基于泊穩(wěn)條件閾值的輸水系統(tǒng)內(nèi)消能工優(yōu)化研究

王 鑫，李君濤，楊燕華*，劉 潔

(1.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.重慶交通大學(xué)，重慶 400074)

為加快河南省內(nèi)河水運(yùn)發(fā)展，南陽(yáng)市積極推進(jìn)唐河復(fù)航工程，通過(guò)建設(shè)梯級(jí)樞紐對(duì)河道進(jìn)行渠化，其中水臺(tái)子樞紐位于唐河省界至馬店河段。水臺(tái)子樞紐船閘級(jí)別為Ⅳ級(jí)，有效尺度采用180 m×23 m×4.0 m(閘室有效長(zhǎng)度×凈寬×門(mén)檻最小水深)，設(shè)計(jì)最大水頭為9.16 m(上游正常檔水位76.00 m—下游最低通航水位66.84 m)，輸水時(shí)間要求T=8～10 min。設(shè)計(jì)代表船型為500 t級(jí)貨船(船舶尺度67.5 m×10.8 m×1.6 m，長(zhǎng)×寬×設(shè)計(jì)吃水，下同)和一頂2×500 t級(jí)頂推船隊(duì)(船舶尺度111.0 m×10.8 m×1.6 m)，同時(shí)兼顧通航1 000 t級(jí)船舶(船舶尺度85.0 m×10.8 m×2.0 m)[1]。依據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2](以下簡(jiǎn)稱“規(guī)范”)，水臺(tái)子船閘輸水系統(tǒng)類型判別系數(shù)m=2.64-3.30，位于2.5-3.5，可采用集中輸水系統(tǒng)，也可采用第一類分散輸水系統(tǒng)。

集中輸水系統(tǒng)在充水初期產(chǎn)生較強(qiáng)的非恒定波浪運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致船舶產(chǎn)生較大的波浪作用力，在輸水中期，較大的水流能量集中進(jìn)入閘室，將導(dǎo)致較強(qiáng)烈的局部水流作用力[3]，通過(guò)布置復(fù)雜消能工，可優(yōu)化該型式輸水系統(tǒng)水流條件，提高船閘通過(guò)能力[4]。為削弱乃至基本消除傳統(tǒng)集中輸水型式中水流劇烈紊動(dòng)現(xiàn)象、免設(shè)鎮(zhèn)靜段、提高適用的設(shè)計(jì)水頭，提出局部分散輸水系統(tǒng)[5-6]，即充水采用分散輸水系統(tǒng)，泄水采用集中輸水系統(tǒng)[7]。類比同類型工程[8-10]，兼顧考慮船閘輸水效率及船閘建設(shè)基礎(chǔ)，水臺(tái)子船閘選用局部分散輸水系統(tǒng)。

水臺(tái)子船閘輸水系統(tǒng)在該布置型式下，設(shè)計(jì)水頭差較大，且水力指標(biāo)要求較高，為了保證船舶安全過(guò)閘，通過(guò)建立1:30的船閘輸水系統(tǒng)整體物理模型，進(jìn)行設(shè)計(jì)及優(yōu)化兩階段水力學(xué)模型試驗(yàn)，提出滿足規(guī)范、設(shè)計(jì)要求的局部分散輸水系統(tǒng)優(yōu)化布置方案。

1 輸水系統(tǒng)物理模型設(shè)計(jì)

水臺(tái)子船閘為Ⅳ級(jí)船閘，閘室設(shè)計(jì)主尺度為180 m×23 m×4.0 m(閘室有效長(zhǎng)度×凈寬×門(mén)檻最小水深)，設(shè)計(jì)方案充、泄水閥門(mén)段廊道寬3.4 m、高3.0 m(輸水閥門(mén)面積(2-3.0)×3.4=20.4 m2)。進(jìn)水口采用橫支廊道頂支孔布置，設(shè)計(jì)水頭時(shí)廊道頂高程淹沒(méi)水深13.90 m；在上閘首與閘室連接段處，采用分散輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則，采用閘室連接段底部橫向廊道側(cè)向出水口、雙明溝消能的布置方式，輸水系統(tǒng)布置見(jiàn)圖1、圖2，特征尺寸如表1。

