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        基于泊穩(wěn)條件閾值的輸水系統(tǒng)內(nèi)消能工優(yōu)化研究

        2022-05-19 02:36:06李君濤楊燕華
        水道港口 2022年1期
        關(guān)鍵詞:明溝系纜閘室

        王 鑫,李君濤,楊燕華*,劉 潔

        (1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456;2.重慶交通大學(xué),重慶 400074)

        為加快河南省內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展,南陽市積極推進(jìn)唐河復(fù)航工程,通過建設(shè)梯級(jí)樞紐對(duì)河道進(jìn)行渠化,其中水臺(tái)子樞紐位于唐河省界至馬店河段。水臺(tái)子樞紐船閘級(jí)別為Ⅳ級(jí),有效尺度采用180 m×23 m×4.0 m(閘室有效長度×凈寬×門檻最小水深),設(shè)計(jì)最大水頭為9.16 m(上游正常檔水位76.00 m—下游最低通航水位66.84 m),輸水時(shí)間要求T=8~10 min。設(shè)計(jì)代表船型為500 t級(jí)貨船(船舶尺度67.5 m×10.8 m×1.6 m,長×寬×設(shè)計(jì)吃水,下同)和一頂2×500 t級(jí)頂推船隊(duì)(船舶尺度111.0 m×10.8 m×1.6 m),同時(shí)兼顧通航1 000 t級(jí)船舶(船舶尺度85.0 m×10.8 m×2.0 m)[1]。依據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](以下簡稱“規(guī)范”),水臺(tái)子船閘輸水系統(tǒng)類型判別系數(shù)m=2.64-3.30,位于2.5-3.5,可采用集中輸水系統(tǒng),也可采用第一類分散輸水系統(tǒng)。

        集中輸水系統(tǒng)在充水初期產(chǎn)生較強(qiáng)的非恒定波浪運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致船舶產(chǎn)生較大的波浪作用力,在輸水中期,較大的水流能量集中進(jìn)入閘室,將導(dǎo)致較強(qiáng)烈的局部水流作用力[3],通過布置復(fù)雜消能工,可優(yōu)化該型式輸水系統(tǒng)水流條件,提高船閘通過能力[4]。為削弱乃至基本消除傳統(tǒng)集中輸水型式中水流劇烈紊動(dòng)現(xiàn)象、免設(shè)鎮(zhèn)靜段、提高適用的設(shè)計(jì)水頭,提出局部分散輸水系統(tǒng)[5-6],即充水采用分散輸水系統(tǒng),泄水采用集中輸水系統(tǒng)[7]。類比同類型工程[8-10],兼顧考慮船閘輸水效率及船閘建設(shè)基礎(chǔ),水臺(tái)子船閘選用局部分散輸水系統(tǒng)。

        水臺(tái)子船閘輸水系統(tǒng)在該布置型式下,設(shè)計(jì)水頭差較大,且水力指標(biāo)要求較高,為了保證船舶安全過閘,通過建立1:30的船閘輸水系統(tǒng)整體物理模型,進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化兩階段水力學(xué)模型試驗(yàn),提出滿足規(guī)范、設(shè)計(jì)要求的局部分散輸水系統(tǒng)優(yōu)化布置方案。

        1 輸水系統(tǒng)物理模型設(shè)計(jì)

        水臺(tái)子船閘為Ⅳ級(jí)船閘,閘室設(shè)計(jì)主尺度為180 m×23 m×4.0 m(閘室有效長度×凈寬×門檻最小水深),設(shè)計(jì)方案充、泄水閥門段廊道寬3.4 m、高3.0 m(輸水閥門面積(2-3.0)×3.4=20.4 m2)。進(jìn)水口采用橫支廊道頂支孔布置,設(shè)計(jì)水頭時(shí)廊道頂高程淹沒水深13.90 m;在上閘首與閘室連接段處,采用分散輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則,采用閘室連接段底部橫向廊道側(cè)向出水口、雙明溝消能的布置方式,輸水系統(tǒng)布置見圖1、圖2,特征尺寸如表1。

