劉 領

(湖南省湘水集團有限公司，長沙 410014)

閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)是一種簡單式分散輸水系統(tǒng)布置型式，適用于中低水頭船閘。該輸水系統(tǒng)較其他輸水型式在河網(wǎng)密布、經(jīng)濟發(fā)達的平原地區(qū)更具優(yōu)勢，其應用前景更為廣闊[1]。該輸水系統(tǒng)以及類似輸水系統(tǒng)型式在美國的船閘建設中應用最為廣泛，其水頭范圍為3～12 m[2-3]。目前，我國船閘較少采用閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)，船閘應用的水頭多在10 m，最大水頭超過12 m，且采用該種輸水系統(tǒng)的船閘工程比較少見[4-7]。

閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)型式受水流慣性影響較大，充泄水時室內(nèi)會產(chǎn)生一定的水面坡降，使船舶受到較大的波浪力。同時，布置在閘墻上的側(cè)向支孔出水，水流在閘室內(nèi)分布不均勻且能量較為集中，使船舶受到較大的局部作用力，導致船舶系纜力偏大[8-10]。現(xiàn)有的類似船閘一般通過布置消能工的方式解決此問題，導致建設成本增大且影響施工進度[11-12]。

本文依托艷州船閘工程，研究在不增設消能建筑物的情況下，通過優(yōu)化輸水系統(tǒng)布置，將船舶系纜力控制在規(guī)定范圍內(nèi)，以確保船舶安全通行。研究成果為類似中高水頭、采用閘墻長廊道側(cè)支孔方案的船閘安全、高效、經(jīng)濟運行提供必要的技術資料，同時為工程決策提供依據(jù)。

1 樞紐概況

1.1 項目簡介

艷州樞紐由電站、船閘、大壩組成，下距澧縣縣城5 km，水庫正常擋水位40.20 m，死水位39.01 m，當洪水流量大于最高通航流量7 000 m3/s 時，船閘停航。船閘閘室有效尺度為280 m×34 m×4.5 m，上游引航道寬60 m，采用曲進曲出方案；下游引航道寬75 m，采用曲進直出方案，引航道布置于右岸陸域，不影響河道行洪。該項目設計船型為1 000 t貨船，長度×寬度×吃水為85 m×10.8 m×2.0 m(近期代表船型)；2 000 t級貨船：90 m×14.8 m×2.6 m(遠期代表船型)。

1.2 研究背景

根據(jù)船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范[13]，結合艷州樞紐總平面布置和項目特點，確定船閘輸水系統(tǒng)采用閘墻長廊道側(cè)支孔分散輸水系統(tǒng)，進水口布置在上閘首及上游輔導航墻，出口布置在下閘首及下游輔導航墻。輸水廊道布置在上下閘首的邊墩及閘室墻內(nèi)，廊道斷面尺寸為4.0 m×4.5 m(高×寬，下同)，每側(cè)閘室墻共布置16個1.0 m×1.5 m支孔。下游最低通航水位下閘室最小淹沒深度為6.0 m。根據(jù)已建類似船閘的設計水頭及運行情況，艷州船閘初步設計方案可能存在以下3個問題。

(1)按照《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》確定輸水類型經(jīng)驗公式，8～15 min不同工況計算值范圍較寬，可選擇第二類或第三類分散輸水系統(tǒng)，但考慮到地質(zhì)和施工進度因素，擬采用閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)。

(2)最大設計水頭為13.97 m，是國內(nèi)目前已建船閘相同規(guī)模(280×34 m)采用閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)設計水頭最高的船閘，可能存在廊道流速過大、充泄水工況慣性超高(降)超標等問題。

(3)采用閘墻長廊道側(cè)支孔系統(tǒng)對閘室泊穩(wěn)條件影響較大，需進一步優(yōu)化廊道及支孔細部尺寸。

1.3 船閘輸水系統(tǒng)特征資料

1.3.1 特征水位

艷州船閘主要運行水位組合如表1所示。表1中水位組合C1為船閘最大運行水頭工況，是輸水各項水力指標的控制工況；工況組合C2為船閘常遇運行水頭工況；工況組合C3是上游進水口流態(tài)可能的控制工況(該水力指標的控制工況亦可能為C1)；工況組合C4為遠期10 a一遇洪水條件下的運行工況；工況C7為船閘近期運行控制工況。

