三峡船闸水力学问题及其安全监测设计

邓　浩　夏　煜

摘要：对三峡船闸水力学研究的主要问题以及所采取的工程措施作了综合论述，并根据三峡船闸各种设计运行条件阐述了水力学原型监测的目的和内容。按上游引航道，下游引航道，闸室主体三个区段分别对涌浪、流速、流态、船只系缆力、廊道压力、水下噪声、闸阀门启门力、门楣通气量、水位等物理量进行监测的测点位置作了详细设计布置。

关键词：空化噪声；门楣通气；廊道压力；启门力；超灌超泄；涌浪；廊道体型

1三峡船闸工程概况

三峡船闸为双线连续五级船闸，布置在左岸临江最高峰坛子岭外侧。船闸中心线与坝轴线夹角67.42°。船闸线路总长6 442m，其中上游引航道闸前直线段930m，后接向上游左转42°、转弯半径为1 000m的转弯段733m，再接450m直线段至隔流防淤堤头，全长2 113m。船闸主体结构段长1 607m。下游引航道直线段930m，后接向下游左转54♀、转弯半径为1 000m的转弯段942m，再下接850m直线段，全长2 720m。上游引航道导航段底宽152m，停靠段宽180m，堤头口门底宽220m。上游导航墙段长250m，下游导航墙段长220m，上、下游靠船墩段各长200m。闸室有效尺寸为280mX34mX5m(长X宽X起始水深)。

船闸上游最高通航水位175m，最低通航水位135m，下游最高通航水位73.8m，最低通航水位62m。船闸总水头113m。根据水级划分，五级船闸中间级最大水头为45.2m。船闸可一次通过1+9X1 000t或l+4X3 000t船队，是当今世界上水头最高，规模最大，技术最复杂的船闸工程。

2水力学研究的主要问题和采取的工程措施

三峡船闸水力学研究的主要问题有：输水系统布置形式，输水廊道阀门段的空化和流激振动，第2级或第3级闸室补水措施，闸室船队安全停泊条件，闸室充泄水末期水位超灌超泄的控制，上、下游引航道中涌浪、往复流等。

2.1三峡船闸输水廊道布置形式

上游取水口布置采用在引航道全宽度内正向取水，取水口底部高程为119m。船闸输水主廊道布置在每线船闸的左右两侧，共4条主输水廊道，其断面形式为上圆，下方的门洞型。主廊道在每级闸室中部设有第1分流口，分上下两层，与闸室中支廊道相接。在每级闸室1／2处和3／4处设有第2分流口，与闸室分支廊道相接。第1、2分流口均采用立体分流形式。闸室内采用底部4区段8支廊道顶部出水孔布置，出水孔顶部带消能盖板，共96个出水孔。输水系统布置特征值见表1。

第5级闸室泄水出口布置研究过直接泄入下游引航道的方案，由于船闸和升船机共用下游引航道，试验研究表明，无论一线或两线闸室泄水所产生的涌浪对升船机承船厢处允许波高(士15cm)都无法满足。因此，最终设计采用长涵管布置型式将闸室水体直接泄人引航道隔流堤外侧主河道中。并在 第6闸首布置环绕闸首的短廊道，用以平衡闸室泄水末期闸室和引航道之间的水位差。

2.2闸室船只安全停泊条件

闸室在充泄水过程中，由于水流惯性作用，闸室水位会高于上游水位或低于下游水位，即闸室水位的超灌超泄现象。闸室水位的超灌超泄后，较大的反向水头不仅对人字门启闭机构件产生不利影响，而且会在闸室里形成明显的纵向水流，对闸室内船队的停泊安全有严重的影响。过大的系缆力会导致缆绳断裂，危及船队的安全。为保证船队在闸室里安全运行，通常采用的主要措施是优化输水系统布置形式和选用较好的消能措施。

2.3输水廊道阀门水力学问题

船闸输水阀门不同于其它泄水建筑物的阀门，它运用频繁，承受不同水头荷载作用，充泄水阀门启闭过程中的水流运动属非恒定流范畴，尤其是高水头的船闸中，阀门承受各种复杂水动力作用，极易发生空化和声振现象，从而危害阀门安全运行。因此，阀门水力学问题是船闸水力学设计中最关键问题之一，对保证船闸的安全运行极为重要。

阀门段的空化和声振与阀门段廊道体型，阀门的开启速度，阀门淹没水深，阀门的结构形式等因素有关。

2.4抑制阀门段空化采取的工程措施

阀门水力学是三峡五级船闸水力学研究中最为关键的问题之一，中间级闸室最大水头差高达45.2m，超过了国内外已建船闸的水平。为了确保船闸安全运行，防止阀门及阀门段廊道空化、空蚀及危害建筑物振动的发生，科研部门多年来围绕阀门水力学问题行进了许多专门研究。提出了优化设计 方案。

