大尺度、低水头船闸闸室消能工研究

◎ 余彬 广东省航道测绘中心陈亮 重庆西南水运工程科学研究所



大尺度、低水头船闸闸室消能工研究

◎ 余彬 广东省航道测绘中心陈亮 重庆西南水运工程科学研究所

随着船闸的大型化发展，大尺度、低水头船闸越来越多，本文针对大尺度、低水头船闸闸室出流特点，采用物理模型试验，重点研究了无槛、连续低槛及间断高槛消能工消能效果，多方案比较了各消能工布置下船闸充水过程停泊条件，试验表明：连续低槛、间断高槛均能满足闸室停泊条件要求，并提出了两种消能工布置原则。

低水头 大尺度 闸室消能 模型试验

1.前言

近年来随着货运量的发展，对枢纽通过能力要求越来越高，大量枢纽面临扩能改造，为满足通过能力要求，新建或改建的二、三线船闸尺度，在此类船闸中大部分船闸为中、低水头。本文以北江孟洲坝枢纽二线船闸为依托，对大尺度、低水头船闸闸室消能工进行了系列研究，分析比较了各类消能工消能效果及停泊条件。孟洲坝枢纽是集发电、防洪、航运和改善生态环境为一体的综合性低水头枢纽。是北江干流最上游的一个梯级，已有一线船闸布置在枢纽右岸，尺度较小，不能满足北江航运发展，因此，建设孟洲坝枢纽二线船闸是完全必要和十分及时的，新建的孟洲坝二线船闸与一线船闸同岸布置，其有效尺度为220m×23m×4.5m（闸室有效长×宽×门槛水深，下同），船闸运行最大水头8.0m，设计充泄水时间小于10min，设计拟采用侧墙长廊道分散输水系统，设计通航船舶为1000T级，各部位特征尺寸见表1，输水系统布置见图1。

该船闸水头较低。但平面尺度大（23m），采用较为简单的分散输水系统，对闸室消能工布置及消能效果要求较高。因此，针对此类船闸的特点对闸室消能工进行研究，保证船闸高效、安全的运行十分必要。

2.模型设计

模型按重力相似设计，比尺为1∶30，模型与原型各物理量换算关系见表2。

图1　孟洲坝二线船闸输水系统布置图

表1　孟洲坝二线船闸输水系统特征尺寸表

表2　模型比尺表

图2　闸室无槛方案布置

a.剖面图

图3　闸室连续槛布置图

a.平面图图4 间断消力槛布置图

船闸水力学模型范围包括：原型上引航道、船闸闸室、输水系统及下引航道，总共模拟原体1100m长左右，满足试验相似性要求。为便于观察阀门廊道段流态，输水廊道主要采用有机玻璃和聚氯乙烯塑料板制作。闸室两侧墙上部由玻璃框架、下部为塑料板框架装配而成。塑料板和有机玻璃。模型使用塑料板及有机玻璃与原型混泥土糙率相比略大，糙率引起的缩尺效应有一定的影响，本文以输水系统水力学整体模型为基础的前提下，对无槛、低槛连续及高槛间断消能工进行研究。

3.试验工况

试验采用最不利水位组合工况：上游水库正常蓄水位（最高通航水位）53.32m～下游最低通航水位45.32m，设计最大工作水头8.0m。针对该水位组合工况，阀门采用tv=4min～7min双边匀速开启，6min、7min单边连续开启，试验全面观测了各消能工布置下闸室充、泄水流态；测量了1000T级船舶停于闸室各部位船舶系缆力，船舶不系缆自由漂移等，分析比较了各类消能工消能效果及船闸闸室停泊条件。