表1 艷州船閘主要運行水位組合

1.3.2 輸水系統(tǒng)布置特征尺寸

艷州船閘輸水系統(tǒng)各部分特征尺寸如表2所示，閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)方案布置如圖1所示，上閘首及閘首連接段布置如圖2所示。

圖2 艷州船閘閘墻長廊道輸水系統(tǒng)上閘首及閘室連接段布置圖(單位：mm；高程：m)

1-a 艷州船閘輸水系統(tǒng)布置圖

2 研究方法及途徑

2.1 輸水系統(tǒng)水工整體模型試驗

通過船閘1∶30水工整體物理模型試驗，確定船閘輸水系統(tǒng)的布置和閥門開啟方式，測定輸水系統(tǒng)各項水力性能及參數(shù)，并分析試驗成果，提出改進意見，為設計提供技術依據(jù)。

2.2 物理模型設計與量測

模型按重力相似設計，幾何比尺Lr=30。模型與原型各物理量的換算關系如下：

(1)重量及力比尺為(Lr)3=27 000。

(2)流速及時間比尺為(Lr)1/2=5.48。

(3)流量比尺為(Lr)5/2=4 929.5。

輸水廊道及上下游進出口段采用聚乙烯塑料板。閘室邊墻、上下游水庫采用鋼板制作，上下游水庫尺度均為8 m×3 m×1.5 m(長×寬×高)，水庫內(nèi)布置2.5 m×2.5 m的平水槽，穩(wěn)定上下游水位。下游水庫外布置矩形量水堰以測量輸水系統(tǒng)流量系數(shù)。水工模型的范圍包括船閘閘室、輸水系統(tǒng)及部分上下游引航道。

3 試驗方案及輸水系統(tǒng)布置優(yōu)化

艷州船閘最大水頭近14 m，在小淹沒深度下，支孔出流消能空間小，導致船舶系纜力偏大。考慮到國內(nèi)外已建的采用閘墻長廊道輸水系統(tǒng)方案的船閘最大設計水頭多在10 m以下，其制約因素基本為船舶停泊條件。根據(jù)輸水系統(tǒng)選型布置及水力計算分析，建議將閘墻長廊道輸水系統(tǒng)方案的閘底高程由22.31 m下降至21.31 m，從而使下游最低通航水位出水支孔淹沒深度在初步設計的基礎上增加1.0 m，增加艷州船閘的安全性。

閘室輸水水力特性計算分析成果表明，廊道段廊道尺寸為4.5 m×5.0 m(寬×高)、總面積為45 m2時，若輸水閥門開啟時間為5～8 min，則船閘充水時間小于11 min，泄水時間小于12 min，閘室水面升降速度、進水口孔口最大流速和引航道流速等水力指標基本滿足設計和規(guī)范要求。

根據(jù)以往類似船閘實際運營經(jīng)驗，上述閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)輸水時間偏快，雖然較短的輸水時間能提高船閘運行效率，但輸水過程中最大流量相對較大，閘室船舶系纜力更難滿足規(guī)范要求。根據(jù)艷州船閘輸水時間要求及設計船型的系纜力要求，在進行物理模型試驗時，對艷州船閘的細部尺寸進行了進一步調(diào)整。

物理模型維持下游最低通航水位下閘室最小淹沒深度為6.0 m方案不變，對后期下游最低通航水位進行了調(diào)整，淹沒深度6.0 m時，閘室底高程下降至20.23 m。物理模型縮小了輸水廊道面積，閥門處廊道尺寸按4.2 m×4.8 m(寬×高)、總面積為40.32 m2，考慮主廊道尺寸由5.5 m×5.0 m(寬×高)縮小至4.2 m×4.8 m(寬×高)，相應的三組出水支孔寬度由1.0 m、0.9 m和0.8 m調(diào)整為0.9 m、0.75 m和0.6 m。調(diào)整后，廊道面積約縮小12%，估算充水時間12 min左右，泄水時間13 min左右，滿足設計要求，其余各項水力指標也能滿足相關規(guī)范要求，閘室船舶停泊條件有所改善(表3)。

