從江船閘閘底長廊頂縫出水輸水系統水力學模型試驗研究

周家俞，徐 奎，陳 亮，張緒進

(重慶交通大學 西南水運工程科學研究所，重慶 400016)

0 引 言

柳江是珠江水系西江左岸重要支流，黔、桂水上交通要道，都柳江是貴州省規劃的5條主要水運出省通道之一，同時也是國家規劃的西南地區水運出海北線通道，系國家航道主骨架網的重要支線。從江航電樞紐工程位于貴州省黔東南州從江縣境內的都柳江干流上，是都柳江干流梯級規劃推薦18個航電梯級開發的第11級，距離從江縣城約1 km，開發任務以航運、發電為主，兼顧旅游、環保等綜合利用。樞紐布置從左至右主要有：左岸重力壩、廠房、泄水閘、一線500 t級船閘、右岸重力壩，GIS室布置在副廠房頂部，壩頂高程為205.3 m。

樞紐船閘布置于右岸，引航道采用不對稱布置，船閘級別為Ⅳ級，通航500 t級船舶，船閘有效尺度為120.0 × 12.0 × 3.0 m(長×寬×檻上水深)，最大水級18 m，要求閘室充、泄水時間不超過10～12 min。主要水工建筑物結構安全級別為Ⅱ級，次要水工建筑物結構安全級別為Ⅲ級。

閘室采用整體式結構，長120 m，左邊閘墻頂寬4 m，右邊閘墻頂部為滿足下閘首檢修閘門存放的需要，部分設寬7 m。閘室底板頂高程172.0 m，閘室邊墻頂高程195.0 m，建基面高程162.0 m，閘墻最大高度33 m。閘室右側墻后回填土石至178.0 m高程。閘墻內布置有輸水廊道、頂支孔、浮式系船柱、爬梯槽等，閘墻頂布置有門機軌道，見圖1。

圖1 從江船閘布置Fig. 1 Arrangement of Congjiang ship lock

從江樞紐正常擋水位193.0 m，船閘上游最高通航水位193.0 m，最低通航水位192.0 m；下游最高通航水位185.24 m，最低通航水位為175.0 m。樞紐建成后上游與大融樞紐尾水銜接，下游與洋溪水電樞紐回水銜接。

1 輸水系統選擇

根據中華人民共和國交通部JTJ306—2001《船閘輸水系統設計規范》[1]中輸水系統類型的選擇公式(1)：

(1)

式中：T為輸水時間，min；H為水頭，m。

從江船閘，其最大水頭為18.0 m，設計輸水時間T=10 min時，m=2.35；T=11 min時，m=2.59；T=12 min時，m=2.82。根據規范[1]，從江船閘m值介于2.35～2.82，可采用第一類輸水系統或第二類輸水系統。根據從江水電站的布置方案及其船閘的特點，結合前期研究成果，初步考慮兩種輸水系統型式，分別為閘底長廊道頂縫出水輸水系統[2-3]和閘墻長廊道多支孔輸水系統[4]。

統計表明，在水頭為3～15 m以內，船閘可采用閘墻長廊道多支孔輸水型式，而水頭高于15.0～20.0 m的船閘，一般采用閘底長廊道或閘墻長廊道閘底橫支廊道的輸水系統[5]。從江船閘最大水頭18 m，宜采用閘底長廊道輸水系統或閘墻長廊道閘底橫支廊道輸水系統。由于地質條件限制，從江船閘采用整體式結構，如采用閘墻長廊道閘底橫支廊道輸水系統，因廊道布置在閘墻內，要求閘墻要有一定的斷面以滿足廊道的布置，勢必造成閘墻斷面加大，使閘室底板中間彎矩增大；如采用閘底長廊道輸水系統，閘墻斷面可減小，有利于減小閘室底板的彎矩，同時將廊道布置于閘室底板中部，不僅不會減少閘室底板的剛度，而且可節省中間砼。經綜合比較，采用閘底長廊道頂縫出水輸水系統較適合從江船閘。由于從江船閘為整體式結構，為保持頂層主筋的連續性，不能設置側明溝消能，因此本輸水系統采用頂縫出水，蓋板消能。

