適應整體式閘室結構的船閘輸水系統研究

吳 英 卓，江 耀 祖，劉 火 箭，王 智 娟

(長江科學院 水力學研究所，湖北 武漢 430010)

船閘輸水系統是保障船舶安全過閘的關鍵設施，其設計優劣直接影響到船閘工程的安全與效率。為適應不同水頭、閘室尺度、輸水時間、地質條件、工程投資等因素要求，現代船閘衍生出諸多的輸水系統型式。船閘設計一般參照水頭、閘室尺度等條件相近的已建成功船閘經驗，初步選定輸水系統型式。最終滿足船閘輸水時間要求、輸水系統自身安全和過閘船舶停泊安全的輸水系統布置型式的確定，一般依賴數模計算和物模試驗。

表1 水頭分級與適用的船閘輸水系統型式(美國)Tab.1 Classification of water head and applicable shape of filling and emptying system of navigation lock(USA)

按照上述選型指標獲得的體型是僅對水頭(美國)，或僅對水頭和輸水時間(中國)適應的體型，對于適用于不同閘室尺度、地質條件等其他因素的體型又需要再加以甄別。若已建船閘中未有適合的體型參考，則必須開展水力學研究填補空白，孤山船閘即屬于這一類船閘。

1 孤山船閘輸水系統型式初選

1.1 船閘基本資料

孤山航電樞紐位于漢江干流夾河-丹江口樞紐回水末端河段內，上距白河梯級壩址約35 km，下距丹江口樞紐壩址179 km，開發任務以航運為主，兼顧發電等綜合利用。

表2 判別系數分級與適用的輸水系統型式(中國)Tab.2 Classification of discrimination coefficient and applicable shape of filling and emptying system(China)

孤山船閘為單線單級船閘，閘室有效尺寸為120.0 m×23.0 m×3.0 m(長×寬×最小檻上水深)，設計代表船型為2×500 t船隊和500 t級單船。船閘上游最高通航水位177.23 m、上游最低通航水位175.00 m；下游最高通航水位169.10 m、下游最低通航水位157.40 m。船閘最高通航水頭19.83 m，設計輸水時間10～12 min。根據樞紐總體布置需要，船閘采用整體式閘室結構布置[2]。

1.2 型式初選

孤山船閘m=2.25～2.69，根據我國規范建議，與孤山船閘水頭和輸水時間匹配的輸水系統型式是第二類分散輸水系統。

在美國，建議第一類中的Ⅰ-(1)型分散輸水系統在最大水頭小于12.2 m的船閘上應用，我國采用Ⅰ-(1)型輸水系統的已建船閘水頭也未超過15 m[3]。因而從對水頭的適應性而言，Ⅰ-(1)型分散輸水系統不適用。美國的相關研究表明，Ⅰ-(2)型比Ⅰ-(1)型水流條件好，輸水效率高，但由于多支孔型式繁雜，數量眾多，施工及維修困難，因而在設計手冊中并不推薦[3]。再考慮到我國水運快速發展的現狀，孤山船閘選擇閘室內水流條件較好、輸水效率較高的第二類分散輸水系統更好。

美國學者建議當水頭大于18 m時，采用第三類分散輸水系統[2]。按美國已建船閘運行經驗，孤山船閘選用第三類輸水系統更加恰當，水流條件會更好，更易解決閘室內船舶停泊條件問題。但第三類輸水系統采用垂直分流口，分流口布置橫跨整個閘室底板橫斷面，底板中部出現空腔，而孤山船閘采用的是整體式閘室結構布置，因閘室寬度較大，其底板中部承受較大彎矩，若中部出現空腔則閘室底板必須深挖[2]，增大了開挖與混凝土澆筑量。受結構強度以及經濟等因素制約，孤山船閘不能采用第三類輸水系統。

根據上述分析，考慮船閘水頭、輸水時間、工程布置等因素，在現有的輸水系統布置型式中，只有Ⅱ-(5)型可用，因此設計選擇主廊道雙側布置、雙側輸水系統相對獨立的水平分流2區段4縱支廊道頂部出水、蓋板消能的等慣性輸水系統作為孤山船閘初選布置型式，具體見圖1。

