0.4;單邊充、泄水的流量系數(shù)均大于雙邊,充水時阻力系數(shù)主要差別在閥門后,泄水主要表現(xiàn)在橫支廊道和出口段,主要原因是單邊閥門運行時,最大流量遠小于雙邊運行時的流量,支孔的分流損失較小;閥門后的廊道斷面擴大較多,使其阻力減小。

2.3 壓力特性

2.3.1 充、泄水廊道壓力

充、泄水廊道壓力的高低是衡量閥門工作條件好壞的重要指標,對于高水頭船閘,閥門底緣空化問題是輸水系統(tǒng)設計中需要考慮的重要因素之一。試驗結果表明,在閥門雙邊開啟充泄水時,工作閥門前及突擴體后段充、泄水廊道內側轉彎段均未出現(xiàn)負壓,工作閥門后突擴體側、頂部及突擴體升坎凸面處均出現(xiàn)了一定的負壓。

2.3.2 突擴體段廊道壓力

閘室充、泄水時,閥門速率以tv為5min及8min雙邊開啟和閥門以tv=8min單邊連續(xù)開啟的廊道壓力分布情況見表2。由表2可知,充、泄水閥門段廊道壓力分布存在如下特征。

(1)在門楣不通氣的情況下,無論是充水還是泄水,雙邊還是單邊,最大負壓均出現(xiàn)在閥門后突擴體廊道頂部及升坎凸面處。在恒定流試驗情況下,無論是雙邊還是單邊,充水廊道壓力要高于泄水,閥門雙邊開啟的工況要好于單邊開啟。在非恒定流試驗情況下,閥門后廊道頂部的最低壓力分布的規(guī)律基本一致。

(2)在閥門開啟過程中,閥門開啟速度越快,相應測點的負壓值越大;單邊開啟時測得的負壓值均遠大于雙邊開啟時。從廊道壓力的沿程分布來看,緊靠閥門后的負壓值稍小,之后壓力隨離閥門距離的增加而降低,最低壓力發(fā)生在閥門開啟度n=0.3～0.4,約2倍閥門高度的廊道頂部。

(3)閥門雙邊開啟tv為5min及8min,充水閥門后廊道各部位最低壓力僅個別點超過-3.0×104Pa,大部分測點的壓力值均在規(guī)范允許范圍;而閥門雙邊開啟tv為5min及8min泄水,閥門單邊開啟 tv=8min充泄水閥門后廊道各部位最低壓力均遠超過-3.0×104Pa,可采用門楣通氣,適當降低閥門底部的布置高程和間歇開啟方式等綜合措施解決。

表2 突擴體廊道頂、側面及升坎凸面處最低時均壓力表(恒定流)

2.3.3 主廊道、橫支廊道壓力

閥門各種開啟工況下的最大剩余壓力見表3。試驗結果表明,充泄水時,主廊道的最大剩余壓力均發(fā)生在閘室后端位置,閥門開啟時間 tv=5min雙充時為+6.72×104Pa,雙泄時為-6.68×104Pa;即使是閥門開啟時間tv=8min雙充時主廊道的最大剩余壓力也達+4.32×104Pa,雙泄時為-4.56×104Pa;tv=8min單充時為+3.84×104Pa,單泄為-4.78×104Pa;顯然,閥門雙邊開啟時的泄水最大剩余壓力大于充水。由于單邊充、泄水流量減小,其剩余壓力值均比雙邊開啟情況有所減小;充、泄水時,閘底橫支廊道頂部的最大剩余壓力值較主廊道要小些;閥門tv為5min及8min雙充的最大剩余壓力值分別3.99×104Pa及3.15×104Pa;tv=8min單充的最大剩余壓力值為2.66×104Pa;均發(fā)生在橫支廊道末端位置;閥門tv=5min和8min雙泄的最大剩余壓力值分別-4.26×104Pa和-3.50×104Pa,tv=8min單泄的最大剩余壓力值分別-2.90×104Pa;泄水最大剩余壓力值均發(fā)生在橫支廊道始端位置。泄水時,左側(內側)廊道下游橫支廊道頂板的最大剩余壓力均發(fā)生在最下游出口橫支廊道末端位置,tv為5min及8min雙泄及8min單泄時,其最大剩余壓力值分別為+3.23×104,+2.46×104,+5.08×104Pa。

