基于多因素的船闸输水系统选型方法*

2020-11-12李中华宣国祥

水运工程 2020年10期

李中华，宣国祥

(南京水利科学研究院，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏南京 210029)

船闸输水系统的类型繁多，按闸室出水口布置及消能方式主要分为集中输水系统、分散输水系统两大类[1]。根据不同适应范围，集中输水系统和分散输水系统又可细分为很多种类型，以分散输水系统为列，常用的有闸墙长廊侧支孔输水系统、闸底长廊道侧支孔明沟消能输水系统、闸底长廊道侧顶支孔盖板消能输水系统、等惯性水平分流多区段顶支孔盖板消能输水系统等10多种输水系统形式。如何选择合适的输水系统是船闸输水系统设计最为关注的问题，目前国内外船闸输水系统选型没有统一的方法和标准。

在苏联，船闸设计重点考虑工程投资，认为当水头不大时(水头在15 m以下)，与分散输水系统相比较，集中输水系统的工程费用可节省10%～60%，因此建议当LH< 2 000 m2(L为船闸闸室的长度，H为船闸的设计水头)及Hhk< 3(hk为闸室的槛上水深)时可不论证就采用集中输水系统，只有当水头超过18～20 m时才考虑采用分散输水系统[2]。按该标准选择输水系统，往往导致船闸闸室停泊条件较差，目前已很少采用。

美国陆军工程兵团在1985年修订的船闸设计手册[3]中，把水头分级以及各自适用的输水形式作了规定，见表1，该方法仅考虑了船闸水头影响，且输水系统选型偏于保守，水头超过了12.2 m就建议采用闸底纵支廊道等惯性输水，船闸建设投资大、经济性差。国际航运协会(PIANC)1986年的技术手册[4]将船闸水头划分为小于10.0 m，10.0～15.0 m和大于15.0 m共3级，并将输水系统分为简单、中等、复杂共3级，不同水头选择不同复杂程度的输水系统形式。

表1 美国船闸的水头分级与输水系统形式

JTJ 306—2001《船闸输水系统设计规范》(简称《规范》)根据式(1)计算的判别系数m选择输水系统形式，m> 3.5时，采用集中输水系统；m> 2.4时，可采用第一类分散输水系统；当1.8≤m≤2.4时，可采用第二类分散输水系统；当m< 1.8时，可采用第三类分散输水系统；当2.5≤m≤3.5时，可采用集中输水系统或简单分散输水系统。

(1)

式中：m为判别系数；H为设计水头(m)；T为设计输水时间(min)。

与国外输水系统选型方法相比，我国规范中除船闸设计水头H外，增加了输水时间T的影响，并且对输水系统分类做了更明细的划分，PIANC在2009年也推荐了该方法[5]。该方法同样没有考虑船闸平面尺度、闸室初始水深等因素的影响，导致部分船闸根据m值选择的输水系统不能满足实际的要求，见表2。由表2可知，西江长洲1#、2#船闸设计水头和输水时间完全相同，m均为2.54，船闸平面有效尺度分别为200.0 m×34.0 m和190.0 m×23.0 m，1#船闸选择了更加复杂、消能效果更好的第二类分散输水系统。同时现行规范m值与输水系统实际选型有偏差，如黔江大藤峡船闸水头达到了40.1 m，是世界最大水头的单级船闸，输水时间15 min，m值仅为2.37，根据规范可以选择第二类分散输水系统，但实际选择了最复杂的第三类输水系统。此外，实际应用过程中，船闸输水形式多样，我国规范中仅第二类输水系统就有10多种形式，规范没有量化输水系统与判别系数，上述因素给船闸输水系统选型带来了很大困难。

表2 部分输水系统选型偏差典型工程

1 输水系统选型模型

1.1 选型方法

船闸输水系统选型需要综合评价船闸设计水头、输水时间、闸室平面尺度、闸室初始水深等多因素影响。目前，考虑多因素影响的综合评价方法主要有层次分析法、模糊综合评判法、数据包络分析法、人工神经网络评判法和灰色综合评价法等[6-7]。这几种评价方法各有特点，层次分析法主要针对方案基本确定的决策问题，一般仅用于方案优选[8]；数据包络分析法完全基于指标数据的客观信息进行评价，剔除了人为因素带来的误差；人工神经网络法是一种面向复杂系统的一类新型评价方法；而灰色综合评价法则是定量表征各因素之间的关联程度，实质上是评价对象与参考对象特征参数比较，特征参数越接近，评价对象越接近参考对象[9]。绝对关联度是灰色综合评价法中一种量化几种衡量因素间关联程度大小的方法，该方法对数据量没有太高的要求。该方法记H={Xi|iI={0，1，2，3，…，m}}为因素集(关联空间)，X0H为参考因素列，X0={x0(k)|k=1，2，…，n}，YH为需要比较因素列，Y={y(k)|k=1，2，…，n}，则H中比较因素列Y对参考因素列X0的绝对关联度可按下式计算：