在葛洲壩3號船閘水力學研究階段，對圖1所示的輸水系統進行過研究[4-7]。研究結果表明：閘室內船舶停泊條件較差，為解決閘室內船舶系纜力較難達

圖1 孤山船閘設計方案輸水系統布置(尺寸單位：cm)Fig.1 Layout of the filling-emptying system at design scheme

標的問題，布置了多個橫向聯通管聯通左右側出水孔廊道，達成了閘室內左右側輸水系統水流的互通(見圖2)，相應起到了均衡出流的目的。孤山船閘因整體式閘室結構要求，閘室底板中心線區域不宜出現空腔，因此取消了聯通管，成為左右側完全獨立的輸水系統。對于寬度較大的孤山船閘而言，單閥輸水時閘室橫斷面水面坡降會更大，解決事故單閥運行條件下閘室內船舶停泊條件與通航效率之間的矛盾難度加大。同時通過垂直隔板分流的水平分流口，輸水中達成上、下半閘室流量分配均勻的難度本身較大，易導致閘室停泊條件難于滿足規范要求。因此必須開展孤山船閘輸水系統布置型式研究，通過數模驗證初選布置型式的合理性并進行優化，最終通過物理模型試驗獲得能滿足輸水時間要求、輸水系統自身安全和過閘船舶停泊安全的輸水系統布置型式和閥門運行方式。

圖2 輸水系統類比示意Fig.2 Analogy diagram of the filling-emptying system

2 孤山船閘輸水系統布置型式研究

2.1 新型輸水系統定型

水平分流的2區段4縱支廊道頂部出水輸水系統只適用水頭較低的原因，除了與該系統左右側完全獨立有關，還與其水平分流口的分流均勻度較差有關[5]。孤山船閘閘室寬度較大，其分流口的分流狀況對閘室內船舶停泊條件影響更大，因此針對分流口體型開展了三維數模計算。數模計算發現：圖1所示水平分流口可實現充水分流均勻，但泄水匯流均勻性較差，對應泄水最大流量Qmax，分流口匯流百分比為上半閘室縱支廊道匯入33%，下半閘室縱支廊道匯入67%，顯然泄水時閘室水面會出現傾向于下游的縱比降，對閘室內船舶停泊安全產生危害。

出現泄水時上、下半閘室進流不均衡的原因為水流經分流口匯入主廊道時與分流垂直隔板發生碰撞后水流轉向，對于下半閘室縱支廊道內水流而言，轉向后匯入主廊道順暢下泄，而上半閘室水流被隔板轉向后趨勢指向上游，造成該區段水流匯入主廊道后下泄阻力增大。顯然改變隔板長度和分流口邊壁體型可調整阻力大小，但因該分流口已做到充水分流均勻，為達成泄水均勻，所做改變必會對充水分流的均勻性產生影響。因此根據以往分流口研究經驗[8-10]，考慮取消分流隔板，同時縮小分流口進口寬度至與主廊道同寬，以均衡分流口進口橫斷面水流分布，達成水流自分流的充、泄水均衡。

為達到閘室內各區段進、出流均勻的效果，除優化分流口體型外，還需同時配合閘室內輸水系統布置的調整。鑒于漸變廊道對提高出水孔出流均勻性有幫助[11-12]，將出水孔廊道修改為進流端斷面大、封閉端斷面小的漸變體型；考慮到加大閘室內出流的分散程度能降低單位水體比能，對解決閘室內船舶停泊條件問題有利，亦可相應縮短輸水時間，提高輸水效率[13-14]。因此采用漸變出水孔廊道體型和更加分散的出水孔布置，出水孔廊道長度突破規范要求，由設計方案中閘底出水區段總長度占閘室長度72%加長為占84%，單支出水孔廊道長度由51.25 m加長至60 m，相應每支廊道出水孔由12孔增至13孔。

