劉本芹，宣國祥

(南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，通航建筑物建設技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029)

泰州引江河高港樞紐工程位于江蘇省泰州市高港區(qū)境內(nèi)的引江河引江入口處，距江邊1300m.高港二線船閘設計通航標準為雙列1+2×1000 t級船隊，船隊尺度為160.0m×10.8 m×2.0m(長×寬×吃水);船閘規(guī)模為230m×23m×4.0m(長×寬×最小水深);設計上、下游通航水位組合分別為3.00～ －0.50m(水頭3.50m)，1.00～5.48 m(水頭－4.48 m)，0.50～2.50m(水頭－2.00m);輸水時間要求不超過8 min.

高港樞紐工程為引水工程，船閘根據(jù)長江水位與引江河水位的不同而具有雙向水頭;船閘閘門采用三角門，船閘設計規(guī)模、通航標準以及相關(guān)水力指標與類似的船閘工程相比位居前列，輸水系統(tǒng)布置難度較大.因此，在進行船閘輸水系統(tǒng)布置和研究時，除確定合適的輸水系統(tǒng)型式外，還必須設計合適的消能工來消能，使充水時閘室內(nèi)水流條件滿足通航安全要求，同時需要研究提出輸水閥門的開啟方式，以便滿足輸水時間的要求.

1 輸水系統(tǒng)選型

高港二線船閘設計反向水頭大于正向水頭，對輸水系統(tǒng)選型起控制作用.根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》(JTJ 306－2001)［1］，按設計輸水時間8 min計算得出的輸水系統(tǒng)選型系數(shù)為3.78，該值大于3.5，說明可采用集中輸水系統(tǒng)方案.

考慮到高港二線船閘的閘門為三角閘門，而三角閘門擋水時的閘門啟閉力較小，能在動水中啟閉，在低水頭船閘中可以利用三角閘門的門縫進行船閘的充泄水.為了充分利用三角門的這一特點，研究確定高港二線船閘的輸水系統(tǒng)型式為短廊道和三角門門縫聯(lián)合輸水，即船閘輸水初期通過布置在閘首的短廊道輸水，隨著輸水過程的進展，當上下游水位差較小時逐漸開啟三角門，此時由短廊道和三角門門縫共同輸水，但需保證由三角門門縫輸水產(chǎn)生的閘室斷面最大平均流速滿足規(guī)范要求.而為了克服集中輸水系統(tǒng)船閘在水力特性方面的弱點，可通過在短廊道出口布置合適的消能工和確定合適的輸水閥門開啟速度來消減和控制充水過程中的波浪作用力和局部水流作用力.

2 輸水系統(tǒng)及消能工布置

2.1 輸水閥門處短廊道尺寸

在進行聯(lián)合輸水方式的水力計算時，首先需確定設置在閘首短廊道上的輸水閥門尺寸.按規(guī)范，三角門門縫輸水型式適用于閘室最大斷面平均流速小于0.25m/s和設計水頭小于4.0m的情形，水頭在1.4 m以下可直接用三角門門縫輸水［1］.對比分析已有研究資料后確定開啟三角門的水頭為0.40m，即:當上下游水位差Hk降低至0.40m前由短廊道單獨輸水，上下游水位差Hk由0.40m降至閘室內(nèi)外水位齊平的這段時間由短廊道和三角門門縫共同輸水［2］.輸水系統(tǒng)布置完成后再通過計算輸水水力特性加以驗證流速指標.

由于聯(lián)合輸水的水力計算十分復雜，文中計算時在水位差小于0.40m的這段時間只考慮三角門門縫輸水，對于短廊道輸水部分由輸水流量不均勻系數(shù)β加以調(diào)整［3］.依據(jù)規(guī)范對三角門門縫輸水規(guī)定的水力指標，針對正、反向最大水頭運行工況，計算得出水位差Hk≤0.40m時通過三角門門縫輸水的時間Tk分別需滿足Tk≥38 s和Tk≥28 s，因此要求Hk＞0.40m時短廊道輸水系統(tǒng)的輸水時間Td分別需滿足下列條件:正向最大水頭時Td≤T－Tk=480－38=442 s，反向最大水頭時Td≤T－Tk=480－28=452 s.

而根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》及參考文獻，可進一步推導出由初始水頭降至Hk經(jīng)短廊道輸水所需時間Td與閥門面積ω的關(guān)系［3］，即:

式中:C為計算閘室水域面積，對于高港二線船閘，C=23×253=5819 m2;H為水頭，正、反向最大水頭分別為3.50和4.48 m;μ為閥門全開時的流量系數(shù)，對比分析了采用類似輸水系統(tǒng)布置的船閘物理模型試驗資料，取高港二線船閘輸水閥門全開時短廊道輸水的流量系數(shù)為0.73;α為系數(shù)，查《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》中的表3.3.2得出α=0.55;kv為閥門開啟時間與輸水時間之比，暫取0.8;g為重力加速度.

