富春江船闸扩建改造工程输水阀门水力学试验研究

李浙江，金国强，张公略，范大林

（浙江省交通规划设计研究院，杭州310006）

富春江船闸扩建改造工程输水阀门水力学试验研究

李浙江，金国强，张公略，范大林

（浙江省交通规划设计研究院，杭州310006）

富春江船闸扩建改造工程采用第二类分散输水系统。输水系统布置受到限制，新建船闸充水阀门上下游输水廊道在较短距离内存在连续的水平和垂直转弯，且阀门后廊道平顺段长度较短，阀门进出水流流态较为复杂。通过减压模型对输水阀门进行了试验研究；通过常压模型对新老输水系统衔接段进行了试验研究。试验结果表明：（“平面渐扩”+“大衔接池”）的新老输水系统衔接方案及“顶扩体型”的阀门段布置型式，辅以“门楣通气”工程措施后，廊道内的水流条件较好，空化噪声得到有效抑制，空化问题得到有效解决。

船闸；改扩建；阀门；模型试验；常压；减压；空化；大衔接池；平面渐扩；门楣通气

富春江枢纽电站及船闸建于20世纪60年代，工程位于钱塘江中下游浙江省桐庐县境内。原船闸设计标准为100 t单级双向船闸，有效尺度为100 m×14.4 m×2.5 m。随着货运量需求的快速增长，现有的船闸由于等级低、规模小，已成为钱塘江中上游航运复兴的瓶颈，制约了地区经济的发展，迫切需要进行工程改扩建。由于受到防洪、发电、大坝安全、电网安全等条件制约，原船闸无法拆除，经过前期的充分技术研究和论证，提出的船闸扩建改造工程建设方案为：保留现有老船闸，经加固改造后作为上游引航渠道，紧接其下游新建一座Ⅲ级船闸，有效尺度为300 m×23 m×4.50 m，设计最大水头20.2 m。由于船闸水头较高，船闸平面布置受限，船闸充水阀门上下游输水廊道存在连续的水平和垂直转弯，阀门后廊道平顺段长度较短，阀门进出水流流态较为复杂，其阀门水力学尤其是空化问题突出。此外，根据船闸输水系统整体模型试验成果，新船闸充水时需要从上游老闸闸室内引水，造成老闸闸室水位下降明显，其上闸首处形成堰流，同时老船闸闸室内廊道上方布置了进水孔，考虑到必须满足老船闸闸室内水流条件及新船闸的设计输水时间，对新船闸充水阀门运行条件要求较高。为此，有必要对充水阀门进行专门的阀门水力学模型试验研究。

1 输水系统布置方案及水力特性［1-2］

1.1 老船闸输水系统利用及改造方案

现有老船闸的输水系统为闸室底板长廊道顶支孔出水的分散输水系统，根据输水系统整体模型试验，本工程输水系统对老闸的利用及改造方案为：利用老船闸原有输水廊道及上闸首进水口，在原闸室底部输水廊道上方加设两支输水廊道，廊道为矩形断面，宽4.0 m，高4.5 m。在上层廊道顶板上开设4个矩形进水孔，孔口尺寸为6.0 m×0.75 m，为保证进水孔上方水流流态平缓，在每个孔口上方设置一个上、下游侧透空的混凝土挡水板。

1.2 新建船闸输水系统布置方案

船闸最大设计水头20.2 m，采用第二类分散输水系统，即闸室底板内长廊道侧支孔出水明沟消能的输水方式［3］，设计输水时间估算为16 min，输水系统布置见图1。

新建船闸上闸首进水口与老船闸新增上层输水廊道水平衔接，通过水平转弯和垂直转弯，高程由2.5 m降至-8.21 m，与新船闸两侧边墩内廊道相接，廊道上布置工作阀门（反弧门）和检修阀门（平板门），阀门处廊道高度和宽度均为4.0 m，阀门后廊道顶高程抬高至-3.71 m，廊道高度增大为4.5 m。

图1 船闸输水系统平面布置图Fig.1Plane layout of filling and emptying system of ship lock

上闸首左、右两侧输水廊道与闸室边墙内的廊道顺直衔接，在检修阀门井后，通过水平及竖向弯道在闸室汇合至底板中部的纵向输水主廊道，廊道断面为2×4.5×4.5，采用侧支孔出水明沟消能，闸底廊道出水段每侧设46个出水孔，分为3组。