數模計算結果表明，取消分流隔板后，分流口隨即達成匯流均勻。分析原因為：泄水時上、下半閘室進水孔廊道水流完全對稱地進入分流口，再經分流口匯合后泄入主廊道，各區段泄流阻力已基本相同，表明水流自行分流的自分流口體型對閘室泄水時實現上、下半閘室進流均勻有利。但因取消強制分流的隔板，充水時分流口的分流均勻性受到影響。研究發現適當縮小分流口進口寬度，適當增加出水孔廊道段阻力——調小出水孔廊道斷面與輸水閥門段面積比α、出水孔面積與輸水閥門段面積比β，對分流均勻有利。α=3.24，β=2.95時，下半閘室進流67%，上半閘室進流33%；將出水孔廊道寬度減小，α、β值分別減小至2.11、1.44后分流口分流已基本均勻，上、下半閘室進、出流量相差3.0%～3.6%。計算表明，進一步減小β值至1.15，可使上、下半閘室進、出流量更加均勻(僅相差0.6%)，但考慮過大阻力對輸水時間的不利影響，最終選擇α=2.11、β=1.44的輸水系統布置型式。綜上分析，針對孤山船閘特點，輸水系統推薦采用分流更加均勻、出流更加分散的“等慣性2區段出水+無隔板自分流口+加長漸變出水孔廊道”的型式(見圖3)。

圖3 自分流全閘室出水等慣性輸水系統(尺寸單位：m)Fig.3 Filling-emptying system of self-splitting at the full chamber

2.2 物理模型驗證

2.2.1輸水系統布置與物理模型設計

為驗證新型自分流2區段4縱支廊道全閘室出水等慣性輸水系統在孤山船閘中的適用性，建立1∶20的整體物理模型開展水力學模型試驗，分析該輸水系統的輸水水力特性與船舶停泊條件，物模驗證方案主要結構特征尺寸見表3。

2.2.2閘室充泄水水力特性與停泊條件

1∶20物理模型驗證試驗結果表明：圖3型式輸水系統正常運行工況采用tv=5～8 min速度雙閥勻速同步開啟方式充水、tv=2～5 min速率雙閥勻速同步開啟方式泄水，事故單閥運行工況采用tv=8～10 min速度單閥勻速開啟充水、左閥以tv=10 min或tv=4～6 min速度開至n=0.7開度停機的局部開啟方式泄水，閘室輸水時間、閘室及下游引航道停泊條件及輸水系統關鍵部位流速均滿足設計及規范要求，閥門井及檢修門井不會出現脫空帶氣且閥門段底緣空化數大于臨界空化數，船閘輸水主要水力特征值見表4。

最高通航水頭下事故單閥充水，閥門以tv≥6 min速度開啟，各泊位500 t單船及2×500 t船隊最大縱向力不大于25 kN，最大橫向力不大于13 kN，系纜力滿足規范要求。雙閥輸水閘室內船舶最大系纜力見表5。

表3 物模驗證方案主要結構特征尺寸Tab.3 Main structural feature size of the model verification scheme

表4 最高通航水頭船閘輸水水力特征值

表5 最高通航水頭雙閥充水閘室內船舶最大系纜力Tab.5 Maximum mooring force of the ship in the chamber at the maximum water head

為了解自分流口匯流均勻性，物模試驗測量了閘室泄水時閘室內2×500 t船隊停泊條件，閥門采用tv=4 min速度開閥，單閥泄水最大系纜力縱向小于10 kN，橫向小于3 kN，表明新型自分流口匯流均勻。

閘室內船舶系纜力測量結果表明：自分流全閘室出水的輸水系統通過恰當的分流口自分流體型和出水孔廊道段阻力均衡了各區段的進、出流流量分配，閘底出水孔布置區域的擴展，更加分散了出流并提高了消能率，很好地解決了左右側獨立布置的輸水系統閘室內船舶停泊條件較差問題。

根據研究結果推薦，孤山船閘在最高通航水頭下運行正常，雙閥以tv=5 min速度勻速開啟充水、以tv=2 min速度開啟泄水，充水時間為10.5 min、泄水時間為10.4 min；充水過程中閘室內停泊的設計代表船舶500 t級單船和2×500 t級船隊最大系纜力分別為縱向10 kN和19 kN；橫向8 kN和9 kN，泄水時縱向小于10 kN，橫向小于3 kN。與設計輸水時間小于12 min、船舶縱向力小于25 kN、橫向力小于13 kN的設計及規范要求相比，富裕較大。特別是事故單閥運行工況，在滿足閘室內船舶停泊條件要求的前提下，可在20 min內完成輸水，很好地解決了較大閘室寬度的船閘采用左右側完全獨立輸水系統，單閥運行閘室內停泊條件差的難題。