2 試驗內容及要求

2.1 試驗內容

1)水位組合

上游正常蓄水位193.00 m～下游最低通航水位175.00 m。

2)船閘閥門充(泄)水開啟時長

閥門雙邊同步勻速開啟：tv=3、6、8 min；閥門單邊勻速開啟：tv=6、8 min；閥門單邊間歇開啟：tv=8 min。

3.2 試驗要求

1)閘室輸水以雙邊廊道輸水試驗為主，單邊廊道輸水試驗為輔。

2)試驗船模按500 t級貨船過閘模擬試驗。

3)閘室充、泄水時間為10～12 min。

4)輸水系統、閘室和引航道內各項安全運行水力指標均符合JTJ 306—2001《船閘輸水系統設計規范》有關規定。其中500 t級貨船允許系纜力：縱向水平分力25 kN，橫向水平分力13 kN。

3 模型設計、制作及測量設備

根據模型相似性技術要求及試驗場地大小等綜合因素考慮，確定本船閘模型幾何比尺為1∶20[6-7]，見圖2。按重力相似準則，可推導出其它相關要素比尺與幾何比尺的關系，經計算可得到相應比尺值，有關結果如表1。

圖2 船閘模型Fig. 2 Ship lock model

序號名稱比尺關系比尺值1幾何比尺λL=λh1 720.0002流速比尺λv=λL0.51 784.4703流量比尺λQ=λL2.51 788.9004時間比尺λt=λL0.51 784.4705壓力比尺λp=λL1 720.0006重力比尺λW=λL38 000.0007糙率比尺λn=λL1/61 781.648

模型上、下游水位均采用溢流式平水槽控制，其溢流量遠大于模型充泄水流量，能很好保持上、下游水位的穩定和消除水面波動；閘室水位采用測針及自動水位指示器測定。輸水閥門由無級調速步進電機驅動實現自動起閉，可任意調整閥門的啟閉時間和方式。閘室充(泄)水過程由壓力傳感器、DH5920動態信號測試分析系統及計算機組成的自動測量系統采集瞬時水位，并進行數據處理。船舶系纜力則由電阻式拉力儀測定。為觀測在輸水過程中廊道各部位的壓力變化，在模型充(泄)水廊道關鍵部位共布置69個測壓孔和24根壓力傳感器，以測定恒定流和非恒定流廊道壓力。閘室支孔及下引航道的流速測量采用西南水運工程科學研究所自制的光電流速儀(見圖3)進行測定。

圖3 光電流速儀Fig. 3 Photoelectric flow meter

4 模型試驗成果及分析

在船閘上、下游水位分別為193、175 m組合下，進行了非恒定流試驗。為了更好預測原體合理的閥門開啟時長，試驗擬定了開啟時長tv=3、6、8 min雙邊閥門連續開啟和單邊閥門連續開啟、tv=8 min單邊閥門間歇開啟進行充(泄)水3種工況進行研究。經比較，重點對閥門tv=6、8 min等2種開啟工況進行測試研究。

4.1 輸水系統水力特性

試驗實測閥門開啟各種工況時，充(泄)水各項水力指標列于表2，部分工況下水力特性曲線見圖4、圖5，其中圖4工況為開啟時長tv=6 min雙邊閥門連續開啟進行充水。

表2 船閘水力特性參數Table 2 Hydraulic characteristics of ship lock

(續表2)

閥門開啟方式 時長tv/min充(泄)水時長T/min最大閘室流量Qmax/(m3·s-1)水面最大上升(下降)速度vmax/(m·s-1)泄水雙邊單邊319.297.600.054610.679.800.045811.571.200.040618.849.000.028819.745.800.026

注：間歇開啟是指閥門開至n=0.2開度，停5 min后連續開完。

圖4 閘室充水水力特征曲線Fig. 4 Hydraulic characteristics of ship lock at filling

圖5 閘室充水上閥門井水位變化曲線Fig. 5 Water level change curve in water chamber

從表2中試驗數據可知，當閥門雙邊正常開啟tv=3～8 min時，閘室充水時長在8～11 min之間，而下閘泄水時長在9.5～12 min之間，船閘充泄水時長能滿足設計要求。由于模型糙率一般較原體船閘偏大，模型實測的流量系數較原體值小，因此，模型測得的閘室充(泄)水時長比原體船閘輸水時長更長。比較國內外[8-9]及以往等同類型輸水系統船閘的原、模試驗資料，船閘閘室原型充(泄)水時長較模型縮短10%～15%，個別船閘達18%～19%，總阻力系數一般要比模型試驗測試值小10%～30%。據此推算，從江船閘如按閥門雙邊tv=6～8 min速率運行時，原體的充(泄)水時長在12 min以內，滿足設計通過能力要求的充(泄)水時長。

