飞来峡二、三线船闸闸底长廊道输水系统模型试验

２０１５年７月　水运工程　Ｐｏｒｔ＆Ｗａｔｅｒｗａｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｊｕ１．２０１５　Ｎｏ．７　Ｓｅｒｉａｌ　Ｎｏ．５０５　第７期　总第５０５期　■　飞来峡　一输■＿水、ｌ－系＿一　线统模船型闸试闸底验　长廊道　张绪进　，随娟娟　（１．重庆交通大学，重庆４０００７４；２．重庆西南水／ｇ．ｘ＿程科学研究所，重庆４０００１６）　摘要：飞来峡水利枢纽位于北江中游，新建的二、三线船闸并列布置有效尺度为２２０　Ｉｎ　ｘ３４　ｎｌ　ｘ４．５　ｍ（长Ｘ宽Ｘ门槛　水深），船闸最大设计水头１４．４４　Ｉｎ，采用闸底长廊道侧支孔输水系统双明沟消能布置形式。通过１：３０的物理模型，对船闸　输水系统的布置形式及水力学特性进行试验研究。结果表明：闸室输水时间、水力学指标、闸室停泊条件、进出口布置形　式均能满足规范要求，优化后的闸室停泊条件较好。　关键词：船闸；输水系统；输水时间；停泊条件；模型试验　中图分类号：Ｕ　６４１．３　２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００２—４９７２（２０１５）０７—０ｌ１９—０５　Ｍｏｄｅｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｏｎ　ｌｏｃｋ－－ｂｏｔｔｏｍ　ｌｏｎｇ・－ｃｕｌｖｅｒｔ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　Ｆｅｉｌａｉｘｉａ　ｓｅｃｏｎｄ＆ｔｈｉｒｄ．１ａｎｅ　ｌｏｃｋｓ　ＺＨＡＮＧ　Ｘｕ－ｊｉｎ　一．ＳＵＩ　Ｊｕａｎ￣ｕａｎ　（１．Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００７４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ　４０００１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ　ｐｒｏｊｅｃｔ　ｏｆ　Ｆｅｉｌａｉｘｉａ　ｌｏｃａｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｉｄｄｌｅ　ｒｅａｃｈｅｓ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉａｎｇ　ｒｉｖｅｒ．Ｔｈｅ　ｎｅｗ　ｓｅｃｏｎｄ＆ｔｈｉｒｄ—ｌａｎｅ　ｌｏｃｋｓ　ａｒｅ　ａｒｒａｎｇｅｄ　ｐａｒａｌｌｅｌｙ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　ｏｆ　２２０　ｍ　ｘ　３４　ｍ　ｘ　４．５　ｍ　ｆ　ｌｅｎｇｔｈ　Ｘ　ｗｉｄｔｈ　Ｘ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｄｅｐｔｈ），ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｈｅａｄ　ｉｓ　１４．４４　ｍ，ｕｓｉｎｇ　ｌｏｃｋ－ｂｏｔｔｏｍ　ｌｏｎｇ－ｃｕｌｖｅｒｔ＆ｓｉｄｅ－ｈｏｌｅ　ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｌａｙｏｕｔ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎ　ｗｉｔｈ　ｄｏｕｂｌｅ　ｏｐｅｎ　ｄｉｔｃｈｅｓ．