大藤峡水利枢纽船闸输水系统研究

严来光，常万军

（1.广西大藤峡水利枢纽开发有限责任公司，537226，桂平；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，130021，长春）

一、问题的提出

大藤峡水利枢纽船闸布置在黔江左岸Ⅰ级阶地上，船闸采用单线单级布置， 设计通航最大船舶吨级为3 000 t，船闸主体段长385 m，上游引航道长1453m，下游引航道长1897m。闸室有效尺度为280 m×34 m×5.8 m（长×宽×门槛水深）。

初步设计阶段船闸输水系统采用四区段八分支廊道盖板消能（自分流）方案。 进水口采用侧向多支孔分散进水方式，分别在靠近上闸首左侧导航墙引航道内侧和右侧导航墙引航道外侧库内取水。 船闸两侧各布置一条输水主廊道， 采用5.0 m×7.0 m（宽×高）矩形断面。 阀门段廊道采用“顶扩+底扩”体形结构。 第一分流口采用垂直分流，第二分流口采用自分流体形。 泄水口布置在左岸电站尾水渠内，水流经左、右侧泄水廊道在下闸首处汇入泄水箱涵后泄入电站尾水渠。 船闸设计最大水头40.25 m，一次充泄水量42 万m3， 是目前国内外已建单级船闸之最。 船闸充泄水阀门段廊道、第一分流口及第二分流口等输水系统关键部位水力学问题突出。

技施设计阶段通过公开招标，中水东北公司联合长科院、南科院、武汉大学等多家科研单位针对上述问题开展包括整体及局部水力学模型试验的8 个子课题研究，取得丰硕成果。

二、研究内容

1.进出水口布置

（1）进水口布置

比较了3 种进水口布置方式，即全部自引航道内取水、全部自库区取水及部分自引航道内取水、部分自库区取水。 全部自引航道内取水，为满足上游引航道通航水流条件，上游引航道底高程需扩挖，石方开挖及支护工程量大，工程投资增加较多。 采用全部自库区取水方式，为满足淹没水深要求，土石方开挖及导航墙混凝土工程量增加较多， 工程投资增加较多。 经综合比较，推荐进水口采用部分自引航道内取水、部分自库区取水方式， 在靠近上闸首左导航墙内侧、右导航墙外侧取水，各设8 个5.0 m×7.0 m（宽×高）孔口，孔口底高程28.0 m，廊道进口处以半径0.5 m 修圆。

（2）出水口布置

船闸最大工作水头时泄水最大流量达850 m3/s， 此时下游引航道内水位最低，过水断面最小，即使一半的水量泄入下游引航道内，其最大表面流速也超过1.2 m/s，超出规范允许值。 且下游引航道较长，泄水长波使得流态不好。 目前，国内外高水头船闸大都采用旁侧或部分旁侧泄水布置。 为满足下游引航道的通航水流条件，采用泄水箱涵将闸室水体直接泄入下游河道内。 为平衡闸室内外水位差及事故备用， 设置辅助泄水廊道。船闸左右两侧泄水廊道通过水平转弯， 在下闸首右侧汇入泄水箱涵，箱涵出口位于左岸厂房尾水渠内。

2.第一分流口体形研究及优化

第一分流口与闸墙输水廊道处为T 形相接，目前T 形管处有设分流脊和不设分流脊两种形式。 三峡船闸未设置，而葛洲坝#1 船闸设置了。

（1）第一分流口初始方案布置

第一分流口采用立体分流体形，充水进口断面尺寸4～6.0 m×3.1 m，充水出口断面尺寸4～5.6 m×3.1 m，底高程4.45 m。 通过常压模型试验， 在闸室进行充、泄水时，第一分流口区域无明显不利流态出现， 流量分配均匀，测点时均压力分布正常，整体无负压出现。 但充、泄水过程中，时均压力随着流量和压力的增加而增加，且充、泄水过程中，进口隔板时均压力较大；而脉动压力在充水过程较大值出现在进口右侧隔板头部附近，其中脉动压力均方差最大值为6.44×9.81 kPa，泄水过程中支廊道进口左、右两侧隔板脉动基本相等，脉动压力标准差不大于2.20×9.81 kPa。