表3 閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)特征尺寸

4 閘室輸水系統(tǒng)水力特性驗證

4.1 試驗工況

物理模型試驗主要考慮近期、遠期最大水頭工況、正常運行工況和上、下游最低通航水位組合工況。

4.2 試驗驗證及分析

針對前述試驗研究的輸水系統(tǒng)布置型式和各部位具體尺寸，開展了不同水位組合下的閘室輸水水力特性模型試驗，測定并計算了充、泄水閥門不同開啟時間下的閘室水位變化過程、流量變化過程、閘室充泄水時間及其他相關水力特征值，見表4～表7及圖4、圖5。

表4 遠期最大設計水頭(水位組合：40.2 m-26.23 m)閘室雙邊充水水力特征值

表7 常水頭工況(水位組合：40.2 m-30.09 m)閘室雙邊泄水水力特征值

試驗成果表明：艷州船閘充水閥門5～8 min開啟時，最大設計水頭工況閘室充水時間10.80～12.42 min，充水過程最大流量346.7～414.9 m3/s，閘室水面最大上升速度1.98～2.37 m/min，進水口孔口最大流速2.0～2.4 m/s；常水頭工況閘室充水時間9.38～10.97 min，充水過程中最大流量269.4～330.7 m3/s，閘室水面最大上升速度1.54～1.89 m/min，進水口孔口最大流速1.56～1.91 m/s。閥門全開雙邊充水時慣性超高約0.32 m。

艷州船閘泄水閥門5～8 min開啟時，最大設計水頭工況閘室泄水時間12.06～13.43 min，泄水過程最大流量311.4～368.9 m3/s，閘室水面最大下降速度1.78～2.11 m/min；常水頭工況閘室泄水時間10.44～11.97 min，泄水過程中最大流量291.8～248.7 m3/s，閘室水面最大下降速度1.42～1.47 m/min。閥門全開雙邊泄水時慣性超降約0.22 m。

其余工況下輸水水力特性相關的各項水力指標均在最大設計水頭工況和常遇水頭工況之間，不再贅述。

艷州船閘充、泄水閥門雙邊開啟時間在5～8 min時，閘室輸水時間、水面升降速度、進水口孔口流速等輸水水力特性相關的各項水力指標均滿足相關規(guī)范和設計要求，說明所設計的輸水系統(tǒng)各部分尺寸基本合理。

表5 常水頭工況(水位組合：40.2 m-30.09 m)閘室雙邊充水水力特征值

表6 遠期最大設計水頭(水位組合：40.2 m-26.23 m)閘室雙邊泄水水力特征值

圖3 船閘閘室雙邊充水tv=8 min充水水力特性曲線(水位組合：40.20 m-26.23 m) 圖4 船閘閘室雙邊泄水tv=8 min泄水水力特性曲線(水位組合：40.20 m-26.23 m)

4.3 水力特性驗證結果

通過船閘輸水系統(tǒng)水工模型分析研究了艷州船閘在采用閘墻長廊道側(cè)支孔出水檻式消能輸水系統(tǒng)的水力特性。結果表明：

因此，在課程內(nèi)容建設中，清晰梳理計算思維的科學內(nèi)涵，完成具體的、典型的計算思維培養(yǎng)內(nèi)容的抽取、凝練和總結，從計算思維的培養(yǎng)與醫(yī)學融合的角度出發(fā)，構建課程知識體系和能力結構，完成“理論”和“實踐”的落地，使醫(yī)學院校的大學計算機基礎課程呈現(xiàn)出活力十足、特點鮮明的面貌，培養(yǎng)學生具備運用計算思維的方法去分析問題、解決問題的能力。

(1)艷州船閘充水閥門5～8 min開啟時，閘室充水時間在12.42 min以內(nèi)，充水過程最大流量269.4～414.9 m3/s，閘室水面上升速度小于2.40 m/min，進水口孔口最大流速小于2.5 m/s，閥門全開雙邊充水時慣性超高約0.32 m。

(2)艷州船閘泄水閥門5～8 min開啟時，閘室泄水時間在13.43 min以內(nèi)，泄水過程最大流量291.8～368.9 m3/s，閘室水面下降速度低于2.11 m/min；閥門全開雙邊泄水時慣性超降約0.22 m。

