大藤峡船闸关键水力学问题研究

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(长江科学院 水力学研究所，武汉 430010)

1 工程背景

大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系黔江河段大藤峡峡谷出口处，下距广西桂平市黔江彩虹桥6.6 km，是一座以防洪、航运、发电、水资源配置为主，结合灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。大藤峡水利枢纽地处西江水运咽喉要道，船闸为该枢纽唯一的过船通道，其性能关系到黔江航道能否通畅，航运地位十分重要。

大藤峡船闸设计通航最大船舶吨级为3 000 t，船闸级别为Ⅰ级，采用单线单级布置，闸室有效尺寸为280 m×34 m×5.8 m(有效长度×有效宽度×最小门槛水深)。上游最高通航水位61.00 m、上游最低通航水位44.00 m，下游最高通航水位41.21 m、下游最低通航水位20.75 m，最高通航水头40.25 m。船闸通航代表船型为3 000 t级集装箱船及2×2 000 t级船队，船闸输水时间需≤13.5 min。

大藤峡船闸的闸室尺度、水头、水位变幅条件以及通过能力要求等综合指标超过了国内外已建单级船闸的最高水平，输水过程中由于进入闸室的水流能量大，闸室内船舶停泊条件难以满足要求。另外，超高水头船闸输水系统水流空化问题突出，为了保证船闸建成后船舶能安全、迅速地通过船闸，对输水系统的布置、结构体型尺寸及输水阀门运行方式等进行模型试验和优化。

2 研究成果

大藤峡船闸是国内外首个水头超过40 m的大型单级船闸，闸室内船舶停泊条件及输水系统水流空化问题突出，因此针对上述关键水力学问题先后开展了数模计算选型、物模验证优化等系列研究，其中物模包括1∶30比尺船闸整体模型、1∶18比尺闸室输水系统半整体模型、1∶30比尺输水系统阀门段减压模型、1∶30比尺第2分流口减压模型。以下简单介绍优化研究思路和各模型相关试验成果，为今后的超高水头船闸水力学研究提供参考。

2.1 初设方案验证

2.1.1 输水系统简介

大藤峡船闸闸室有效尺寸与三峡船闸相同，借鉴三峡船闸的成功经验，初设方案采用了与三峡船闸类似的4区段8纵支廊道顶部出水盖板消能等惯性输水系统型式[1]，采用泄水箱涵将泄水水体泄入电站尾水渠中。其输水系统布置见图1。

图1 初设方案输水系统平面布置图Fig.1 Plane layout of the conveyance system in preliminary design

初设方案的数模计算成果表明，输水流量明显偏大，流道压力偏低，对输水廊道、阀门及闸室停泊条件均不利，为此适当减小了输水廊道断面尺寸，加长了闸室内出水廊道长度，并根据以往研究经验，将消能盖板体型修改为裙梁等高型[2]，将分流口墩头修改为半椭圆形[3]。经上述修改后作为初设验证方案进行模型验证，该验证方案主要结构特征参数见表1。

表1 初设验证方案输水系统主要结构特征尺寸Table 1 Dimensions of main components of the waterconveyance system in preliminary design

注：阀门段起始淹没水深=下游最低水位-阀门控制断面顶高程

2.1.2 验证试验成果

1∶30比尺船闸整体模型试验获得的正常双阀开启工况输水主要水力特征值见表2。

表2 最高通航水头闸室输水水力特征值Table 2 Hydraulic eigenvalues of water conveyance inthe chamber in the presence of maximum water head

注：tv为阀门开启速度，以匀速开启全历时计;H为输水起始水头；T为模型实测输水时间;T1为考虑15%缩尺效应后的输水时间;Qmax为最大流量；Umax为闸室水面最大上升(下降)速度

由表2可知，阀门采用tv=2～10 min速度开启，充泄水时间基本均能满足设计要求，且较快速度开阀时，裕度较大；闸室充泄水Qmax均超过三峡船闸运用最大流量613 m3/s，闸室水面上升速度也超过三峡船闸(3.54 m/min)。充水时闸室内流态较差，tv=2 min开阀充水，3 000 t船舶最大系缆力分别为88 kN(纵向)、80 kN(横向)，大幅超过规范要求(纵向力≤46 kN、横向力≤23 kN)。进一步放慢开阀速度至tv=12 min，系缆力仍超标，特别是横向力最大超标近30%。

