泰州引江河高港二线船闸输水系统布置及水力计算分析

刘本芹，宣国祥

(南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029)

泰州引江河高港枢纽工程位于江苏省泰州市高港区境内的引江河引江入口处，距江边1300m.高港二线船闸设计通航标准为双列1+2×1000 t级船队，船队尺度为160.0m×10.8 m×2.0m(长×宽×吃水);船闸规模为230m×23m×4.0m(长×宽×最小水深);设计上、下游通航水位组合分别为3.00～ －0.50m(水头3.50m)，1.00～5.48 m(水头－4.48 m)，0.50～2.50m(水头－2.00m);输水时间要求不超过8 min.

高港枢纽工程为引水工程，船闸根据长江水位与引江河水位的不同而具有双向水头;船闸闸门采用三角门，船闸设计规模、通航标准以及相关水力指标与类似的船闸工程相比位居前列，输水系统布置难度较大.因此，在进行船闸输水系统布置和研究时，除确定合适的输水系统型式外，还必须设计合适的消能工来消能，使充水时闸室内水流条件满足通航安全要求，同时需要研究提出输水阀门的开启方式，以便满足输水时间的要求.

1 输水系统选型

高港二线船闸设计反向水头大于正向水头，对输水系统选型起控制作用.根据《船闸输水系统设计规范》(JTJ 306－2001)［1］，按设计输水时间8 min计算得出的输水系统选型系数为3.78，该值大于3.5，说明可采用集中输水系统方案.

考虑到高港二线船闸的闸门为三角闸门，而三角闸门挡水时的闸门启闭力较小，能在动水中启闭，在低水头船闸中可以利用三角闸门的门缝进行船闸的充泄水.为了充分利用三角门的这一特点，研究确定高港二线船闸的输水系统型式为短廊道和三角门门缝联合输水，即船闸输水初期通过布置在闸首的短廊道输水，随着输水过程的进展，当上下游水位差较小时逐渐开启三角门，此时由短廊道和三角门门缝共同输水，但需保证由三角门门缝输水产生的闸室断面最大平均流速满足规范要求.而为了克服集中输水系统船闸在水力特性方面的弱点，可通过在短廊道出口布置合适的消能工和确定合适的输水阀门开启速度来消减和控制充水过程中的波浪作用力和局部水流作用力.

2 输水系统及消能工布置

2.1 输水阀门处短廊道尺寸

在进行联合输水方式的水力计算时，首先需确定设置在闸首短廊道上的输水阀门尺寸.按规范，三角门门缝输水型式适用于闸室最大断面平均流速小于0.25m/s和设计水头小于4.0m的情形，水头在1.4 m以下可直接用三角门门缝输水［1］.对比分析已有研究资料后确定开启三角门的水头为0.40m，即:当上下游水位差Hk降低至0.40m前由短廊道单独输水，上下游水位差Hk由0.40m降至闸室内外水位齐平的这段时间由短廊道和三角门门缝共同输水［2］.输水系统布置完成后再通过计算输水水力特性加以验证流速指标.

由于联合输水的水力计算十分复杂，文中计算时在水位差小于0.40m的这段时间只考虑三角门门缝输水，对于短廊道输水部分由输水流量不均匀系数β加以调整［3］.依据规范对三角门门缝输水规定的水力指标，针对正、反向最大水头运行工况，计算得出水位差Hk≤0.40m时通过三角门门缝输水的时间Tk分别需满足Tk≥38 s和Tk≥28 s，因此要求Hk＞0.40m时短廊道输水系统的输水时间Td分别需满足下列条件:正向最大水头时Td≤T－Tk=480－38=442 s，反向最大水头时Td≤T－Tk=480－28=452 s.

而根据《船闸输水系统设计规范》及参考文献，可进一步推导出由初始水头降至Hk经短廊道输水所需时间Td与阀门面积ω的关系［3］，即:

式中:C为计算闸室水域面积，对于高港二线船闸，C=23×253=5819 m2;H为水头，正、反向最大水头分别为3.50和4.48 m;μ为阀门全开时的流量系数，对比分析了采用类似输水系统布置的船闸物理模型试验资料，取高港二线船闸输水阀门全开时短廊道输水的流量系数为0.73;α为系数，查《船闸输水系统设计规范》中的表3.3.2得出α=0.55;kv为阀门开启时间与输水时间之比，暂取0.8;g为重力加速度.

由上式计算得出短廊道输水阀门面积在正向最大水头时需满足ω≥18.7m2，反向最大水头时需ω≥21.3m2.考虑到该船闸不进行物理模型试验，且计算时相关系数为根据经验取值或暂定值，因此在上述水力计算出的最小允许值的基础上留有一定余地，确定短廊道输水阀门面积为24.5m2，由此设计出两侧输水阀门处廊道断面尺寸均为3.5m×3.5m(宽×高).

2.2 进、出水口及消能工布置

上闸首有短廊道侧面进、出水，出水口外设消力槛，进水口廊道底高程为 －5.60m，廊道顶高程－2.10m;下闸首采用反向布置，以充分利用门库进行消能，其短廊道也有侧面进、出水，出水口外设消力槛，进水口廊道底高程为－5.00m，廊道顶高程－1.50m.上、下闸首输水系统布置见图1.