由上式計算得出短廊道輸水閥門面積在正向最大水頭時需滿足ω≥18.7m2，反向最大水頭時需ω≥21.3m2.考慮到該船閘不進行物理模型試驗，且計算時相關(guān)系數(shù)為根據(jù)經(jīng)驗取值或暫定值，因此在上述水力計算出的最小允許值的基礎(chǔ)上留有一定余地，確定短廊道輸水閥門面積為24.5m2，由此設計出兩側(cè)輸水閥門處廊道斷面尺寸均為3.5m×3.5m(寬×高).

2.2 進、出水口及消能工布置

上閘首有短廊道側(cè)面進、出水，出水口外設消力檻，進水口廊道底高程為 －5.60m，廊道頂高程－2.10m;下閘首采用反向布置，以充分利用門庫進行消能，其短廊道也有側(cè)面進、出水，出水口外設消力檻，進水口廊道底高程為－5.00m，廊道頂高程－1.50m.上、下閘首輸水系統(tǒng)布置見圖1.

為使船閘充水運行時閘室內(nèi)獲得較好的水流條件，對消能工型式及布置方案進行了詳細的研究，在輸水系統(tǒng)細部布置時采取了以下幾點措施:①上閘首短廊道進、出水口外第一根消力檻底部布置2個高度為0.80m的過水孔，使出水水流通過第一道消力檻后進一步向中心部位擴散，以減小出水口水面的壅高，下閘首由于受檻的高度限制未布置過水孔;②在兩側(cè)門庫邊墻內(nèi)側(cè)各布置一道高0.75m的豎向鼻檻，以減少進入短廊道的水流，并可使短廊道外水流形成鼻檻消能，提高消能效果，也增大了消能水體，豎向鼻檻長度大于廊道高度0.50m以上;③為了避免充水時出水水流對沖消能區(qū)臨近船舶停泊處，在上、下閘首閘室側(cè)的短廊道出口處布置了高度為0.30m的豎向擋檻，從而進一步改善水流的平面分布.

圖1 高港二線船閘輸水系統(tǒng)布置(單位:高程:m，其他:cm)Fig.1 Layout of the filling and emptying system for Gaogang second-line shiplock(unit:elevation:m，others:cm)

3 閥門開啟方式研究

3.1 滿足波浪力要求的充水閥門開啟時間

對于采用集中輸水系統(tǒng)的船閘，規(guī)范規(guī)定充水時受第一波浪力控制的輸水閥門勻速全開時間［1］為:

計算得a=0.048，b=0.792;正向水頭時α=0.530，β=0.975，反向水頭時α=0.658，β=0.989;正向水頭充水時雙列船隊的波浪力系數(shù)D=1.587，相應的充水閥門全開時間約為tv=404 s;反向水頭充水時則有D=1.447，tv=244 s.

3.2 滿足波浪力要求的泄水閥門開啟時間

另外，《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》規(guī)定下游引航道流速不應大于0.8～1.0m/s［1］，因此對于高港二線船閘，泄水時引航道船舶所受波浪力不是泄水閥門開啟方式的控制條件，需考慮泄水時引航道內(nèi)流速條件等各種因素后再確定.

3.3 閥門開啟方式及速度的確定

由于船閘具有雙向水頭，在綜合考慮船舶停泊條件、輸水時間要求、閘室及引航道水流條件等多種因素的前提下，盡量簡化閥門運行方式，從而便于船閘運行及操作管理.由此確定高港二線船閘上閘首不論正向水頭充水還是反向水頭泄水，輸水閥門開啟時間均為390 s;下閘首不論正向水頭泄水還是反向水頭充水，輸水閥門開啟時間均為300 s.

4 輸水水力特性

4.1 數(shù)學模型及計算參數(shù)

根據(jù)船閘輸水原理及Bernoulli方程［4-6］，可以寫出描述單級船閘輸水時的非恒定流方程組，而三角門門縫輸水的水流流態(tài)十分復雜，美國通常采用的計算式為，其中 Qk為三角門門縫輸水的流量;μd為三角門門縫輸水的流量系數(shù)，此處依據(jù)美國的相關(guān)試驗研究資料取0.55;ωk為三角門門縫過水斷面面積，計算中取三角門勻速全開時間為240 s;h為門縫上下游水位差.由此可建立短廊道與三角門門縫聯(lián)合輸水方式的船閘輸水數(shù)學模型，本文采用迭代和差分法求解，從而計算船閘聯(lián)合輸水過程的水力特征值.

高港二線船閘具有雙向水頭，研究確定的上、下閘首布置基本相同，僅檻的高度及底高程有所差別，因此上、下閘首輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)較為接近，具體取值參考了采用類似輸水系統(tǒng)型式船閘的物理模型試驗研究資料［8-10］，不同水頭運行工況下數(shù)學模型計算特征參數(shù)見表1.

