陳 亮,金 瑩,孫 倩,王召兵,

(1.重慶交通大學(xué)，西南水運(yùn)工程科學(xué)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(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

船閘輸水系統(tǒng)是完成充泄水的關(guān)鍵部分，集中輸水系統(tǒng)以其結(jié)構(gòu)形式簡單、費(fèi)用較省的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)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(jì)，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(jìn)水口流量集中、流速大，輸水時(shí)易在進(jìn)水口區(qū)域出現(xiàn)旋渦，惡化水流條件；船閘充水時(shí)，若上閘首消能不充分，閘室內(nèi)縱、橫向水流比降大、紊動(dòng)強(qiáng)，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(duì)短廊道輸水系統(tǒng)的水力特性進(jìn)行研究，并對(duì)輸水系統(tǒng)的布置進(jìn)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(shè)計(jì)船型為500噸級(jí)機(jī)動(dòng)駁船。根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)間(min)；H為水頭(m)。由T=8～10 min、H=6.87 m計(jì)算得：m=3.05～3.81。根據(jù)規(guī)范：當(dāng)m> 3.5時(shí)，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(jié)構(gòu)特征尺寸

2 物理模型試驗(yàn)

根據(jù)重力相似準(zhǔn)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(shí)間tv=3～7 min時(shí)，測(cè)量了短廊道輸水系統(tǒng)充、泄水過程各項(xiàng)水力指標(biāo)，優(yōu)化了上、下閘首的消能工布置，并對(duì)原方案和推薦方案閘室內(nèi)船舶停泊條件進(jìn)行對(duì)比。

2.1 充、泄水過程水動(dòng)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(dòng)力特性指標(biāo)見表2，從表2中可以看出：充泄水時(shí)間均在9 min以內(nèi)，考慮原型縮尺效應(yīng)[8]，充泄水時(shí)間均能控制在8 min左右。最大瞬時(shí)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(biāo)均能滿足規(guī)范要求。但據(jù)試驗(yàn)觀察，當(dāng)tv=3 min雙邊泄水時(shí)，泄水閥門有摻氣現(xiàn)象，為不影響船閘建成后閥門的運(yùn)行，避免由于摻氣引起的震動(dòng)等現(xiàn)象，并考慮原型縮尺效應(yīng)，推薦閥門運(yùn)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(shí)間，T為輸水時(shí)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(fù)雜程度分為無消能工、簡單消能工、復(fù)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(jì)算：

(2)

圖2 原方案上閘首消能工布置(單位：m)

針對(duì)該上閘首消能工布置形式，對(duì)船閘充水過程進(jìn)行觀測(cè)。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(dòng)，直至充水結(jié)束前的短暫時(shí)刻，才由下游向上游流動(dòng)，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?yàn)橄芄は懿怀浞?，?dǎo)致閘首水面有較大的波動(dòng)。試驗(yàn)對(duì)充水過程閘室系纜力進(jìn)行了測(cè)量，當(dāng)tv=4 min雙邊均勻開啟時(shí)，船舶最大橫向系纜力達(dá)15.2 kN，接近規(guī)范值16 kN，考慮原型縮尺效應(yīng)，系纜力將超過規(guī)范允許值。研究分析認(rèn)為，此種消能工消能效果差主要存在兩個(gè)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(duì)沖碰撞，導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dá)不到充分消能的效果，試驗(yàn)將對(duì)上閘首消能工進(jìn)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(chǔ)上加高消力檻高度至1.5 m，進(jìn)行流態(tài)觀測(cè)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(dòng)雖有所改善但波動(dòng)仍明顯，無實(shí)質(zhì)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(diào)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(yàn)在此優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上對(duì)充水過程閘室流態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)，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(dòng)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(cè)流量集中、涌高大的特點(diǎn)，且消能工下游2.0 m處，閘室中部涌高較大，仍須進(jìn)一步調(diào)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(chǔ)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(yàn)表明，消能工頂部涌高較小，閘室水面波動(dòng)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(duì)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(cè)到旋渦和明顯的水流紊動(dòng)等現(xiàn)象，當(dāng)閥門開度n大于0.6時(shí)，在下閘首泄水廊道進(jìn)口兩側(cè)觀測(cè)到兩個(gè)范圍較大的串通漏斗旋渦，流場(chǎng)照片見圖4。

圖4 原方案下閘首進(jìn)水口流態(tài)(n=0.6)

串通漏斗旋渦不僅會(huì)惡化下游引航道水流條件、對(duì)閥門的運(yùn)行造成危害，還會(huì)對(duì)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?yàn)椋捍l泄水口布置于兩側(cè)閘墻上，進(jìn)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(shí)，進(jìn)口處最大平均流速約為5.68 m/s，大于4.0 m/s，且由于進(jìn)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(duì)下閘首進(jìn)口布置進(jìn)行了優(yōu)化：將下閘首進(jìn)口寬度由1.8 m增大至3.6 m，高度保持不變，此時(shí)進(jìn)口尺寸為3.6 m×2.2 m

(寬×高)，總面積為15.84 m2,進(jìn)口處最大平均流速約為2.84 m/s。經(jīng)過優(yōu)化后，重新對(duì)泄水過程流態(tài)進(jìn)行了觀測(cè)，整個(gè)輸水過程未觀測(cè)到串通漏斗旋渦，水面紊動(dòng)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(chǎng)照片見圖6。

圖5 優(yōu)化后下閘首進(jìn)水口布置(單位：m)

圖6 優(yōu)化方案下閘首進(jìn)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上對(duì)船閘充泄水流量系數(shù)進(jìn)行了計(jì)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(duì)流量系數(shù)和輸水時(shí)間基本無影響，分析其原因?yàn)?，消能工距離出水口距離較遠(yuǎn)，且消能空間較大，不影響出口的出流情況，所以對(duì)流量系數(shù)和輸水時(shí)間影響甚微。

模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(jì)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(jìn)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(yàn)對(duì)原方案和優(yōu)化方案進(jìn)行了船舶系纜力的測(cè)量。試驗(yàn)在398.13～405.00 m水位組合、閥門雙邊開啟tv=4～7 min工況下，測(cè)試了500噸級(jí)機(jī)動(dòng)駁船停于閘首中部時(shí)船舶系纜力，實(shí)測(cè)船舶系纜力結(jié)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(shí)測(cè)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(gè)方案船舶系纜力比較結(jié)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(jié)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(shè)計(jì)的要求。

2)針對(duì)上閘首消能工中部水流對(duì)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(dòng)，閘室出流較均勻。

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

4)通過對(duì)比原方案和優(yōu)化方案的船舶系纜力，結(jié)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(dá)50%以上，保障了過閘船舶的停泊安全。