艳州枢纽船闸工程输水系统布置优化及水力特性验证分析

刘 领

(湖南省湘水集团有限公司，长沙 410014)

闸墙长廊道侧支孔分散输水系统是一种简单式分散输水系统布置型式，适用于中低水头船闸。该输水系统较其他输水型式在河网密布、经济发达的平原地区更具优势，其应用前景更为广阔[1]。该输水系统以及类似输水系统型式在美国的船闸建设中应用最为广泛，其水头范围为3～12 m[2-3]。目前，我国船闸较少采用闸墙长廊道侧支孔分散输水系统，船闸应用的水头多在10 m，最大水头超过12 m，且采用该种输水系统的船闸工程比较少见[4-7]。

闸墙长廊道侧支孔分散输水系统型式受水流惯性影响较大，充泄水时室内会产生一定的水面坡降，使船舶受到较大的波浪力。同时，布置在闸墙上的侧向支孔出水，水流在闸室内分布不均匀且能量较为集中，使船舶受到较大的局部作用力，导致船舶系缆力偏大[8-10]。现有的类似船闸一般通过布置消能工的方式解决此问题，导致建设成本增大且影响施工进度[11-12]。

本文依托艳州船闸工程，研究在不增设消能建筑物的情况下，通过优化输水系统布置，将船舶系缆力控制在规定范围内，以确保船舶安全通行。研究成果为类似中高水头、采用闸墙长廊道侧支孔方案的船闸安全、高效、经济运行提供必要的技术资料，同时为工程决策提供依据。

1 枢纽概况

1.1 项目简介

艳州枢纽由电站、船闸、大坝组成，下距澧县县城5 km，水库正常挡水位40.20 m，死水位39.01 m，当洪水流量大于最高通航流量7 000 m3/s 时，船闸停航。船闸闸室有效尺度为280 m×34 m×4.5 m，上游引航道宽60 m，采用曲进曲出方案；下游引航道宽75 m，采用曲进直出方案，引航道布置于右岸陆域，不影响河道行洪。该项目设计船型为1 000 t货船，长度×宽度×吃水为85 m×10.8 m×2.0 m(近期代表船型)；2 000 t级货船：90 m×14.8 m×2.6 m(远期代表船型)。

1.2 研究背景

根据船闸输水系统设计规范[13]，结合艳州枢纽总平面布置和项目特点，确定船闸输水系统采用闸墙长廊道侧支孔分散输水系统，进水口布置在上闸首及上游辅导航墙，出口布置在下闸首及下游辅导航墙。输水廊道布置在上下闸首的边墩及闸室墙内，廊道断面尺寸为4.0 m×4.5 m(高×宽，下同)，每侧闸室墙共布置16个1.0 m×1.5 m支孔。下游最低通航水位下闸室最小淹没深度为6.0 m。根据已建类似船闸的设计水头及运行情况，艳州船闸初步设计方案可能存在以下3个问题。

(1)按照《船闸输水系统设计规范》确定输水类型经验公式，8～15 min不同工况计算值范围较宽，可选择第二类或第三类分散输水系统，但考虑到地质和施工进度因素，拟采用闸墙长廊道侧支孔输水系统。

(2)最大设计水头为13.97 m，是国内目前已建船闸相同规模(280×34 m)采用闸墙长廊道侧支孔输水系统设计水头最高的船闸，可能存在廊道流速过大、充泄水工况惯性超高(降)超标等问题。

(3)采用闸墙长廊道侧支孔系统对闸室泊稳条件影响较大，需进一步优化廊道及支孔细部尺寸。

1.3 船闸输水系统特征资料

1.3.1 特征水位

艳州船闸主要运行水位组合如表1所示。表1中水位组合C1为船闸最大运行水头工况，是输水各项水力指标的控制工况；工况组合C2为船闸常遇运行水头工况；工况组合C3是上游进水口流态可能的控制工况(该水力指标的控制工况亦可能为C1)；工况组合C4为远期10 a一遇洪水条件下的运行工况；工况C7为船闸近期运行控制工况。

表1 艳州船闸主要运行水位组合

1.3.2 输水系统布置特征尺寸

艳州船闸输水系统各部分特征尺寸如表2所示，闸墙长廊道侧支孔输水系统方案布置如图1所示，上闸首及闸首连接段布置如图2所示。

图2 艳州船闸闸墙长廊道输水系统上闸首及闸室连接段布置图(单位：mm；高程：m)

