碾盘山船闸输水系统设计与试验研究

卜美飞，孙保虎，胡峰军，胡开菊

(湖北省交通规划设计院股份有限公司，湖北 武汉 430051)

1 工程概况

湖北省碾盘山船闸建设规模为Ⅲ级，设计代表船型为1 000吨级货船，尺度为85.0 m×10.8×2.0 m(长×型宽×设计吃水，下同)，同时兼顾现状1 000吨级船型及长江水系过闸1 000吨级干散货船标准船型，船舶尺度64.0 m×13.0 m×2.4 m。船闸尺度根据《内河通航标准》[1]，并考虑长江水系过闸1 000吨级干散货船标准船型，确定船闸有效尺度采用200.0 m×23.0 m×4.0 m(有效长度×有效宽度×门槛水深)。船闸设计通过能力为：近期(2025年)单向年过闸客货运量692万t，远期(2050年)单向年过闸客货运量895万t。船闸最大设计水头14.2 m[2]，通航特征水位见表1。

表1 船闸设计水位

2 输水系统设计

2.1 输水系统形式选择

根据《船闸输水系统设计规范》[3]输水系统类型的选择公式：

(1)

式中：T为闸室灌水时间(min)，根据船闸设计通过能力等要求初步取10 min；H为设计水头(m)，最大为14.2 m；m为判别系数。根据规范，m>3.5时，采用集中输水系统；m为2.5～3.5时，输水系统类型应进行技术经济论证或参照类似工程选定；m<2.5时，采用分散输水系统。本船闸m值为2.65，应经技术经济论证或者参照类似工程选择输水系统。

根据国内已建较高水头船闸输水系统形式相关资料，大多数集中输水系统形式都应用于10 m以下水头船闸，对于10 m水头以上船闸大多采用分散输水系统形式[4-5]。考虑到碾盘山船闸水头较高(14.2 m)、闸室尺度大，为了缩短充、泄水时间，减少船舶的过闸时间，提高航运效益，结合汉江上游已建崔家营船闸输水系统结构形式，采用闸墙长廊道侧支孔出水的第一类分散输水系统。

2.2 输水阀门廊道尺寸

根据《船闸输水系统设计规范》，输水阀门处廊道断面面积可根据给定的输水时间和阀门全开时输水系统流量系数按下式计算：

(2)

式中：ω为输水阀门处廊道断面面积(m2)；C为计算闸室水域面积(m2)，对单级船闸取闸室水域面积，取5 175 m2；H为设计水头(m)，取14.2 m；u为阀门全开时输水系统的流量系数，根据输水系统流量计算取0.635；T为闸室灌水时间(s)，取600 s；α为系数，查表取0.575；kv为系数，取0.6。

经计算，输水阀门面积ω=31.04 m2，取整32.0 m2。

2.3 输水系统布置

2.3.1进水口段

输水系统进水口采用导墙垂直多支孔布置，支孔喉部面积顺水流方向逐渐缩小，进水口顶高程36.0 m；进水口面积按分散输水系统进口流速≤2.5 m/s的要求设计。按以下公式初步估算：

(3)

(4)

式中：Qmax为充水最大流量(m3/s)，经计算为205.74 m3/s；A为进水口面积(m2)；v为进口流速(m/s)，按不大于2.5 m/s控制。

经计算进水口面积不小于82.3 m2。船闸进水口布置在上游导航墙内，左、右侧进水口均从引航道取水，每侧进水口设3个尺寸为4.0 m×4.0 m(高×宽)的进水孔，双侧进口总面积96 m2，进水口顶高程36.0 m、底高程32.0 m，进水孔外设有拦污栅，防止杂物进入输水廊道。

2.3.2闸室主廊道及侧支孔布置

输水阀门处廊道断面面积确定后，选择主廊道断面面积及出水支孔断面面积时，有2个比值必须加以注意，即：

(5)

(6)