(1)阀门段廊道体型布置

模型试验研究过阀门后廊道顶板以一斜坡向上扩大和阀门后突然扩大等两大类型，后者经过优选简化为门后廊道顶板斜向上扩大和底板突然扩大(两侧壁不扩大)的型式。考虑到三峡船闸主廊道是在山体岩石中开挖隧洞形成，有利于降低布置廊道高程，增大阀门淹没水深，使其满足阀门底缘工作空化数大于临界空化数。经过反复论证分析，确定阀门最小淹没水深为26m。这一措施在廊道顶扩方案正常运行充水时(tv＝2min)，阀门底缘空化可以克服，但单边廊道充水时，阀门底缘空化仍未克服。对底扩方案，由于阀门开启过程中，底缘处的水流发生变化，流速降低，门后压力提高，压力脉动强度减小，对抑制底缘空化更加有利。非恒定流减压模型试验表明，在同一运行条件下，采用底扩方案，阀门底缘未发生空化，但在底扩跌坎和突扩腔末端升坎处出现了新的空化源。经过多次修改比较试验，采取缩短从阀门关闭处至跌坎段长度，使之为35～55cm，升坎段采用5次曲线连接，这样新生空化源将得以消除。最终设计采用阀门后廊道顶板为1:10斜坡向上扩大，底板向下突扩3.1m的布置型式。

(2)阀门段廊道高程布置及阀门开启方式

在可行性研究和初设阶段，曾研究过各种阀门开启方式与降低廊道高程相结合的措施，以求避免阀门段产生空化。研究结果表明，阀门快速开启可以利用惯性水头提高门后压力，降低流速，对减免空化有利；慢速开门则相反。所以，当选定阀门按tv＝1min开启，阀门段廊道淹没水深由17m增加到26m，可以满足阀门底缘不发生空化。后来，考虑到液压启闭机系统方面的困难，阀门开启时间改为2min。

根据模型试验研究得出底扩方案阀门底缘临界空化与阀门开启速度和起始淹没水深的关系见表。

由表列数据可见，快速开启阀门对抑制阀门底缘空化作用较为明显。

(3)门楣体型

根据我国已建高水头船闸的经验，阀门除底缘产生空化外，门楣缝隙也是容易产生空化的部位。在三峡船闸门楣型式的研究中，根据门楣与弧门面板构成的几何形状，将门楣体型分为：

扩散型α <0º，最小间隙位于缝隙段进口。(α 为缝隙直线段倾角，以下同)

基本平行型α ＝0º，缝隙段变化不大。

收缩型 α> 0º，最小间隙位于缝隙段出口。

门楣缝隙空化数定义：

σ i=p s+p α-pv/ps-pn

式中：ps、pn分别表示缝隙进、出口压力；pa为大气压力；pv为水的饱和蒸气压力。

在相同进出口布置和同一最小间隙条件下，通过改变缝隙直线段倾角α 进行了不同门楣体型空化特性试验，空化均发生在最小断面处，对扩散型，门楣空化表现为边界层剪切空化，收缩型和平行型表现为射流空化，其临界空化数列于表。

由表列数据可知，平行型临界空化数最小，抗空化性能最好，收缩型次之，扩散型极易产生空化。从缝隙段过流能力比较，扩散型过流能力最强，收缩型次之，平行型较低。

尽管基本平行型和收缩型具有抗空化能力强的优点，但由于门楣施工及安装精度较难控制，门体长期运行后的变型等因素的影响很难保证其尺度。而扩散型门楣体型由于水流易在缝隙段产生负压区，过流能力强，缝隙段流速大，容易满足设置通气设施。因此，设计选定带通气设施的扩散型门楣体型。

(4)通气措施

在阀门段廊道为底扩体型，tv＝2min开启阀门，淹没水深26m条件下，单边开启阀门充水及某些事故情况下还不能满足阀门底缘不发生空化。根据葛洲坝船闸设置门楣通气设施减免空化的经验，确定三峡船闸也采用带通气设施的扩散型门楣体型来防止空化。通过模型试验，可见其通气稳定，对抑制门楣及阀门底缘空化的效果良好。

(5)提前动水关闭阀门

葛洲坝一号船闸曾因水位惯性超高过大对人字门启闭设备产生过有害作用。对三峡船闸来说，此问题更应引起重视。模型试验表明：中间级闸室充水时惯性超高达1.2m；第五级闸室泄水涵管长达1000多m，惯性超降可达1.5m，如不加以控制，则对船闸运行不利，并且影响闸室船只停泊安全。根据模型研究结果，采取在闸室充泄水过程末期剩余水头差约3m时开始关闭充(泄)水阀门和在闸室水位第一次齐平时开启人字门。这一措施可将超高超降的影响控制在允许值范围内。

