蚌埠闸复线船闸输水系统消力槛水工模型试验研究

赵海林

（安徽省淮河河道管理局 蚌埠 233000）

1 工程概况及试验背景

蚌埠闸枢纽工程位于淮河干流中游，在安徽省蚌埠市西郊许庄处，距蚌埠市约6km，是一座以蓄水灌溉为主，兼有航运、供水和发电的综合利用工程。整个枢纽工程由节制闸（12孔深孔闸和28孔浅孔闸）、双线船闸（老船闸和复线船闸）、水电站及分洪道组成。

蚌埠闸复线船闸位于老船闸南侧，与老船闸平行布置，两闸中心距66.8m，上闸首上游边线与老闸边线平齐布置，下闸首布置在下游引航道内。设计最低通航水位按96%保证率水位确定，按Ⅲ级标准建设，闸室有效尺度为230m×23m×3.5m（长×宽×最小门槛水深），最大运行水头7.20m，闸室底槛高程7.80m。

复线船闸采用分散输水系统，包括进口、输水廊道、闸室侧墙支孔、出水口。进口断面尺寸7.6m×3.5m（宽×高），输水廊道断面尺寸4.0m×3.0m（宽×高）；出水口断面尺寸6.0m×3.0m（宽×高）；闸室侧墙支孔在闸室中段长150m范围内布置，间距5m，单侧共31个支孔，断面尺寸0.5m×0.8m（宽×高）。

复线船闸设计代表船型包括：设计船型，1000t级货船，船型尺度58m×11m×2.8m（长×宽×吃水）；兼顾船型，2000t级货船，船型尺度68m×13.8m×3.2m（长×宽×吃水）。复线船闸设计运行条件见表1。

蚌埠闸复线船闸自2010年建成至今已运行8年，计划对复线船闸抽水检修。当前船舶大型化、超载现象成为常态，而扩建船闸闸室设计门槛最小水深为3.5m，枯水期闸室侧支孔输水出口消力槛可能会触碰船底，损伤船体，造成搁浅。同时，船闸输水系统水流流态较为复杂，闸室内船舶的纵、横系缆力单纯依靠水力计算数据误差较大，频繁造成系船钩被拉断、剪断，严重影响船舶过闸安全。因此，结合本次检修，开展对蚌埠闸复线船闸输水系统的水工模型试验，研究适当降低槛高的可能性及措施。

表1 复线船闸设计运行条件表

2 试验内容及模型设计

2.1 试验内容

对现状输水系统、拟调整的槛高、槛距组合进行充水试验，观察分析水流流态，测量停泊在闸室内船舶（分上半闸室、闸室中段及下半闸室）的纵、横向系缆力，验证闸室内船舶停泊条件是否满足规范要求，进而提出输水阀门运行方式及启闭速度的建议值、槛高及槛距的建议值。

2.2 模型设计及制作

模型采用正态模型，选定平面比尺1∶20，根据模型相似律，各项比尺与平面比尺的关系见表2。

模型输水系统上下库采用水泥砂浆制作；输水廊道、闸室、输水阀门采用透明有机玻璃制作，便于观测流态；上下游闸门采用灰色塑料板制作。

船闸闸室采用整体式钢筋混凝土结构，其糙率系数一般为0.013～0.014，相应模型中糙率为0.0079～0.0085。制作模型的有机玻璃的糙率一般为 0.008～0.009，取均值0.0085，因此，模型的糙率值略偏大，基本满足相似要求，试验结果略偏安全。

表2 模型比尺关系表

2.3 模型自动测控系统

船闸输水系统特性试验均采用非恒定流试验，因此，不仅采用常规的测试仪器，如水位仪、测针、流速仪、测压管等，还设置一套船闸水力模型自动检测与控制系统，实现水位、阀门开度、流速、波浪、时间等水力要素的自动检测与控制，系统具体布置及原理见图1和图2。

图1 模型自动测控系统布置示意图

图2 模型自动测控系统控制原理图

3 试验分析

首先对现状工况下流速的分布情况进行试验分析，然后试验分析不同消力槛槛高、槛距工况下，闸室内船舶的纵、横向系缆力是否满足规范要求。

3.1 闸室船舶停泊条件试验

采用最大设计水头即上游水位18.50m，闸室水位与闸下水位齐平11.30m，2.5分钟完全开启阀门，在现状工况（消力槛槛高0.8m，槛距1.0m，消力槛宽度0.3m）和6个修改工况下，分别对设计1000t单船和设计2000t单船进行了船舶停泊条件试验，实验结果见表3。

试验结果表明：修改方案一1000t船舶最大系缆力基本满足规范要求，而2000t船舶最大系缆力不能满足规范要求；其余各种工况下，1000t和2000t船舶最大系缆力均不能满足规范要求。因此，1000t单船，消力槛槛高0.5m，槛距1.0m优于其他方案。

针对修改方案一2000t船舶最大系缆力不满足规范要求情况，进行专项试验，采用两种方式：方式一，保证上游水位18.5m，2.5min完全开启阀门不变，将闸室初始水位抬高至11.5m、11.7m和11.9m；方式二，保证上游水位18.5m，闸室初始水位11.3m不变，将阀门开启时间调整为3.0min、3.5min。试验结果见表4。

表3 各工况下最大设计水头方案闸室内船舶最大系缆力表

表4 2000t船舶专项试验最大系缆力表

试验结果表明：当闸室水位抬高至11.9m时，2000t船舶最大系缆力满足规范要求；阀门开启时间调整为3.5min时，2000t船舶最大系缆力基本满足规范要求。

3.2 试验结论

经过多种方案比较，消力槛槛高0.5m，槛距1.0m为最优方案，并建议输水阀门运行方式及启闭速度采用两种方式：（1）上游水位18.5m，闸室水位11.9m，阀门开启时间2.5min；（2）上游水位18.5m，闸室水位11.3m，阀门开启时间3.5min。

4 结语

蚌埠闸复线船闸在抽水检修中，依据试验结果调整了消力槛的布置，在检修完成后的运行中，参照试验结果调整阀门开启时间，自2018年4月初检修完成运行至今，再未发生系船钩损坏情况，不仅提高了通航保证率，还大大提高了通航安全系数，证明试验结果充分可靠。这种采用水工模型试验的方式确定消力槛的布置方案和阀门运行方式，对同类船闸有很好的借鉴作用