1-a 艳州船闸输水系统布置图

2 研究方法及途径

2.1 输水系统水工整体模型试验

通过船闸1∶30水工整体物理模型试验，确定船闸输水系统的布置和阀门开启方式，测定输水系统各项水力性能及参数，并分析试验成果，提出改进意见，为设计提供技术依据。

2.2 物理模型设计与量测

模型按重力相似设计，几何比尺Lr=30。模型与原型各物理量的换算关系如下：

(1)重量及力比尺为(Lr)3=27 000。

(2)流速及时间比尺为(Lr)1/2=5.48。

(3)流量比尺为(Lr)5/2=4 929.5。

输水廊道及上下游进出口段采用聚乙烯塑料板。闸室边墙、上下游水库采用钢板制作，上下游水库尺度均为8 m×3 m×1.5 m(长×宽×高)，水库内布置2.5 m×2.5 m的平水槽，稳定上下游水位。下游水库外布置矩形量水堰以测量输水系统流量系数。水工模型的范围包括船闸闸室、输水系统及部分上下游引航道。

3 试验方案及输水系统布置优化

艳州船闸最大水头近14 m，在小淹没深度下，支孔出流消能空间小，导致船舶系缆力偏大。考虑到国内外已建的采用闸墙长廊道输水系统方案的船闸最大设计水头多在10 m以下，其制约因素基本为船舶停泊条件。根据输水系统选型布置及水力计算分析，建议将闸墙长廊道输水系统方案的闸底高程由22.31 m下降至21.31 m，从而使下游最低通航水位出水支孔淹没深度在初步设计的基础上增加1.0 m，增加艳州船闸的安全性。

闸室输水水力特性计算分析成果表明，廊道段廊道尺寸为4.5 m×5.0 m(宽×高)、总面积为45 m2时，若输水阀门开启时间为5～8 min，则船闸充水时间小于11 min，泄水时间小于12 min，闸室水面升降速度、进水口孔口最大流速和引航道流速等水力指标基本满足设计和规范要求。

根据以往类似船闸实际运营经验，上述闸墙长廊道侧支孔输水系统输水时间偏快，虽然较短的输水时间能提高船闸运行效率，但输水过程中最大流量相对较大，闸室船舶系缆力更难满足规范要求。根据艳州船闸输水时间要求及设计船型的系缆力要求，在进行物理模型试验时，对艳州船闸的细部尺寸进行了进一步调整。

物理模型维持下游最低通航水位下闸室最小淹没深度为6.0 m方案不变，对后期下游最低通航水位进行了调整，淹没深度6.0 m时，闸室底高程下降至20.23 m。物理模型缩小了输水廊道面积，阀门处廊道尺寸按4.2 m×4.8 m(宽×高)、总面积为40.32 m2，考虑主廊道尺寸由5.5 m×5.0 m(宽×高)缩小至4.2 m×4.8 m(宽×高)，相应的三组出水支孔宽度由1.0 m、0.9 m和0.8 m调整为0.9 m、0.75 m和0.6 m。调整后，廊道面积约缩小12%，估算充水时间12 min左右，泄水时间13 min左右，满足设计要求，其余各项水力指标也能满足相关规范要求，闸室船舶停泊条件有所改善(表3)。

表3 闸墙长廊道侧支孔输水系统特征尺寸

4 闸室输水系统水力特性验证

4.1 试验工况

物理模型试验主要考虑近期、远期最大水头工况、正常运行工况和上、下游最低通航水位组合工况。

4.2 试验验证及分析

针对前述试验研究的输水系统布置型式和各部位具体尺寸，开展了不同水位组合下的闸室输水水力特性模型试验，测定并计算了充、泄水阀门不同开启时间下的闸室水位变化过程、流量变化过程、闸室充泄水时间及其他相关水力特征值，见表4～表7及图4、图5。

表4 远期最大设计水头(水位组合：40.2 m-26.23 m)闸室双边充水水力特征值

表7 常水头工况(水位组合：40.2 m-30.09 m)闸室双边泄水水力特征值

试验成果表明：艳州船闸充水阀门5～8 min开启时，最大设计水头工况闸室充水时间10.80～12.42 min，充水过程最大流量346.7～414.9 m3/s，闸室水面最大上升速度1.98～2.37 m/min，进水口孔口最大流速2.0～2.4 m/s；常水头工况闸室充水时间9.38～10.97 min，充水过程中最大流量269.4～330.7 m3/s，闸室水面最大上升速度1.54～1.89 m/min，进水口孔口最大流速1.56～1.91 m/s。阀门全开双边充水时惯性超高约0.32 m。