试验还表明，该方案输水阀门突扩腔升坎等部位时均压力低，压力脉动大。若采用与三峡船闸相同的快速tv=2 min开阀方式，突扩腔升坎测点最低时均压力为Pmin=4.60×9.8 kPa(充水)、Pmin=5.48×9.8 kPa(泄水),瞬时最低压力Pmin=1.32×9.8 kPa(充水)、Pmin=-0.27×9.8 kPa(泄水)，类比三峡船闸模型试验及原观成果，初设验证方案输水阀门段压力偏低。

2.2 优化研究

初设验证方案成果表明，船闸必须满足的通过能力、船舶停泊条件、输水系统安全这3方面要求，仅通过能力满足，且有一定裕度，其余2方面均不达标，因此从综合考虑输水时间、闸室停泊条件和输水系统工作条件3方面要求着眼，通过调整输水阀门运行方式、输水系统关键部位体型及输水系统总体布置，达成均衡3方面要求，提升不达标短板的目的[4]。

2.2.1 输水阀门运行方式优选

输水阀门运行方式的选择，必须综合考虑输水时间要求、输水阀门工作条件、船舶停泊条件等因素影响。

从满足输水时间方面考虑，根据初设验证方案试验成果，充泄水阀门选择tv≤10 min均可；从改善停泊条件方面考虑，闸室内停泊条件存在随着开阀速度放慢而趋好的普遍规律，鉴于大藤峡船闸输水能量大，系缆力超标严重，放慢充水阀开阀速度有助于系缆力超标问题的解决，因此充水阀开阀速度选择慢速为好。而大藤峡船闸泄水系统的布置特点决定了泄水阀门开阀速度选择与下游引航道通航水流条件无关；从改善阀门工作条件来看，由于大藤峡船闸水位变幅大，不适宜采用浅埋深通气减蚀，因此提升阀门段压力成为减免大藤峡船闸阀门段水流空化的主要措施。

图2示出了初设验证方案，最高通航水头条件下，tv=2～12 min双阀充水(SC)、泄水(SX)和单阀充水(DC)、泄水(DX)，阀门后廊道典型测点最低时均压力与开阀时间关系。

图2 最低时均压力与开阀速度关系Fig.2 Relationship of lowest time-averaged pressure vs. valve opening duration

图2表明，从提高阀门段压力着眼，大藤峡船闸充水阀门以tv≥6 min慢速开启为佳，泄水阀门以tv=2 min快速开启为佳。

由图2 (b) 可知，泄水阀门段最低时均压力与开阀速度的关系，双泄工况下在tv≤8 min的速度区间为单调降变化，这一规律与三峡船闸不同，三峡船闸中间级输水，不管是充水还是泄水，tv<3 min区间单调减、tv>3 min区间单调升。

差异源于单级船闸泄水与多级船闸中间级泄水的边界条件不同。单级船闸泄水时下游水位基本恒定，不会随开阀速度的改变而改变，多级船闸中间级泄水时因下闸室水位升高获得的增压作用在单级船闸中消失，相应快速开阀因惯性提高阀门段压力的优势显现。

银盘船闸(单级、2区段2纵支等惯性输水系统)也具有泄水阀门段最低时均压力随开阀速度放慢单调下降这一规律[3]，显然对于具有复杂输水系统的高水头单级船闸而言，当下游水位变幅大，不适宜采用浅埋深通气减蚀时，快速开阀对提高阀门段压力、减免泄水阀门段水流空化有利，若船闸又采用了外泄泄水方式，泄水流量大小对下游引航道通航水流条件无影响，则泄水阀以快速开启为佳。

综合考虑输水时间要求、闸室停泊条件以及阀门段压力状况，双阀充水选择tv=6～8 min、双阀泄水选择tv=2～4 min，作为大藤峡船闸输水阀门运行速度是较为恰当的。

