金雞灘水利樞紐船閘輸水系統型式選擇及優化研究

譚巧矛

(廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

1 概況

金雞灘水利樞紐位于西江航運干線、右江 “黃金水道”中游隆安縣城上游8km處,為右江綜合利用規劃中的第六梯級,是一個以發電、航運為主,兼有電灌、供水、養殖和旅游等綜合效益的水利樞紐工程。船閘位于樞紐的左岸,采用單線單級船閘布置型式,按Ⅲ級船閘規模設計。最大通航標準為一頂2×1000t分節駁船隊,設計船隊尺度為160.0×10.8×2.0(m)(長×寬×吃水深),閘室有效尺度為190.0×12.0×3.5m(長×寬×檻上水深),最大通航水頭為13.80m,屬中水頭大型船閘。輸水系統采用閘墻長廊道側支孔分散輸水系統型式。船閘工程于2005年12月建成并通過驗收投入運行。

閘墻長廊道側支孔輸水系統型式對于船閘閘室采用分離式結構型式,在閘墻底部布置主廊道是經濟的,但該輸水系統型式對閥門單邊運行的適應性較差,單邊出流使船舶所受的橫向力較大,不利于船只穩定。因此,合理確定并優化輸水系統的布置及各部位尺寸,改善閘室的水流條件,是本船閘工程輸水系統設計需要研究解決的問題。

2 輸水系統型式選擇

2.1 閘墻長廊道側支孔輸水系統的特點

船閘閘墻廊道側支孔輸水系統由布置在閘墻中貫通上、下游,并設有一系列側支孔所組成,充、泄水時水流由閘墻廊道側支孔輸水的水流進出閘室的,因此它的輸水水力性能比集中輸水系統有較大提高,而它的結構由于在閘室底部沒有廊道,因此比其它分散輸水系統要簡單,與集中輸水系統相比,雖然閘墻工程量因有廊道而有所增大,但由于它可以不設鎮靜段,縮短了閘室長度,工程量的增加并不顯著,尤其當船閘水頭達10m左右時,其價格性能比明顯優于集中輸水系統。因此,它是一種適合中等水頭、重力式閘墻的較優船閘輸水系統型式。

2.2 金雞灘船閘輸水系統型式選擇

金雞灘船閘長寬比達15.83,針對閘室長寬比較大,其斷面小流量大的特點,合理選擇輸水系統類型,確定進水口及出水口消能布置型式,使閘室及上、下游引航道的流速滿足規范要求,是船閘成功的關鍵所在。

根據 《船閘輸水系統設計規范》 (JTJ306～2001)輸水系統類型的選擇公式:

m—— 判別系數;

H ——設計水頭 (m);

T——閘室灌水時間 (min)。

根據設計通過能力,船閘輸水時間要求10min左右。經過計算得m=2.69。

由于m=2.69,在2.5～3.5之間,根據規范該船閘可采用集中輸水系統,也可采用分散輸水系統,鑒于金雞灘樞紐為右江水運主通道的重要工程,且船閘規模較大,通航保證率要求較高,對集中輸水系統來說,該船閘的水頭顯然較高,因此推薦采用分散輸水系統方案。因其 m值大于2.4,因此選擇第一類分散輸水系統——閘墻長廊道側支孔方案。

3 輸水系統布置及各部分尺寸的確定

3.1 閘墻長廊道側支孔輸水系統研究與應用概況

閘墻長廊道側支孔輸水系統最早出現在美國,且應用十分廣泛,早期的布置支孔最大限度地等距離布置在閘室長度內,支孔輪廓也是粗糙的,僅適用于低水頭船閘,以后通過實踐與研究,對布置的整體性和各部位的線型都作了改進。這種輸水系統在美國應用最廣泛的水頭范圍為3m～12m。

我國對閘墻廊道側支孔輸水系統的研究和應用是從二十世紀70年代開始的,已建成的有廣西桂平和貴港、河南沙潁以及湖南大源渡等船閘工程,應用的水頭多在10m以上。通過這些船閘的設計研究,我國已積累了豐富的經驗,這些工程的設計研究成果及工程經驗對金雞灘水利樞紐船閘工程輸水系統的設計研究有重要參考價值。

3.2 金雞灘船閘輸水系統設計及優化研究

本船閘工程委托南京水利科學研究院進行了輸水系統模型試驗。其閘墻長廊道側支孔輸水系統及其各部位尺寸的設計,參考和借鑒了國內外的研究成果和工程實踐經驗,并在設計中結合水工模型試驗成果[2]進行了優化。

3.2.1 輸水廊道及出水孔斷面尺寸的確定

首先確定輸水閥門處廊道斷面的尺寸,根據船閘輸水系統設計規范計算及已建船閘的成果,選定輸水閥門處廊道斷面面積為2-2.4×2.7m2。

在輸水閥門廊道斷面面積確定后,在選擇主廊道斷面面積以及側支孔斷面面積時,有兩個比值必須加以注意,即:

原則上,α值越大,輸水系統出水孔段的損失越小;β值越小,有利于前后支孔出水均勻,但將增加出水孔段水頭損失。根據我國部分已建船閘α、β值表明,一般船閘出水段長度為閘室有效長度的0.7倍左右,α值均大于1.0,β值為0.95左右。經比較,取主廊道斷面為2-2.7×3.0m2,與輸水閥門面積比為1.25。閘墻每側設36個側支孔,分為3組,上游至下游孔口尺寸分別為0.50×0.47m2(12孔)、0.50×0.42m2(12孔)、0.50×0.37m2(12孔),總面積為15.12m2,β值為0.94,略小于0.95。