式中：α、β为系数；ω1为主廊道面积(m2)；ω为阀门处廊道面积(m2)；ω2为出水支孔断面总面积(m2)。

原则上，α值越大，输水系统出水孔段的损失越小；β值越接近1，越有利于前后支孔出水均匀，但将增加出水孔段水头损失。根据我国多数船闸的统计，α值在1.01～1.31，β值在0.91～1.02[6-7]。因此，取主廊道断面尺寸为4.2 m×4.2 m，则2个断面总面积为35.28 m2，闸墙每侧设24个侧支孔，分为3 组，每组8孔，为使顺充水流方向的首、末出水支孔流量分布比较均匀，从上游至下游3组孔口尺寸分别为0.85 m×0.90 m、0.78 m×0.90 m、0.71 m×0.90 m，出水孔总面积为33.7 m2，由此计算得到的α、β值分别为1.10、0.96。

根据《船闸输水系统设计规范》，出水孔间距宜为闸室宽度的1/4，因此确定出水支孔间距为23 m的1/4为5.75 m，每侧布置24 个出水孔，闸室两侧出水孔交错布置于闸室中部，单侧出水孔总长为132.25 m，占闸室有效长度的66.13%。根据《船闸输水系统设计规范》，支孔出口应布置在下游最低通航水位时设计船舶深度以下，本支孔出口顶、底高程分别为32.90、32.00 m，下游最低通航水位36.52 m，船舶最大吃水2.4 m，满足规范要求。

根据《船闸输水系统设计规范》要求，侧支孔长度L介于2D～4D，D为出水支孔直径或断面宽度，取支孔断面最大宽度D=0.850 m，则L在1.7～3.4 m，取L=3.15 m，支孔断面采用标准的与闸墙垂直的水平布置，为减少水力损失，支孔进口断面采用四面修圆，圆弧半径为0.30 m，出口断面三面修圆，圆弧半径也采用0.30 m，水平方向按3.0°角扩散。出水孔外布置消能槛，消能槛布置于闸室中间，单侧长138.0 m，两侧反对称布置，顶面高程为32.50 m，顶面宽度0.5 m，消能槛中心线距闸墙边缘线2.0 m。

2.3.3出水口段

廊道出水口布置在下游导航墙出水口段内，出水口尺寸为4.0 m×6.5 m，2个出水孔总面积为52 m2，出水口顶、底高程分别为35.0、31.0 m，出水廊道内布置隔流墩，出水口外布置不对称消能槛进行消能。

2.3.4输水系统主要尺寸

碾盘山输水系统主要尺寸见表2。

表2 碾盘山船闸输水系统特征尺寸

2.4 输水系统水力计算

碾盘山输水系统水力计算根据《船闸输水系统设计规范》4.3.1条采用MathCAD软件编程计算，最大水头工况下水力特性计算结果见表3。

表3 碾盘山船闸闸墙长廊道输水系统水力计算结果

碾盘山船闸闸墙长廊道侧支孔输水系统充水过程水力特性曲线见图1，泄水过程水力特性曲线见图2。根据水力计算结果，输水系统各项水力指标均能满足规范要求，输水系统布置基本上是合理的。

图1 充水过程水力特性曲线

图2 泄水过程水力特性曲线

3 模型试验验证

3.1 试验工况

为模拟不同水头下船闸过闸输水系统水力特性，选定3组水位作为试验工况，见表4。

表4 试验工况

3.2 模型设计

碾盘山船闸输水系统模型试验采用正态水工整体模型进行试验研究[8-9]，模拟船型采用1 000吨级单船，尺度为85.0 m×10.8 m×2.0 m(长×型宽×设计吃水)，遵循重力相似准则并按照几何相似进行模型设计，根据试验任务及要求，模型几何比尺采用1:15。模型的模拟范围包括船闸部分上游引航道、上闸首、闸室、下闸首、部分下游引航道，最终选择模型纵向模拟范围为360 m，横向模拟范围75 m，模型尺寸为24 m×5 m(纵向×横向)。水工及船舶模型见图3。

