金鸡滩水利枢纽船闸输水系统型式选择及优化研究

谭巧矛

(广西南宁水利电力设计院 南宁 530001)

1 概况

金鸡滩水利枢纽位于西江航运干线、右江 “黄金水道”中游隆安县城上游8km处,为右江综合利用规划中的第六梯级,是一个以发电、航运为主,兼有电灌、供水、养殖和旅游等综合效益的水利枢纽工程。船闸位于枢纽的左岸,采用单线单级船闸布置型式,按Ⅲ级船闸规模设计。最大通航标准为一顶2×1000t分节驳船队,设计船队尺度为160.0×10.8×2.0(m)(长×宽×吃水深),闸室有效尺度为190.0×12.0×3.5m(长×宽×槛上水深),最大通航水头为13.80m,属中水头大型船闸。输水系统采用闸墙长廊道侧支孔分散输水系统型式。船闸工程于2005年12月建成并通过验收投入运行。

闸墙长廊道侧支孔输水系统型式对于船闸闸室采用分离式结构型式,在闸墙底部布置主廊道是经济的,但该输水系统型式对阀门单边运行的适应性较差,单边出流使船舶所受的横向力较大,不利于船只稳定。因此,合理确定并优化输水系统的布置及各部位尺寸,改善闸室的水流条件,是本船闸工程输水系统设计需要研究解决的问题。

2 输水系统型式选择

2.1 闸墙长廊道侧支孔输水系统的特点

船闸闸墙廊道侧支孔输水系统由布置在闸墙中贯通上、下游,并设有一系列侧支孔所组成,充、泄水时水流由闸墙廊道侧支孔输水的水流进出闸室的,因此它的输水水力性能比集中输水系统有较大提高,而它的结构由于在闸室底部没有廊道,因此比其它分散输水系统要简单,与集中输水系统相比,虽然闸墙工程量因有廊道而有所增大,但由于它可以不设镇静段,缩短了闸室长度,工程量的增加并不显著,尤其当船闸水头达10m左右时,其价格性能比明显优于集中输水系统。因此,它是一种适合中等水头、重力式闸墙的较优船闸输水系统型式。

2.2 金鸡滩船闸输水系统型式选择

金鸡滩船闸长宽比达15.83,针对闸室长宽比较大,其断面小流量大的特点,合理选择输水系统类型,确定进水口及出水口消能布置型式,使闸室及上、下游引航道的流速满足规范要求,是船闸成功的关键所在。

根据 《船闸输水系统设计规范》 (JTJ306～2001)输水系统类型的选择公式:

m—— 判别系数;

H ——设计水头 (m);

T——闸室灌水时间 (min)。

根据设计通过能力,船闸输水时间要求10min左右。经过计算得m=2.69。

由于m=2.69,在2.5～3.5之间,根据规范该船闸可采用集中输水系统,也可采用分散输水系统,鉴于金鸡滩枢纽为右江水运主通道的重要工程,且船闸规模较大,通航保证率要求较高,对集中输水系统来说,该船闸的水头显然较高,因此推荐采用分散输水系统方案。因其 m值大于2.4,因此选择第一类分散输水系统——闸墙长廊道侧支孔方案。

3 输水系统布置及各部分尺寸的确定

3.1 闸墙长廊道侧支孔输水系统研究与应用概况

闸墙长廊道侧支孔输水系统最早出现在美国,且应用十分广泛,早期的布置支孔最大限度地等距离布置在闸室长度内,支孔轮廓也是粗糙的,仅适用于低水头船闸,以后通过实践与研究,对布置的整体性和各部位的线型都作了改进。这种输水系统在美国应用最广泛的水头范围为3m～12m。

我国对闸墙廊道侧支孔输水系统的研究和应用是从二十世纪70年代开始的,已建成的有广西桂平和贵港、河南沙颍以及湖南大源渡等船闸工程,应用的水头多在10m以上。通过这些船闸的设计研究,我国已积累了丰富的经验,这些工程的设计研究成果及工程经验对金鸡滩水利枢纽船闸工程输水系统的设计研究有重要参考价值。

3.2 金鸡滩船闸输水系统设计及优化研究

本船闸工程委托南京水利科学研究院进行了输水系统模型试验。其闸墙长廊道侧支孔输水系统及其各部位尺寸的设计,参考和借鉴了国内外的研究成果和工程实践经验,并在设计中结合水工模型试验成果[2]进行了优化。

3.2.1 输水廊道及出水孔断面尺寸的确定

首先确定输水阀门处廊道断面的尺寸,根据船闸输水系统设计规范计算及已建船闸的成果,选定输水阀门处廊道断面面积为2-2.4×2.7m2。

在输水阀门廊道断面面积确定后,在选择主廊道断面面积以及侧支孔断面面积时,有两个比值必须加以注意,即:

原则上,α值越大,输水系统出水孔段的损失越小;β值越小,有利于前后支孔出水均匀,但将增加出水孔段水头损失。根据我国部分已建船闸α、β值表明,一般船闸出水段长度为闸室有效长度的0.7倍左右,α值均大于1.0,β值为0.95左右。经比较,取主廊道断面为2-2.7×3.0m2,与输水阀门面积比为1.25。闸墙每侧设36个侧支孔,分为3组,上游至下游孔口尺寸分别为0.50×0.47m2(12孔)、0.50×0.42m2(12孔)、0.50×0.37m2(12孔),总面积为15.12m2,β值为0.94,略小于0.95。

