洪江船閘改造輸水系統布置試驗研究

王 能，高衡東，胡越高，李 君，郭 超，王 鑫，普曉剛

(1.湖南省交通規劃勘察設計院有限公司，長沙 410000；2. 南京水利科學研究院 通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，南京 210029；3.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

洪江樞紐位于湖南省懷化市洪江區境內的沅水干流上，是沅水梯級開發的第8級，從左至右依次布置電站、泄水閘、單線二級船閘。洪江樞紐位于順直微彎河道，兩岸山體雄厚，空間狹窄，左岸無建設船閘位置。右岸為現有一線二級300 t級船閘，第一級船閘與大壩泄水閘相連，船閘2003年正式通航，受船閘規模小和下游通航條件控制，目前船閘使用頻率低，成為制約沅水高等級航道建設的關鍵節點，需進行改造。

原船閘口門有效寬度12 m，為盡量減少原船閘拆除對壩體影響，參考國內富春江船閘成功改造經驗[3-5]，本次改造拆除原中閘首、二閘室和下閘首，利用原上閘首做為樞紐擋水建筑物的組成部分，原上閘首和一閘室作為明渠導航段[6]。新建船閘由上、下閘首、廣腹式閘室以及上、下游引航道組成。船閘軸線維持原船閘布置與壩軸線夾角90°，改造船閘上閘首布置于現有中閘首處，與原一閘室末端緊密連接。新建船閘閘室長度為215 m；上閘首口門寬度12.0 m，閘室為向右單側拓寬11 m的不對稱廣腹式，閘室總寬23.0 m，下閘首口門寬度23.0 m(圖1)。

圖1 洪江船閘改造布置圖Fig.1 Layout of the Hongjiang reconstructive lock

1 船閘輸水系統布置

新建船閘輸水系統采用閘底長廊道側支孔出水明溝消能輸水系統布置型式。在原有船閘基礎上進行改造，利用上閘首和一閘室作為明渠導流，閥門廊道斷面面積24.0 m2(2～3.0 m×4.0 m，寬×高，下同)，考慮船閘設計水頭大且下游水位變幅達5.7 m，降低輸水閥門頂高程至153.05 m，依靠閥門后較大的壓力，減免門后空化的發生，以此為基礎斷面進行輸水系統布置，輸水系統特征尺寸匯總見表1，輸水系統布置見圖2。

表1 輸水系統特征尺寸匯總表Tab.1 Characteristic dimensions of the lock filling and emptying system

圖2 新建船閘改造輸水系統布置示意圖(單位：cm，高程：m)Fig.2 Layout of the reconstructive lock filling and emptying system

2 船閘輸水系統初步認識

洪江船閘擴建改造具有其特殊性和復雜性，工程中主要存在以下關鍵技術問題：

(1)洪江船閘工作水頭達27 m，船閘輸水系統布置及消能難度大，同時洪江船閘要在短時間內灌滿或者泄空閘室，閘室內水位上升速度將會很快，要求達到2.5 m/min，將影響閘室內船舶的泊穩條件[8]。

(2)新建上閘首門檻上游迎水面設置與老船閘閘室寬度一致的正面取水口，由于新建船閘為單側擴寬的廣腹式船閘，造成取水口兩側輸水廊道不對稱，輸水系統水流條件十分復雜，復雜水流條件下的取水布置問題也是洪江船閘擴建改造工程輸水系統水力學方面的技術特點之一。

3 物理模型設計

為了驗證新建船閘輸水系統設計參數，開展輸水系統水力學物理模型試驗[7-9]。模型按重力相似設計，比尺為1:25，模型與原型各物理量換算關系為：重量及力比尺L3=15 625；流速及時間比尺L1/2=5；流量比尺L5/2=3 125。模型范圍包括原體上游引航道、船閘閘室、輸水系統(包括進水口、上閘首、閘室、下閘首泄水出水段)以及下游引航道(圖3)。

圖3 新建船閘物理模型Fig.3 The reconstructive lock physical model

4 設計方案模型試驗成果及分析

4.1 船閘輸水水力特性

由于洪江船閘為典型高水頭大型單級船閘，一次輸水過程輸水體積達14.3萬m3，同時輸水水力指標較高，閘室內水位變動速度較大，直接影響閘室內船舶的泊穩條件。為保證輸水過程安全與效率，在設計水頭下分別設定閥門雙邊及單邊運行工況，測定并計算設計水頭下，充、泄水閥門不同開啟時間的閘室水位變化過程線、流量變化過程線、閘室的充泄水時間、輸水廊道各典型斷面平均流速、閘室充泄水慣性超高降等，主要水力特征值見表2。

