碾盤山船閘輸水系統設計與試驗研究

卜美飛，孫保虎，胡峰軍，胡開菊

(湖北省交通規劃設計院股份有限公司，湖北 武漢 430051)

1 工程概況

湖北省碾盤山船閘建設規模為Ⅲ級，設計代表船型為1 000噸級貨船，尺度為85.0 m×10.8×2.0 m(長×型寬×設計吃水，下同)，同時兼顧現狀1 000噸級船型及長江水系過閘1 000噸級干散貨船標準船型，船舶尺度64.0 m×13.0 m×2.4 m。船閘尺度根據《內河通航標準》[1]，并考慮長江水系過閘1 000噸級干散貨船標準船型，確定船閘有效尺度采用200.0 m×23.0 m×4.0 m(有效長度×有效寬度×門檻水深)。船閘設計通過能力為：近期(2025年)單向年過閘客貨運量692萬t，遠期(2050年)單向年過閘客貨運量895萬t。船閘最大設計水頭14.2 m[2]，通航特征水位見表1。

表1 船閘設計水位

2 輸水系統設計

2.1 輸水系統形式選擇

根據《船閘輸水系統設計規范》[3]輸水系統類型的選擇公式：

(1)

式中：T為閘室灌水時間(min)，根據船閘設計通過能力等要求初步取10 min；H為設計水頭(m)，最大為14.2 m；m為判別系數。根據規范，m>3.5時，采用集中輸水系統；m為2.5～3.5時，輸水系統類型應進行技術經濟論證或參照類似工程選定；m<2.5時，采用分散輸水系統。本船閘m值為2.65，應經技術經濟論證或者參照類似工程選擇輸水系統。

根據國內已建較高水頭船閘輸水系統形式相關資料，大多數集中輸水系統形式都應用于10 m以下水頭船閘，對于10 m水頭以上船閘大多采用分散輸水系統形式[4-5]。考慮到碾盤山船閘水頭較高(14.2 m)、閘室尺度大，為了縮短充、泄水時間，減少船舶的過閘時間，提高航運效益，結合漢江上游已建崔家營船閘輸水系統結構形式，采用閘墻長廊道側支孔出水的第一類分散輸水系統。

2.2 輸水閥門廊道尺寸

根據《船閘輸水系統設計規范》，輸水閥門處廊道斷面面積可根據給定的輸水時間和閥門全開時輸水系統流量系數按下式計算：

(2)

式中：ω為輸水閥門處廊道斷面面積(m2)；C為計算閘室水域面積(m2)，對單級船閘取閘室水域面積，取5 175 m2；H為設計水頭(m)，取14.2 m；u為閥門全開時輸水系統的流量系數，根據輸水系統流量計算取0.635；T為閘室灌水時間(s)，取600 s；α為系數，查表取0.575；kv為系數，取0.6。

經計算，輸水閥門面積ω=31.04 m2，取整32.0 m2。

2.3 輸水系統布置

2.3.1進水口段

輸水系統進水口采用導墻垂直多支孔布置，支孔喉部面積順水流方向逐漸縮小，進水口頂高程36.0 m；進水口面積按分散輸水系統進口流速≤2.5 m/s的要求設計。按以下公式初步估算：

(3)

(4)

式中：Qmax為充水最大流量(m3/s)，經計算為205.74 m3/s；A為進水口面積(m2)；v為進口流速(m/s)，按不大于2.5 m/s控制。

經計算進水口面積不小于82.3 m2。船閘進水口布置在上游導航墻內，左、右側進水口均從引航道取水，每側進水口設3個尺寸為4.0 m×4.0 m(高×寬)的進水孔，雙側進口總面積96 m2，進水口頂高程36.0 m、底高程32.0 m，進水孔外設有攔污柵，防止雜物進入輸水廊道。

2.3.2閘室主廊道及側支孔布置

輸水閥門處廊道斷面面積確定后，選擇主廊道斷面面積及出水支孔斷面面積時，有2個比值必須加以注意，即：

(5)

(6)