根据南京水利科学研究院的研究成果分析,对于相同断面的出水孔,当β=1.0,顺水流方向首末出水支孔的平均流量比为1︰1.3。为保证出水孔段在输水过程中较长时段内能均匀进入闸室,将出水首末孔面积比确定为与相同断面时流量比的相反值。金鸡滩船闸出水段顺水流方向首末出水孔分段面积比采用1.27。

考虑到金鸡滩船闸近期有小型船舶以及减少闸室泥沙淤积等因素,设计要求尽量增加闸室出水段长度。同时我国 《船闸设计规范》规定:出水孔间距宜为闸室宽度的1/4(即3.0m),而金鸡滩船闸长宽比大于15︰1,如按1/4闸室宽度布置出水孔间距,则出水孔数量较多,出水孔尺寸过小,将增加施工难度。综合上述因素,最后确定侧支孔间距为4.0m,每侧布置有36个出水孔,出水孔总长为35×4.0=140.0m,占闸室有效长度的73.7%。

按设计规范要求,侧支孔长度L≥3.6D,D为出水支孔直径或断面宽度,取支孔断面最大宽度D=0.47m,则 L ≥1.69 m,取 L=2.0m,为减少水力损失,支孔进、出口断面作了修圆扩大,喉部的出口作一定的扩大,扩大角为θ=1.72°,满足规范要求的小于3°。

由于我国船闸对闸室最小水深的规定,一般不能满足此种输水系统对船底富裕水深的最佳要求,如按最佳要求金鸡滩船闸的船底富裕水深应为2.9m,而规范要求仅为3.5m-1.6m=1.9m,差距较大。根据我国多座船闸的实验研究成果表明,出水侧支孔出口设置消力槛,对调整闸室水流条件,弥补闸底富裕水深较小带来的问题,作用明显。尤其对船闸单侧输水情况效果更佳,根据我国部分已建船闸闸墙长廊道侧支孔输水船闸消力槛布置形式及相应的数据表明:消力槛高度在0.5～0.25之间变化,消力槛距出水口距离差别很大,本工程选择槛高0.35m,距出水口2.0m。

3.2.2 廊道进水口断面尺寸的确定

上闸首廊道进水口底高程比引航道底高程高0.50 m,进水口面积则根据分散输水系统进口流速≤2.5m/s的要求设计,根据最大流量小于110m3/s,需进水口面积大于45m2,取进水口为2—4×2.1×3.0m2,进水口总面积为50.4m2,满足要求。进水口与闸墙出水段通过二次垂直及水平转弯相连接,工作阀门在二次垂直转弯以下,阀门顶淹没水深为3.3m;阀门后通过水平转弯将输水廊道宽度由2.4m扩大至2.7m,高度由2.7m调至3.0m。

3.2.3 廊道出水口断面尺寸的确定

金鸡滩船闸下游引航道在设计通航水位 (上游最高、下游最低通航水位)时水深仅3.5m,按泄水最大流量110m3/s计,船闸泄水时引航道平均最大流速较大,水流条件较差。根据水力模型试验结果,下闸首输水系统选择部分旁侧泄水布置,即将船闸一支廊道的泄水口设置在船闸右侧电站下游尾水侧,另一支布置在该船闸的下闸首下游引航道中。

表1 闸墙长廊道侧支孔输水系统特征尺寸

下闸首输水廊道通过两个水平转弯、一个垂直转弯与闸室出水廊道及出水口相连接。同时将廊道宽度由2.7m调整至2.4m,高度由 3.0m调整为2.7m,泄水阀门后一支廊道平底转弯至下游引航道出水口,出水口断面面积取阀门断面面积的2倍,即2-2.4×2.7m2,出水支孔断面面积为阀门断面面积的4.4倍,即2-6×1.0×2.4m2;另一支廊道直接以45°泄入河道尾水渠,出水口断面面积为阀门面积的3.3倍,即4-2.0×2.7m2。输水系统各部分尺寸见表1。

4 运行情况

金鸡滩船闸是我国西江航运干线上的核心枢纽,最大通航水头为13.8m,根据水力计算分析及模型试验成果验证,确定采用闸墙长廊道侧支孔输水系统型式并合理确定其各部位尺寸。自2005年12月运行以来,通过四年多的运行证明,得到以下结论:

(1)金鸡滩船闸采用的闸墙长廊道侧支孔输水系统的整体布置设计是合理的,工程投资较省,施工较简便,水流平稳,船闸停泊条件好,运行安全可靠,达到了预期的设计目标。

(2)闸室内出水孔段设置的两根消力槛,在改善船舶在闸室中的停泊条件方面获得了预期的效果,船闸正常运行时闸室内水流较平稳,闸室中线处水面无壅高。

(3)上闸首廊道进水口采用闸墙垂直多支孔布置,运行过程中未见旋转水体,水流流态良好。上、下引航道流速较小,水流条件较好。

1 广西南宁水利电力设计院.广西金鸡滩水利枢纽工程初步设计报告[R].南宁.广西南宁水利电力设计院,2003.

2 南京水利科学研究院,广西南宁水利电力设计院.广西右江金鸡滩水利枢纽船闸输水系统模型试验研究报告[R].南京.南京水利科学研究院,2004.