(3)船閘充、泄水閥門雙邊開啟時間在5～8 min時，閘室輸水時間、水面升降速度、進水口孔口流速等輸水水力特性相關的各項水力指標均滿足相關規(guī)范和設計要求，調(diào)整后的輸水系統(tǒng)各部分尺寸基本合理。

(4)雙邊充水時閘室慣性超高降試驗值為0.32 m，大于規(guī)范限值；雙邊泄水時閘室慣性超高降試驗值為0.22 m，雖小于0.25 m，但是裕量較小。實際運行時可酌情采用提前關閉充、泄水閥門，并在閘室內(nèi)外水位齊平時打開人字門的措施以減小慣性水頭，保障人字門運行安全。

5 閘室船舶停泊條件試驗成果

5.1 最大設計水頭工況雙邊輸水

最大設計水頭工況即水頭13.97 m，對應上游水位40.20 m，下游水位26.23 m的工況下，閘室輸水體積最大，進入閘室的水流能量最大，對閘室消能效果要求最高。根據(jù)輸水系統(tǒng)水力特性研究，艷州船閘充水閥門5～8 min開啟時，輸水時間、閘室水位上升速度、進水口流速等指標均能滿足相關規(guī)范和設計要求。因此，進行閘室船舶停泊條件試驗時，充水閥門開啟時間取7 min和8 min。

最大設計水頭工況下船舶停泊于閘室不同位置時的系纜力最大值見表8。

表8 最大設計水頭工況下閘室內(nèi)船舶最大系纜力

試驗結果表明：

(1)閥門開啟速度越快，船舶系纜力越大；船舶停泊于閘室中部和下半閘室時系纜力較大，停泊于上半閘室時系纜力相對較??；船舶噸級越大，系纜力越大；由于輸水系統(tǒng)布置較為合理，閘室出水均勻，船舶縱向系纜力普遍較小。

圖5 最大設計水頭工況下2 000 t貨船停泊于閘室中部系纜力過程線 (水位組合：40.20 m-26.23 m，H=13.97 m，雙邊充水，tv =8 min)

5.2 常遇水位組合雙邊輸水

根據(jù)最大設計水頭工況下船舶停泊條件試驗所得基本規(guī)律，常遇水位組合，即上游水位40.20 m、下游水位30.09 m、水頭10.11 m的工況下，閘室雙邊輸水，重點分析2 000 t級貨船停泊于閘室中部和下半閘室時的系纜力情況。由于常水頭工況閘室初始淹沒深度較最大設計水頭工況增大了3.86 m，閘室船舶停泊條件將有顯著改善。因此，常水頭工況下，船舶停泊條件試驗中取充水閥門開啟時間為6 min和8 min。此試驗條件下，船舶系纜力最大值見表9。系纜力過程線詳見圖6。

表9 常水頭工況下閘室內(nèi)船舶最大系纜力

圖6 常水頭工況下2 000 t貨船停泊于閘室中部系纜力過程線(水位組合：40.20 m-30.09 m，H=10.11 m，雙邊充水，tv=8 min)

試驗結果表明：常遇水位組合下，充水閥門6～8 min開啟時，2 000 t級貨船縱向系纜力最大值9.83 kN，前、后橫向系纜力最大值10.30 kN。相比于最大設計水頭工況，閘室船舶系纜力顯著減小，1 000 t級貨船系纜力將較表中結果更小。因此，常遇水位組合下充水閥門6～8 min開啟時設計船舶閘室停泊縱、橫向系纜力均能滿足規(guī)范標準。

5.3 單邊輸水停泊條件

在船閘一側(cè)充水閥門處于檢修工況無法投入使用或單側(cè)充水廊道、閥門發(fā)生事故時，另一側(cè)充水閥門需要單獨運行。為此，對單邊閥門充水工況也進行了船舶停泊條件試驗。

單邊輸水時，由于水流僅從一側(cè)閘墻支孔進入閘室，消力檻消能后水流能量仍較為集中，將不可避免地在閘室內(nèi)形成較為明顯的橫向水流，極易導致船舶系纜力尤其是橫向系纜力超過規(guī)范允許值。