表1 輸水水力設(shè)計(jì)特征參數(shù)(設(shè)計(jì)方案)Tab.1 Design parameters of lock water conveyance system(original scheme)

船閘充水時(shí)，水流自上閘首進(jìn)水口橫支廊道頂支孔進(jìn)入輸水廊道，經(jīng)高3 m、寬3.4 m充水閥門(mén)段廊道進(jìn)入廊道出水孔段，水流由設(shè)置在廊道兩側(cè)的18個(gè)出水孔進(jìn)入消能明溝后以頂面出水與縱向出水相結(jié)合的出水方式灌入閘室；船閘泄水時(shí)，水流則自下閘首進(jìn)水明溝進(jìn)入閘室兩側(cè)泄水廊道，后由出水口泄入下游引航道。

1-a 上閘首布置 1-b 下閘首布置圖1 設(shè)計(jì)方案船閘輸水系統(tǒng)布置(長(zhǎng)度:mm；高程:m)

按重力相似準(zhǔn)則，建立幾何比尺為1:30船閘水力學(xué)整體模型。物理模型的范圍包括原型上游部分引航道、進(jìn)水口段、船閘上下閘首、閘室、輸水系統(tǒng)、下游出水口段及下游部分引航道。選用1 000 t級(jí)單船及2×500 t級(jí)船隊(duì)作為試驗(yàn)代表船型，幾何比尺與物理模型幾何比尺一致，并按排水量進(jìn)行配重，物理模型及船模見(jiàn)圖2。

模型上、下游水位采用溢流式平水槽控制，輸水閥門(mén)啟閉采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，水位測(cè)量采用電阻式點(diǎn)壓力傳感器及重錘式水位計(jì)測(cè)定，廊道非恒定流壓力采用電阻式點(diǎn)壓力傳感器測(cè)定，船隊(duì)(舶)纜繩拉力采用電阻式測(cè)力儀測(cè)定。

圖2 船閘輸水系統(tǒng)物理模型(含船模)Fig.2 The lock physical model(including ship model)

2 設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)最大水頭差(9.16 m)工況對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)測(cè)定并計(jì)算閘室輸水水力特性、閘室船舶停泊條件、輸水系統(tǒng)流量系數(shù)、壓力特性及進(jìn)、出水口水流條件后，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案下船閘輸水效率、廊道壓力條件及進(jìn)出水口水流條件均基本滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范要求；然而設(shè)計(jì)代表船型雙列并排停放于閘室上游段時(shí)，前橫向系纜力無(wú)法滿足規(guī)范要求。

參考設(shè)計(jì)提出的船閘通過(guò)能力計(jì)算工況，設(shè)定設(shè)計(jì)代表船型中1 000 t級(jí)單船在閘室內(nèi)不同排列方式，并進(jìn)行灌水閥門(mén)雙邊勻速開(kāi)啟工況下泊穩(wěn)特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)工況及系纜力特征值見(jiàn)表2，典型系纜力過(guò)程線見(jiàn)圖3。

3-a tv=6 min 3-b tv=7 min圖3 設(shè)計(jì)方案閘室內(nèi)不同停泊方式下1 000 t級(jí)單船系纜力

表2 設(shè)計(jì)方案閘室內(nèi)船舶最大系纜力(充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟)Tab.2 The maximum hawser forces (bilateral open, original scheme)

由圖、表可見(jiàn)，隨著充水閥門(mén)雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)間的延長(zhǎng)，各向系纜力均有所減小。當(dāng)1 000 t級(jí)單船單列停放于閘室內(nèi)時(shí)，縱向及橫向系纜力均滿足規(guī)范要求。然而，當(dāng)設(shè)計(jì)代表船型雙列并排停放于閘室上游段(船頭與首系船柱位置相對(duì)應(yīng))時(shí)，1 000 t級(jí)單船所受最大縱向及前橫向系纜力均較單列船舶停放時(shí)有不同幅度的增大。其中，縱向系纜力增大幅度較小，對(duì)應(yīng)tv=6 min、7 min，分別為25.30 kN、16.08 kN，較單列停泊工況增大約12%，且滿足規(guī)范要求(≤32 kN)；最大前橫向系纜力增大幅度則較大，對(duì)應(yīng)tv=6 min、7 min，在閥門(mén)開(kāi)啟后240～247 s時(shí)段內(nèi)(對(duì)應(yīng)閥門(mén)相對(duì)開(kāi)度約為0.7)前橫向系纜力達(dá)到最大值，分別為17.70 kN、17.25 kN，約為單列停泊工況時(shí)的2倍，超出規(guī)范限值(≤16 kN)，不滿足規(guī)范要求。

