吳英卓，江耀祖，王智娟，何 勇

(長江科學(xué)院 水力學(xué)研究所，湖北 武漢 430010)

興隆船閘為單線一級船閘，閘室有效尺寸180m×23m×3.5m(長×寬×最小門檻水深)，最大工作水頭8.1 m(對應(yīng)水位組合為上游正常蓄水位36.2m，下游水位28.1 m)，常遇水頭6.5m(對應(yīng)水位組合為上游正常蓄水位36.2m，下游水位29.7m)，最大通航船隊為雙排雙列1頂4駁1000 t級船隊，近期通航船舶以500 t級以下單船為主，設(shè)計輸水時間10～12min，且要求盡量縮短.

興隆船閘采用短廊道輸水系統(tǒng)，屬集中輸水系統(tǒng)布置中的中高水頭船閘.其船閘規(guī)模及一次充泄水水體大，輸水時間短，水力指標(biāo)要求高，尚沒有條件基本相同的集中輸水系統(tǒng)布置的工程實例借鑒，輸水過程中由于出流集中，若充、泄水閥門運行方式和充、泄水系統(tǒng)出口布置不當(dāng)，極易在閘室和引航道內(nèi)產(chǎn)生較大的縱向波流［1-6］，影響過閘船舶安全.為了保證船閘建成后船舶能安全、迅速地過閘，采用了1∶30船閘水工模型，對不同水位運行條件下，輸水系統(tǒng)出水口區(qū)水流流態(tài)、閘室內(nèi)和引航道內(nèi)船舶停泊條件及輸水系統(tǒng)壓力特性等進(jìn)行了試驗.通過試驗，確定采用短廊道輸水系統(tǒng)的可行性，并對輸水閥門運行方式、輸水系統(tǒng)出口結(jié)構(gòu)體型尺寸等提出優(yōu)化建議，為興隆船閘設(shè)計提供科學(xué)依據(jù).

1 輸水系統(tǒng)布置型式分析

1.1 布置型式

船閘輸水系統(tǒng)由布置于上閘首的短廊道充水系統(tǒng)和下閘首的短廊道泄水系統(tǒng)組成，上下閘首輸水廊道左右對稱布置.

上閘首充水系統(tǒng)喇叭形短進(jìn)口設(shè)在上閘首人字門門龕段;格柵式出水口布置在上閘首帷墻下游側(cè)，采用消能室對沖消能，消能室底部設(shè)置了3道消力檻，其上游側(cè)壁等距布置10個出水支孔，頂部共布置有2排共24個出水支孔;在消能室上游側(cè)壁至上閘首帷墻形成一長6.1 m的消力池.

下閘首泄水系統(tǒng)喇叭形短進(jìn)口布置在下閘首人字門門龕段，出水口布置在下閘首下游側(cè)的消能段，水流經(jīng)對沖消能后直接泄入下游引航道內(nèi).

興隆船閘輸水系統(tǒng)布置見圖1.輸水系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)特征參數(shù)見表1.

圖1 興隆船閘輸水系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of the short culvert emptying system of Xinglong shiplock

表1 輸水系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)特征尺寸Tab.1 The typical sizes of main components of the emptying system

1.2 布置型式合理性分析

船閘輸水系統(tǒng)一般可分為集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)［1-3］.其中集中輸水系統(tǒng)工程投資較小，適應(yīng)的水頭也較低.興隆船閘采用短廊道集中輸水系統(tǒng)，是否能夠保證船閘在所有運行條件下船舶均可快速安全通過——即滿足輸水時間的要求也滿足停泊條件要求，在試驗研究前首先需對采用的輸水系統(tǒng)類型的合理性進(jìn)行分析.

根據(jù)輸水系統(tǒng)類型的選擇公式［2］:m=，其中:T為輸水時間(min)，H為水頭(m)，再結(jié)合不同的輸水時間及不同的水頭作為控制條件，計算相應(yīng)的m值:輸水時間T為10min，水頭H分別為8.1和6.5m時，選型參數(shù)m分別為3.5和3.9;輸水時間T為12min，水頭H分別為8.1和6.5m時，選型參數(shù)m分別為4.2和4.7.

根據(jù)船閘設(shè)計規(guī)范，當(dāng)m＞3.5時，采用集中輸水系統(tǒng).從以上計算可知，除最苛刻的運行條件下選型參數(shù)為臨界值3.5外，其余條件下均大于3.5，表明興隆船閘采用短廊道輸水系統(tǒng)基本合理.