图3 水工及船舶模型

3.3 试验成果分析

3.3.1输水系统水力特性

在3种不同水位组合运行工况下，船闸充泄水(阀门双边运行)主要水力特征参数见表5。

表5 3种工况下充泄水主要水力特征参数

由表5可知，最大设计水头工况下(工况1，14.2 m水头)，当阀门双边运行开启时间为6 min时，船闸充水时间为9.89 min，最大充水流量189.82 m3/s；船闸泄水时间为10.77 min，最大泄水流量为169.96 m3/s，最大流量均小于设计计算流量。船闸泄水时间相比较于设计要求的输水时间(10 min)略长，考虑到模型存在缩尺影响，原型船闸运行时流量系数将较模型有所增加，输水时间较模型有所缩短，根据已建国内外船闸原型观测与模型试验经验，原型船闸输水时间较模型缩短10%～15%，因此预计输水阀门双边开启时间不超过6 min时，输水时间可满足10 min内。上述水力特性指标均满足规范要求，输水系统各部分尺寸基本合理。

3.3.2输水廊道阻力系数及流量系数

试验在输水廊道各特征位置布置压力测点，通过测压管测定恒定流下廊道各部位的压力及上下游引航道水位和闸室水位[10]，计算出输水廊道各区段的阻力系数。试验所得输水廊道充水时阻力系数为2.87，流量系数为0.59；泄水时廊道阻力系数为2.44，流量系数为0.64。

3.3.3输水廊道压力结果分析

充水试验中，1#～9#测点布置在输水廊道进口段，10#～18#测点布置在上游输水阀门附近；泄水试验中，19#～22#测点布置在下游输水阀门附近，23#～29#测点布置在输水廊道出口段。测点布置见图4。最大水头工况下，充泄水试验各测点压力峰值见表6。

图4 非恒定流压力测点分布

表6 最大水头工况充水和泄水试验各测点压力最大和最小值

试验结果表明，船闸充泄水过程中，上下游输水阀门门后廊道顶部测点14#、16#、18#～22#都产生了不同程度的负压，但廊道顶部的负压值均大于-30 kPa，不会出现空化现象。

3.3.4闸室停泊条件

最大设计水头工况(工况1，14.2 m水头)、双边阀门运行开启时间6 min，船舶停泊条件试验结果见表7。

表7 闸室船舶最大系缆力

试验结果表明，当阀门双边运行时间为6 min时，闸室内无明显纵横向水流，闸室水面平静，流态良好，无局部紊动，未观测到漩涡等不良水流现象，说明闸室侧支孔处设置明沟消能在改善船舶停泊条件方面获得了预期效果；充水时船舶最大纵向系缆力21.26 kN，最大横向系缆力15.27 kN，泄水时船舶最大纵向系缆力16.41 kN，最大横向系缆力10.27 kN，均满足规范要求(纵向系缆力不大于32 kN，横向系缆力不大于16 kN)。

4 结语

1)碾盘山船闸长廊道输水系统在最大设计水头工况下(50.72～36.52 m)，工作阀门双边开启时间tv=6 min时，船闸充泄水时间均可控制在10 min内，满足船闸设计通过能力，各项水力特性指标满足规范要求；充泄水过程中，输水阀门门后部分廊道顶部测点产生了不同程度的负压，但负压值均大于-30 kPa，不会出现空化现象，类似工程设计时可加大阀门段淹没水深以减少负压；充泄水过程中，闸室内流态良好，未观测到漩涡等不良水流现象，充水时船舶最大纵向系缆力21.26 kN，最大横向系缆力15.27 kN，泄水时船舶最大纵向系缆力16.41 kN，最大横向系缆力10.27 kN，均满足规范要求。

2)碾盘山船闸闸室平面尺度大，为保证船闸设计通过能力，输水时间要求短，输水强度高，瞬时流量大，采用闸墙长廊道侧支孔分散输水系统是合理的，该输水系统各项指标达到了预期的设计目标和要求。