鑒于可以通過優化進出口型式解決進口流速超標及改善下游引航道停泊條件，閥門段水流空化條件可通過降低閥門段埋深和修改閥門段廊道體型優化，因此僅從閘室內的停泊條件及輸水系統關鍵部位流速滿足設計及規范要求考慮，該新型輸水系統可滿足更高的輸水效率要求，或適應更高水頭的船閘。

2.2.3分流口壓力特性

對于創新性“T”型自分流口，即使它可以提供良好的分流及匯流條件，但若其自身的安全得不到保障，該輸水系統就不是可應用于工程的成熟輸水系統。而輸水系統分流口區為水流流線劇烈變動區，若分流口體型與流場不匹配，可能造成分流口壁面壓力出現強烈脈動，甚至出現時均壓力為負壓的情況，有產生空化空蝕的風險。因此“T”型自分流口的壓力特性，是創新性輸水系統布置型式研究需重點關注的水力學問題。

圖4繪出了充泄水最大流量時刻分流口區域流速云圖。

圖4 分流口區域流速云圖(單位：m/s)Fig.4 Flow rate at confluence area

選擇壁面高流速區布置壓力測點，捕捉低壓，根據大藤峽船閘研究成果，無隔板水流自行分流、匯流的自分流口，泄水匯流低速區易出現壓力失穩，造成結構疲勞(見圖5)。后通過加設導流脊去除匯流形成的低速冗余水體解決了壁面壓力陡降問題，因此在泄水匯流低速區壁面也布置了壓力測點，試驗測量該區域壓力特性，以便對孤山船閘自分流口體型的合理性作進一步判斷。

研究發現，孤山船閘自分流口，泄水時匯流低速區壓力陡降偶有出現但下降有限(見圖5)。孤山船閘匯流低速區壓力表現與大藤峽船閘不同的原因主要與分流口出口流速差異密切相關，大藤峽船閘泄水時出口最大流速超過12 m/s，而孤山船閘僅在9.2 m/s左右，出口流速越高其對低流速區水體的拖曳作用力越大，越易帶來壓力失穩。試驗表明，若將出口最大流速降至8.8 m/s，孤山船閘分流口低速區壁面壓力陡降消失。因此未來應用該新型輸水系統時需關注自分流口泄水出口流速對壓力的影響，若出現壓力失穩可通過加設導流脊去除匯流低流速區冗余水體解決。

圖5 分流口匯流區壁面壓力過程線Fig.5 Wall pressure process line at the confluence area of diversion port

試驗結果表明，分流口區域最低時均壓力為7.95×9.8 kPa，分流口充水頂沖點壓力脈動最為劇烈，峰值在5.00×9.8 kPa以內，分流口區壓力狀況良好。根據葛洲壩1號船閘運行經驗，分流口區流速控制在10 m/s以內發生空蝕概率較低，上述研究分析表明孤山船閘自分流口體型良好。

3 結 語

為適應孤山航電樞杻船閘整體式閘室結構設計需要，經研究提出了左右側獨立自分流全閘室出水2區段4縱支廊道等慣性輸水系統，滿足了整體式閘室結構閘底中部不宜出現空腔的結構設計要求；通過取消分流隔板、縮窄分流口斷面寬度，適當加大出水廊道段阻力，使無強制分流隔板的自分流口水流自行分流與匯流均達到均勻；采用對出水孔均衡出流有利的變截面出水孔廊道體型，同時突破出水區段的長度宜為閘室長度的25%～35%的規范限制，通過加長出水孔廊道長度，使進、出流進一步分散，相應加大了出水孔上部消能水體體積，提高了出流消能率，有效降低了單閥輸水時閘室內出現的橫坡降，抵消了較大閘室寬度船閘采用左右側輸水系統獨立布置帶來的閘室橫坡降對閘室停泊條件的不利影響。閘室內停泊條件良好，輸水效率高。由于系纜力還有較大富裕，該輸水系統布置型式可應用于水頭超過20 m的高水頭船閘。