为使船闸充水运行时闸室内获得较好的水流条件，对消能工型式及布置方案进行了详细的研究，在输水系统细部布置时采取了以下几点措施:①上闸首短廊道进、出水口外第一根消力槛底部布置2个高度为0.80m的过水孔，使出水水流通过第一道消力槛后进一步向中心部位扩散，以减小出水口水面的壅高，下闸首由于受槛的高度限制未布置过水孔;②在两侧门库边墙内侧各布置一道高0.75m的竖向鼻槛，以减少进入短廊道的水流，并可使短廊道外水流形成鼻槛消能，提高消能效果，也增大了消能水体，竖向鼻槛长度大于廊道高度0.50m以上;③为了避免充水时出水水流对冲消能区临近船舶停泊处，在上、下闸首闸室侧的短廊道出口处布置了高度为0.30m的竖向挡槛，从而进一步改善水流的平面分布.

图1 高港二线船闸输水系统布置(单位:高程:m，其他:cm)Fig.1 Layout of the filling and emptying system for Gaogang second-line shiplock(unit:elevation:m，others:cm)

3 阀门开启方式研究

3.1 满足波浪力要求的充水阀门开启时间

对于采用集中输水系统的船闸，规范规定充水时受第一波浪力控制的输水阀门匀速全开时间［1］为:

计算得a=0.048，b=0.792;正向水头时α=0.530，β=0.975，反向水头时α=0.658，β=0.989;正向水头充水时双列船队的波浪力系数D=1.587，相应的充水阀门全开时间约为tv=404 s;反向水头充水时则有D=1.447，tv=244 s.

3.2 满足波浪力要求的泄水阀门开启时间

另外，《船闸输水系统设计规范》规定下游引航道流速不应大于0.8～1.0m/s［1］，因此对于高港二线船闸，泄水时引航道船舶所受波浪力不是泄水阀门开启方式的控制条件，需考虑泄水时引航道内流速条件等各种因素后再确定.

3.3 阀门开启方式及速度的确定

由于船闸具有双向水头，在综合考虑船舶停泊条件、输水时间要求、闸室及引航道水流条件等多种因素的前提下，尽量简化阀门运行方式，从而便于船闸运行及操作管理.由此确定高港二线船闸上闸首不论正向水头充水还是反向水头泄水，输水阀门开启时间均为390 s;下闸首不论正向水头泄水还是反向水头充水，输水阀门开启时间均为300 s.

4 输水水力特性

4.1 数学模型及计算参数

根据船闸输水原理及Bernoulli方程［4-6］，可以写出描述单级船闸输水时的非恒定流方程组，而三角门门缝输水的水流流态十分复杂，美国通常采用的计算式为，其中 Qk为三角门门缝输水的流量;μd为三角门门缝输水的流量系数，此处依据美国的相关试验研究资料取0.55;ωk为三角门门缝过水断面面积，计算中取三角门匀速全开时间为240 s;h为门缝上下游水位差.由此可建立短廊道与三角门门缝联合输水方式的船闸输水数学模型，本文采用迭代和差分法求解，从而计算船闸联合输水过程的水力特征值.

高港二线船闸具有双向水头，研究确定的上、下闸首布置基本相同，仅槛的高度及底高程有所差别，因此上、下闸首输水系统的流量系数较为接近，具体取值参考了采用类似输水系统型式船闸的物理模型试验研究资料［8-10］，不同水头运行工况下数学模型计算特征参数见表1.

表1 数学模型计算特征参数Tab.1 Calculation parameters of mathematical model

4.2 输水水力特性

计算得出不同运行工况的船闸充、泄水水力特征值见表2，典型水力特性曲线见图2.计算结果表明:各种运行水头下，输水时间满足设计不超过8 min的要求;充水时闸室断面最大平均流速均小于0.65m/s，满足规范布置简单消能工的流速指标;泄水时引航道断面最大平均流速远小于0.8 m/s，满足规范要求;三角门门缝输水产生的闸室断面最大平均流速小于0.25m/s，满足规范要求.经输水水力特征值的数模计算结果验证，前述输水系统布置及确定的阀门开启方式是合适的.

表2 闸室输水时最大水力特性值Tab.2 Maximum hydraulic characters of lock during filling and emptying

此外，正向最大水头以及反向常水头充水水力特性计算结果显示，短廊道输水阀门尚未开启完毕水位差Hk已降至0.40m，此时三角闸门也开始开启;而反向常水头泄水运行时，输水结束后短廊道输水阀门尚未开启完毕.因此，建议设计部门在液压启闭机和电气系统设计中考虑上述短廊道输水阀门和三角闸门同时运行的情况，闸、阀门采用独立的启闭系统.

图2 典型水力特性曲线Fig.2 Typical hydraulic characteristic curves of lock during filling and emptying

5 结语

(1)高港二线船闸具有双向水头，本文在分析国内部分集中输水系统船闸资料的基础上，通过水力计算分析并结合工程特点，研究确定采用短廊道和三角门门缝相结合的输水系统，并提出了输水系统具体布置，在消能工布置时研究了三项具体措施来保证闸室获得较好的水流条件.

(2)在综合考虑船舶停泊条件、输水时间要求、闸室及引航道水流条件以及便于船闸运行和操作管理等多种因素的前提下，研究确定了上、下闸首阀门开启方式;通过建立船闸联合输水数学模型，计算了不同运行工况的闸室输水水力特性，各项指标满足设计和规范要求.

(3)根据水力特性计算成果，正向最大水头充水和反向常水头充、泄水时，输水阀门尚未开启完毕三角门便已开始开启，提出了在液压启闭机和电气系统设计中考虑短廊道输水阀门和三角闸门同时运行的情况，闸、阀门采用独立的启闭系统.

［1］JTJ 306-2001，船闸输水系统设计规范［S］.(JTJ 306-2001，Design code for filling and emptying system of shiplocks［S］.(in Chinese))

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