2.5阀门启闭力特性

阀门门型，廊道体型，阀门开启速度对阀门启闭力都有影响。相互影响的程度都进行过比较研究。综合各种因素改虑，最后设计选定为双面板横梁全包型阀门。双面板横梁全包门底缘型式对启闭力反应较为敏感，曾经进行多种底缘型式的比较，较为尖锐流线型底缘可以减少启门力及其脉动幅值，但对闭门力不利。由于结构布置方而的原因和已建船闸的实践经验，设计采用阀门关闭时底缘与廊道底板夹角为90°的布置型式，为了避免吊杆出现受压状况，在任何情况下阀门关闭速度应大tv＝2min。

3水力学监测目的及内容

3.1监测目的

三峡船闸是在大量物理模型试验，并吸取国内外已建工程经验的基础上设计建造的。但由于该工程的规模和运行的复杂程度为世界空前，在许多方面尚无成熟的经验可供借鉴，其运行状况将关系到长江航运畅通，并且，由于船闸水力学自身的特性，原、模型之间尚存在明显的缩尺效应。因此应对人字门、输水阀门及其启闭系统的运行条件、受力情况及振动特性，输水廊道及阀门段压力、空化、通气量、噪声特性，闸室充泄水水力特性、惯性超高(超降)及其控制效果以及补水操作措施的可行性，闸室及上下游引航道的船舶航行及停舶条件等事关航运及船闸建筑物安全的内容进行现场监测。通过资料分析，若发现不利因素，要及时查明原因并研究对策，以便确定船闸正式投入运行后应采用的合理操作及运行方式。通过系统、完整的船闸水力学监测，将为工程验收、制定船闸管理运行规程和确保工程安全运行提供依据。同时，亦为今后同类工程的水力学设计及模型预测提供宝贵的经验。

3.2监测内容

(1)首末级闸室充泄水时，上下游引航道中的涌浪传播过程及水流流速、流态对船只停泊的影响；

(2)各级闸室充泄水水力特性；

(3)第2级或第3级闸室充水需要补水时，控制补水运行操作条件；

(4)输水廊道压力特性；

(5)输水廊道阀门段水流空化噪声特性；

(6)阀门启闭力及阀门启闭过程程中，门体和启吊系统的动力特性；

(7)门楣通气量；

(8)闸室及引航道中船只系缆力；

(9)闸室充泄水水位齐平时，超灌(泄)运行条件的控制；

(10)人字门启闭力及启闭过程中动力特性。

4水力学监测测点设计特点

三峡五级船闸水力条件显著特点之一就是上下游水位变幅很大。船闸建成投入运行后，初期上游水位135.0～156.0m，水位最大变幅21m；后期上游水位145.0o～175.0m，水位最大变幅30m。下游水位最大变幅11.8m。根据上游水位变化过程和水级划分原则，船闸将分别出现3级、4级、5级闸室运行方式，上游水位135.0～145.0m和上游水位152.4～165.75m条件下，第2级闸室、第3级闸室充水过程中需要运用补水运行控制措施，最大补水水体厚度分别为10m、13.35m。从各项监测内容出现最不利的影响考虑，对上下引航道水力学问题，最不利的条件出现在最低通航水位，即上游135.0m，下游62.0m；对人字门动力特性和闸室补水量最大的不利条件出现在上游水位175.0m和152.4m；对阀门启闭力，阀门后廊道边壁压力出现低压和空化的最不利条件是中间级闸室充泄水最大起始水头差45.2m和阀门后廊道顶板最小淹没水深26m；对闸室船只停?白系缆力最不利条件出现在闸室充泄起始水头差最大和出现充水流量最大时段以及闸室充泄水水位齐平人字开启过程中。因此，水力学监测设计必须以这些运行方式作为依据来布置各监测测点。

5水力学监测测点布置

三峡船闸为双线连续五级船闸，两线船闸在结构上完全对称。水力学监测选择了南线闸室和南坡输水廊道进行监测，其中第1、2、5闸室、第4、6闸首人字门，第2、5、6阀门井段，上、下游引航道中船队停泊区为重点监测部位。

水力学监测点分为预埋测点和非预埋测点。预埋测点随主体工程砼浇筑而进行埋设。预埋测点有脉动压力计和水听器，非预埋测点有：水位计、声级计、风速仪、油压传感器、拉力传感器，波浪传感器、应变计、加速度计、水尺、流速仪等。具体布置如下：

5.1上、下游引航道测点布置

三峡水利枢纽中通航建筑物由双线连续五级船闸和一线垂直升船机组成，二者布置邻近，共用上下游引航道。五级船闸首、末级闸室充泄过程中，上游引航道水流产生负波涌浪，下游引航道则产生正波涌浪。涌浪幅值的大小对升船机承船厢运行条件的影响极为重要。靠船墩至闸前导航浮堤930m 段，船闸在不同运行方式下所产生的涌浪波面比降和流速、流态的综合作用对等待过闸船只停泊安全有无影响。为此，上、下游引航道水力学监测作以下布置：