試驗結果表明：最大設計水頭下，單邊充水閥門8 min勻速開啟時，2 000 t級貨船縱向系纜力18.7 kN，但橫向系纜力達114.3 kN，遠超規(guī)范允許值，即使閥門開啟速度繼續(xù)降低也無法有效降低船舶橫向系纜力。由此可得，單邊充水工況下閥門全開的運行方式不可行。

因此考慮對閥門間歇開啟方式下的閘室船舶系纜力試驗，停機時間分別為12 min和15 min時的系纜力最大值見表10。系纜力過程線詳見圖7。

表10 單邊充水時閘室內(nèi)船舶最大系纜力

圖7 單邊充水工況下2 000 t貨船停泊于閘室中部系纜力過程線 (水位組合：40.20 m-26.23 m，H=13.97 m，單邊充水，tv=8 min，停機開度0.3，等待時間15 min)

試驗結果表明：船閘單邊充水時，采用充水閥門以8 min勻速開啟至0.3開度，并停機等待15 min后繼續(xù)開至全開的運行方式，則閘室船舶縱向系纜力小于10 kN，橫向最大系纜力19.83 kN，停泊條件滿足相關規(guī)范要求。單邊輸水時，在上述運行方式下，輸水時間31.67 min，最大流量161.89 m3/s，慣性超高0.21 m。

5.4 閘室船舶停泊條件結果

閘室船舶停泊條件試驗成果表明：

(1)最大設計水頭工況下，充水閥門8 min開啟時，2 000 t級貨船縱向系纜力最大值14.06 kN，前、后橫向系纜力最大值19.75 kN，停泊條件滿足相關規(guī)范要求。1 000 t級貨船吃水較小，所受局部水流作用力不大，充水閥門8 min開啟時，縱、橫向系纜力均能滿足規(guī)范標準。

(2)常水頭工況下，閘室初始淹沒深度大，船舶系纜力較最大設計水頭工況顯著減小。充水閥門8 min開啟時設計船舶閘室停泊縱、橫向系纜力均能滿足規(guī)范標準，并有一定富裕。

(3)船閘單邊充水時，采用充水閥門以8 min勻速開啟至0.3開度，并停機等待15 min后繼續(xù)開至全開的運行方式，則閘室船舶縱向系纜力小于10 kN，橫向最大系纜力19.83 kN，停泊條件滿足相關規(guī)范要求。

6 結語

本文通過物理模型試驗對艷州船閘輸水系統(tǒng)進行了驗證和優(yōu)化，主要結論如下：

(1)針對280×34 m規(guī)模尺度船閘輸水系統(tǒng)進行了驗證，結果表明：在設計水頭為13.97 m的極端工況下，輸水系統(tǒng)的廊道最大流量達414.9 m3/s，雙邊充水時閘室慣性超高降試驗值為0.32 m，大于規(guī)范限值；雙邊泄水時閘室慣性超高降試驗值為0.22 m，雖小于0.25 m，但是裕量較小。

(2)通過降低閘室底板頂高程，增大初始水深，并采用下閘首底板頂出水和旁側(cè)出水方式，將主廊道尺寸縮小為5.2 m×4.8 m(寬×高)，閥門段廊道調(diào)整為4.2 m×4.8 m(寬×高)，同時相應將三組出水支孔寬度調(diào)整為0.9 m、0.75 m、0.6 m，經(jīng)試驗驗證可以滿足規(guī)范要求。

(3)通過對閘室泊穩(wěn)條件進行試驗，最大設計水頭工況下，充水閥門8 min開啟時，2 000 t級貨船縱向系纜力最大值14.06 kN，前、后橫向系纜力最大值19.75 kN，停泊條件滿足相關規(guī)范要求。1 000 t級貨船吃水較小，所受局部水流作用力不大，充水閥門8 min開啟時縱、橫向系纜力均能滿足規(guī)范標準。

以上成果可為艷州船閘建成試運行后提供輸水系統(tǒng)調(diào)試依據(jù)，也可為國內(nèi)類似中高水頭船閘安全、高效、經(jīng)濟運行提供借鑒。