4.2 輸水系統廊道阻力系數及流量系數

模型試驗測試結果表明，閥門雙邊充水流量系數為0.763，單邊充水時流量系數略大，為0.79；雙邊泄水流量系數為0.645，單邊泄水時流量系數為0.682。由于輸水系統布置特點，充水流量系數大于泄水流量系數。試驗測得，閥門雙邊充水時支孔出水段的阻力系數為1.236，而泄水時該段阻力系數為1.092。閘室充水時的阻力系數小于泄水，其主要差異在支孔出水段及進、出口處的阻力系數。充、泄水單邊閥門開啟的阻力系數均小于雙邊情況。

4.3 輸水系統各部位流態

4.3.1 進水口流態

試驗詳細觀察了在上游最高、最低通航水位情況下進水口的流態。上游最高通航水位193.0 m時，閥門雙邊tv=6、8 min開啟整個閘室充水過程中，水面均較為平靜，未出現有害的吸氣漩渦及其他不良水力現象。在充水工程中，上引航道水面有跌落，其值隨閥門開度的增大而增大，兩種閥門開啟工況下，進水口水面最大跌落值分別為22、28 cm(原體)；在上游最低通航水位時，進水口也未出現有害吸氣漩渦。

4.3.2 閘室流態

1)閘室充(泄)水流態

試驗觀測了閥門在tv=6、8 min開啟閘室內的水流流態。在整個充水過程中，閘室內沒有氣體溢出的現象發生，閘室水面平靜，水體平穩上升，閘室內無明顯的橫向比降。在整個泄水過程中，閘室水面平緩下降，水面平靜，無漩渦等不良水力現象，閘室停泊條件較好。

以上觀測結果表明，由于輸水廊道在閘室段擴寬，且出水縫縱向布置在閘室中間70 m范圍內，橫向布置有兩列出水孔，使整個充泄水過程中閘室縱、橫向出水較均勻，改善閘室的水流流態，對船舶安全停靠較為有利。

2)船舶自由漂移

試驗觀測了500 t單船不系纜停于閘室內不同位置自由漂移情況。閥門雙邊開啟tv=8 min充水，當500 t船舶停于閘室前端(船舶末端正對閘室中間位置)時，船舶向上游漂移最大值達14 m(原型，下同)左右；當船舶停于閘室中間時，船舶先向下游漂移5 m左右，然后逐漸緩慢向上游移動，直至充水結束前停于閘室中間位置；當船舶停于閘室艉時，一開始船舶向下游漂移，船舶向下游漂移最大值達14 m左右，見圖6。

圖6 500 t船舶自由漂移距離Fig. 6 Free drift distance of 500 t ship

試驗發現，閥門單邊開啟，設計船舶停于閘室前、后端時，縱向自由漂移類似于閥門雙邊開啟情況。不同的是，橫向漂移大于雙邊開啟情況，一般均要漂移至左右閘墻。

在閘室泄水時，兩種船舶停于閘室任何位置的自由漂移值均遠小于充水時漂移值，水面較平靜。

4.4 閥門后廊道壓力和閥門空蝕空化

為了計算輸水廊道各段阻力系數以及為設計提供主廊道上壓力參數，分別在模型輸水廊道上、下游閥門后廊道側面、輸水廊道轉彎凸面處及廊道進、出口等位置布置了測壓點，詳細觀測充、泄水輸水系統廊道壓力變化，試驗在恒定流和非恒定流兩種情況下進行。

從閥門后廊道壓力的沿程分布來看，緊靠閥門后的負壓值最大，之后負壓隨離閥門距離的增加而降低，無論是充水還是泄水，最低壓力發生在距工作閥門約一倍閥門高度以內距離的廊道中部。開度n=0.2～0.4時，以閥門雙、單邊開啟tv=8 min為例，測得廊道上述部位充水時的最低時均壓力分別為3.04、-1.73 m，泄水時分別為-1.08、-5.70 m。在閥門正常雙邊開啟tv=6～8 min情況下，充泄水均滿足規范(負壓小于3 m)要求。

4.5 閥門底緣空蝕空化分析

在閥門開啟過程中，臨界空化數K0不是定值，它隨閥門開度的變化而變化。通常情況下開度n=0.3～0.7為控制開度(即參考斷面壓力最低點)。本船閘閥門工作空化數的規律基本與門后壓力分布規律相似，即泄水條件較灌水差，閥門單邊開啟較雙邊差，控制開度區間一般為0.3～0.7。無論灌、泄水還是單、雙邊閥門開啟，工作空化數基本上大于臨界空化數。因此，可判斷本船閘工作閥門不會出現強烈的空化現象或空蝕破壞。