式中：α、β為系數；ω1為主廊道面積(m2)；ω為閥門處廊道面積(m2)；ω2為出水支孔斷面總面積(m2)。

原則上，α值越大，輸水系統出水孔段的損失越小；β值越接近1，越有利于前后支孔出水均勻，但將增加出水孔段水頭損失。根據我國多數船閘的統計，α值在1.01～1.31，β值在0.91～1.02[6-7]。因此，取主廊道斷面尺寸為4.2 m×4.2 m，則2個斷面總面積為35.28 m2，閘墻每側設24個側支孔，分為3 組，每組8孔，為使順充水流方向的首、末出水支孔流量分布比較均勻，從上游至下游3組孔口尺寸分別為0.85 m×0.90 m、0.78 m×0.90 m、0.71 m×0.90 m，出水孔總面積為33.7 m2，由此計算得到的α、β值分別為1.10、0.96。

根據《船閘輸水系統設計規范》，出水孔間距宜為閘室寬度的1/4，因此確定出水支孔間距為23 m的1/4為5.75 m，每側布置24 個出水孔，閘室兩側出水孔交錯布置于閘室中部，單側出水孔總長為132.25 m，占閘室有效長度的66.13%。根據《船閘輸水系統設計規范》，支孔出口應布置在下游最低通航水位時設計船舶深度以下，本支孔出口頂、底高程分別為32.90、32.00 m，下游最低通航水位36.52 m，船舶最大吃水2.4 m，滿足規范要求。

根據《船閘輸水系統設計規范》要求，側支孔長度L介于2D～4D，D為出水支孔直徑或斷面寬度，取支孔斷面最大寬度D=0.850 m，則L在1.7～3.4 m，取L=3.15 m，支孔斷面采用標準的與閘墻垂直的水平布置，為減少水力損失，支孔進口斷面采用四面修圓，圓弧半徑為0.30 m，出口斷面三面修圓，圓弧半徑也采用0.30 m，水平方向按3.0°角擴散。出水孔外布置消能檻，消能檻布置于閘室中間，單側長138.0 m，兩側反對稱布置，頂面高程為32.50 m，頂面寬度0.5 m，消能檻中心線距閘墻邊緣線2.0 m。

2.3.3出水口段

廊道出水口布置在下游導航墻出水口段內，出水口尺寸為4.0 m×6.5 m，2個出水孔總面積為52 m2，出水口頂、底高程分別為35.0、31.0 m，出水廊道內布置隔流墩，出水口外布置不對稱消能檻進行消能。

2.3.4輸水系統主要尺寸

碾盤山輸水系統主要尺寸見表2。

表2 碾盤山船閘輸水系統特征尺寸

2.4 輸水系統水力計算

碾盤山輸水系統水力計算根據《船閘輸水系統設計規范》4.3.1條采用MathCAD軟件編程計算，最大水頭工況下水力特性計算結果見表3。

表3 碾盤山船閘閘墻長廊道輸水系統水力計算結果

碾盤山船閘閘墻長廊道側支孔輸水系統充水過程水力特性曲線見圖1，泄水過程水力特性曲線見圖2。根據水力計算結果，輸水系統各項水力指標均能滿足規范要求，輸水系統布置基本上是合理的。

圖1 充水過程水力特性曲線

圖2 泄水過程水力特性曲線

3 模型試驗驗證

3.1 試驗工況

為模擬不同水頭下船閘過閘輸水系統水力特性，選定3組水位作為試驗工況，見表4。

表4 試驗工況

3.2 模型設計

碾盤山船閘輸水系統模型試驗采用正態水工整體模型進行試驗研究[8-9]，模擬船型采用1 000噸級單船，尺度為85.0 m×10.8 m×2.0 m(長×型寬×設計吃水)，遵循重力相似準則并按照幾何相似進行模型設計，根據試驗任務及要求，模型幾何比尺采用1:15。模型的模擬范圍包括船閘部分上游引航道、上閘首、閘室、下閘首、部分下游引航道，最終選擇模型縱向模擬范圍為360 m，橫向模擬范圍75 m，模型尺寸為24 m×5 m(縱向×橫向)。水工及船舶模型見圖3。

