小清河水牛韩省水船闸输水系统布置及水力计算*

陈莹颖，李中华，许 铎

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029；3.河海大学，江苏 南京 210098)

小清河航道是山东省“一纵三横”内河主干航道网中重要的“一横”，也是山东省现阶段唯一具备海河联运开发利用条件的航道[1]。小清河复航工程于2019年下半年正式启动，复航河段共有水牛韩、金家堰、金家桥、王道4个梯级，其中水牛韩船闸尺度为230 m×23 m×5.0 m(有效长度×有效宽度×门槛水深)，可满足远期(2030年)通过量需求。

水牛韩船闸按Ⅱ级船闸标准建设[2]，主要通航1 000吨级船舶(队)，设计水头5.3 m(对应水位组合为船闸上游14.00 m、下游8.70 m)，设计输水时间10 min[3]。由于小清河沿线水资源比较匮乏，而水牛韩船闸一次输水过程耗水量达3.1万m3,故为减少航运用水量，水牛韩船闸须具备省水功能。

1 省水船闸布置形式及工作原理

根据水牛韩船闸闸址地形条件并考虑未来船闸续建的需求，在单侧设置省水池是较优的选择。单级省水池一般设在船闸侧面，为避免省水池向闸室充水时在池底泄水口处产生漩涡，省水池应留有一定富余水深[4]，即省水池内须设定最低水位。

单个省水池的船闸工作原理较为简单，如图1所示。当船闸泄水时，闸室内水体不是直接泄向下游，而是先泄向省水池，待闸室与省水池水位齐平后(省水池内水体由最低水位上升至最高水位)，闸室内剩余水体再泄向下游，直至闸室水位与下游水位齐平；当船闸充水时，先由省水池向闸室充水，待闸室与省水池水位齐平后(省水池内水体由最高水位下降至最低水位)，闸室内不足的水体再由上游补充，直至闸室水位与上游水位齐平。

图1 单级省水池省水船闸工作原理

根据图1的闸室与省水池水位变化，可计算单级省水池省水船闸充泄水过程的省水量。设闸室面积为A1，省水池面积为A2，闸室工作水头为H1，闸室上游水位与省水池池内最低水位之差为H2。当船闸泄水时，先泄向省水池，若闸室与省水池水位齐平且闸室水位下降了H′2，则进入省水池的水量为：

V1=A1H′2=A2(H2-H′2)

(1)

在充水过程中，只有进入省水池的水量V1再全部回到闸室，才是真正的省水量。即省水池向闸室充水时，省水池水体下降至池内最低水位，闸室水位上升到省水池最低水位。故有：

A2(H2-H′2)=A1(H1-H2)

(2)

H′2值越大说明省水效果越好，由式(1)、(2)可得：

(3)

因此，省水效率为：

(4)

由式(4)可以看出，在单级省水池与闸室之间无剩余水头情况下，可达到的省水率Ew和闸室与省水池的面积比密切相关，闸室与省水池面积比越小(即闸室面积一定时，省水池面积越大)，省水率Ew越大。

省水池的建造费用主要取决于其面积的大小，因此大多数已建船闸都选用与闸室面积大致相等的省水池，水牛韩船闸省水池平面面积也与闸室水域面积一致(省水池平面尺度为234.0 m×26.2 m(长×宽)，面积为6130.8 m2)，故水牛韩船闸最大省水率为33.3%，实际运行中因省水池与闸室之间存在一定剩余水头，省水率会有所下降。

同时，将A1=A2、H1=5.3 m代入式(3)，可得闸室与省水池水位齐平且闸室水位下降了H′2=1.767 m，将其代入式(1)，可得闸室上游水位与省水池池内最低水位之差H2=3.533 m，即水牛韩船闸省水运行时省水池运行最大水头为3.533 m，并由此计算得到省水池最低水位为10.467 m(H最低=H下游+H1-H2)，省水池最高水位为12.233 m(H最高=H下游-H′2)。参考金家堰船闸物理模型试验成果，水牛韩船闸省水池最小富余水深取1.517 m，即省水池底高程为8.95 m，顶高程则为13.00 m。水牛韩船闸单级省水池布置为：设计水头时，池底高程为8.95 m，池顶高程为13.0 m，池内最低水位为10.467 m，池内最高水位为12.233 m，运行最大水头为3.533 m。