R(X0，Y)=

(2)

根据上述方法，可将船闸输水系统根据某种特征划分为i种类型，通过对不同类型输水系统特征参数进行统计分析，建立第i类输水系统影响因素指标参考序列Xi={xi(k)|k=1，2，…，n}，计算需要选型的船闸对比指标序列Y={y(k)|k=1，2，…，n}与第i类输水系统参考序列Xi的相关性R(Xi，Y)，Y与Xi相关性最大，则选择第i类输水系统。

1.2 输水系统分类

根据不同类型输水系统布置及消能特点，在我国规范输水系统类型基础上，目前常用的输水系统形式从简单到复杂主要有以下7类：

1)集中输水系统。水流从闸室端部输入闸室，水流由一个闸首流向另一闸首。

2)局部分散输水系统。充水采用分散输水系统，泄水采用集中输水系统。

3)第一类分散输水系统。我国规范的第一类分散输水系统，主要有闸墙长廊道侧支孔输水系统。

4)第二类a型。主要有闸底长廊道侧支孔明沟消能输水系统、闸底长廊道顶支孔盖板消能输水系统，闸室廊道侧支孔输水系统等；其特点为输水系统闸室内不设分支廊道、不分区。

5)第二类b型。闸墙长廊道闸室横支廊道输水系统，其特点为闸室内布置横向支廊道，不设纵向支廊道。

6)第二类c型。包括闸室纵、横支廊道输水系统，水平分流闸底支廊道输水系统等，其特点为输水系统在闸室内分区、水流由闸室中部廊道进入、并设置纵向支廊道。

7)第三类。我国规范的第三类分散输水系统，如等惯性立体分流多区段分散输水系统，其特点为输水系统等惯性布置，第一分流口采用立体分流。

1.3 输水系统判别指标

从船闸输水系统水力学角度出发，船闸输水系统选型主要受设计水头H、闸室长度L、宽度B、初始水位深D、输水时间T等多因素影响，如何量化各因素的影响，建立各种类型输水系统的量化评价指标，是建立输水系统选型模型的关键。船闸输水系统选型本质是选择合适的输水系统形式消杀进入闸室的水流能量，根据船闸输水能量方程，船闸输水过程进入闸室的最大能量可表示为[10]：

(3)

则船闸水平、纵向和横向单位面积需要消杀的水流能量，可表示为：

(4)

(5)

(6)

式中：Emax为输水最大能量；C为闸室计算水域面积，多级船闸取闸室水域面积一半(m2)；Kv为阀门开启时间tv与输水时间T的比值；EH为闸室水平单位面积能量；EL为闸室纵向单位面积能量；EC为闸室横向单位面积能量；ρ为水密度。

(7)

(8)

(9)

由上可见，mH、mL、mC这3个无量纲变量分别代表了输水系统在水平、纵向和横向单位面积内需要消杀的能量。我国规范船闸输水系统判别系数m实质上代表了输水系统闸室水面单位面积消杀的能量，为与现行规范统一，仍采用m值作为船闸水平单位面积能量的指标。

为分析不同类型输水系统单位面积实际消杀能量，按上述方法，计算分析了国内外123座大型船闸[11]的m、mL、mC值，见图1、2。其中集中输水系统23座，平均作用水头6.7 m；局部分散输水系统5座，平均作用水头9.0 m；第一类分散输水系统45座，平均作用水头11.5 m；第二类a型28座，平均作用水头18.6 m；第二类b型12座，平均作用水头25.7 m；第二类c型3座，平均作用水头28.4 m；第三类7座，平均作用水头37.0 m。

图1 不同类型输水系统m与mL的关系

图2 不同类型输水系统mL与mc的关系

按输水系统划分标准，统计分析了7类输水系统形式的m、mL、mC均值，见表3。根据灰色综合评价法，可建立输水系统影响因素指标参考序列Xi={mi，mLi，mCi}，i=1，…，7，分别表示1.2节划分的7类输水系统形式。

表3 7类输水系统形式影响因素指标

2 应用案例

选择13座已建或在建的不同水头、平面尺度、初始水深和输水时间的典型船闸进行输水系统选型[12-16]，测试船闸作用水头7.0～45.2 m，船闸闸室长度变化范围120～300 m，闸室宽度变化范围12～34 m，闸室初始水深3.0～10.0 m，输水时间8.0～16.0 min，各测试船闸具体特征参数见表4。