某樞紐船閘輸水系統水力學模型試驗

張 震，王勤振

(中交水運規劃設計院有限公司，北京 100007)

本論文研究的航道在20世紀50年代航運較發達，60年代后上游來流量減少，水位下降，加之無力整治，導致其逐漸斷航。現通過建設5個梯級樞紐對河段進行渠化。該樞紐為低壩，不考慮攔蓄洪水的功能，主要由擋水、泄水和通航建筑物組成。樞紐船閘級別為Ⅳ級，設計代表船型為500噸級貨船和一頂2×500噸級頂推船隊，兼顧通航1 000噸級船舶。由于船閘規模較大，要求水力指標較高，需通過輸水系統模型試驗加以研究，以確保船閘運行及過閘船舶的安全。

1 樞紐船閘輸水系統形式的選擇

依據JTJ 306—2001《船閘輸水系統設計規范》[1](簡稱“規范”)中輸水系統類型的判別公式：

(1)

式中：m為判別系數，當m>3.5時采用集中輸水系統，當m<2.5時采用分散輸水系統，當m在2.5～3.5時應進行技術經濟論證，參照類似工程選用；T為輸水時間(min)，T值在8～10 min；H為水頭(m)。由式(1)計算可得：m值在2.64～3.30，介于2.5～3.5之間，可采用集中輸水系統，也可采用分散輸水系統[2-3]。考慮某樞紐輸水效率、船閘基礎特點及同類工程經驗[4]，初定采用局部分散輸水系統。

對于大型船閘，須基于綜合水力指標確定輸水系統形式，計算m值時應考慮閘室規模對輸水系統形式的影響。該樞紐船閘尺度為180 m×23 m×4.0 m(閘室有效長度×凈寬×門檻最小水深)，最大設計水頭9.16 m，設計輸水時間為8～10 min。由于水頭較高，根據總體布置和規范的規定及要求，對船閘輸水系統進行水力學分析，確定輸水系統布置形式及各部位細部尺寸，并通過輸水系統模型試驗進行驗證。輸水系統m值在2.5～3.5，可選用閘墻長廊道短支管分散輸水系統或集中輸水系統。閘墻長廊道輸水系統形式適用于混凝土重力式閘墻，因為在閘墻底部布置主廊道是經濟的，在閘墻主廊道上接短支孔也較為方便。這種布置因需兼顧閘室的充水和泄水，因而廊道斷面不變。但該輸水系統形式對閥門單邊運行的適應性較差，單邊運行時一側完全無水出流，另一側(進水側)出水支孔的水流經消力檻消去部分能量后繼續沖至對面閘墻，在閘室內形成水面橫向坡降，使船舶所受的橫向力較大。由于本船閘水頭較高(H=9.16 m)，且輸水時間要求較短(T在8～10 min)，布置集中輸水系統的難度較大，擬采用新型短廊道集中輸水系統。該輸水系統既具有可降低初始波浪力的優點，又具有局部閘底消能效率高、可降低局部水流作用力、不設鎮靜段的優點[5]。

結合2種輸水系統布置形式，分別對閘首、閘室結構形式進行比選，最終決定采用新型短廊道集中輸水系統，節省工程量及投資(圖1、2)。船閘部位特征尺寸見表1。

表1 船閘局部分散輸水系統設計方案特征尺寸

圖1 輸水系統總體布置

圖2 上、下閘首局部布置(高程：m；尺寸：mm)

2 輸水系統水力特性試驗與成果分析

2.1 閘室輸水水力特性

船閘水力學模型范圍包括船閘上/下閘首、閘室、輸水系統、進/出水口、上/下游部分引航道。

依據樞紐船閘結構和輸水系統布置初步設計進行模型制作(圖3)。為便于觀察，輸水廊道、閘室內出水支孔段、部分閘室邊墻均選用有機玻璃制作；上、下閘首用灰塑料板和紅松制作；閘室用角鋼框架結構和灰塑料板合成；上、下游引航道模型邊墻用磚砌成，引航道內地形用水泥沙漿抹面；試驗代表船型選取1 000噸級單船及2×500噸級船隊，船模采用紅松、鐵皮制作，幾何比尺1:30，并按排水量進行配重。

最大設計水頭9.16 m，充、泄水閥門雙邊勻速開啟時，閘室輸水水力特征值見表 2。

表2 閘室輸水水力特征值

通過模型試驗結果分析可知，最大設計水頭時，試驗設定充水閥門雙邊開啟時間tv分別為5、6、7 min，閘室充水完成時間T分別為9.22、9.68、10.13 min，基本滿足設計輸水完成時間要求。此時閘室充水最大流量Qmax分別為125.34、116.98、114.22 m3/s，相應的充水廊道最大流速vmax分別為6.14、5.73、5.60 m/s，符合設計規范要求。

最大設計水頭時，試驗設定泄水閥門雙邊開啟時間tv分別為6、7、8 min，閘室泄水完成時間T分別為8.67、9.77、10.13 min，基本滿足設計輸水完成時間要求。此時閘室泄水最大流量Qmax分別為132.47、132.15、123.84 m3/s，相應的泄水廊道最大流速vmax分別為6.4、6.48、6.07 m/s，均符合設計規范要求。