闸室主廊道通过2个水平转弯与下闸首闸室输水廊道相联接，分成左右两支，左侧输水廊道接至左侧河道，采用旁侧泄水，右侧廊道接入闸首下游的消能室内，通过顶支孔出水泄入下游引航道内。

1.3 输水系统水力特性

设计水位组合下的船闸输水和泄水水力特征值见表1。

表1 输水系统充、泄水水力特征值Tab.1Characteristic value of water conveyance system in water filling and draining

2 一阶段减压模型试验

2.1 试验方法和仪器设备

本工程采取减压物理模型试验开展船闸阀门水力学问题研究，根据充水阀门具体条件，初步考虑采用门楣通气作为抑制阀门门楣空化、底缘空化的必备措施［4-6］，鉴于原型门楣与弧门面板缝隙间歇较小，为保证门楣通气的相似性，借鉴其他船闸试验及运行经验，确定阀门水力学减压模型比尺λL=12.5［7］。为能准确反映来流条件及阀门区水流特性，自上游工作阀门井以上10 m到下游检修门井后23 m的区域，模型试验工作段与原型保持几何相似。试验工作段（包括阀门井和上、下检修门井）全部采用有机玻璃材料制作，以观察水流流态。减压试验在恒定流减压箱中进行，箱体净宽1 m，减压模型布置见图2。

鉴于本工程输水廊道惯性长度较大，恒定流减压试验不能复演非恒定流惯性作用，为此，试验中控制各开度流量及门后最低点压力与船闸整体模型一致，保证阀门空化数相似。实验仪器具有水位及真空度目标值的自动计算、自动调节功能。

图2 工作阀门减压模型试验输水系统布置图Fig.2Layout of filling and emptying system in relief model test

空化噪声作为空化溃灭过程的基本信息，是判断空化初生和发展的一种极为有效的手段，为此，在减压试验中，通过布置在阀门段的水听器监测水流噪声，采用先进的高速瞬态波形采集分析系统采集和处理噪声信号。本试验中共安装了3个水听器：1＃水听器主要接收门楣位置空化噪声信号；2＃水听器主要接收底缘空化噪声信号；3＃水听器主要接收到的是下检修门井空化噪声信号及底缘发生强空化时传递到下游的噪声信号。水听器布置见图2。

2.2 试验研究过程及结论

根据我国多年来类似船闸的建设和运营经验，为了解决阀门空化问题，本工程中主要采取了如下两方面工程措施［8］：（1）阀门门后廊道采用“顶扩体型”，即门后采用1∶20坡度顶渐扩体型，廊道高度由4 m渐变至4.5 m；（2）阀门门后廊道顶设置通气管，进行门楣通气。

减压模型试验重点进行了最不利水位组合（上游24.00 m，下游2.78 m），阀门开度n=0.4～0.7（n=0.1～0.3时，经初步试验，未发现有空化现象）的阀门空化特性的研究。

在门楣不通气条件下，阀门各开度下检修门附近水流条件较好，但阀门段存在空化现象，空化主要发生在门楣及阀门底缘，以n=0.4～0.5空化最为剧烈，仪器接收到的最大噪声强度达100 Pa。在采取门楣通气措施后，在小开度条件下（n=0.4～0.5开度），阀门段各部位空化噪声强度及高频噪声均能显著降低。但是当阀门开度大于0.6以后，阀门段依然存在空化现象，这与一般输水阀门工作特性相悖。

经分析，产生的原因为：本工程利用了老船闸的输水系统，较为特殊，新旧船闸衔接段存在较短距离内的水平转弯紧接垂直转弯的特殊体型，在输水廊道阀门段出现了一般船闸所没有出现的异常现象，通过目测发现，n＝0.5和n＝0.6开度时阀门上游竖向转弯段存在一明显螺旋流，随着阀门开度的增大，该螺旋流强度显著增强，竖向转弯处有空泡不断生成与溃灭，并发出刺耳噼啪声，属典型强空化特征。该空化的存在将与工作阀门段空化产生叠加效应，恶化了水流工作条件。为了真实反映输水阀门的水流工作条件，有必要将工作阀门段及新旧船闸输水系统廊道衔接段单独研究，以避免相互干扰。

2.3 门前段体型简化后的减压模型试验

在现有模型基础上，对门前体型进行修改，将原先“水平转弯、垂直转弯、水平转弯”简化为“垂直转弯、水平转弯”（调整简化后的模型见图3），以消除该处螺旋流，在此条件下重新开展工作阀门减压模型试验。