4.6 閘室停泊條件

在船閘上、下游水位分別為193、175 m組合情況下，試驗測量了500 t單船停于閘室上、下游兩個位置系纜力變化過程。試驗針對不同運行工況進行了多組次測量，其中上、下游水位分別為193、175 m組合為設計控制工況，試驗對兩種水位組合下閥門開啟tv=6 min和8 min工況進行了詳細觀測。

由試驗實測系纜力過程線資料可知，對于500 t設計船舶，縱向力主要受第一波浪力控制。當船舶分別停靠于閘室上、下游位置，閥門以tv=6 min速度開啟時，其值分別達到5.29、6.34 kN；閥門以tv=8 min速度開啟時，其值分別達到4.33、5.66 kN，均遠小于規范允許值25 kN。同時試驗資料表明，縱向波浪力的大小與船舶的停泊位置密切相關，其最大值一般均出現在閘室的前、后兩端，受力方向剛好相反。船舶停于閘室的任何位置，其縱向局部力均遠小于第一波浪力，說明充水時由于上閘首帷墻水體突變造成的水面涌波及水流紊動對船舶受力影響稍小。

對于前、后橫向力，閥門雙邊tv=6、8 min開啟時，500 t船舶停于閘室上下游位置均未超過規范允許值，說明閘室出水孔消能效果較好，水面波動小，流速分布均勻。當閥門以tv=8 min速度開啟時，船舶分別停靠于閘室上、下游位置，最大橫向力分別達到1.06、1.01 kN，遠小于規范的允許值13 kN。

閥門單邊連續開啟tv=6、8 min時，船舶所受縱向力及橫向力較閥門雙邊開啟充水時小，縱向力及前、后橫向力均小于規范的允許值。閥門單邊間歇開啟tv=8 min時，船舶所受縱向力及橫向力較閥門單邊連續開啟充水時小，縱向力及前、后橫向力均小于規范的允許值。

船閘水位上、下游水位分別為193、175 m組合情況下，閥門雙邊開啟tv=8 min泄水時，其最大縱、橫向系纜力分別為1.16、0.65 kN，船舶所受系纜力小于充水時，其值亦均遠小于規范允許值。

4.7 慣性超高和超降

水流在非恒定運動過程中將產生慣性作用。受此影響，閘室水位在充(泄)水時將產生超高、超降現象。試驗實測了閥門雙邊開啟充(泄)水時的閘室內水位超高、超降值。因模型難免有一定漏水，試驗觀測值一般偏小。為了驗證并比較模型實測值，筆者根據試驗資料，對船閘充(泄)水慣性超高或超降進行估算。實測和計算的慣性超高超降值見表3。

表3 慣性超高和超降Table 3 Inertia ultra and ultra drop m

由表3可見，實測慣性超高值隨閥門開啟速度降低略有減小。當閥門雙邊開啟tv=6、8 min，其超高值分別為0.12、0.11 m，而計算值為一定值0.18 m，均大于實測值。分析其原因，可能與模型進口水面跌落有關。泄水時輸水系統阻力系數較大，實測和計算的慣性超降值小于充水時對應的超高值。試驗表明，船閘充(泄)水實測和計算超高、超降值均滿足規范要求。

5 結 論

從江船閘閘室水頭大，輸水強度高。通過水力計算分析及1∶20比尺的船閘整體輸水系統水力學模型，對兩種閥門開啟時間、閥門雙、單邊運行工況下的閘室充、泄水水力特性，閥門段廊道壓力，閘室停泊條件等指標進行了詳細的研究，主要結論及建議如下：

1)從江船閘采用的閘底長廊道頂縫出水輸水系統各部位布置設計基本合理，各輸水水力特性的設計值與模型試驗值基本吻合。

2)閘底長廊道頂縫出水輸水系統由于擴大了閘室底部廊道，使得在閘室寬度方向均勻布置4列排水縫成為可能，正是這一改變，使閘室橫向出流更加均勻，閘室充水時的水面橫向比降減小。

3)船閘閘底長廊道頂縫出水輸水系統將閘室段的主廊道擴寬，廊道總寬度約為閘室的一半，且在廊道頂布置多排出水縫和消能蓋板，有利于減小輸水系統阻力系數、縮短輸水時長、減小閘室充水時的水面橫向比降、改善閘室停泊條件。

4)船閘閘底長廊道頂縫出水輸水系統由于出水范圍擴大，減少了閘室死水區域，有利于減少閘室的泥沙淤積。

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