        表1 輸水水力設(shè)計(jì)特征參數(shù)(設(shè)計(jì)方案)Tab.1 Design parameters of lock water conveyance system(original scheme)

        船閘充水時(shí),水流自上閘首進(jìn)水口橫支廊道頂支孔進(jìn)入輸水廊道,經(jīng)高3 m、寬3.4 m充水閥門段廊道進(jìn)入廊道出水孔段,水流由設(shè)置在廊道兩側(cè)的18個(gè)出水孔進(jìn)入消能明溝后以頂面出水與縱向出水相結(jié)合的出水方式灌入閘室;船閘泄水時(shí),水流則自下閘首進(jìn)水明溝進(jìn)入閘室兩側(cè)泄水廊道,后由出水口泄入下游引航道。

        1-a 上閘首布置 1-b 下閘首布置圖1 設(shè)計(jì)方案船閘輸水系統(tǒng)布置(長度:mm;高程:m)

        按重力相似準(zhǔn)則,建立幾何比尺為1:30船閘水力學(xué)整體模型。物理模型的范圍包括原型上游部分引航道、進(jìn)水口段、船閘上下閘首、閘室、輸水系統(tǒng)、下游出水口段及下游部分引航道。選用1 000 t級(jí)單船及2×500 t級(jí)船隊(duì)作為試驗(yàn)代表船型,幾何比尺與物理模型幾何比尺一致,并按排水量進(jìn)行配重,物理模型及船模見圖2。

        模型上、下游水位采用溢流式平水槽控制,輸水閥門啟閉采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),水位測量采用電阻式點(diǎn)壓力傳感器及重錘式水位計(jì)測定,廊道非恒定流壓力采用電阻式點(diǎn)壓力傳感器測定,船隊(duì)(舶)纜繩拉力采用電阻式測力儀測定。

        圖2 船閘輸水系統(tǒng)物理模型(含船模)Fig.2 The lock physical model(including ship model)

        2 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

        針對(duì)最大水頭差(9.16 m)工況對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)研究,通過測定并計(jì)算閘室輸水水力特性、閘室船舶停泊條件、輸水系統(tǒng)流量系數(shù)、壓力特性及進(jìn)、出水口水流條件后,發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案下船閘輸水效率、廊道壓力條件及進(jìn)出水口水流條件均基本滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范要求;然而設(shè)計(jì)代表船型雙列并排停放于閘室上游段時(shí),前橫向系纜力無法滿足規(guī)范要求。

        參考設(shè)計(jì)提出的船閘通過能力計(jì)算工況,設(shè)定設(shè)計(jì)代表船型中1 000 t級(jí)單船在閘室內(nèi)不同排列方式,并進(jìn)行灌水閥門雙邊勻速開啟工況下泊穩(wěn)特性試驗(yàn)研究,試驗(yàn)工況及系纜力特征值見表2,典型系纜力過程線見圖3。

        3-a tv=6 min 3-b tv=7 min圖3 設(shè)計(jì)方案閘室內(nèi)不同停泊方式下1 000 t級(jí)單船系纜力

        表2 設(shè)計(jì)方案閘室內(nèi)船舶最大系纜力(充水閥門雙邊開啟)Tab.2 The maximum hawser forces (bilateral open, original scheme)

        由圖、表可見,隨著充水閥門雙邊勻速開啟時(shí)間的延長,各向系纜力均有所減小。當(dāng)1 000 t級(jí)單船單列停放于閘室內(nèi)時(shí),縱向及橫向系纜力均滿足規(guī)范要求。然而,當(dāng)設(shè)計(jì)代表船型雙列并排停放于閘室上游段(船頭與首系船柱位置相對(duì)應(yīng))時(shí),1 000 t級(jí)單船所受最大縱向及前橫向系纜力均較單列船舶停放時(shí)有不同幅度的增大。其中,縱向系纜力增大幅度較小,對(duì)應(yīng)tv=6 min、7 min,分別為25.30 kN、16.08 kN,較單列停泊工況增大約12%,且滿足規(guī)范要求(≤32 kN);最大前橫向系纜力增大幅度則較大,對(duì)應(yīng)tv=6 min、7 min,在閥門開啟后240~247 s時(shí)段內(nèi)(對(duì)應(yīng)閥門相對(duì)開度約為0.7)前橫向系纜力達(dá)到最大值,分別為17.70 kN、17.25 kN,約為單列停泊工況時(shí)的2倍,超出規(guī)范限值(≤16 kN),不滿足規(guī)范要求。

