贵港航运枢纽二线船闸输水系统水力学试验

张绪进，吕伟东，刘平昌，彭永勤

(1.重庆交通大学 西南水运工程科学研究所，重庆 400016;2.广西西江开发投资集团有限公司，广西 南宁 530022)

贵港航运枢纽位于贵港市上游6.5km处西江郁江河段，是郁江综合利用规划10个梯级中的第9个梯级，是一座以航运为主、结合发电，兼顾其他效益的水资源综合利用工程.船闸设计有效尺度280m×34 m×5.6m(长×宽×门槛水深)，输水系统采用闸墙长廊道多支管分散输水形式，上游最高通航水位43.1 m，下游最低通航水位29.0m，设计最大水头14.1 m.为了论证船闸输水系统及闸室内三明沟消能布置的合理性，进行了比尺为1∶30的水力学模型试验.

1 输水系统水力特性

试验首先分别对船闸阀门双边同步均匀开启tv=4，5，6，7min情况观测了闸室充、泄水时间、水流流态及停于闸室船舶系缆力.结果表明，4种阀门开启速度均满足设计要求的闸室充、泄水时间不超过10min的要求;而阀门双边同步均匀开启tv=4，5min的闸室流态及停于闸室船舶系缆力均不满足规范要求.因此，试验以阀门双边同步均匀开启tv=7min进行重点研究.实测的阀门开启时间tv=7min闸室充、泄水时间分别为9.50和10.95min;最大充、泄水流量分别为420，390和375m3/s;阀门双边充、泄水流量系数为0.837和0.740;单边充、泄水时流量系数分别为0.865和0.770.图1为闸室7min充、泄水水力特征曲线，其中水位组合为43.1～29.0m，h为上阀门井水位;H为闸室水位，Q为流量.

图1 闸室充、泄水水力特征曲线Fig.1 Hydraulic characteristic curves during gate chamber filling and emptying

2 充、泄水廊道压力

为了保证输水廊道的结构安全，为设计提供主廊道上压力参数，分别在模型输水廊道上、下游阀门后廊道顶、侧面、输水廊道转弯凸面处及廊道进、出口等位置布置了测压点.试验观测结果表明，在阀门正常双边开启情况下，船闸充、泄水门槽后廊道侧面及内侧转弯段均未出现负压.廊道顶部的负压值小于3.0m，因此，不会对廊道结构造成破坏.

在充、泄水过程中，阀门段输水廊道流态观测结果表明，上闸首工作阀门井、上检修阀门井及下闸首工作阀门井、上、下检修阀门井水位均未出现低于廊道顶部而发生掺气的现象.唯上闸首工作阀门后的下检修阀门井处的廊道顶高程27.0m布置较高，在阀门双边开启时间tv=7min时，充水至1.5min(原体)时，阀门井水位已降至廊道顶，且水面波动约有3.3m，处于发生掺气的临界状态;而tv=7min单充至1.0min时，阀门井水位已低于廊道顶，并出现掺气现象.由于原体船闸充水过程中不允许掺气，因此，必须降低上闸首下检修门井段廊道顶高程.

经水力学计算分析，将该段廊道顶高程修改降低至25.2m.试验观测结果表明，上闸首下检修门井廊道顶高程降低后，在非恒定流充水情况下，阀门双单边开启时间tv=7min充水时，最低检修阀门井水位仍高于廊道顶1.5m左右，上述两种工况均未出现掺气现象.实测的该部位tv=7min充水(非恒定流，水位组合:43.1～29.0m)廊道压力满足规范要求(图2).

图2 廊道压力变化过程线Fig.2 Gallery's pressure variation hydrograph

3 闸室停泊条件

3.1 原设计布置方案

为了解闸室内纵向水流的分配情况，除观测闸室内流态外，还测定了各支管的流速(图3).资料表明，阀门开度n＜0.2时，前面支管出流大于后面支管，n＞0.3时，后面支管出流逐渐增多，且流速值大于前面支管;应该说，在出水段所有支管的流速分布是非均匀的，这与其输水系统的特性、出水段布置长度密切相关.

图3 阀门不同开度时流速分布Fig.3 Velocity profiles with different opening degrees of valve

从闸室水流横向分布看，当支管水流进入闸室第1道明沟时，由于其前正对的第1道消力梁开有6.5m×0.8 m的孔，因此，大部分水流通过其孔进入第2道明沟翻涌上来，第1和第3道明沟水流水泡不明显.因此，闸室横向水面尚不太均匀.实测停于闸室内的2×2000 t船队、3000 t单船系缆力资料表明，虽然也满足规范要求，但其富裕量不大.