3 優(yōu)化方案試驗(yàn)研究

3.1 優(yōu)化方案輸水系統(tǒng)布置

考慮到停泊于閘室上游段時(shí)船艏位于出水雙明溝正上方，出流剩余能量大且雙船并排停放水流擴(kuò)散不充分是試驗(yàn)代表船型前橫向系纜力超標(biāo)的主要原因[11-12]。通過(guò)在明溝內(nèi)增設(shè)消能工，使水流進(jìn)行碰撞消能，可以減小水流局部紊動(dòng)、調(diào)節(jié)水流分布，進(jìn)而改善船舶系纜力[13-15]。因此，在閘室連接段處的出水雙明溝內(nèi)分別設(shè)置4道消力檻(共8道)，其中兩側(cè)近壁處設(shè)置短檻，中間位置設(shè)置長(zhǎng)檻，短檻尺寸為3.9 m×0.6 m×0.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，長(zhǎng)檻尺寸為4.8 m×0.6 m×0.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，兩端進(jìn)行修圓，修圓半徑0.3 m，布置示意如圖4，其他結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案相同。

圖4 船閘輸水系統(tǒng)上閘首優(yōu)化布置(長(zhǎng)度mm；高程m)Fig.4 Layout of the head bay(Optimization scheme)

3.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 閘室船舶停泊條件試驗(yàn)

表3 優(yōu)化方案閘室內(nèi)船舶最大系纜力(充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟)Tab.3 The maximum mooring orces(bilateral open, optimization scheme)

與設(shè)計(jì)方案相同，設(shè)定1 000 t級(jí)單船與2×500 t級(jí)船隊(duì)并列停放于閘室上游，以1 000 t級(jí)單船作為試驗(yàn)測(cè)量船型，進(jìn)行雙邊充水試驗(yàn)，試驗(yàn)工況及系纜力特征值見(jiàn)表3，典型系纜力過(guò)程線見(jiàn)圖5。

圖5 船舶并排停泊在閘室上游前橫向系纜力(優(yōu)化方案)Fig.5 Front transverse mooring force curves (optimization scheme)

由圖、表可以看出，優(yōu)化方案下隨著充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間的延長(zhǎng)，系纜力有所減小。同時(shí)，通過(guò)在位于閘室連接段內(nèi)的出水明溝設(shè)置消力檻，較設(shè)計(jì)方案，1 000 t級(jí)單船所受前橫向及縱向系纜力均有明顯減小。當(dāng)充水閥門(mén)以7 min雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)，1 000 t級(jí)單船所受各向系纜力均滿足規(guī)范要求；當(dāng)充水閥門(mén)以6 min雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)，船舶所受縱向及后橫向系纜力滿足規(guī)范要求，閥門(mén)開(kāi)啟后約246 s時(shí)，前橫向系纜力達(dá)到最大值16.72 kN，較規(guī)范要求有所偏大。

表4 優(yōu)化方案最大設(shè)計(jì)水頭閘室輸水水力特征值Tab.4 Hydraulic characteristic value of lock water conveyance system (optimization scheme)

3.2.2 閘室輸水水力特性試驗(yàn)