试验结果表明，门前段调整后，因阀门前体型急剧变化而引起的螺旋流基本消失。不通气条件下依然存在空化现象；门楣通气后，各开度（n＝0.4～0.6），门楣空化及阀门底缘空化噪声显著减小，掺气水流覆盖整个门后剪切水流掺混区域，阀门空化明显消失，门楣空化及阀门底缘空化都得到了有效抑制。

图3 门前段体形调整简化后的减压试验模型Fig.3Decompression test model of type in front section after adjusting

图4 新老输水系统衔接布置图Fig.4Layout of new and old system of filling on join segments

3 二阶段常压模型试验

3.1 试验方法及步骤

建立比尺为1∶20的新模型，对输水系统新老廊道衔接段体型进行专门研究，开展常压模型试验，监测廊道压力分布特性，研究新旧船闸输水系统廊道衔接段水流工作条件。

为了消除阀门段的廊道竖向转弯段的螺旋流，试验中先后考虑了多个布置方案，由于受到工程建设条件限制，无法对输水系统大的布局进行调整，经过多次模型试验，最终获得了新旧船闸输水系统衔接段最优的布置型式（图4）：老船闸下闸首与新船闸上闸首衔接段采用一“大衔接池”衔接，代替传统船闸廊道衔接方式，同时老闸闸室新增的上层输水廊道与“大衔接池”顶面采用“平面渐扩”衔接方式。

3.2 试验结论

根据修改后的新老输水系统衔接结构进行常压模型试验，试验表明：在阀门各开度下，廊道顶沿程压力均为正值，符合规范要求，值得注意的是，与常规船闸输水廊道顶压力分布不同，本船闸阀门段由于新旧船闸输水廊道连接段水流存在急转，尽管采用了“大衔接池”+“平面渐扩”的衔接方式，新旧船闸输水廊道衔接段工作压力已有明显提高，原布置方案中衔接段廊道最低压力由-2.95 m提升为8.06 m，但较弱的螺旋流存在不可避免，体现在廊道顶压力分布上，由于螺旋流的存在，工作阀门后水流顶冲范围较大，直至检修门后测点（约门后6.6倍廊道高），压力才达到最大值，模型最下游3个测点压力依然存在一定差别，即水流流向未完全调整过来。

鉴于此，有必要对新老输水系统衔接体型调整后的模型再次进行减压模型试验。

4 二阶段减压模型试验

根据新老输水系统衔接段优化后的体型修改了试验模型，并第三次进行减压模型试验，试验结果表明：体型修改后输水廊道（阀门段）螺旋流已基本消失，水流过渡平顺。各开度条件下空化噪音监测结果表明，输水廊道衔接段空化完全消失，水流条件有明显改善，推荐的衔接段体型达到了预期效果。新老输水系统衔接段体型调整前后水听器监测到的噪声值对比见图5和图6。

图5 体型调整前的阀门空化噪声Fig.5Valve cavitation noise before shape adjustment

图6 体型调整后的阀门空化噪声Fig.6Valve cavitaion noise after shape adjustment

5 结论与建议

5.1 结论

富春江船闸扩建改造工程是在保留老船闸基础上，紧接其下游新建一座高等级、大尺度的船闸工程，由于船闸规模大，水头较高，受到扩建条件限制，工作阀门上下游输水廊道存在连续的水平和垂直转弯，阀门后平顺段距离较短，阀门进出水流流态较为复杂，其阀门水力学尤其是空化问题突出。通过输水阀门前后廊道体型的多次调整优化，经反复的减压和常压模型试验研究，试验结果表明：调整优化后提出的（“平面渐扩”+“大衔接池”）的新老输水系统衔接方案及“顶扩体型”的阀门段布置型式，辅以“门楣通气”工程措施后，充水阀门前后的廊道水流条件较好，空化得到有效抵制，能够满足本工程工作阀门安全运转的要求。

5.2 建议

阀门的水力学条件是关系到船闸安全运行及船闸航运效益发挥的关键问题。船闸输水具有非常显著的非恒定流特征，由于模型试验的缩尺效应的存在，工程原型与模型间的差别尚无法准确计算和预测。由于富春江船闸改扩建工程布置型式特殊，且工作水头较高，输水系统较复杂，国内尚无工程实例，为了掌握模型试验与工程实际间的差别，建议船闸建成投运前进行必要的船闸水力学原型观测和调试工作，确保阀门的安全运转，以充分发挥船闸的航运效益。

［1］金国强，刘本芹，宣国祥，等.富春江船闸扩建改造工程船闸输水系统布置研究［J］.水利水运工程学报，2012（4）：60-64. JIN G Q.LIU B Q，XUAN G X，et al.Layout of filling and emptying system of ship lock reconstruction project on Fuchunjiang River［J］.Hydro⁃Science and Engineering，2012（4）：60-64.