        3 優(yōu)化方案試驗(yàn)研究

        3.1 優(yōu)化方案輸水系統(tǒng)布置

        考慮到停泊于閘室上游段時(shí)船艏位于出水雙明溝正上方,出流剩余能量大且雙船并排停放水流擴(kuò)散不充分是試驗(yàn)代表船型前橫向系纜力超標(biāo)的主要原因[11-12]。通過在明溝內(nèi)增設(shè)消能工,使水流進(jìn)行碰撞消能,可以減小水流局部紊動(dòng)、調(diào)節(jié)水流分布,進(jìn)而改善船舶系纜力[13-15]。因此,在閘室連接段處的出水雙明溝內(nèi)分別設(shè)置4道消力檻(共8道),其中兩側(cè)近壁處設(shè)置短檻,中間位置設(shè)置長檻,短檻尺寸為3.9 m×0.6 m×0.6 m(長×寬×高),長檻尺寸為4.8 m×0.6 m×0.6 m(長×寬×高),兩端進(jìn)行修圓,修圓半徑0.3 m,布置示意如圖4,其他結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案相同。

        圖4 船閘輸水系統(tǒng)上閘首優(yōu)化布置(長度mm;高程m)Fig.4 Layout of the head bay(Optimization scheme)

        3.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

        3.2.1 閘室船舶停泊條件試驗(yàn)

        表3 優(yōu)化方案閘室內(nèi)船舶最大系纜力(充水閥門雙邊開啟)Tab.3 The maximum mooring orces(bilateral open, optimization scheme)

        與設(shè)計(jì)方案相同,設(shè)定1 000 t級(jí)單船與2×500 t級(jí)船隊(duì)并列停放于閘室上游,以1 000 t級(jí)單船作為試驗(yàn)測量船型,進(jìn)行雙邊充水試驗(yàn),試驗(yàn)工況及系纜力特征值見表3,典型系纜力過程線見圖5。

        圖5 船舶并排停泊在閘室上游前橫向系纜力(優(yōu)化方案)Fig.5 Front transverse mooring force curves (optimization scheme)

        由圖、表可以看出,優(yōu)化方案下隨著充水閥門雙邊開啟時(shí)間的延長,系纜力有所減小。同時(shí),通過在位于閘室連接段內(nèi)的出水明溝設(shè)置消力檻,較設(shè)計(jì)方案,1 000 t級(jí)單船所受前橫向及縱向系纜力均有明顯減小。當(dāng)充水閥門以7 min雙邊勻速開啟時(shí),1 000 t級(jí)單船所受各向系纜力均滿足規(guī)范要求;當(dāng)充水閥門以6 min雙邊勻速開啟時(shí),船舶所受縱向及后橫向系纜力滿足規(guī)范要求,閥門開啟后約246 s時(shí),前橫向系纜力達(dá)到最大值16.72 kN,較規(guī)范要求有所偏大。

        表4 優(yōu)化方案最大設(shè)計(jì)水頭閘室輸水水力特征值Tab.4 Hydraulic characteristic value of lock water conveyance system (optimization scheme)

        3.2.2 閘室輸水水力特性試驗(yàn)