（2）第一分流口体形优化研究

初始方案试验成果表明，船闸充水工况在T 形管进口右侧隔板头部处出现脉动较大现象，为减小该区域较大的脉动压力，在初始方案基础上进行方案优化试验，优化方案一：在T形管增设导流脊;优化方案二：将导流脊向上游移动0.5 m。

通过增加导流脊并进一步将导流脊上移等方案来改善第一分流口隔板头部区域脉动压力较大情况。 试验表明T 形管增设导流脊两方案均能起到明显减小第一分流口隔板头部脉动压力效果， 两方案第一分流口隔板头部顶点脉动压力最大值均不超过2.99×9.81 kPa，方案二略优。 推荐第一分流口采用T 形管设置导流脊的方案。

3.第二分流口体形研究及优化

（1）初设阶段第二分流口布置

第二分流口（自分流）取消了常规体型中纵横分流隔板，采用简单的大空腔低流速自行分流形式。 充水进口纵、 横向断面均为尺寸5.6 m×7.0 m，充水出口断面尺寸4～5.0 m×7.0 m。

常压及减压模型验证试验中发现泄水工况时，第二分流口水流流态紊动较大，脉动压力成果偏大，特别在分流墩头及顶板处有大的负向压力脉冲，减压试验中发现有横向涡漩空化发生。

（2）第二分流口体形研究及优化

技施阶段针对第二分流口存在问题， 研究单位对第二分流口墩头形式进行优化， 提出了增设分流脊的优化方案。 对优化后的第二分流口进行常压、减压模型试验。 试验研究表明，在充水迎水面墩面加设分流脊优化后，泄水时流态得到很大改善， 充泄水工况均未发现空化现象。 充水迎水面墩头虽仍有脉动压力，但幅值不大，结合方便施工需要，采用钢板衬砌。推荐第二分流口（自分流）采用加设分流脊的优化方案。

4.充水阀门段体形研究

初设阶段充水阀门处廊道断面尺寸5 m×5.2 m（宽×高），阀门顶高程-0.05 m，初始淹没水深20.8 m。顶部通过两个半径1 m 的圆弧和斜线向上突扩1.8m，底部垂直向下突扩3.1m，升坎段由两个半径分别为12 m、10 m 的圆弧和坡度为1∶2.5 的斜线组成。突扩腔尺寸为27.0 m×10.1 m，突扩腔底板高程-8.35 m，升坎末端高程-5.25 m。

技施阶段优化进行两方案研究：

方案一：充水阀门处廊道断面尺寸5 m×5.5 m （宽×高）， 阀门顶高程-1.75 m，初始淹没水深22.5 m。 顶部通过两个半径1 m 的圆弧和斜线向上突扩2.0 m， 再以1∶50 的坡度渐扩。 底部垂直向下突扩4.0 m，升坎段由两个半径为10 m 的圆弧和坡度为1∶2.0 的 斜 线 组 成。 突 扩 腔 尺 寸 为32.82 m×11.50 m， 突 扩 腔 底 板 高程-11.25 m，升坎末端高程-6.25 m。

方案二：充水阀门处廊道形式为跌坎按坡度1∶0.45 设置台阶向下突扩4.0 m，升坎段采用五次曲线。

减压模型试验研究成果表明，方案一台阶型跌坎在阀门开启过程中跌坎处易出现压力陡降， 有空化现象；“圆弧—直线—圆弧”升坎体形在升坎出口处存在明显的低压区及分离型空化。 方案二“五次曲线”升坎体形， 水流能很好地贴合高次曲线升坎，升坎末端未见明显分离水流。 跌坎采用强迫通气储备措施，掺气水流即可完全抑制跌坎自身存在的空化，跌坎掺气水流在升坎出口处部分被主回旋区掺混，对阀门底缘抑制效果也极为显著。 其对下检修门井门槽及其后廊道也有较好的保护作用。

推荐采用充水阀门段体型：阀门后廊道采用“顶扩+底扩”体形，廊道顶部向上突扩2.0 m， 再以1∶50 坡度上扩，跌坎部位垂直向下突扩4.0 m，升坎部位以五次曲线与输水主廊道相接。 采用门楣自然通气和跌坎强迫通气（储备措施）的工程措施。

