吳英卓，江耀祖，王智娟，何 勇

(長江科學院 水力學研究所，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，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，為興隆船閘設計提供科學依據(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)喇叭形短進口設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)船閘設計規(guī)范，當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)關鍵部位布置的合理性亦需進行分析.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、出水口，其進、出水孔總面積與控流斷面面積比值過大，各孔進、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標，橫向力基本在n=0.4～0.7開度區(qū)間超標，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?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，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，仍超過標準.

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;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度較大.

研究表明，充水閥門采用恰當?shù)淖兯龠\行方式，可縮短充水時間，減小系纜力，恰當?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.

顯然，僅通過改變閥門運行方式無法達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)進口均有立軸吸氣漩渦出現(xiàn).后將集中進水方式的喇叭形短進口修改為橫跨整個閘首的格柵式分散進水方式，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)出口布置型式進行修改.

2.2.1 局部消力設施研究 首先考慮在出口區(qū)域增加消力設施，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施，并對原有的頂孔消能蓋板寬度進行調(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減小，但后橫向力仍超標.研究表明，僅通過在上閘首出口區(qū)增設局部消力設施，難以達到減小閘室內(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.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高程處設置的折流板反向，反向水流集中在過水斷面表層，向下游行進擴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)在水深向有效擴散，會造成閘室停泊區(qū)斷面表面流速偏大，進而使得閘室內(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

針對水力指標要求較高的興隆船閘關鍵水力學問題，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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