        優(yōu)化方案在上閘首閘室連接段出水雙明溝內(nèi)設(shè)置消力檻,其余結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案相同,充水閥門以7 min雙邊勻速開啟后,雙列船舶并排停泊在閘室上游段時(shí)各向系纜力均滿足規(guī)范要求;綜合閥門后廊道壓力特性及局部水流條件試驗(yàn)成果,考慮到出水明溝內(nèi)消力檻的增設(shè),在一定程度上會(huì)影響閘室充水水力特性[13],對(duì)充水閥門以7 min雙邊勻速開啟時(shí)閘室充水水力特征進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)研究。閘室充水水力特征值見表4,典型水力特性過程線的試驗(yàn)結(jié)果見圖6。

        圖6 雙充7 min閘室充水水力特性對(duì)比曲線Fig.6 Filling correlation curve

        由圖表可知,最大設(shè)計(jì)水頭時(shí),試驗(yàn)設(shè)定充水閥門雙邊開啟時(shí)間為7 min,優(yōu)化方案下閘室充水完成時(shí)間為10.59 min,基本滿足設(shè)計(jì)輸水時(shí)間要求;閘室充最大流量分別為109.04 m3/s,相應(yīng)的充水廊道最大流速分別為5.35 m/s,符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

        對(duì)比兩組方案,優(yōu)化方案下閘室充水完成時(shí)間為10.59 min,較設(shè)計(jì)方案下閘室充水完成時(shí)間10.13 min有所延長,約4.5%。

        4 結(jié)論

        水臺(tái)子船閘新建工程,最大設(shè)計(jì)水頭9.16 m,閘室規(guī)模180 m×23 m×4.8 m(有效長度×有效寬度×門檻水深),輸水完成時(shí)間為8~10 min,船閘輸水系統(tǒng)選用局部分散輸水系統(tǒng)布置方式。由于該輸水系統(tǒng)布置方式下,設(shè)計(jì)水頭較大、水力指標(biāo)要求較高,為保證船舶安全過閘及輸水系統(tǒng)安全高效運(yùn)行,需進(jìn)行船閘輸水系統(tǒng)整體模型試驗(yàn),試驗(yàn)得到以下結(jié)論:

        (1)設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)代表船型在閘室內(nèi)相同停泊位置不同的排列方式,影響船舶所受系纜力。當(dāng)1 000 t級(jí)單船單列停泊在閘室上游段時(shí),船舶各向系纜力均滿足規(guī)范要求,而當(dāng)兩列試驗(yàn)代表船型并排停放于相同位置時(shí),船舶滿部使得出流擴(kuò)散消能受到限制,1 000 t級(jí)單船受到的縱向及前橫向系纜力出現(xiàn)不同幅度的增大,其中前橫向系纜力增大明顯,其中以前橫向系纜力增大最為明顯,充水閥門以7 min雙邊勻速開啟時(shí),由7.75 kN增大至17.25 kN,不滿足規(guī)范要求。

        (2)考慮到停泊于閘室上游段時(shí)船艏位于出水雙明溝正上方,出流剩余能量大且雙船并排停放水流擴(kuò)散不充分是試驗(yàn)代表船型前橫向系纜力超標(biāo)的主要原因。上閘首閘室連接段進(jìn)行優(yōu)化,在雙出水明溝內(nèi)增設(shè)8個(gè)消力檻,長檻尺寸為4.8 m×0.6 m×0.6 m(長×寬×高),短檻尺寸為3.9 m×0.6 m×0.6 m(長×寬×高),檻兩端進(jìn)行修圓,修圓半徑0.3 m,船閘輸水系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案一致。

        (3)優(yōu)化后當(dāng)充水閥門以7 min雙邊勻速開啟時(shí),1 000 t級(jí)單船所受最大縱向系纜力13.34 kN、最大橫向系纜力12.66 kN(前橫向系纜力),滿足規(guī)范要求。同時(shí),出水明溝內(nèi)消力檻的增設(shè),在一定程度上會(huì)影響閘室充水水力特性,當(dāng)充水閥門雙邊勻速開啟時(shí)間為7 min時(shí),輸水完成時(shí)間為10.59 min,較設(shè)計(jì)方案輸水完成時(shí)間延長約4.5%,對(duì)應(yīng)最大流量109.04 m3/s,充水廊道斷面平均流速5.35 m/s,基本滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。

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