上述研究表明，对于水位变幅较大的单级大型高水头船闸而言，充水阀采用较慢速度开启、泄水阀采用快速开启，对均衡输水时间、闸室停泊条件、输水阀门水流空化条件3方面要求最为有利。固守充泄水阀门运行方式一致，会增加解决闸室停泊条件或阀门水流空化问题的难度，可能得不偿失。

2.2.2 输水阀门工作条件改善措施

改善输水阀门工作条件的目的，是避免阀门后水流空化带来的阀门振动及空蚀破坏。由于大藤峡船闸水位变幅大，不宜采用浅埋深通气减蚀措施[5-6]，因此提升输水阀门段廊道压力成为减免阀门段水流空化的主要手段。提升阀门段压力有2条途径，一条是输水阀门运行方式优化，另一条是输水系统布置或阀门段体型优化。

初设验证试验表明，通过优选输水阀门运行速度，可提升突扩腔压力，但仍偏低。因此，还需从优化输水系统布置或阀门段廊道体型的途径寻找综合解决方案。

考虑到初设验证方案输水时间比设计允许值短近3 min，因此，首先从充分利用输水时间裕度着眼，调整输水系统阻力及阻力分配，限制输水最大流量，提升压力[7]。

经过多个方案的优化比较，最终对输水系统进行了如下局部调整：①将输水阀门处廊道面积缩小13%；②闸室出水孔面积减小30%；③泄水箱涵出口面积缩小30%。

1∶30比尺整体模型试验结果表明，通过适当增大输水系统阻力，调整阀门段前后阻力分配及优选阀门运行方式，将最大输水流量控制在851 m3/s以下，充水流量减小12%、泄水流量减小17%，阀门段压力可提高到(8.34～9.63)×9.8 kPa(tv=6～8 min双充)、(8.58～6.03)×9.8 kPa(tv=2～4 min双泄)，压力提升明显。输水系统阀门段减压模型试验表明，在上述优化的基础上再加大阀门段埋深1 m，可保证阀门段空化强度降低到初生阶段，阀门段埋深加大6 m以上，可保证阀门段不发生空化。

2.2.3 闸室内停泊条件改善措施

采用上述调整阀门运行速度及输水系统阻力的措施，减小了输水流量和进入闸室的能量，使闸室停泊条件得到改善，但尚存在船舶横向力偏向一侧且超过允许值近1倍的问题。受输水时间要求限制，输水流量不可能无限制地减小。试验表明，在最大限度利用输水时间裕度后，可将闸室充泄水Qmax控制在850 m3/s左右，经计算，上述闸室内参与消能水体的比能仍为三峡船闸的1.2倍左右。因此，第2阶段优化首先从优化闸室内消能设施着手，在模型上尝试了诸如三峡船闸模型研究证实有效的“盖板+小明沟”[2]等措施，但作用有限。表明简单照搬三峡船闸的输水布置已不能解决该船闸的问题，其输水系统布置型式必须从大格局上进行调整。

对大藤峡船闸而言，因进入闸室的流量高、能量大，以往国内外船闸采用的常规4区段等惯性输水系统(见图1)，闸室内出流集中在闸底约65%左右范围内[8]，出水孔出流相对集中，上部参与消能的水体相对偏小，且闸底有出水孔区域与无出水孔区域会形成一定的水面坡降，亦不利于船舶停泊；另外，通过第2分流口进入出水分支廊道的流速较高，偏向严重，造成出水孔出流偏向。这些都是造成系缆力超标的原因。要解决上述问题，优化第2分流口体型、加大出水孔布置区域、使更多水体参与消能是关键。

图3 第2分流口常规体型与自分流体型比较Fig.3 Comparison between conventional layout and automatic diversion layout at the second outlet

图3绘出了国内外以往4区段输水系统采用的第2分流口体型(简称常规体型)，和取消导流隔板、空腔内水流自行分流的第2分流口体型(简称自分流体型)的结构示意图。由图3可知，常规的第2分流口，因采用水平与垂直组合分流造成调顺水流需较长距离，妨碍了出水孔布置更进一步分散。因此减小第2分流口所占闸底面积是优化的方向。其中最极端的做法是取消第2分流口，即采用2区段布置。