根據南京水利科學研究院的研究成果分析,對于相同斷面的出水孔,當β=1.0,順水流方向首末出水支孔的平均流量比為1︰1.3。為保證出水孔段在輸水過程中較長時段內能均勻進入閘室,將出水首末孔面積比確定為與相同斷面時流量比的相反值。金雞灘船閘出水段順水流方向首末出水孔分段面積比采用1.27。

考慮到金雞灘船閘近期有小型船舶以及減少閘室泥沙淤積等因素,設計要求盡量增加閘室出水段長度。同時我國 《船閘設計規范》規定:出水孔間距宜為閘室寬度的1/4(即3.0m),而金雞灘船閘長寬比大于15︰1,如按1/4閘室寬度布置出水孔間距,則出水孔數量較多,出水孔尺寸過小,將增加施工難度。綜合上述因素,最后確定側支孔間距為4.0m,每側布置有36個出水孔,出水孔總長為35×4.0=140.0m,占閘室有效長度的73.7%。

按設計規范要求,側支孔長度L≥3.6D,D為出水支孔直徑或斷面寬度,取支孔斷面最大寬度D=0.47m,則 L ≥1.69 m,取 L=2.0m,為減少水力損失,支孔進、出口斷面作了修圓擴大,喉部的出口作一定的擴大,擴大角為θ=1.72°,滿足規范要求的小于3°。

由于我國船閘對閘室最小水深的規定,一般不能滿足此種輸水系統對船底富裕水深的最佳要求,如按最佳要求金雞灘船閘的船底富裕水深應為2.9m,而規范要求僅為3.5m-1.6m=1.9m,差距較大。根據我國多座船閘的實驗研究成果表明,出水側支孔出口設置消力檻,對調整閘室水流條件,彌補閘底富裕水深較小帶來的問題,作用明顯。尤其對船閘單側輸水情況效果更佳,根據我國部分已建船閘閘墻長廊道側支孔輸水船閘消力檻布置形式及相應的數據表明:消力檻高度在0.5～0.25之間變化,消力檻距出水口距離差別很大,本工程選擇檻高0.35m,距出水口2.0m。

3.2.2 廊道進水口斷面尺寸的確定

上閘首廊道進水口底高程比引航道底高程高0.50 m,進水口面積則根據分散輸水系統進口流速≤2.5m/s的要求設計,根據最大流量小于110m3/s,需進水口面積大于45m2,取進水口為2—4×2.1×3.0m2,進水口總面積為50.4m2,滿足要求。進水口與閘墻出水段通過二次垂直及水平轉彎相連接,工作閥門在二次垂直轉彎以下,閥門頂淹沒水深為3.3m;閥門后通過水平轉彎將輸水廊道寬度由2.4m擴大至2.7m,高度由2.7m調至3.0m。

3.2.3 廊道出水口斷面尺寸的確定

金雞灘船閘下游引航道在設計通航水位 (上游最高、下游最低通航水位)時水深僅3.5m,按泄水最大流量110m3/s計,船閘泄水時引航道平均最大流速較大,水流條件較差。根據水力模型試驗結果,下閘首輸水系統選擇部分旁側泄水布置,即將船閘一支廊道的泄水口設置在船閘右側電站下游尾水側,另一支布置在該船閘的下閘首下游引航道中。

表1 閘墻長廊道側支孔輸水系統特征尺寸

下閘首輸水廊道通過兩個水平轉彎、一個垂直轉彎與閘室出水廊道及出水口相連接。同時將廊道寬度由2.7m調整至2.4m,高度由 3.0m調整為2.7m,泄水閥門后一支廊道平底轉彎至下游引航道出水口,出水口斷面面積取閥門斷面面積的2倍,即2-2.4×2.7m2,出水支孔斷面面積為閥門斷面面積的4.4倍,即2-6×1.0×2.4m2;另一支廊道直接以45°泄入河道尾水渠,出水口斷面面積為閥門面積的3.3倍,即4-2.0×2.7m2。輸水系統各部分尺寸見表1。

4 運行情況

金雞灘船閘是我國西江航運干線上的核心樞紐,最大通航水頭為13.8m,根據水力計算分析及模型試驗成果驗證,確定采用閘墻長廊道側支孔輸水系統型式并合理確定其各部位尺寸。自2005年12月運行以來,通過四年多的運行證明,得到以下結論:

(1)金雞灘船閘采用的閘墻長廊道側支孔輸水系統的整體布置設計是合理的,工程投資較省,施工較簡便,水流平穩,船閘停泊條件好,運行安全可靠,達到了預期的設計目標。

(2)閘室內出水孔段設置的兩根消力檻,在改善船舶在閘室中的停泊條件方面獲得了預期的效果,船閘正常運行時閘室內水流較平穩,閘室中線處水面無壅高。

(3)上閘首廊道進水口采用閘墻垂直多支孔布置,運行過程中未見旋轉水體,水流流態良好。上、下引航道流速較小,水流條件較好。

1 廣西南寧水利電力設計院.廣西金雞灘水利樞紐工程初步設計報告[R].南寧.廣西南寧水利電力設計院,2003.

2 南京水利科學研究院,廣西南寧水利電力設計院.廣西右江金雞灘水利樞紐船閘輸水系統模型試驗研究報告[R].南京.南京水利科學研究院,2004.