4.模型试验成果分析

4.1消能工布置及流态观测

4.1.1无槛方案

闸室内不布置消能工，水流对冲消能，闸室布置图见2。

从闸室横向水面看，双边阀门开启充水时，充水初期，支孔出流较小，水面较为平稳，闸室两侧水面略高于闸室中部，横向比降较小；充水中后期，支孔流量逐渐增大，支孔出水水流汇集于闸室中部，水流交错碰撞后，在闸室中部翻涌而上，在闸室中形成水花和漩涡，闸室中间水面较两侧高，形成中间高，两侧小的横比降。在船闸阀门单边开启充水时，随着流量的增大，支孔流速增大，且由于闸室无任何消能工，支孔出流的射流直接冲到另一侧闸墙，翻涌而上，充水侧则无明显翻涌，闸室水面非充水侧明显高于充水侧，横向比降大。

4.1.2连续低槛方案

根据无槛方案输水过程闸室流态的特点，试验在两侧出水口各布置一根连续消力梁，根据目前国内外船闸闸室消能工研究成果和类似船闸试验研究经验，消力梁槛高拟定为0.6m（出水支孔高度的2/3），宽0.6m，对于消力槛的平面位置进行了距孔口1.0m、1.2m、2.0m三种方案比较，连续消力槛布置图见3。

经平面位置多方案观测比较，连续槛消能闸室水流出流特点为由于消力槛的阻挡，水流与消力槛碰撞消能后，部分水流反弹至消力槛内侧与槛内水体摩擦消能，而从消力槛顶端翻涌出流的水流，沿闸室横断面，沿程扩散，损失，与闸室水体交换，翻涌而上。

三种平面布置下流态呈以下特征：

距闸墙1.0m方案：由于两侧消力槛离支孔较近，支孔出流经消力槛碰撞消能后，水流反弹，大部分水流从消力槛内侧涌出，闸室两侧翻涌激烈，横向比较为两侧高，中间低。

距闸墙1.2m方案：充水初期，消力槛内水域出流量稍大，但由于出流流量不大，水面平稳，横向比降较小。随着阀门开度的增大，在充水中期，在消力槛后方约4m的水面出现小范围紊动，在充水后期，随着闸室水位的升高和出流量的减小，紊动强度及范围逐步减弱直至消失，闸室水面逐渐平稳。整个充水过程中，除消力槛后局部水域紊动外，闸室水面较平稳，闸室水流条件较好，未观测到泡漩和漩涡等不良水流现象。试验分析认为，在充水初期，闸室支孔出流流速小，消力槛对水流的拦阻作用小；在充水中期，支孔出流流速逐渐增大，水流达到消力槛时，部分出流从槛顶上方流向闸室中间，部分水流经消力槛消能反弹后从消力槛内侧流出，反弹水体在向上出流时与消力槛上方水流交汇，在消力槛后方水面涌出，两股水流的相互作用，使闸室横向出流更趋均匀。

距闸墙2.0m方案：阀门双边开启充水中后期，闸室中部水面涌高大，出流集中在闸室中部，横比降大，闸室中部出现紊动和漩涡。试验分析认为：随着消力槛与出水支孔距离的增加，消力槛对水流的调整和消能作用减弱，支孔出流大部分从消力槛上方冲至闸室中间，使闸室横向出流分布不均，闸室横向比降较大。

以上几种方案，在阀门单边充水过程中，充水初期，支孔出流流量较小，闸室内水面平稳，横向比降小。充水中后期，随着流量的增大，支孔出流水流，经消力槛碰撞后部分冲往非充水侧，部分流于消力槛附近，非充水侧水面略高于充水侧，横向比降较无槛方案明显减小，闸室泄水过程水面平稳。

4.1.3间断槛方案

鉴于连续消力槛存在底部水流与槛顶水流相互影响，导致在槛后出现紊动的特点，为进一步改善闸室水流条件，试验还进行了间断式（墩式）消能工研究，在槛高不变的情况下，间断槛消能工对水流的重新分配能力有限，造成闸室水流紊乱，闸室横比降大。由于组合形式的复杂性，为增加消能墩对水流的重新分配效果，本文初步拟定槛高取1.15m，长2.8m，间距2.8m，布置于出水孔两侧，试验进行了消力槛距闸墙1.5m、3.0m两方案进行了比较，布置图见4。