2 闸首输水系统形式和布置

2.1 输水系统形式

考虑到水牛韩船闸还存在不使用省水池进行充泄水的情况，因此，船闸闸首输水系统布置仍按照设计水头5.3 m设计。

根据《船闸输水系统设计规范》[5](简称“规范”)输水系统类型的选择公式：

(5)

式中：m为判别系数；T为输水时间(min)；H为水头(m)。

计算可得，m=4.34，根据规范，水牛韩船闸判别系数m值大于3.5，可采用闸首短廊道集中输水系统。工程实践证明常规船闸若采用闸首短廊道集中输水系统是最经济的方案，在我国广泛应用于10 m以下水头的船闸。

2.2 输水系统各部位尺寸及布置

根据规范要求，计算并确定了水牛韩船闸闸首输水系统各部位主要尺寸：

1)输水阀门处廊道断面为(2～3.3)m×4.0 m(宽×高)，总面积为26.4 m2。

2)上闸首进水口采用槛上多支孔的布置形式，进水口槛顶高程取6.75 m，槛顶共布置12个进水支孔，进水支孔宽度有0.6、1.0和1.5 m共3种规格，每两个支孔间距0.8 m。

3)上闸首出水口采用格栅消能室的布置形式，格栅消能室长23 m、宽6.3 m、高4.0 m、槛顶高程为6.75 m；分别设置顶部出水支孔和正面出水支孔，顶部出水支孔为(2.8～30)m×0.2 m(长×宽)，正面出水支孔为(4.0～15)m×1.0 m(高×宽)；根据以往工程经验，格栅消能室内设3道消能槛，消能槛中间高度为2 m，两侧高度分别为0.9 m(靠省水池侧)和0.6 m，同时为减小充水时正面出水支孔对闸室内船舶所受系缆力的影响，上闸首和闸室连接段设为陡坎连接，并设消力梁。

4)下闸首进水口采用门库内侧向进水口的布置形式，进水口顶高程取6.05 m，每侧闸墙各布置一个进水孔，每个进水孔尺寸均为4.8 m×4.0 m(长×高)。

5)下闸首出水口采用设置消力槛的简单消能工布置形式，消能室底高程为2.05 m，出水口顶高程为6.05 m。为减小省水池向闸室充水时对闸室内船舶停泊条件的影响，下闸首和闸室连接段也设为陡坎连接，并设消力梁。

6)阀门段输水廊道通过水平转弯与上、下闸首进水口和出水口连接，连接时廊道高度保持4.0 m不变。

3 省水池输水系统布置

省水池输水系统采用与船闸上、下闸首分别用一根输水廊道连接的布置形式，省水池向闸室输水或者闸室向省水池输水时均通过上、下闸首的连接廊道同时进行，输水阀门布置在闸首和省水池之间。连接廊道输水阀门处廊道尺寸仍根据规范按集中输水系统估算，计算为17.5 m2,综合考虑船闸运行后维护的便捷性，取连接廊道输水阀门处廊道尺寸与闸首廊道一致，即(2.0～3.3)m×4.0 m(宽×高)，总面积为26.4 m2。

连接廊道输水阀门段廊道采用平底平顶布置形式，上闸首连接廊道顶高程取6.05 m，底高程为2.05 m，与上闸首廊道一致；下闸首连接廊道顶高程取6.05 m，底高程为2.05 m，与下闸首廊道一致。

上、下闸首省水池输水系统与上、下闸首短廊道输水系统均采用平交连接方式，廊道交汇处采用弧线修圆连接方式。上闸首省水池连接廊道一侧边壁与上闸首格栅消能室靠近闸室一侧边壁齐平，下闸首省水池连接廊道一侧边壁与下闸首进水口靠近闸室一侧边壁齐平。上闸首汇合廊道与格栅消能室连接处设置一挑流坎，以避免省水池向闸室输水时水流集中在正面出水口流出。下闸首进水口外门库内设置3道消力槛，以确保省水池向闸室输水时出流均匀。

省水池底部上、下游侧分别布置一个进(出)水口与连接廊道相连，进(出)水口尺寸均为16.2 m×3.3 m(长×宽)，进(出)水口顶部四面修圆，底部与廊道连接处也做修圆处理。为避免船闸省水运行时，省水池进(出)水口出现漩涡，在省水池进(出)水口上设置了消能格栅。

水牛韩省水船闸输水系统平面布置如图2所示。

图2 水牛韩省水船闸输水系统平面布置(高程：m；尺寸：mm)