艳州船闸泄水阀门5～8 min开启时，最大设计水头工况闸室泄水时间12.06～13.43 min，泄水过程最大流量311.4～368.9 m3/s，闸室水面最大下降速度1.78～2.11 m/min；常水头工况闸室泄水时间10.44～11.97 min，泄水过程中最大流量291.8～248.7 m3/s，闸室水面最大下降速度1.42～1.47 m/min。阀门全开双边泄水时惯性超降约0.22 m。

其余工况下输水水力特性相关的各项水力指标均在最大设计水头工况和常遇水头工况之间，不再赘述。

艳州船闸充、泄水阀门双边开启时间在5～8 min时，闸室输水时间、水面升降速度、进水口孔口流速等输水水力特性相关的各项水力指标均满足相关规范和设计要求，说明所设计的输水系统各部分尺寸基本合理。

表5 常水头工况(水位组合：40.2 m-30.09 m)闸室双边充水水力特征值

表6 远期最大设计水头(水位组合：40.2 m-26.23 m)闸室双边泄水水力特征值

图3 船闸闸室双边充水tv=8 min充水水力特性曲线(水位组合：40.20 m-26.23 m) 图4 船闸闸室双边泄水tv=8 min泄水水力特性曲线(水位组合：40.20 m-26.23 m)

4.3 水力特性验证结果

通过船闸输水系统水工模型分析研究了艳州船闸在采用闸墙长廊道侧支孔出水槛式消能输水系统的水力特性。结果表明：

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(1)艳州船闸充水阀门5～8 min开启时，闸室充水时间在12.42 min以内，充水过程最大流量269.4～414.9 m3/s，闸室水面上升速度小于2.40 m/min，进水口孔口最大流速小于2.5 m/s，阀门全开双边充水时惯性超高约0.32 m。

(2)艳州船闸泄水阀门5～8 min开启时，闸室泄水时间在13.43 min以内，泄水过程最大流量291.8～368.9 m3/s，闸室水面下降速度低于2.11 m/min；阀门全开双边泄水时惯性超降约0.22 m。

(3)船闸充、泄水阀门双边开启时间在5～8 min时，闸室输水时间、水面升降速度、进水口孔口流速等输水水力特性相关的各项水力指标均满足相关规范和设计要求，调整后的输水系统各部分尺寸基本合理。

(4)双边充水时闸室惯性超高降试验值为0.32 m，大于规范限值；双边泄水时闸室惯性超高降试验值为0.22 m，虽小于0.25 m，但是裕量较小。实际运行时可酌情采用提前关闭充、泄水阀门，并在闸室内外水位齐平时打开人字门的措施以减小惯性水头，保障人字门运行安全。

5 闸室船舶停泊条件试验成果

5.1 最大设计水头工况双边输水

最大设计水头工况即水头13.97 m，对应上游水位40.20 m，下游水位26.23 m的工况下，闸室输水体积最大，进入闸室的水流能量最大，对闸室消能效果要求最高。根据输水系统水力特性研究，艳州船闸充水阀门5～8 min开启时，输水时间、闸室水位上升速度、进水口流速等指标均能满足相关规范和设计要求。因此，进行闸室船舶停泊条件试验时，充水阀门开启时间取7 min和8 min。

最大设计水头工况下船舶停泊于闸室不同位置时的系缆力最大值见表8。

表8 最大设计水头工况下闸室内船舶最大系缆力

试验结果表明：

(1)阀门开启速度越快，船舶系缆力越大；船舶停泊于闸室中部和下半闸室时系缆力较大，停泊于上半闸室时系缆力相对较小；船舶吨级越大，系缆力越大；由于输水系统布置较为合理，闸室出水均匀，船舶纵向系缆力普遍较小。

图5 最大设计水头工况下2 000 t货船停泊于闸室中部系缆力过程线 (水位组合：40.20 m-26.23 m，H=13.97 m，双边充水，tv =8 min)

5.2 常遇水位组合双边输水

根据最大设计水头工况下船舶停泊条件试验所得基本规律，常遇水位组合，即上游水位40.20 m、下游水位30.09 m、水头10.11 m的工况下，闸室双边输水，重点分析2 000 t级货船停泊于闸室中部和下半闸室时的系缆力情况。由于常水头工况闸室初始淹没深度较最大设计水头工况增大了3.86 m，闸室船舶停泊条件将有显著改善。因此，常水头工况下，船舶停泊条件试验中取充水阀门开启时间为6 min和8 min。此试验条件下，船舶系缆力最大值见表9。系缆力过程线详见图6。

表9 常水头工况下闸室内船舶最大系缆力

图6 常水头工况下2 000 t货船停泊于闸室中部系缆力过程线(水位组合：40.20 m-30.09 m，H=10.11 m，双边充水，tv=8 min)