间断槛距闸墙1.5m方案：双边阀门开启工况下，双边阀门开启工况下，在充水初期，闸室水面较为平稳，在充水中期，闸室两侧水面紊动较大，水面翻涌明显并出现漩涡。随着水位上升，闸室水面逐渐趋于平稳，在整个充水过程中，消能效果不理想，距离出水孔太近，阻水作用明显，致使闸墙两侧出流量大，闸室横向比降大。

图5　1000t闸室系缆力过程线（tv=6min，双充，无消力槛方案）

图6　1000t闸室系缆力过程线（tv=6min，单充，无消力槛方案）

图7　1000t闸室系缆力过程线（tv=6min，双充，连续消力槛方案）

图8　1000t闸室系缆力过程线（tv=6min，单充，连续消力槛方案）

图9　1000t闸室系缆力过程线（tv=6min，双充，间断槛方案）

图10　1000t闸室系缆力过程线（tv=6min，单充，间断槛方案）

间断槛距闸墙3.0m方案：调整后阀门双边开启工况下，充水过程闸室水面无明显涌高，闸室横向水流分布较均匀，但闸室水面水流紊动强度较连续槛方案有所增大，且在消力槛处水面和闸室中间观测到水流存在小范围漩涡。

经试验分析，考虑间断消力槛虽纵向未完全连续阻水，但消力槛高度较高（1.15m），不宜布置离出水支孔太近，试验调整消力槛至距闸墙3.0m位置。调整后阀门双边开启工况下，支孔出流水流与消力槛进行碰撞消能，充水过程闸室水面无明显涌高，闸室横向水流分布较为均匀，但闸室水面水流交错强度较连续槛方案有所增大，且在消力槛处水面观测到水流存在小范围旋转。

表2　各方案下闸室内船舶（队）平均最大系缆力比较表

4.2船舶停于闸室系缆力

为了进一步研究闸室停泊条件，分析上述几种消能工消能效果的优劣，试验对上述几个方案下1000t船舶停于闸室船舶系缆力进行了比较试验。试验水位组合为53.32m～45.32m，阀门开启方式为双边tv=4min～7min开启和单边tv=6min～7min开启，船舶均停于闸室中部。实测系缆力结果比较表2，各方案船舶系缆力过程线见图5～10。

从表2可看出，三种方案下，阀门双边开启4min～7min工况下，1000t单船，最大纵向系缆力为10.2KN，最大横向系缆力为8.5KN，三种方案纵、横向系缆力相差不大，均满足规范要求。就横向系缆力而言，无槛方案整体较另外两方案大，连续消力梁略小，间断消力槛最小。如tv=6min双边充水工况，三种方案前横向系缆力分别为：5.0KN、4.9KN、3.2KN；后横向系缆力分别为：5.0KN、4.1KN、3.6KN。测试纵向系缆力表明，在阀门快速开启时，间断槛方案略大，连续消力槛其次，无消能工时最小；而在阀门开启速度较慢时，三种方案的纵向系缆力基本相同。

阀门单边开启6min～7min工况，纵向系缆力均满足要求，但无消力槛方案最大横向系缆力达28.7KN，超过规范允许值。其余两方案，横向系缆力满足规范要求，其中间断槛方案横向系缆力略大于连续消力槛，如tv=6min单边充水工况，连续槛方案前、后横向系缆力分别为：7.0KN、7.2KN；间断槛方案前、后横向系缆力分别为：7.1KN、9.6KN。

5.结语

对于大尺度、低水头船闸消能工，本文经多种形式、多种方案消能工的比较得出以下主要结论：

（1）无消力槛方案，双边充水工况，利用水体对冲及淹没消能，能满足闸室停泊条件，但闸室水面紊动剧烈，闸室漩涡数量、强度较其它两方案大，单边运行时，闸室水流条件、停泊条件皆不能满足要求。

（2）连续消力槛和间断消力槛两方案闸室停泊条件均满足规范要求，且系缆力绝对值相差不大，但考虑连续消力槛较间断消力槛结构形式简单，槛高较小，对船舶安全停泊航行有利，故在同等情况下推荐连续低槛。

［1］JTJ 306-2001 船闸输水系统设计规范［S］.

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