2.4 閘室停泊條件

表3 閘室充泄水主廊道、橫支廊道及消能蓋板頂部最大剩余壓力

試驗觀測了 100 t、1000 t單船、2×1000 t船隊不系纜停于閘室內不同位置自由漂移情況。在閥門雙邊開啟時,船舶停于閘室前端,一開始即向上游漂移,至閥門全開時,向上游漂移最大值分別為40,10,15m左右,均未碰到上閘首帷墻。停于閘室中部,船舶向下游漂移的幾率較向上游大,在充水過程中,3種船舶向下游最大漂移值分別為20,70,33 m左右;1000 t單船、2×1000 t船隊已碰到下閘首人字門。停于閘室后端,充水一開始船舶向下游漂移,直至碰到下閘門。

2.5 船舶停于閘室內的系纜力

在設計的上、下游水位組合(203.0～176.3 m)下,試驗分別模擬測量了100 t、500 t和2×1000 t設計船隊停于閘室各個位置的系纜力過程,其中設計船隊、單船停于閘室上、中、下部3個位置,橫向為靠右閘墻。試驗針對相同船舶和運行工況進行了多組次觀測,多次最大平均系纜力值見表4。

表4 停于閘室內船舶最大平均系纜力統(tǒng)計表kN

由表4可知,對于2×1000 t設計船隊和500 t單船,主要受第1波浪力控制。閥門以tv=5,8min速度開啟時,2×1000 t船隊的最大縱向波浪力分別為15.00kN和11.90kN,500 t單船的最大波浪力分別為7.80kN和7.50kN,均出現(xiàn)在船舶停于閘室前端位置,但也均小于規(guī)范允許值。對于前、后橫向力,閥門雙邊tv為5min及8min開啟時,在船舶停于閘室前端時,其后橫大于前橫;船舶停于閘室后端測得的前橫大于后橫;船舶停于閘室中部時,其前后橫力相差不大。試驗表明,無論是2×1000 t船隊,還是500 t和100 t單船,其橫向力多次平均值遠小于規(guī)范允許值。

在船舶以tv=8min單邊連續(xù)泄水時,測得的2×1000 t船隊最大縱、橫向力分別為10.10kN和6.56kN;500 t單船縱橫向系纜力分別為6.85kN和5.07kN,遠小于規(guī)范允許值。8min連續(xù)單充與間歇單充測得的系纜力相比,后者略有減小。單充與雙充相比較,單充的系纜力小于雙充,主要是因為單、雙邊閘室橫支廊道及支孔布置、出水面積及出流均勻程度完全一致,而單邊充水時的流量小于雙邊充水時的流量,因此其出水強度小于雙邊。試驗表明,船閘充水時,其縱橫向力均遠遠小于規(guī)范允許值,表明船閘充水時閘室縱、橫向出流較為均勻,能夠滿足船舶安全系泊的要求。

3 結 語

通過總結國內外高水頭船閘閘墻廊道、閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)的設計及運行經驗,結合草街航電樞紐輸水系統(tǒng)的實際情況,首次提出并論證了國內外無先例的高水頭船閘單側主廊道、閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)的合理布置,確定了其輸水系統(tǒng)各部位的布置型式。通過模型試驗對草街二線高水頭船閘進行了全面系統(tǒng)研究,取得高水頭船閘單側長廊道閘底橫支廊道輸水系統(tǒng)的布置及相關水力學問題有價值和創(chuàng)新的研究成果,屬國內外之首創(chuàng)。該成果為草街二線船閘工程設計提供了科學依據(jù),同時,拓寬了我國高水頭船閘單側廊道輸水系統(tǒng)布置的應用領域,發(fā)展了高水頭單側廊道輸水系統(tǒng)船閘水力學研究的水平。

[1] 鄧廷哲,金峰,彭愛琳,等.葛洲壩船閘水力學問題綜合分析[J].人民長江,2002,33(2):41-47.

[2] 王作高.船閘設計[M].北京:水利電力出版社,1992.