表2 閘室輸水水力特征值Tab.2 Hydraulic characteristic value of lock water delivery process

由表可見，設計方案下，隨著雙邊閥門勻速開啟時間的增加，閘室輸水完成時間逐漸延長、最大流量逐漸減小。控制充水閥門雙邊勻速開啟時間tv<8 min時，閘室充水時間滿足設計16.5 min的要求，tv=7 min時，閘室充水完成時間16.49 min，充水最大流量為286.64 m3/s，閥門處廊道最大斷面平均流速達到11.94 m/s，水力特征指標都滿足規范和設計要求。當泄水閥門雙邊開啟時間tv為4～7 min時，在相同閥門開啟時間條件下，泄水工況水力特征值都略大于充水工況，當tv=7 min時，泄水完成時間15.31 min，最大流量303.32 m3/s，閥門處廊道最大斷面平均流速12.64 m/s；當泄水閥門tv=4 min雙邊開啟時，泄水完成時間13.62 min，最大流量324.04 m3/s，閥門處廊道最大斷面平均流速達到13.50 m/s。

當輸水閥門單邊開啟時，除閘室輸水時間、閥門處廊道最大斷面平均流速和旁側廊道最大斷面流速外，其他特征值單邊連續運行方式下都小于相應的雙邊開啟方式。最大設計水頭工況下，若充水閥門采用7 min單邊連續開啟，閥門處廊道最大斷面平均流速為16.72 m/s>15 m/s，不滿足規范要求，閥門工作條件較為惡劣(圖4)。

圖4 閥門單邊開啟tv=7 min充水水力特性曲線Fig.4 Hydraulic characteristic curve of water-filling process(tv=7 min，Single side valve)

本船閘泄水系統中設有旁側泄水廊道，由于旁側廊道較長、且廊道采用類似結構薄壁形式，其水流流速不能按輸水系統主廊道控制，目前的規范也沒有明確的指標，只能參考運行多年、具有類似旁側泄水廊道的三峽船閘，已經安全運行多年的三峽船閘末級旁側泄水廊道流速6.8 m/s。采用旁側泄水廊道進行單邊泄水tv=4 min時，平均最大流速7.6 m/s，大于三峽船閘旁側泄水廊道流速(圖5)。

圖5閥門單邊開啟tv=4 min泄水水力特性曲線Fig.5 Hydraulic characteristic curve of water-emptying process(tv=4 min，Single side valve)

4.2 閘室內船舶的泊穩條件

最大設計水頭下，閘室船舶(隊)停泊條件試驗工況按船舶(隊)在閘室中受力最大；試驗船舶(隊)采用受控制的500 t設計船舶，輸水閥門開啟時間采用滿足輸水時間要求且水力指標稍高的6～7 min；運行方式除考慮雙邊運行方式外，還考慮了單邊運行方式，試驗結果如表3所示。

表3 船舶(隊)最大系纜力表Tab.3 The maximum mooring forces

由表可見，當充水閥門雙邊開啟時間tv=7 min時，船舶最大縱向系纜力為9.79 kN(停泊于下半閘室)，最大橫向力為9.51 kN(停泊于上半閘室)；當充水閥門單邊開啟時間tv=7 min，設計500 t單船的最大縱向系纜力為8.80 kN(停泊于閘室中部)，最大橫向力為9.39 kN(停泊于上半閘室)。

因此，輸水系統采用雙明溝消能布置，在改善閘室中船舶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，充水閥門開啟時間為7 min時，各類設計船舶(隊)的系纜力均小于規范允許值，并且留有一定富余。

4.3 取水口流速流態

設計方案中船閘上游進水口采用正面進水口布置，直接在老閘室內取水，廊道進水口頂高程為176.75 m，進水口面積為12.0 m×5.0 m(寬×高)=60 m2。當充水閥門雙邊開啟時間tv=7 min時，最大設計水頭工況下，雙邊充水最大流量為287 m3/s，進水口最大斷面平均流速為4.78 m/s，充水過程中發現有間歇出現的串心旋渦；上游最低通航水位工況下(水位組合：186.00 m～163.00 m)，充水閥門雙邊開啟tv=7 min時，雙邊充水最大流量為253 m3/s，進水口最大平均流速為4.22 m/s，出現較為強烈的間歇串心旋渦(圖6)。

圖6 進水口串心旋渦Fig.6 Vortex above the hydraulic intakes

當充水閥門單邊開啟時間tv=7min時，最大設計水頭工況下，單邊充水最大流量為201 m3/s，進水口最大斷面平均流速下降為3.35 m/s，此時進水口水流條件良好，充水時水面平穩；上游最低通航水位工況下(水位組合：186.00 m～163.00 m)，單邊充水最大流量為188 m3/s，進水口最大平均流速為3.13 m/s，進水口水流條件較為滿意，水面平穩，未見漩渦等不良水力現象。

4.4 設計方案小結

(1)最大設計水頭工況、雙邊閥門運行方式時，推薦充水閥門開啟時間tv=7 min，泄水閥門開啟時間tv=4 min，此時水力特征指標都滿足規范和設計要求。

(2)在充水閥門開啟時間tv=7 min時，進水口最大斷面平均流速超過規范要求，加之充水流量多在狹窄的老閘室內取水，因此進水口水流條件需加以關注；在泄水閥門開啟時間tv=4 min時，水力特征值較高，但由于其淹沒水深始終保持不變，因此其閥門工作條件較充水閥門要更為惡劣，仍需進一步研究。