Ｃａｒｒｙｉｎｇ　ｏｕｔ　ａｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌａｙｏｕｔ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌ　ｔｅｓｔ　ｉｎ　１：３０　ｓｃａｌｅ，ｗｅ　ｄｒａｗ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｃｈａｍｂｅｒ　ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｔｉｍｅ，ｗａｔｅｒ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｃｈａｍｂｅｒ　ｂｅｒｔｈｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｍｐｏｒｔ　ａｎｄ　ｅｘｐｏｒｔ　ｏｆ　ｌａｙｏｕｔ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｃａｎ　ｍｅｅｔ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．Ｉｔ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｔｏ　ｂｅｔｔｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｂｅｒｔｈｉｎｇ　ｃｈａｍｂｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌｏｃｋ；ｗａｔｅｒ　ｃｏｎｖｅｙａｎｃｅ　ｓｙｓｔｅｍ；ｄｅｌｉｖｅｒｙ　ｔｉｍｅ；ｂｅａｈｉｎｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ；ｍｏｄｅｌ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　１工程概况　船闸上游设计最高通航水位为２４．８１　Ｉｎ，下游设计最　飞来峡水利枢纽位于北江干流中游飞来峡区　黄洞村旁弯曲河段，是北江干流自上而下第４个　水利水电枢纽。新建二、三线船闸并列布置于枢　纽右岸，共用引航道，按１　０００吨级船闸（ｍ级船　低通航水位１０．３７　ｍ，船闸最大设计水头１４．４４　ｍ＿１】。　根据总体布置以及船闸输水系统设计规范的　有关规定和要求，输水系统类型选择公式　计算　的ｍ值为２．Ｉ１—２．６３。考虑到本船闸的闸室尺度　较大，且对运行效率要求较高，宜采用分散输水　闸）建设，船闸有效尺度为２２０　ｍ　Ｘ　３４　ｍ　ｘ４．５　ｍ，　收稿日期：２０１４．１２－０８　作者简介：张绪进（１９５９一），男，硕士，研究员，从事水电站枢纽水工力学、通航水力学、水库泥沙环境水力学、航　道整治工程研究。　第７期　张绪进，随娟娟：飞来峡二、三线船闸闸底长廊道输水系统模型试验　４试验主要成果与分析　表２船闸非恒定流水力特性参数　４．１闸室充、泄水时间　在上游最高通航水位２４．８１　ｍ与下游最低通航　水位１０．３７　ｍ组合下，船闸单线运行时阀门闸室充　泄水时间见表１，开启时间（ｔ　）与充水时间（Ｔ）　关系见图２。考虑到船闸输水系统水力学模型试验　存在一定的缩尺效应，原型流量系数比模型将有　所增大，输水时间将缩短１０％～１５％。因此，当　充水阀门双边开启时间为３～６　ｒａｉｎ时，原型输水　６０ｏ　时间均能满足设计单线输水１０　ｍｉｎ的要求，阀门　５０ｏ　单边运行属非正常开启工况，充泄水时间较长。　４０ｏ，　０ｏ　表１　单线船闸运行闸室充、泄水时间　ｍｉｎ　２００　＂：。”