船閘輸水體系水力學(xué)實踐探討范文

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作者：張緒進(jìn)呂偉東劉平昌彭永勤單位：重慶交通大學(xué)西南水運工程科學(xué)研究所廣西西江開發(fā)投資集團(tuán)有限公司

在充、泄水過程中，閥門段輸水廊道流態(tài)觀測結(jié)果表明，上閘首工作閥門井、上檢修閥門井及下閘首工作閥門井、上、下檢修閥門井水位均未出現(xiàn)低于廊道頂部而發(fā)生摻氣的現(xiàn)象．唯上閘首工作閥門后的下檢修閥門井處的廊道頂高程27.0m布置較高，在閥門雙邊開啟時間tv=7min時，充水至1.5min(原體)時，閥門井水位已降至廊道頂，且水面波動約有3.3m，處于發(fā)生摻氣的臨界狀態(tài);而tv=7min單充至1.0min時，閥門井水位已低于廊道頂，并出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象．由于原體船閘充水過程中不允許摻氣，因此，必須降低上閘首下檢修門井段廊道頂高程．

經(jīng)水力學(xué)計算分析，將該段廊道頂高程修改降低至25.2m．試驗觀測結(jié)果表明，上閘首下檢修門井廊道頂高程降低后，在非恒定流充水情況下，閥門雙單邊開啟時間tv=7min充水時，最低檢修閥門井水位仍高于廊道頂1.5m左右，上述兩種工況均未出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象．實測的該部位tv=7min充水(非恒定流，水位組合:43.1～29.0m)廊道壓力滿足規(guī)范要求(圖2)．

閘室停泊條件

原設(shè)計布置方案

為了解閘室內(nèi)縱向水流的分配情況，除觀測閘室內(nèi)流態(tài)外，還測定了各支管的流速(圖3)．資料表明，閥門開度n＜0.2時，前面支管出流大于后面支管，n＞0.3時，后面支管出流逐漸增多，且流速值大于前面支管;應(yīng)該說，在出水段所有支管的流速分布是非均勻的，這與其輸水系統(tǒng)的特性、出水段布置長度密切相關(guān)．從閘室水流橫向分布看，當(dāng)支管水流進(jìn)入閘室第1道明溝時，由于其前正對的第1道消力梁開有6.5m×0.8m的孔，因此，大部分水流通過其孔進(jìn)入第2道明溝翻涌上來，第1和第3道明溝水流水泡不明顯．因此，閘室橫向水面尚不太均勻．實測停于閘室內(nèi)的2×2000t船隊、3000t單船系纜力資料表明，雖然也滿足規(guī)范要求，但其富裕量不大．

修改布置方案

經(jīng)試驗反復(fù)觀測，認(rèn)為閘室3道消能明溝內(nèi)橫向水流尚不均勻的主要原因是支管正對的第1道消力梁開孔偏大，大部分水流未經(jīng)消力梁阻擋通過其孔直接進(jìn)入第2道明溝翻涌上來，導(dǎo)致第1和第3道明溝水流上涌不明顯，船舶橫向系纜力較大．針對這一情況，試驗中采取在第1道消力梁開孔的中間位置堵1.5m和1.0m寬兩種方案，以限制部分支管水流在閘室第1道明溝內(nèi)擴散，增大第1道消力梁出口處的流速，以達(dá)到水流在第2，第3道明溝內(nèi)均勻擴散;結(jié)果表明，3道明溝的水流分配較原設(shè)計均勻很多．當(dāng)支管水流進(jìn)入閘室第1道明溝時，該股水流被分成三部分，支管中心流核由于消力梁開孔中間位置被堵?lián)醵刍卦撁鳒蟽?nèi)，兩側(cè)的水流通過該消力梁孔口進(jìn)入第2，第3道明溝內(nèi)擴散消能．

試驗中認(rèn)真比較了在第1道消力梁開孔中間位置堵1.5m和1.0m寬兩種流態(tài)，前者由于消力梁開孔中間位置堵?lián)踺^寬，在第1道明溝的水流略顯多，且略有不規(guī)則水流紊動出現(xiàn);而后者3道明溝的水流多比較均勻，無不良流態(tài)出現(xiàn);通過對修改后的3道明溝的水流流態(tài)分析認(rèn)為，第1道消力梁開孔中間位置堵1.0m寬的尺寸基本是合適的(圖4)．實測閘室內(nèi)船舶系纜力較原方案大為減小(表1)，修改方案后，閥門雙邊、間歇單邊充水(tv=7min時，閥門開啟82s，停止300s，再開啟至全開)2×2000t船隊、3000t單船停于閘室內(nèi)系纜力過程線見下圖，其中圖5為2×2000t船隊停于閘室內(nèi)前端左岸方案修改前和修改后系纜力過程線圖(tv=7min，雙充，水位組合:43.1～29.0m)．

結(jié)語

(1)在設(shè)計最高與最低通航水位43.1～29.0m組合下，經(jīng)對4種閥門開啟時間(tv=4，5，6和7min)的比較，考慮閘室內(nèi)船舶停泊條件，試驗推薦采用雙邊閥門連續(xù)開啟tv=7min，相應(yīng)的閘室充水時間為9min27s，泄水時間為10min57s，滿足船閘設(shè)計通過能力的要求．

(2)在上、下閘首推薦的閥門雙邊開啟時間tv=7min工況下，閘室充、泄水最大流量分別為410和365m3/s，閘室水面上升速度分別為2.7和2.5m/min;雙邊充、泄水系統(tǒng)平均流量系數(shù)分別為0.837和0.740;單邊充、泄水系統(tǒng)平均流量系數(shù)分別為0.865和0.770．

(3)在充水過程中，原方案上閘首下檢修門井出現(xiàn)摻氣現(xiàn)象，試驗將下檢修門井廊道頂由原設(shè)計高程27.0m降低至25.2m后，在推薦的閥門開啟速率工況下，避免了下檢修門井內(nèi)的摻氣現(xiàn)象;該段的廊道頂部壓力亦得到明顯提高．非恒定流充水情況下，閥門雙邊、單邊間歇開啟時間tv=7min時，門后廊道頂?shù)淖畹蛪毫τ稍桨福?.53和－2.67m分別提高至－0.66和－1.02m，更好地滿足了規(guī)范的要求．

(4)原設(shè)計閘室內(nèi)第1根消力梁開孔尺寸太大，支孔出流未經(jīng)碰撞消能．沖至第2道明溝內(nèi)集中翻涌，紊動稍大，閘室內(nèi)橫向的流量分配尚均勻;在推薦的閥門開啟速率工況下，實測2×2000t設(shè)計船隊、3000t單船某些測次最大縱、橫向系纜力已超出規(guī)范允許值;試驗在第1根消力粱開孔6.5m寬的中心堵1.0m，經(jīng)對閘室流態(tài)觀察，三道明溝的水流分配較為均勻;閥門雙、單邊開啟時間tv=7min時，實測2×2000t船隊、3000t單船停于閘室內(nèi)的最大縱、橫向平均系纜力均小于規(guī)范允許值．

(5)研究結(jié)果表明:對于平面尺度大、輸水要求高、中水頭的貴港二線船閘，通過上述各部位尺寸的調(diào)整、方案優(yōu)化，選擇合適的閥門開啟速度和閘室內(nèi)消能明溝型式，采用閘墻長廊道多支管輸水型式是可行的．