根据葛洲坝1#船闸研究经验[9]，对于闸室长度接近300 m的船闸，采用2区段等惯性输水系统，需要长度超过100 m的出水廊道，过长的出水廊道会使2区段出水孔布置对流量变化的适应性下降，即保证各级流量下出流均匀性能力较差。由于4区段等惯性输水系统具有对流量变化的适应性更强的特点，因此国内外水头Hmax≥30 m的单级船闸，闸室长度L≥200 m时均采用4区段等惯性输水系统，如美国的下花岗岩船闸(闸室有效尺寸206 m×26.2 m、Hmax=30.8 m)以及索伯雷丁莎船闸(闸室有效尺寸200 m×17 m、Hmax=33.0 m)[10]。鉴于此，优化方案仍采用4区段布置，仅将第2分流口体型由原来复杂的水平分流与垂直分流结合的分流型式(图3(a))，修改为简单的大空腔低流速自行分流型式(图3(b))，该型式第2分流口平面尺寸减小，出水支廊道加长，闸室内布置出水孔的区域占比提高至90%，使得闸室内参与消能的水体进一步增加，经计算采用tv=6 min双充时，闸室内消能水体比能降低至三峡船闸的0.85倍。这一第2分流口自行分流全闸室出水4区段等惯性输水系统简称为自分流全闸室输水系统，见图4。

上述输水系统体型还具有以下特点：

(1)与常规等惯性输水系统完全依靠分流口将流量均匀分配至各区段不同[11]，自行分流的第2分流口通过降低分流口内流速基本可达成分流均匀，但进入1/4(4/4)与2/4(3/4)区段的流量仍有15%左右的差异，研究表明，调整空腔体型对进一步均化分流作用不大，最终通过调整各区段出水孔面积很好保证了各区段出流的均匀性；

(2)出水支廊道采用近端大、远端小的变截面布置，配以等间距变孔宽的出水孔，保证了长度超过50 m的出水支廊道上各出水孔出流均匀[12]；

(3)自分流的第2分流口通过水流撞击、流线的急剧弯曲消耗能量，能起到内消能的作用，且根据流场特点最终采用的曲线型空腔(见图4)，解决了第2分流口充水顶冲区壁面，在泄水时出现的压力瞬时陡降问题，进一步优化了第2分流口压力特性，减压试验表明，第2分流口空化特性良好。

图4 自分流全闸室输水系统布置Fig.4 Layout of the conveyance system with automatic diversion outlets in the whole chamber

研究结果表明，自分流全闸室输水系统(图4)，在最高通航水头下，采用tv=6～8 min双阀开启充水、tv=2～4 min双阀开启泄水，充水时间为12.58～13.35 min、泄水时间为12.50～13.09 min，满足设计输水时间≤13.5 min要求；充水过程中，闸室内水流流态良好，闸室内3 000 t单船最大纵向力34～27 kN、最大横向系缆力9～8 kN，满足系缆力纵向力≤46 kN、横向力≤23 kN的规范要求，且有较大富余；2×2 000 t船队最大纵向力29～21 kN、最大横向系缆力5～3 kN，满足系缆力纵向力≤40 kN、横向力≤20 kN的规范要求，且有较大富余，很好地解决了大藤峡船闸闸室内船舶系缆力超标问题。

3 结 论

通过1∶30比尺船闸整体模型，结合减压及局部模型试验与数模计算，对大藤峡船闸关键水力学问题进行了研究，通过优选输水阀门运行方式、调整初设方案输水系统阻力和阻力分配以及适当降低输水阀门布置高程，优化了输水阀门工作条件。

参考国内外已建高水头船闸输水系统布置的成功经验，提出的全新自分流全闸室输水系统充分吸取了4区段等惯性输水系统对不同流量适应性强的优点，同时通过全闸室分散输水减小了闸室水流纵横向流动，有效降低了主要参与消能水体的比能，解决了水头超过40 m的大型超高水头单级船闸——大藤峡船闸系缆力超标问题，从实测系缆力来看已远小于规范允许值，是适应水头超过40 m的超高水头大型单级船闸较好的输水系统布置型式，现已被工程采用。

因闸室停泊条件好，该型式有望运用于更高水头大型船闸。