(3)單邊閥門連續開啟時關鍵水力指標較雙邊閥門輸水工況有較大增加，閥門處廊道最大斷面平均流速將超過15 m/s，不滿足規范，會對閥門及輸水廊道運行造成一定不利影響。

(4)當以tv=7 min充水閥門單、雙邊運行，設計500 t單船系纜力均滿足規范要求。

(5)充水閥門雙邊開啟時間tv=7 min時，充水過程中新建船閘進水口發現間歇出現的串心旋渦。

5 優化方案模型試驗成果及分析

5.1 優化方案輸水系統布置

針對設計方案存在的上述問題，在船閘輸水系統結構設計方面進行以下優化布置, 將新船閘上閘首充水閥門埋深深度增加2.45 m，為消除洪江新船閘進水口處的串心旋渦，在進水口前設置消渦板[10]，并配合填平老閘室進水口至門檻高程178 m(圖7)。同時，針對設計方案存在的單邊閥門連續開啟時輸水廊道流速過大這一不利影響，優化新船閘在閥門單邊運行時采用間歇開啟方式，以保證船閘廊道的輸水安全。

圖7 優化方案改建船閘輸水系統整體布置(單位：cm，高程：m)Fig.7 The optimization scheme of the reconstructive lock filling and emptying system

5.2 優化方案模型試驗成果及分析

5.2.1 單邊運行方式下的充泄水水力特性

由于單邊閥門連續開啟時輸水廊道流速過大，對船閘閥門在單邊間歇開啟時的水力特性進行分析。調整船閘充水時閥門單邊開啟方式，單邊閥門以tv1=7 min的速度開至n=0.7開度后，停機tv2=4 min，再以原速度開至全開；船閘泄水時單邊閥門以tv1=4 min的速度開至n=0.7開度后，停機tv2=4 min，再以原速度開至全開。

此時，最大設計水頭下單邊充水最大流量為157.26 m3/s，輸水時間為25.13 min，輸水閥門處廊道斷面平均最大流速為13.11 m/s，進水口最大斷面平均流速為2.63 m/s(圖8)。單邊泄水時最大流量為169.30 m3/s，輸水時間為23.85 min，輸水閥門處廊道斷面平均最大流速為14.11 m/s，旁側泄水廊道最大斷面平均流速為4.70 m/s，小于三峽船閘末級旁側泄水廊道流速(6.8 m/s)值(圖9)。

圖8 閥門單邊間歇開啟充水水力特性曲線Fig.8 Hydraulic characteristic curve of water-filling process(Single side valve intermittent opening)

圖9 閥門單邊間歇開啟泄水水力特性曲線Fig.9 Hydraulic characteristic curve of water-emptying process(Single side valve intermittent opening)

因此，洪江船閘改造工程在單邊開啟時采用上述間歇開啟方式，船閘廊道的輸水水力特征值均滿足規范要求。

5.2.2 進水口水流條件

針對充水過程中新船閘進水口出現串心旋渦，在進水口前設置了消渦板，消渦板沿進水口向上游延伸17 m、寬12 m、厚0.8 m；消渦板上間距0.8 m設置0.05 m、0.08 m、0.1 m、0.15 m、0.25 m寬不等的取水槽(圖10)。設置消渦板后，新船閘進水口前水面在充水閥門大開度時仍有一定的表面旋渦，但尚未形成串心旋渦(圖11)。

6 結論

洪江樞紐改造船閘最大水頭為27.0 m，閘室有效尺度為215 m×23 m×4.0 m(長×寬×門檻水深)，設計輸水時間為16.5 min。根據改造工程條件及地形限制，確定采用閘底長廊道側支孔出水明溝消能輸水系統，且需利用原已有船閘設施進行布置，具有其特殊性和復雜性。為確保船閘運行及過閘船舶安全，建立1:25水工物理模型進行試驗研究。研究結果表明，最大設計水頭工況、雙邊閥門運行方式時，推薦充水閥門開啟時間tv=7 min，泄水閥門開啟時間tv=4 min，此時輸水水力特征指標及船舶系纜力均滿足規范和設計要求。

然而設計方案下，當單邊閥門以tv=7 min連續開啟時，閥門處廊道最大斷面平均流速將超過15 m/s，閥門工作條件較為惡劣。對此，通過優化充水閥門單邊運行方式為單邊間歇開啟，即建議單邊閥門以tv1=7 min的速度開至n=0.7開度后，停機tv2=4 min，再以原速度開至全開；船閘泄水時單邊閥門以tv1=4 min的速度開至n=0.7開度后，停機tv2=4 min，再以原速度開至全開，可有效改善單邊輸水水力特性。同時為消除設計方案進水口在充水過程中間歇出現的串心旋渦，建議在進水口前設置消渦板。