(1)上游引航道

涌浪监测：在上游引航道中，设计布置12个测点；

流速监测：布置3个断面和二个点流速，每个断面3点，共计11点；

船只系缆力监测：在闸前导航浮堤处和靠船墩处共布置4个测点；

流态监测：在堤头口门，靠船墩，闸前，升船机进口处采用录相或照相；

水位监测：在南一闸首进口南、北墙上各布置一条水尺；

另在1号、10号靠船墩上各设1条水尺。

(2)下游引航道

涌浪监测：在下游引航道中布置11个测点；

流速监测：在下游引航道中布置2个断面，共计4点；

船只系缆力监测：在闸下导航墙及靠船墩处布置4个测点；

流态监测：在下游导航墙墩，船闸和升船机引航道交汇处，堤头出口，旁侧泄水出口等处采取录相或照相。

5.2闸室测点布置

闸室水位监测：每级闸室布2只水位计，共计l0支；门井水位监测：每级阀门井布置1支水位计，共计6支；闸室流态监测：采用录相或照相。

5.3输水廊道系统测点布置

输水廊道系统水力学监测测点布置主要考虑三个原则。第一，各级闸室充泄过程中，对输水廊道体型各典型变化段设置压力测点，用来分析计算廊道系统的阻力系数。第二，阀门开启过程中门后突扩廊道段在高速水流非恒定流态作用下，压力脉动对廊道边壁和阀门是否产生有害作用，有无空化现象以及对阀门启闭的影响。第三，检验采用门楣通气设施对抑制阀门空化的效果。

(1)主廊道压力监测

第1闸首阀门前布置压力测点4点，第1闸首阀门后至第2闸首阀门前压力测点11点，第2闸首阀门后至第3闸首阀门前压力测点15点，第3闸首阀门后至第4闸首阀门前压力测点11点，第4闸首阀门后至第5闸首阀门前压力测点15点，第5闸首阀门后至第6闸阀门前压力测点15点，第6闸首阀门后压力测点14点，共计70点。

(2)闸室支廊道压力监测

第1闸室布置压力测点2点，第2闸室布置压力测点10点，第3闸室布置压力测点2点，第4闸室布置压力测点4点，第5闸室布置压力测点12点。

(3)空化噪声监测

廊道阀门段及输水廊道第1、2分流口空化噪声包括：第1闸首阀门段布置空化噪声测点6点，第2闸首阀门段8点，第3闸首阀门段7点，第4闸首阀门段8点，第5闸首阀门1段8点，第6闸首阀门段6点；第1闸室中，第1、2分流口布置空化噪声测点3点；第2闸室中，第1、2分流口布置空化噪声测点6点；第5闸室中，第1、2分流口布置空化噪声测点6点。

(4)阀门门楣通气测量

在第2、3、4、5、6级阀门井门楣通气管进口临时布置5台风速仪。

(5)空气噪声监测

在第2、3、4、5、6级阀门井临时布置5支声级计进行监测。

5.4人字门、反弧门流激振动监测

阀门运行过程流激特性取决于阀门随机荷载场的作用状况，与普通水工阀门相比，船闸输水阀门流态极为复杂，作用于阀门的动荷载为非恒定水流。影响阀门振动的因素很多，如阀门结构，阀门段廊道体型，阀门两侧止水安装状况等。因此，人字门、反弧门动力学监测布置如下：

(1)输水廊道反弧门

选择南4、6级阀门并反弧门进行监测。在两个反弧门门体，支臂和吊杆上共布置64支应变计，50支加速度计，8支脉动压力计；在第3、4、5、6级阀门井反弧门液压启闭机油缸上各布置2支油压传感器，共计8支油压传感器，用于阀门启闭力监测。

(2)闸室人字门监测

选择4闸首人字门进行监测。在人字门门体、顶枢A、B杆，背拉杆等部位布置38支应变计；在人字门门体，背拉杆等部位布置24支加速度计，在4闸首人字门液压启闭机油缸上布置2支油压传感器，用于闸门启闭力监测。

5.5观测站设置

各级阀门井段和闸室内的测点电缆分别引入相应闸室人字门启闭机房内观测站观测。上、下游引航道中测点电缆在观测时引入临时设置的观测站。

6结语

三峡船闸水力学监测从设计、施工埋设到正式观测，历时长达6年之久，工作量大，监测内容广而复杂是国内外都没有过的。通过三峡船闸水力学安全监测能够全面了解船闸在不同运行方式情况下，由非恒定水流动力作用对船闸水力学中各种物理量产生的影响，从而获得比较全面的认识，并为工程验收和船闸安全运行提供可靠的科学数据。