4 输水水力特性计算

4.1 数学模型及计算方法

图3为设省水池单级船闸输水过程概化图，根据 Bernoulli方程[6]，可以推导出描述单级船闸输水过程的非恒定流方程组：

(6)

(7)

(8)

Qc(t)=∑Qi(t)

(9)

式中：hi为各级省水池水位(m)；hc为闸室水位(m)；Ai为各级省水池阀门段廊道断面面积(m2)；Ac为主阀门段廊道断面面积(m2)；Si为各级省水池水域面积(m2)；Sc为闸室水域面积(m2)；Qi为各级省水池廊道段流量(m3)；Qc为主廊道段流量(m3)；ia、iv、ib分别为各级省水池阀门前a段、阀门段、阀门后b段廊道阻力系数；c为主廊道阻力系数；Lia和Lib为各级省水池阀门前a段和阀门后b段廊道换算长度(m)；Lc为主廊道换算长度(m)；g为重力加速度(m/s2)；设省水池数量为m，则i最大值为m+1。

式(6)～(9)是描述设省水池单级船闸输水过程的通用基本方程，对其进行适当的变化就可应用于不同输水过程。如：水牛韩船闸为单级省水池布置，m=1，i最大值为2；船闸充水过程i取1～2，船闸泄水过程i取0～1，并令S2(上游水域)，S0(下游水域)，代入各取值后，采用差分法和迭代法求解上述方程组，模拟省水船闸输水运行产生的水力特性变化，就可得到船闸输水过程的水力特征值及水力特征曲线，如输水时间、最大流量、流量过程线和水位过程线等。

图3 设多省水池单级船闸输水过程概化图

根据以往工程经验和模型试验成果，船闸工程大多是在闸室充水时船舶纵向系缆力易超出规范允许值，需要通过采取一定措施(如调整阀门开启方式等)降低其纵向系缆力，而横向系缆力一般均小于规范允许值，即使横向系缆力局部超标也可通过优化闸室消能工进行解决。因此，本文船舶停泊条件主要针对充水时的船舶纵向系缆力进行计算分析。船舶纵向系缆力可用波浪力和流速力的合力近似计算，并以此来判断船舶的停泊条件。

4.2 基本水力参数估算

考虑到省水船闸布置经验相对较少，采用数值试验的方法对船闸上闸首充水流量系数、下闸首泄水流量系数、船闸向省水池泄水流量系数以及省水池向闸室充水流量系数进行仿真计算，即通过三维局部数学模型，采用与物理模型恒定流测量流量系数相同的原理，计算各部分的流量系数。数值试验中，采用RNG 双方程紊流模型并嵌套“VOF”技术对闸室自由表面水流进行捕捉，计算所得水牛韩船闸非省水和省水运行方式下的流量系数结果见表1。

表1 水牛韩船闸输水流量系数计算结果

4.3 非省水运行水力特性

根据规范对水牛韩船闸非省水运行时的闸首输水阀门开启时间进行估算，并参考已建同类船闸实际运行经验，同时考虑到阀门开启速度尽量一致，以便于运行管理，初步确定闸首充、泄水阀门匀速开启时间均为tv=420 s。

水牛韩船闸在设计水头5.3 m(水位组合8.7～14.0 m)下非省水运行，阀门开启时间tv=420 s时的闸室输水时间、流量、闸室断面平均流速等最大特性值见表2，充、泄水时对应的闸室水位、流量变化过程线如图4、5所示。由图表可知，采用tv=420 s的阀门开启方式，闸室充、泄水时间均可满足10 min的设计要求，计算所得的输水廊道最大平均流速均小于5.0 m/s，下游引航道断面最大平均流速为0.44 m/s，闸室最大水面升降速度为1.83 cm/s，上述水力特性值均满足规范要求。

表2 水牛韩船闸非省水运行时闸室充、泄水最大水力特性值

注：tv为输水阀门开启时间；T为输水时间；Qmax为输水最大流量；Emax为水流最大能量；Epmax为闸室横断面的最大比能；vmax充水时为闸室断面最大平均流速，泄水时为下游引航道断面最大平均流速；umax为闸室水面最大上升(下降)速度。