圖4為最大設計水頭時充泄水閥門雙邊勻速開啟時間與輸水完成時間關系曲線。由于所采用的輸水系統形式介于集中輸水系統和分散輸水系統之間，因此，輸水時閘室仍然存在一定的慣性超高(降)，當充水閥門雙邊開啟時間tv為5 min時慣性超高達最大值d為0.27 m；當充水閥門雙邊開啟時間tv延長至6、7 min時，慣性超高值d有所減小，分別為0.17、0.02 m；當泄水閥門雙邊開啟時間tv為6 min時慣性超降最大值d為0.49 m，同樣當泄水閥門雙邊開啟時間tv延長至7、8 min時，閘室慣性超降值d有所減小，分別為-0.18、-0.05 m。因此當充、泄水時閘室水面超高、超降值d超出規范0.25 m的要求時，充、泄水后期須采取平水開啟人字閘門或提前關閉輸水閥門等工程措施。

圖4 最大設計水頭下輸水時間與閥門開啟時間關系

綜合閘室內船舶停泊條件試驗成果及閘室輸水水力特性試驗成果，推薦閥門運行方式為：輸水系統充水閥門雙邊勻速開啟時間tv為6 min，泄水閥門雙邊勻速開啟時間tv為7 min。

2.2 閘室船舶(隊)停泊條件

船閘輸水過程中閘室內船舶(隊)停泊條件主要受充水工況控制，對某樞紐船閘而言，船舶停泊條件控制工況應為最大設計水頭工況。船舶系纜力試驗選擇設計船型中1 000噸級單船及2×500噸級船隊進行試驗。試驗設定船舶(隊)在閘室內不同排列方式，并進行雙邊充水試驗，試驗工況及系纜力特征值見表3。

由表3可知，最大設計水頭9.16 m條件下，當1 000噸級單船單列排列在閘室上游段、充水閥門雙邊開啟時間分別為tv=5 min時，最大縱向系纜力為32.42 kN，大于規范允許值32.00 kN。

表3 閘室內船舶(隊)停泊條件特征值(充水閥門雙邊開啟)

但當充水閥門雙邊開啟時間分別為6、7 min時，最大縱向系纜力分別為26.30、16.10 kN，最大前橫向系纜力分別為6.58、7.31 kN，最大后橫向系纜力分別為6.80、3.69 kN；當單船單列排列在閘室下游段、對應充水閥門雙邊開啟時(tv為6、7 min)時，最大縱向系纜力分別為14.93、10.95 kN，最大前橫向系纜力分別為2.82、3.47 kN，最大后橫向系纜力分別為8.22、3.69 kN；1 000噸級單船以單列方式停泊在閘室內時，所有縱、橫系纜力均滿足規范要求。

當1 000噸級單船以雙列方式停泊在閘室內時，對應充水閥門雙邊開啟時間tv=6 min，當單船停泊在閘室上游段時縱向系纜力達到最大值22.43 kN時，對應閥門開啟時間tv=6 min，單船停泊在閘室上游段時后橫向系纜力達最大值為8.39 kN，仍小于規范規定的縱、橫向允許系纜力。

針對2×500噸級船隊，對應充水閥門雙邊開啟時間tv=6 min，船隊停泊在閘室上游段所受縱向系纜力達最大值12.23 kN，對應充水閥門雙邊開啟時間tv=6 min，停泊在閘室下游段的船隊所受前橫向系纜力達最大值9.50 kN，仍小于規范規定的縱、橫向允許系纜力。

2.3 進、出水口水流條件

樞紐船閘上閘首廊道進水口采用橫支廊道頂支孔布置，最大設計水頭9.16 m的條件下，上游進水口頂淹沒水深為12.9 m，當充水閥門分別以6、7 min勻速開啟時，進水口最大平均流速為1.72 m/s(tv=6 min)，在最大流量發生前、后進水口偶見少量表面旋轉水流，并未形成有害串氣漩渦，不影響船閘正常運行。

最大設計水頭條件下，對應泄水閥門不同的開啟方式，下游引航道流速特征值見表4。當泄水閥門以tv=6 min雙邊開啟時，消能段最大壅水值為0.55 m，泄流時水流水平擴散完好，流速分布較為均勻，無回漩現象。

表4 不同閥門開啟方式下游引航道流速特征值

3 結論

1)船閘采用局部分散輸水系統的整體布置設計合理可行，達到了預期的目標和要求。

2)最大設計水頭9.16 m時，推薦輸水系統充水閥門雙邊勻速開啟時間為6 min，泄水閥門雙邊勻速開啟時間為7 min。當充水閥門雙邊勻速開啟時間為6 min時，輸水完成時間為9.68 min，最大縱向系纜力26.30 kN(單船單列停泊于閘室上游段)，最大橫向系纜力9.50 kN(船隊單列停泊于閘室上游段，前橫向系纜力)。

3)船閘上閘首廊道進口采用橫支廊道頂支孔布置，進水條件良好，在最大流量前后進水口偶見少量表面旋轉水流，但未形成有害串氣漩渦，不影響正常運行。出水口水流水平擴散良好，無回漩現象。