優(yōu)化方案在上閘首閘室連接段出水雙明溝內(nèi)設(shè)置消力檻，其余結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案相同，充水閥門(mén)以7 min雙邊勻速開(kāi)啟后，雙列船舶并排停泊在閘室上游段時(shí)各向系纜力均滿足規(guī)范要求；綜合閥門(mén)后廊道壓力特性及局部水流條件試驗(yàn)成果，考慮到出水明溝內(nèi)消力檻的增設(shè)，在一定程度上會(huì)影響閘室充水水力特性[13]，對(duì)充水閥門(mén)以7 min雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)閘室充水水力特征進(jìn)行補(bǔ)充試驗(yàn)研究。閘室充水水力特征值見(jiàn)表4，典型水力特性過(guò)程線的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 雙充7 min閘室充水水力特性對(duì)比曲線Fig.6 Filling correlation curve

由圖表可知，最大設(shè)計(jì)水頭時(shí)，試驗(yàn)設(shè)定充水閥門(mén)雙邊開(kāi)啟時(shí)間為7 min，優(yōu)化方案下閘室充水完成時(shí)間為10.59 min，基本滿足設(shè)計(jì)輸水時(shí)間要求；閘室充最大流量分別為109.04 m3/s，相應(yīng)的充水廊道最大流速分別為5.35 m/s，符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求。

對(duì)比兩組方案，優(yōu)化方案下閘室充水完成時(shí)間為10.59 min，較設(shè)計(jì)方案下閘室充水完成時(shí)間10.13 min有所延長(zhǎng)，約4.5%。

4 結(jié)論

水臺(tái)子船閘新建工程，最大設(shè)計(jì)水頭9.16 m，閘室規(guī)模180 m×23 m×4.8 m(有效長(zhǎng)度×有效寬度×門(mén)檻水深)，輸水完成時(shí)間為8～10 min，船閘輸水系統(tǒng)選用局部分散輸水系統(tǒng)布置方式。由于該輸水系統(tǒng)布置方式下，設(shè)計(jì)水頭較大、水力指標(biāo)要求較高，為保證船舶安全過(guò)閘及輸水系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，需進(jìn)行船閘輸水系統(tǒng)整體模型試驗(yàn)，試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

(1)設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)代表船型在閘室內(nèi)相同停泊位置不同的排列方式，影響船舶所受系纜力。當(dāng)1 000 t級(jí)單船單列停泊在閘室上游段時(shí)，船舶各向系纜力均滿足規(guī)范要求，而當(dāng)兩列試驗(yàn)代表船型并排停放于相同位置時(shí)，船舶滿部使得出流擴(kuò)散消能受到限制，1 000 t級(jí)單船受到的縱向及前橫向系纜力出現(xiàn)不同幅度的增大，其中前橫向系纜力增大明顯，其中以前橫向系纜力增大最為明顯，充水閥門(mén)以7 min雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)，由7.75 kN增大至17.25 kN，不滿足規(guī)范要求。

(2)考慮到停泊于閘室上游段時(shí)船艏位于出水雙明溝正上方，出流剩余能量大且雙船并排停放水流擴(kuò)散不充分是試驗(yàn)代表船型前橫向系纜力超標(biāo)的主要原因。上閘首閘室連接段進(jìn)行優(yōu)化，在雙出水明溝內(nèi)增設(shè)8個(gè)消力檻，長(zhǎng)檻尺寸為4.8 m×0.6 m×0.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，短檻尺寸為3.9 m×0.6 m×0.6 m(長(zhǎng)×寬×高)，檻兩端進(jìn)行修圓，修圓半徑0.3 m，船閘輸水系統(tǒng)其他結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方案一致。

(3)優(yōu)化后當(dāng)充水閥門(mén)以7 min雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)，1 000 t級(jí)單船所受最大縱向系纜力13.34 kN、最大橫向系纜力12.66 kN(前橫向系纜力)，滿足規(guī)范要求。同時(shí)，出水明溝內(nèi)消力檻的增設(shè)，在一定程度上會(huì)影響閘室充水水力特性，當(dāng)充水閥門(mén)雙邊勻速開(kāi)啟時(shí)間為7 min時(shí)，輸水完成時(shí)間為10.59 min，較設(shè)計(jì)方案輸水完成時(shí)間延長(zhǎng)約4.5%，對(duì)應(yīng)最大流量109.04 m3/s，充水廊道斷面平均流速5.35 m/s，基本滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。