¨９　１００　０　０　６０　１２０　１８０　２４０　３００　３６０　４２０　４８０　５４０　６００　６６０　珧　ａ１双边充水　ｕ　１２０　２４０　咖　３６０　伽　瑚　瑚　瑚　０　４８０　６００　７２０　ｔ／ｓ　ｂ１双边泄水　一　．　图２单线运行输水时间与阀门开启时间关系　注：ｔ　。＝５　ｍｉｎ，Ｑ为流量，ｈ为闸室水位。　４．２闸室充、泄水水力特性　图３　单线输水运行工况水位流量过程线　单线船闸运行时，阀门采用３～６　ｍｉｎ匀速开　在输水廊道中布置时均压力测压点，通过测　启，试验实测各输水水力特性值见表２，充、泄水　压管测定恒定流情况廊道各部位的压力、上下引　最大流量分别为４８２～３６５　ｍ　／ｓ和４３５～３４９　ｍ　／ｓ；　航道水位和闸室水位，计算出输水廊道各区段的阻　闸室水面最大上升、下降速度分别为３．２４、　力系数、廊道总阻力系数和流量系数（表３—４）。　２．５２　ｍ／ｍｉｎ和３．００、２．３４　ｍ／ｍｉｎ；相应的阀门段　阀门双边开启充、泄水流量系数分别为：０．７５０、　廊道最大流速在１Ｏ．８８～８．１６　ｍ／ｓ范围内，上游进　０．７０２，单边开启充、泄水流量系数分别为：　水口最大平均流速在２．１３～１．５７　ｍ／ｓ范围内。上　０．９０１、０．８５９。　述输水廊道各部位的流速指标均满足规范要求。　表３充水廊道分段阻力系数　闸室超灌、泄值分别约为０．４５　ｍ和０．３６　ｍ，其值　超过规范允许的０．２５　ｍ。在原型中可采用提前关　闭输水阀门和水位齐平时打开人字门等措施加以　解决。典型工况水位流量过程线见图３。　水运工程　表４泄水廊道分段阻力系数　４．３闸室船舶停泊条件　由于飞来峡二、三线船闸闸室基础由基岩开　挖而成，为减小开挖量，在闸室内原布置２道消　能明沟底高程不等高，同时在两道消能明沟间的　消力梁上设置透水孔，对闸室内横向水流分布进　行调整，达到改善船舶停　白条件的目的。原方案　消能明沟布置见图４。　图４闸室出水孔及消力梁初步布置Ｉ单位：ｍ。下同）　试验结果表明：闸室灌水过程中，支孔水流　直接碰撞于第一道消力梁上，反射于闸中，致使　闸室中间水流较多，闸室中心水面形成壅高，从　而使船舶受到朝向两侧闸墙的横向水流作用力；　水流横向分配不均匀。实测１　０００　ｔ单船最大横向　力已接近或超过规范要求（表５）。　表５闸室内船舶（队）最大系缆力（原方案）　根据原方案试验结果分析可知，由于支孔水　流集中碰撞于第１道消力梁，加之消力梁透水孔　高度太小，第２道明沟底高程又较高，消能水体　小，支孔水流难于扩散至第２道明沟，导致闸室　内水流横向分配不均匀。为改善闸室流态，减小　船舶的横向系缆力，试验进行了３个方面的修改：　１）增大第２道明沟的消能水体。即降低其明沟底　高程和增加明沟宽度，由原布置明沟底高程４．７７　ｍ　降至２．３７　ｍ，与第１道明沟底高程齐平；明沟宽　度由原布置２．０　ｍ增宽为３．５　ｍ；２）调整消力梁　透水孔高度布置。进行了透水孔高度为０．４０、　０．５０、０．６０　ｍ的３次修改；３）调整消力梁离孔口　位置。综合比较３．５、４、４．５　ｍ　３种布置，最终确　定了图５的布置。　第　第　童　ｌ　中心ｌＩｆ　］　　ｌ闸墙　霭沟　　ｌｌ　　士　Ｌ　Ｊ　士　ｌＩ　　垫ｊ　＝＝ｒ　ｌ　廊　廊—　随　支孔＼　道　道　ｌ　厂　ａ１平面　ｂ）罾　向　图５　闸室出水孔及消力梁修改布置　修改方案布置下，试验结果表明：充水整个过　程，闸室水流横向分配较为均匀；由于船舶停于左　闸墙位置，在阀门全开前一段时间内船舶仍受到朝　两侧闸墙的水流作用力，但船舶系缆力较原方案大　为减小。各工况下１　０００　ｔ单船停于闸室最大系缆力　见表６，典型工况船舶系缆力过程线见图６。　