图4 非省水运行充水水力特性曲线

图5 非省水运行泄水水力特性曲线

4.4 省水运行水力特性

根据前文计算的水牛韩船闸省水运行时的省水池最低水位、最高水位以及运行最大水头，对应的闸室及省水池的控制水位见表3，在此基础上进行船闸省水运行时水力特性的计算。

表3 水牛韩船闸省水运行时闸室及省水池控制水位组合

水牛韩船闸省水运行时，对设计水头5.3 m(水位组合8.7～14.0 m)下不同输水阀门的各种开启方式进行了计算。根据试算，确定省水运行充水时，省水池阀门以tv1=120 s、开度n=0.8的方式局部开启，剩余55～65 cm水位差以tv=90 s的方式关闭，上闸首充水阀门提前15 s以tv2=240 s的方式匀速开启；省水运行泄水时，省水池阀门也以tv1=120 s、n=0.8的方式局部开启，剩余30～40 cm水位差以tv=90 s的方式关闭，下闸首泄水阀门提前30 s以tv2=240 s的方式匀速开启。

在上述各阀门开启方式下，水牛韩船闸省水运行时，输水时间、流量、闸室断面平均流速等最大特性值见表4，充、泄水时对应的闸室水位、流量变化过程线如图6、7所示。由图表可知，采用该阀门开启方式，闸室充、泄水时间均满足10 min的设计要求，计算所得输水廊道最大平均流速均小于 5.0 m/s，下游引航道断面最大平均流速为 0.43 m/s，闸室最大水面升降速度为1.76 cm/s，上述水力特性值均满足规范要求。

表4 水牛韩船闸省水运行充水时最大水力特性值

注：T总为闸室输水总时间;T省水池为省水池输水时间；Q省水池为省水池输水最大流量，Q为上、下游输、泄水最大流量；E省水池为省水池输水闸室内水流最大能量;E为上、下游输、池水闸室内水流最大能量；P省水池为省水池输水闸室横断面最大比能;P上游为上游输水闸室横断面最大比能；v为闸室断面最大平均流速。

图6 省水运行充水水力特性曲线

图7 省水运行泄水水力特性曲线

4.5 船舶停泊条件

通过船舶纵向系缆力计算，得出的最大系缆力值见表5。水牛韩船闸在设计水头5.3 m(水位组合8.7～14.0 m)下非省水运行，充水阀门采用tv=420 s双边匀速连续开启时，1顶2×1 000吨级驳船最大纵向系缆力22.46 kN，1 000吨级货船最大系缆力12.67 kN，设计船舶最大系缆力均小于规范允许的最大限值(规范中1 000吨级船舶允许系缆力32 kN)，设计船舶停泊条件能够满足规范要求。

表5 水牛韩船闸非省水运行时船舶最大纵向系缆力

注：tv为输水阀门开启时间。

与船闸非省水运行时相同，船闸省水运行时也是充水过程中船舶纵向系缆力易超出规范允许值。在闸室充水过程中，输水流量最大时，闸室内断面流速较大；比能最大时，闸室内紊动能较大，对闸室内停泊船舶均较不利，船舶纵向系缆力易在这两个时刻达到最大值，水牛韩船闸非省水和省水运行充水时的最大水力特性值见表6，据此对比分析省水运行时的船舶停泊条件。

由表6的数值对比可知，水牛韩船闸省水运行充水时，最大输水流量为104.7 m3/s，最大比能为16.8 kW/m2,小于非省水运行充水时的最大输水流量(110.3 m3/s)和最大比能(22.9 kW/m2)，由此可认为，船闸省水运行充水时的船舶停泊条件比非省水运行充水时略佳，设计船舶最大纵向系缆力应小于非省水运行充水时，故水牛韩船闸省水运行充水时设计船舶停泊条件也能够满足规范要求。

表6 水牛韩船闸非省水和省水运行充水时最大水力特性值对比

注：tv为阀门开启时间；Qmax为输水最大流量；H为对应输水流量最大时刻闸室水位；Epmax为闸室横断面的最大比能。

5 结语

1)水牛韩船闸在单侧设置单级省水池，闸首为短廊道集中输水系统，省水池为与上、下闸首分别用一根输水廊道连接的输水系统，具有较佳的性价比。

2)根据水牛韩船闸运行的具体情况，提出了满足规范相应要求的闸首、省水池输水系统布置及各部位尺寸。

3)采用船闸输水过程数学模型计算了水牛韩船闸非省水运行和省水运行时的输水水力特性，水力计算结果表明，提出的各阀门运行方式是合适的，船闸输水水力特性满足设计输水时间要求和规范相关要求，研究成果可为省水船闸输水系统设计提供科学依据。