3.2 修改布置方案

经试验反复观测，认为闸室3道消能明沟内横向水流尚不均匀的主要原因是支管正对的第1道消力梁开孔偏大，大部分水流未经消力梁阻挡通过其孔直接进入第2道明沟翻涌上来，导致第1和第3道明沟水流上涌不明显，船舶横向系缆力较大.针对这一情况，试验中采取在第1道消力梁开孔的中间位置堵1.5m和1.0m宽两种方案，以限制部分支管水流在闸室第1道明沟内扩散，增大第1道消力梁出口处的流速，以达到水流在第2，第3道明沟内均匀扩散;结果表明，3道明沟的水流分配较原设计均匀很多.当支管水流进入闸室第1道明沟时，该股水流被分成三部分，支管中心流核由于消力梁开孔中间位置被堵挡而折回该明沟内，两侧的水流通过该消力梁孔口进入第2，第3道明沟内扩散消能.

试验中认真比较了在第1道消力梁开孔中间位置堵1.5m和1.0m宽两种流态，前者由于消力梁开孔中间位置堵挡较宽，在第1道明沟的水流略显多，且略有不规则水流紊动出现;而后者3道明沟的水流多比较均匀，无不良流态出现;通过对修改后的3道明沟的水流流态分析认为，第1道消力梁开孔中间位置堵1.0m宽的尺寸基本是合适的(图4).实测闸室内船舶系缆力较原方案大为减小(表1)，修改方案后，阀门双边、间歇单边充水(tv=7min时，阀门开启82 s，停止300 s，再开启至全开)2×2000 t船队、3000 t单船停于闸室内系缆力过程线见下图，其中图5为2×2000 t船队停于闸室内前端左岸方案修改前和修改后系缆力过程线图(tv=7min，双充，水位组合:43.1～29.0m).

图4 消力梁孔口布置优化方案Fig.4 Optimized scheme for stilling beam's hole

表1 方案修改前后系缆力对比(tv=7min充水)Tab.1 Mooring force contrast before and after scheme modification kN

图5 方案修改前后系缆力过程线Fig.5 Mooring force hydrograph before and after scheme modification

4 结语

(1)在设计最高与最低通航水位43.1～29.0m组合下，经对4种阀门开启时间(tv=4，5，6和7min)的比较，考虑闸室内船舶停泊条件，试验推荐采用双边阀门连续开启tv=7min，相应的闸室充水时间为9 min 27 s，泄水时间为10min 57 s，满足船闸设计通过能力的要求.

(2)在上、下闸首推荐的阀门双边开启时间tv=7min工况下，闸室充、泄水最大流量分别为410和365m3/s，闸室水面上升速度分别为2.7和2.5m/min;双边充、泄水系统平均流量系数分别为0.837和0.740;单边充、泄水系统平均流量系数分别为0.865和0.770.

(3)在充水过程中，原方案上闸首下检修门井出现掺气现象，试验将下检修门井廊道顶由原设计高程27.0m降低至25.2m后，在推荐的阀门开启速率工况下，避免了下检修门井内的掺气现象;该段的廊道顶部压力亦得到明显提高.非恒定流充水情况下，阀门双边、单边间歇开启时间tv=7min时，门后廊道顶的最低压力由原方案－1.53和－2.67m分别提高至－0.66和－1.02m，更好地满足了规范的要求.

(4)原设计闸室内第1根消力梁开孔尺寸太大，支孔出流未经碰撞消能.冲至第2道明沟内集中翻涌，紊动稍大，闸室内横向的流量分配尚均匀;在推荐的阀门开启速率工况下，实测2×2000 t设计船队、3000 t单船某些测次最大纵、横向系缆力已超出规范允许值;试验在第1根消力粱开孔6.5m宽的中心堵1.0m，经对闸室流态观察，三道明沟的水流分配较为均匀;阀门双、单边开启时间tv=7min时，实测2×2000 t船队、3000 t单船停于闸室内的最大纵、横向平均系缆力均小于规范允许值.

(5)研究结果表明:对于平面尺度大、输水要求高、中水头的贵港二线船闸，通过上述各部位尺寸的调整、方案优化，选择合适的阀门开启速度和闸室内消能明沟型式，采用闸墙长廊道多支管输水型式是可行的.

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