表６闸室内船舶（队）最大系缆力（修改方案）　・１３４・　水运工程　２０１５生　流水流经过挡板末端与挡板碰撞形成涡旋耗散能　［５】　陈亮，刘平昌，张绪进，等．贵港二线船闸闸室双明沟消　能工布置及消能特性研究［Ｊ］．水道港口，２０１３（４）：　１４４．１４９．　量；②未充分碰撞的水流经过孑Ｌ　１５，而孑Ｌ口出流　的突扩生成大量的旋涡以及水流的相互剧烈掺混　同样达到了耗散能量的效果；③明沟中水流与闸　室中的水体进行质量、动量和能量的交换，由于　内外摩擦作用，在水流动能转变为势能的过程中，　流场急剧改变，致使水流内部相对运动加剧、碰　撞和摩擦作用亦加强，消耗能量。　ｆ６］　陈亮，船闸闸室明沟消能工布置及消能机理研究［Ｄ］．　重庆：重庆交通大学，２０１３．　［７】　刘平昌，彭永勤，王召兵．贵港二线船闸侧墙廊道输水　系统布置计算分析论证报告［Ｒ】．重庆：重庆西南水运　工程科学研究所，２０１０．　【８】　刘平昌，彭永勤，王召兵．贵港二线船闸侧墙廊道输水　系统水力学试验阶段研究报告【Ｒ］．重庆：重庆西南水　参考文献：　【１】　ＵＳ　Ａｒｍｙ　Ｃｏｒｐｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ．Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ＮａｙＬｇａｔｉｏｎ　Ｌｏｃｋｓ［Ｒ】．Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ：Ｕ　Ｓ　Ａｒｍｙ　Ｃｏｒｐｓ，１９７５．　运工程科学研究所，２０１０．　ｆ９　刘平昌，彭永勤，王召兵．贵港二线船闸侧墙廊道输水　９］系统水力学试验研究报告【Ｒ］．重庆：重庆西南水运工　程科学研究所，２０１０．　［２］　须清华．葛洲坝工程二号船闸输水系统水工模型终结　试验报告【Ｒ】．南京：南京水利科学研究院，１９８１．　【３】　南京水利科学研究院．船闸输水系统水力学创新技术　研究与实践【Ｒ］．南京：南京水利科学研究院，２００９．　【４］　张绪进．贵港航运枢纽二线船闸输水系统水力学试验　【１　０］　杨忠超．高水头船闸闸室明沟消能效果及机理分　析［Ｊ】．水运工程，２００９（１２）：１６９・１７３．　［１１】　吕伟东．船闸闸室明沟消能工消能效果三维数值模　拟【Ｊ］．水道港口，２０１３（８）：２０３￣０６．　（本文编辑郭雪珍）　研究［Ｊ］．水利水运工程学报，２０１２（８）：３４－３８．　（上接第１２３页）　４）最终确定的闸室消力梁及透水孔等效能工　布置形式使闸室水流分配均匀，各工况下测定船　舶系缆力均能满足规范要求。　『２］　删３０６－－２００１船闸输水系统设计规范（［ｓ】．　［３］　刘平昌，王召兵，陈亮，等．西江航运干线贵港航运枢纽　二线船闸工程初步设计阶段输水系统水力学模型试验　５）通过调整出水口的布置形式，下游出水口　能够较好地适应引航道的布置，控制工况下引航　研究［Ｒ１．重庆：重庆西南水运工程科学研究所，２０１０．　【４］　宣国祥，李君，黄岳．长洲水利枢纽三线四线船闸工程　可行性研究阶段船闸水力学模型试验研究【Ｒ】．南京：　南京水利科学研究院，２００９．　【５】　张绪进，吕伟东，刘平昌，等．贵港航运枢纽二线船闸输水　系统水力学试验研究【Ｊ】．水利水运工程学报，　２０１２（８）：３４－３８．　道内的水流条件能够满足过闸船舶安全运行的要　求，泄水侧船闸对另一线船闸的下引航道流速分　布影响较小。　参考文献：　［１］　刘平昌，陈亮，彭永勤，等．北江飞来峡二三线船闸工程　初步设计阶段船闸水力学模型试验研究【Ｒ】．重庆：重　庆西南水运工程科学研究所，２０１４．　『６］　嘉陵江草街二线船闸输水系统水力学模型试验研　究【Ｒ］．重庆：重庆西南水运工程科学研究所，２００６．　（本文编辑郭雪珍）