［2］宣国祥，刘本芹，黄岳，等.富春江船闸改扩建工程输水系统布置水力特性分析及水力学模型试验研究［R］.南京：南京水利科学研究院，2011．

［3］王作高.船闸设计［M］.北京：水利电力出版社，1992．

［4］刘平昌，王召兵，向文英.船闸输水阀门底缘空化改善措施研究［J］.重庆交通学院学报，2001，20（1）：110-113. LIU P C，WANG Z B，XIANG W Y.Study on Improvement Measures Against Lip Cavitation of Lock Filling and Emptying Valves［J］.Journal of Chongqing Jiaotong Institute，2001，20（1）：110-113.

［5］王军，杨斌，陈明栋，等.高水头船闸输水系统研究综述［J］.重庆交通大学学报：自然科学版，2007，26（5）：125-128. WANG J，YANG B，CHEN M D，et al.Review of Studies on Filling and Emptying Syetem of High Head Lock［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University：Natural Science，2007，26（5）：125-128.

［6］戴会超，朱红兵.三峡永久船闸输水系统水力学问题研究［J］.水力发电，2005，31（1）：28-31. DAI H C，ZHU H B.Study on hydraulic of convey water system in TGP 5⁃step ship lock of Three Gorges［J］.Water Power，2005，31（1）：28-31.

［7］JTJ235-2003，通航建筑物水力学模拟技术规程［S］.

［8］连恒铎，张瑞清.水口船闸廊道输水反弧门空化成因及防范措施［J］.福建电力与电工，2004，24（1）：12-13.

Experimental research on filling valve of ship lock reconstruction project on Fuchu River

LI Zhe⁃jiang,JIN Guo⁃qiang,ZHANG Gong⁃lue,FAN Da⁃lin
（Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning,Design＆Research,Hangzhou 310006,China）

The second type of filling and emptying system was used in ship lock reconstruction project on Fuc⁃hun River.Because the layout of water system was limited,there was consecutive level and vertical turn of culvert up and down filling valve.The length of culvert smooth section was shorter,and the water flow of water inlet and out⁃let from valve was complex.Experimental research on filling wave was carried out through decompressed model tests,and the experimental research on the joint of new and old water system was hold through atmospheric model test.The test results show that:with the(flat diverging+big convergence pool)of new and old water system and top expansion valve arrangement type segment,supplemented by lintel ventilation engineering measures,the flow condi⁃tion of culvert is pretty good,the cavitation noise and the cavitation problem are effectively restrained.

ship lock；reconstruction；valve；model test；atmosphere；decompression；cavitation；big conver⁃gence pool；flat diverging；lintel ventilation

U 641.1

A

1005-8443（2014）06-0618-05

国家新闻出版广电总局确定第一批认定学术期刊名单

2014-03-16；

2014-05-12

李浙江（1975-），男，江苏省连云港人，高级工程师，主要从事港口及航道工程设计和研究工作。

Biography：LI Zhe⁃jiang（1975-），male，senior engineer.

本刊从国家新闻出版广电总局新闻报刊司获悉，国家新闻出版广电总局于2014年11月18日发布公示了第一批认定学术期刊名单，本刊榜上有名。为严格学术期刊出版资质，优化学术期刊出版环境，促进学术期刊健康发展，根据新闻出版广电总局《关于规范学术期刊出版秩序促进学术期刊健康发展的通知》《关于开展学术期刊认定及清理工作的通知》，总局组织开展了学术期刊认定工作。经过各省、区、市新闻出版广电局，中央期刊主管单位初审上报，总局组织有关专家严格审定，确定了第一批认定学术期刊名单。第一批通过认定的学术期刊共计5 756种，其中社科类期刊2 043种，科技类期刊3 713种。（殷缶，梅深）