圖3 水工及船舶模型

3.3 試驗成果分析

3.3.1輸水系統水力特性

在3種不同水位組合運行工況下，船閘充泄水(閥門雙邊運行)主要水力特征參數見表5。

表5 3種工況下充泄水主要水力特征參數

由表5可知，最大設計水頭工況下(工況1，14.2 m水頭)，當閥門雙邊運行開啟時間為6 min時，船閘充水時間為9.89 min，最大充水流量189.82 m3/s；船閘泄水時間為10.77 min，最大泄水流量為169.96 m3/s，最大流量均小于設計計算流量。船閘泄水時間相比較于設計要求的輸水時間(10 min)略長，考慮到模型存在縮尺影響，原型船閘運行時流量系數將較模型有所增加，輸水時間較模型有所縮短，根據已建國內外船閘原型觀測與模型試驗經驗，原型船閘輸水時間較模型縮短10%～15%，因此預計輸水閥門雙邊開啟時間不超過6 min時，輸水時間可滿足10 min內。上述水力特性指標均滿足規范要求，輸水系統各部分尺寸基本合理。

3.3.2輸水廊道阻力系數及流量系數

試驗在輸水廊道各特征位置布置壓力測點，通過測壓管測定恒定流下廊道各部位的壓力及上下游引航道水位和閘室水位[10]，計算出輸水廊道各區段的阻力系數。試驗所得輸水廊道充水時阻力系數為2.87，流量系數為0.59；泄水時廊道阻力系數為2.44，流量系數為0.64。

3.3.3輸水廊道壓力結果分析

充水試驗中，1#～9#測點布置在輸水廊道進口段，10#～18#測點布置在上游輸水閥門附近；泄水試驗中，19#～22#測點布置在下游輸水閥門附近，23#～29#測點布置在輸水廊道出口段。測點布置見圖4。最大水頭工況下，充泄水試驗各測點壓力峰值見表6。

圖4 非恒定流壓力測點分布

表6 最大水頭工況充水和泄水試驗各測點壓力最大和最小值

試驗結果表明，船閘充泄水過程中，上下游輸水閥門門后廊道頂部測點14#、16#、18#～22#都產生了不同程度的負壓，但廊道頂部的負壓值均大于-30 kPa，不會出現空化現象。

3.3.4閘室停泊條件

最大設計水頭工況(工況1，14.2 m水頭)、雙邊閥門運行開啟時間6 min，船舶停泊條件試驗結果見表7。

表7 閘室船舶最大系纜力

試驗結果表明，當閥門雙邊運行時間為6 min時，閘室內無明顯縱橫向水流，閘室水面平靜，流態良好，無局部紊動，未觀測到漩渦等不良水流現象，說明閘室側支孔處設置明溝消能在改善船舶停泊條件方面獲得了預期效果；充水時船舶最大縱向系纜力21.26 kN，最大橫向系纜力15.27 kN，泄水時船舶最大縱向系纜力16.41 kN，最大橫向系纜力10.27 kN，均滿足規范要求(縱向系纜力不大于32 kN，橫向系纜力不大于16 kN)。

4 結語

1)碾盤山船閘長廊道輸水系統在最大設計水頭工況下(50.72～36.52 m)，工作閥門雙邊開啟時間tv=6 min時，船閘充泄水時間均可控制在10 min內，滿足船閘設計通過能力，各項水力特性指標滿足規范要求；充泄水過程中，輸水閥門門后部分廊道頂部測點產生了不同程度的負壓，但負壓值均大于-30 kPa，不會出現空化現象，類似工程設計時可加大閥門段淹沒水深以減少負壓；充泄水過程中，閘室內流態良好，未觀測到漩渦等不良水流現象，充水時船舶最大縱向系纜力21.26 kN，最大橫向系纜力15.27 kN，泄水時船舶最大縱向系纜力16.41 kN，最大橫向系纜力10.27 kN，均滿足規范要求。

2)碾盤山船閘閘室平面尺度大，為保證船閘設計通過能力，輸水時間要求短，輸水強度高，瞬時流量大，采用閘墻長廊道側支孔分散輸水系統是合理的，該輸水系統各項指標達到了預期的設計目標和要求。