试验结果表明：常遇水位组合下，充水阀门6～8 min开启时，2 000 t级货船纵向系缆力最大值9.83 kN，前、后横向系缆力最大值10.30 kN。相比于最大设计水头工况，闸室船舶系缆力显著减小，1 000 t级货船系缆力将较表中结果更小。因此，常遇水位组合下充水阀门6～8 min开启时设计船舶闸室停泊纵、横向系缆力均能满足规范标准。

5.3 单边输水停泊条件

在船闸一侧充水阀门处于检修工况无法投入使用或单侧充水廊道、阀门发生事故时，另一侧充水阀门需要单独运行。为此，对单边阀门充水工况也进行了船舶停泊条件试验。

单边输水时，由于水流仅从一侧闸墙支孔进入闸室，消力槛消能后水流能量仍较为集中，将不可避免地在闸室内形成较为明显的横向水流，极易导致船舶系缆力尤其是横向系缆力超过规范允许值。

试验结果表明：最大设计水头下，单边充水阀门8 min匀速开启时，2 000 t级货船纵向系缆力18.7 kN，但横向系缆力达114.3 kN，远超规范允许值，即使阀门开启速度继续降低也无法有效降低船舶横向系缆力。由此可得，单边充水工况下阀门全开的运行方式不可行。

因此考虑对阀门间歇开启方式下的闸室船舶系缆力试验，停机时间分别为12 min和15 min时的系缆力最大值见表10。系缆力过程线详见图7。

表10 单边充水时闸室内船舶最大系缆力

图7 单边充水工况下2 000 t货船停泊于闸室中部系缆力过程线 (水位组合：40.20 m-26.23 m，H=13.97 m，单边充水，tv=8 min，停机开度0.3，等待时间15 min)

试验结果表明：船闸单边充水时，采用充水阀门以8 min匀速开启至0.3开度，并停机等待15 min后继续开至全开的运行方式，则闸室船舶纵向系缆力小于10 kN，横向最大系缆力19.83 kN，停泊条件满足相关规范要求。单边输水时，在上述运行方式下，输水时间31.67 min，最大流量161.89 m3/s，惯性超高0.21 m。

5.4 闸室船舶停泊条件结果

闸室船舶停泊条件试验成果表明：

(1)最大设计水头工况下，充水阀门8 min开启时，2 000 t级货船纵向系缆力最大值14.06 kN，前、后横向系缆力最大值19.75 kN，停泊条件满足相关规范要求。1 000 t级货船吃水较小，所受局部水流作用力不大，充水阀门8 min开启时，纵、横向系缆力均能满足规范标准。

(2)常水头工况下，闸室初始淹没深度大，船舶系缆力较最大设计水头工况显著减小。充水阀门8 min开启时设计船舶闸室停泊纵、横向系缆力均能满足规范标准，并有一定富裕。

(3)船闸单边充水时，采用充水阀门以8 min匀速开启至0.3开度，并停机等待15 min后继续开至全开的运行方式，则闸室船舶纵向系缆力小于10 kN，横向最大系缆力19.83 kN，停泊条件满足相关规范要求。

6 结语

本文通过物理模型试验对艳州船闸输水系统进行了验证和优化，主要结论如下：

(1)针对280×34 m规模尺度船闸输水系统进行了验证，结果表明：在设计水头为13.97 m的极端工况下，输水系统的廊道最大流量达414.9 m3/s，双边充水时闸室惯性超高降试验值为0.32 m，大于规范限值；双边泄水时闸室惯性超高降试验值为0.22 m，虽小于0.25 m，但是裕量较小。

(2)通过降低闸室底板顶高程，增大初始水深，并采用下闸首底板顶出水和旁侧出水方式，将主廊道尺寸缩小为5.2 m×4.8 m(宽×高)，阀门段廊道调整为4.2 m×4.8 m(宽×高)，同时相应将三组出水支孔宽度调整为0.9 m、0.75 m、0.6 m，经试验验证可以满足规范要求。

(3)通过对闸室泊稳条件进行试验，最大设计水头工况下，充水阀门8 min开启时，2 000 t级货船纵向系缆力最大值14.06 kN，前、后横向系缆力最大值19.75 kN，停泊条件满足相关规范要求。1 000 t级货船吃水较小，所受局部水流作用力不大，充水阀门8 min开启时纵、横向系缆力均能满足规范标准。

以上成果可为艳州船闸建成试运行后提供输水系统调试依据，也可为国内类似中高水头船闸安全、高效、经济运行提供借鉴。