另外對輸水系統(tǒng)關(guān)鍵部位布置的合理性亦需進(jìn)行分析.從表1可知，上閘首充水系統(tǒng)的出水孔總面積為88.28 m2，其與閥門區(qū)廊道面積比為3.83，與充水廊道出口面積比為2.45.根據(jù)以往船閘模型試驗研究經(jīng)驗［7-10］，對于多孔進(jìn)、出水口，其進(jìn)、出水孔總面積與控流斷面面積比值過大，各孔進(jìn)、出流量均勻性調(diào)控困難，而各出水孔出流的均勻性直接影響閘室內(nèi)船舶停泊條件.但考慮到格柵式消能室，其出水總面積應(yīng)大于廊道出口總面積的2倍的規(guī)范要求，仍維持原出水孔布置型式作為研究方案.

最大工作水頭下上閘首充水系統(tǒng)出口廊道頂部的初始淹沒水深為1.5m，出口淹沒深度太小對閘室內(nèi)船舶停泊條件不利，出于控制工程造價的考慮，僅微調(diào)為1.6m后進(jìn)行試驗研究.

2 試驗結(jié)果分析

2.1 輸水閥門運行方式研究

輸水閥門運行方式的選擇必須同時滿足輸水時間和停泊條件的要求.

2.1.1 充水閥門運行方式選擇 首先研究操作最簡便的勻速開啟方式，比較了閥門開啟歷時tv=6，8，9和11 min這4種開閥速度.最大工作水頭下，雙閥勻速開啟充水水力特征值以及閘室內(nèi)4×1000 t船隊系纜力最大值見表2.4×1000 t船隊船舶的縱向力允許值為32 kN，橫向力允許值為16 kN.

表2 閘室充水水力特征值及系纜力最大值Tab.2 Filling hydraulic characteristics and maximum mooring force of the chamber

從表2可知，圖1型式輸水系統(tǒng)，在滿足充水時間10～12min的前提下，充水閥門采用勻速開啟方式運行，閘室內(nèi)4×1000 t船隊停泊條件不滿足要求.

分析試驗成果可知，閥門勻速開啟充水試驗，tv=11 min雙閥開啟縱向力已達(dá)標(biāo)，橫向力基本在n=0.4～0.7開度區(qū)間超標(biāo)，因此考慮在閥門開啟前半程放慢開閥速度，以減小系纜力值，然后在n=0.4～0.7選擇恰當(dāng)?shù)拈_度再加快開閥速度，以滿足充水時間要求.

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)變速開度選擇n=0.6最為恰當(dāng)，后半程(n=0.6～1.0)速率考慮了原型的可操作性——變速前后速率之比不宜超過2倍，設(shè)定為tv=6min.

研究表明，最大工作水頭下，閥門采用n=0～0.6，tv=11 min;n=0.6～1.0，tv=6min的變速運行方式雙閥開啟充水，閘室內(nèi)4×1000 t船隊最大系纜力值與勻速tv=11 min時相同——最大縱向力30 kN，最大橫向力20 kN，但輸水時間縮短至10.7min.

放慢前半程開閥速率，由tv=11 min逐次遞減為tv=12，13和14 min，隨著前半程開閥速率的減慢，充水時間延長，閘室內(nèi)4×1000 t船隊最大縱橫向系纜力均減小，其中最大縱向力減小幅度較大，最大橫向力減小幅度較小.當(dāng)前半程速率減慢至 tv=14 min時，即閥門采用n=0～0.6，tv=14 min;n=0.6～1.0，tv=6min的變速運行方式雙閥開啟充水，船閘充水時間恰為12min，最大縱向系纜力減小至23 kN，最大橫向系纜力17 kN，仍超過標(biāo)準(zhǔn).

放慢前半程開閥速率縱向力減小幅度較大，橫向力減小幅度較小的原因為:縱向力大小主要取決于閘室水面縱坡，而閘室水面縱坡與出口流量直接相關(guān);橫向力大小主要取決于閘室水面擾動，與出口各孔口出流均勻性相關(guān)度較大.

研究表明，充水閥門采用恰當(dāng)?shù)淖兯龠\行方式，可縮短充水時間，減小系纜力，恰當(dāng)?shù)淖兯龠\行方式優(yōu)于勻速運行方式.但對于圖1型式的輸水系統(tǒng)，在最大工作水頭下，不管充水閥門采用勻速還是變速運行方式開啟，均不能在滿足充水時間小于12min要求的同時，保證停泊于閘室內(nèi)的4×1000 t船隊系纜力不超標(biāo).

顯然，僅通過改變閥門運行方式無法達(dá)到同時滿足充水歷時和閘室內(nèi)停泊條件要求，必須對圖1型式的輸水系統(tǒng)的上閘首充水系統(tǒng)出口型式進(jìn)行修改.