表1 數(shù)學模型計算特征參數(shù)Tab.1 Calculation parameters of mathematical model

4.2 輸水水力特性

計算得出不同運行工況的船閘充、泄水水力特征值見表2，典型水力特性曲線見圖2.計算結(jié)果表明:各種運行水頭下，輸水時間滿足設計不超過8 min的要求;充水時閘室斷面最大平均流速均小于0.65m/s，滿足規(guī)范布置簡單消能工的流速指標;泄水時引航道斷面最大平均流速遠小于0.8 m/s，滿足規(guī)范要求;三角門門縫輸水產(chǎn)生的閘室斷面最大平均流速小于0.25m/s，滿足規(guī)范要求.經(jīng)輸水水力特征值的數(shù)模計算結(jié)果驗證，前述輸水系統(tǒng)布置及確定的閥門開啟方式是合適的.

表2 閘室輸水時最大水力特性值Tab.2 Maximum hydraulic characters of lock during filling and emptying

此外，正向最大水頭以及反向常水頭充水水力特性計算結(jié)果顯示，短廊道輸水閥門尚未開啟完畢水位差Hk已降至0.40m，此時三角閘門也開始開啟;而反向常水頭泄水運行時，輸水結(jié)束后短廊道輸水閥門尚未開啟完畢.因此，建議設計部門在液壓啟閉機和電氣系統(tǒng)設計中考慮上述短廊道輸水閥門和三角閘門同時運行的情況，閘、閥門采用獨立的啟閉系統(tǒng).

圖2 典型水力特性曲線Fig.2 Typical hydraulic characteristic curves of lock during filling and emptying

5 結(jié)語

(1)高港二線船閘具有雙向水頭，本文在分析國內(nèi)部分集中輸水系統(tǒng)船閘資料的基礎(chǔ)上，通過水力計算分析并結(jié)合工程特點，研究確定采用短廊道和三角門門縫相結(jié)合的輸水系統(tǒng)，并提出了輸水系統(tǒng)具體布置，在消能工布置時研究了三項具體措施來保證閘室獲得較好的水流條件.

(2)在綜合考慮船舶停泊條件、輸水時間要求、閘室及引航道水流條件以及便于船閘運行和操作管理等多種因素的前提下，研究確定了上、下閘首閥門開啟方式;通過建立船閘聯(lián)合輸水數(shù)學模型，計算了不同運行工況的閘室輸水水力特性，各項指標滿足設計和規(guī)范要求.

(3)根據(jù)水力特性計算成果，正向最大水頭充水和反向常水頭充、泄水時，輸水閥門尚未開啟完畢三角門便已開始開啟，提出了在液壓啟閉機和電氣系統(tǒng)設計中考慮短廊道輸水閥門和三角閘門同時運行的情況，閘、閥門采用獨立的啟閉系統(tǒng).

［1］JTJ 306-2001，船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范［S］.(JTJ 306-2001，Design code for filling and emptying system of shiplocks［S］.(in Chinese))

［2］劉本芹，宣國祥.泰州引江河第二期工程高港樞紐二線船閘輸水系統(tǒng)布置及水力計算分析報告［R］.南京:南京水利科學研究院，2010.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang.Layout and hydraulic computational analyses report of the filling and emptying system of Gaogang second-line shiplock on Yinjiang River in Taizhou City［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2010.(in Chinese))

［3］劉本芹，宣國祥，李中華.船閘短廊道和三角門門縫聯(lián)合輸水的水力計算［J］.水道港口，2008(4):278-282.(LIU Benqin，XUAN Guo-xiang，LI Zhong-hua.Hydraulic calculations of the lock short culvert associated with sector gate gap filling and emptying［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008(4):278-282.(in Chinese))

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［5］德烏斯 N M.通航船閘［M］.陳士蔭，金煜，譯.大連:大連理工大學出版社，1988.(DEWUSI N M.Navigation Lock［M］.CHEN Shi-yin，JIN Yu.Dalian:Dalian University of Technology Press，1988.(in Chinese))

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［7］EM1110-2-1604，Hydraulic design of navigation locks［S］.

［8］劉本芹，宣國祥.蕪申運河楊家灣船閘輸水系統(tǒng)水力計算及模型試驗研究［R］.南京:南京水利科學研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang.Hydraulic calculations and physical model experiment study of Yangjiawan shiplock's filling and emptying system on Wushen Canal［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［9］劉本芹，宣國祥，宗慕偉.施橋三線船閘輸水系統(tǒng)水力計算及模型試驗研究［R］.南京:南京水利科學研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang，ZONG Mu-wei.Hydraulic calculations and physical model experiment study of the Shiqiao third line shiplock's filling and emptying system［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［10］劉本芹，宣國祥，宗慕偉.蕪申運河下壩二線船閘輸水系統(tǒng)水力學模型試驗研究［R］.南京:南京水利科學研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang，ZONG Mu-wei.Hydraulic model experiment study of the Xiaba second line shiplock's filling and emptying system on Wushen Canal［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))