2.1.2 泄水閥門運行方式選擇 研究發(fā)現(xiàn)，圖1型式輸水系統(tǒng)，泄水閥不管是采用勻速還是變速開啟，下閘首泄水系統(tǒng)進(jìn)口均有立軸吸氣漩渦出現(xiàn).后將集中進(jìn)水方式的喇叭形短進(jìn)口修改為橫跨整個閘首的格柵式分散進(jìn)水方式，有效消除了立軸吸氣漩渦.此修改型式泄水閥門運行方式采用tv=10min雙閥勻速同步開啟，船閘泄水歷時為11.0min，滿足設(shè)計要求;4×1000 t船隊在閘室內(nèi)和下游引航道靠船墩處的停泊條件亦能滿足規(guī)范要求.說明泄水閥門運行方式采用勻速開啟即可.

2.2 充水系統(tǒng)出口布置研究

上述研究表明，僅通過調(diào)整充水閥門運行方式不能達(dá)到同時滿足充水歷時和閘室內(nèi)船舶停泊條件要求，必須對圖1型式上閘首充水系統(tǒng)出口布置型式進(jìn)行修改.

2.2.1 局部消力設(shè)施研究 首先考慮在出口區(qū)域增加消力設(shè)施，試驗研究了圖2所示的折流板、消能格柵和消力檻三大類消力設(shè)施，并對原有的頂孔消能蓋板寬度進(jìn)行調(diào)整.其中折流板加在側(cè)孔頂部，目的是加長側(cè)孔出流的水流調(diào)整距離，使閘室內(nèi)水流分布更加均勻;消能格柵和消力檻布置在消力池中部，希望能消減側(cè)孔出流的能量，減弱閘室水流紊動.而改變頂孔消能蓋板寬度是希望減弱充水時約在n=0.1～0.6區(qū)間頂部出水區(qū)出現(xiàn)的涌泉現(xiàn)象，以減小閘室內(nèi)水流紊動.

圖2 局部消力設(shè)施布置(單位:高程:m，長度:cm)Fig.2 Layout of local dissipators(unit:elevation:m，length:cm)

研究成果表明，加消能格柵后閘室內(nèi)船舶停泊條件更加惡化，其原因是因為格柵限制了側(cè)孔水流通過，相當(dāng)于減短了消力池長度，使得側(cè)孔出流消能更不充分;在消力池內(nèi)加折流板和消力坎效果不明顯.而對于頂孔消能蓋板，試驗比較了寬1.8，2.2和2.4 m的型式，結(jié)果顯示雖隨著板寬的加大涌泉現(xiàn)象大為減弱，船舶前橫向力亦相應(yīng)減小，但后橫向力仍超標(biāo).研究表明，僅通過在上閘首出口區(qū)增設(shè)局部消力設(shè)施，難以達(dá)到減小閘室內(nèi)船舶系纜力的目的.

2.2.2 出水孔面積比由表1可知，消能室頂部出水面積為49.28 m2，側(cè)壁出水面積為39 m2，消能室頂部出水面積與側(cè)壁出水面積比為1.26.規(guī)范建議此比值宜近似于閘室出現(xiàn)最大斷面平均流速時消能室頂部以上與頂部以下水深的比值.

根據(jù)試驗得到的最大工作水頭下，閥門采用n=0～0.6，tv=11 min(或12，13min);n=0.6～1.0，tv=6min的3種變速運行方式雙閥充水水力特性曲線，計算得出閘室出現(xiàn)最大斷面平均流速時消能室頂部以上與頂部以下水深的比值約在2.45左右，在保持頂孔面積不變條件下，計算合理的側(cè)孔面積應(yīng)為20.11 m2，說明圖1型式輸水系統(tǒng)上閘首出口側(cè)孔面積偏大.鑒于此，將側(cè)孔上部封閉一半，面積亦減小一半變?yōu)?9.5m2，同時修改頂部出水孔布置，孔個數(shù)及孔長不變，調(diào)整孔寬和孔間距，調(diào)整后頂孔面積由原49.28 m2減小至47.04 m2，計算頂孔與側(cè)孔面積比為2.41，與規(guī)范建議值2.45相近.試驗表明，最大工作水頭下，充水閥門采用n=0～0.6，tv=10min;n=0.6～1.0，tv=6min方式運行，充水時間為10.6min，4×1000 t船隊縱向最大系纜力為32 kN，橫向最大系纜力為14 kN，滿足規(guī)范要求.

顯然，減小側(cè)孔面積改善了閘室內(nèi)船舶停泊條件.但對停泊安全影響較大的縱向系纜力僅只能滿足要求、沒有安全裕度.

為了解縱向系纜力偏大的原因，測量了閘室停泊區(qū)首斷面流速分布，發(fā)現(xiàn)表面流速過大，約為中部流速的1.6倍，底部流速的2.5倍，分析原因與側(cè)孔開口面對上游的布置型式有關(guān).從圖3可見，閘室充水時側(cè)孔出流首先直沖上閘首帷墻，后被上閘首帷墻26.6m高程處設(shè)置的折流板反向，反向水流集中在過水?dāng)嗝姹韺?，向下游行進(jìn)擴(kuò)散過程中又被頂孔消力蓋板阻擋使得水流更加挑向表面，從而使表面流速過大，再加上船閘整體布置條件的限制造成鎮(zhèn)靜段長度有限(僅15m)，水流未及調(diào)整均勻即進(jìn)入停泊區(qū)，使得閘室內(nèi)船舶縱向系纜力較大.為此將側(cè)孔全封閉，且取消為調(diào)整側(cè)孔出流均勻性而在出水廊道底部設(shè)置的消力檻，試驗表明，最大工作水頭下，充水閥門采用 n=0～0.6，tv=10min;n=0.6～1.0，tv=6min方式運行，充水時間為10.5min，4×1000 t船隊縱向最大系纜力為30 kN，橫向最大系纜力為16 kN，滿足規(guī)范要求.

由上述試驗結(jié)果可知，對于側(cè)向出水孔布置在出水廊道上游側(cè)壁的布置型式，因側(cè)孔水流受出水廊道的阻礙，不能在較短距離內(nèi)在水深向有效擴(kuò)散，會造成閘室停泊區(qū)斷面表面流速偏大，進(jìn)而使得閘室內(nèi)船舶縱向系纜力偏大，顯然，取消布置在出水廊道上游側(cè)壁的出水孔對于減小縱向系纜力有利;而對于橫向系纜力，則在頂部出水孔與側(cè)壁出水孔面積比滿足規(guī)范建議值時偏小，但取消側(cè)壁出水孔的布置型式，橫向系纜力亦能滿足規(guī)范要求.

2.3 閘室起始淹沒水深與系纜力關(guān)系

圖1中閘室底板高程為24.6m，模型試驗了將閘室底板高程降低1.0，1.6和2.0m(上下閘首輸水系統(tǒng)高程同步降低)，即在最大工作水頭下閘室起始淹沒水深由設(shè)計的3.5m增加到4.5，5.1和5.5m.

變速運行方式n=0～0.6，tv=12min;n=0.6～1.0，tv=6min和勻速tv=10min雙閥開啟充水，閘室淹沒水深和系纜力關(guān)系曲線見圖4.從圖可知，淹沒水深增大系纜力減小，顯然淹沒水深增大使得進(jìn)入閘室內(nèi)水流的比能減小，從而使船舶受力減小.

若希望進(jìn)一步縮短最大工作水頭條件下的充水時間至10min以內(nèi)，可考慮在取消側(cè)壁出水孔的同時適當(dāng)降低閘室底板高程.

圖3 側(cè)孔出流流線示意圖(單位:高程:m，長度:cm)Fig.3 Lateral sluice streamline(unit:elevation:m，length:cm)

圖4 閘室淹沒水深與系纜力最大值關(guān)系Fig.4 Relationship curves between submerged water depth and maximum mooring force of the chamber

3 結(jié)語

針對水力指標(biāo)要求較高的興隆船閘關(guān)鍵水力學(xué)問題，通過1∶30物理模型試驗，有效解決了興隆船閘的閘室內(nèi)和出口引航道的通航水流條件的技術(shù)難題，優(yōu)化了閘室輸水系統(tǒng)布置型式，給出了最優(yōu)閥門運行方式，可得出如下幾點結(jié)論:

(1)興隆船閘可采用短廊道輸水系統(tǒng).

(2)上閘首輸水系統(tǒng)出口型式采用滿足規(guī)范的頂側(cè)孔面積比——將圖1型式出水廊道側(cè)壁出水孔封閉一半的型式，可使閘室內(nèi)船舶橫向系纜力最小，停泊條件能夠滿足規(guī)范要求.

(3)上閘首輸水系統(tǒng)出口型式采用圖1出水廊道側(cè)壁出水孔全封閉型式，可使對船舶停泊安全起控制性作用的縱向系纜力最小，停泊條件能夠滿足規(guī)范要求.并且該出口型式減少開挖工程量，降低工程造價.

(4)興隆船閘輸水系統(tǒng)修改型式的閥門最佳運行方式為:變速n=0～0.6，tv=10min;n=0.6～1.0，tv=6min雙閥同步充水、tv=10min雙閥同步泄水.

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