5.泄水阀门段廊道及旁侧泄水箱涵研究

泄水阀门段体形与充水阀门优化体形一致，工作阀门下游检修井布置在阀门井下游37.0 m 处，阀门后廊道采用“顶部突扩+底部突扩”形式。

研究表明，适当缩减泄水箱涵出口断面面积，提高泄水系统总阻力及改变泄水阀门前后阻力分配，降低泄水流量，即将快速开阀时输水系统内关键部位流速控制在规范及相关实践经验要求的范围内，能满足泄水时间要求，充分利用泄水系统较大的惯性长度，通过快速开阀带来的惯性有效提高泄水突扩腔压力。 优化方案仍采用缩减泄水箱涵出口面积的方式，出口面积渐缩至2～7.5 m×3.9 m，泄水突扩腔跌坎体形为直立型跌坎。

优化方案常压试验结果表明，泄水阀门后廊道顶板在阀门开启至0.5开度左右，脉动强度最大，最大压力脉动均方根值约为2.74 m 水柱，位于阀门井下游30.3 m 处；底板脉动均方根最大值为5.17 m 水柱，位于离台阶跌坎始端5.72 m 处。 五次曲线升坎脉动均方根最大值为4.04 m 水柱。 下检修门门槽底板区域压力脉动均方根最大值为1.43 m 水柱。

减压模型试验结果表明， 双阀泄水tv=2 min 非恒定流开启，在未采取门楣自然通气及跌坎强迫通气措施的前提下，除了门楣空化外，推荐的阀门段廊道体形还存在底缘空化、 跌坎空化、升坎空化和下检修门槽出口空化。底缘空化发生的开度范围为0.2～0.6。 跌坎空化发生的开度范围为0.1～0.5。 升坎空化被限制在0.3～0.4 开度。 下检修门槽出口在0.3～0.4 开度偶见空化。 采用门楣自然通气措施后，底缘空化得到充分抑制。采取跌坎强迫通气储备措施后掺气水流即可完全抑制跌坎自身存在的空化，跌坎掺气水流在升坎出口处部分掺混至主回旋区，对阀门底缘抑制效果也极为显著，对下检修门井门槽和廊道也有较好的保护作用。

综合分析试验成果，并考虑施工方便，推荐采用的泄水阀门段体形同充水阀门段体形一致：阀门后廊道采用“顶扩+底扩”体形，廊道顶部向上突扩2.0 m，再以1∶50 坡度上扩，跌坎部位垂直向下突扩4.0 m， 升坎部位以五次曲线与泄水箱涵相接，并预留门楣自然通气和跌坎强迫通气（储备措施）的工程措施；泄水箱出口断面涵断面尺寸2～7.0 m×3.9 m。

6.输水系统整体试验研究

在第一分流口、 第二分流口、充泄水阀门段体形及泄水箱涵等数值模拟分析及模型试验研究基础上，开展了输水系统整体模型优化试验及验证试验。 试验研究取得以下成果：

（1）阀门运行方式

①正常运行工况：充水阀门采用6～8 min 速度双阀匀速开启方式充水。 泄水阀门采用2～4 min 速度双阀同步匀速开启泄水。

②事故单阀运行工况：充水阀门采用6～8 min 速度开至0.5 开度，停机6 min 后再以6～8 min 速度开至全开的间歇开启方式充水。 泄水阀门采用大于或等于5 min 速度匀速开启或采用2～4 min 速度开至0.7 开度间歇2 min 后再以2～4 min 速度开至全开的间歇开启方式泄水；主辅阀联合运行方式为在剩余水头3 m 时以2 min速度开启辅阀， 在剩余水头2.5 m 时以3 min 速度动水关闭主阀。

③事故紧急关阀工况：关阀速度为3 min。

（2）闸室输水时间

充水阀门采用6～8 min 速度双阀同步匀速开启，泄水阀门采用2～4 min速度双阀同步匀速开启， 最大工作水头下闸室充、 泄水时间小于或等于13.5 min；47.60～22.40 m 水位组合下闸室充、泄水时间小于或等于10.8 min。

（3）流态

船闸在正常双阀、事故单阀及事故紧急关阀工况下运行，充、泄水过程中上游引航道水面平静，未出现漩涡；闸室内水面上升、下降平稳，未见明显的纵横向水流流动；充水阀门上下检修门井、工作阀门井水位均未出现脱空带气现象。

（4）最大输水流量与流速

最大工作水头下各运行工况采用各自对应的阀门运行方式充水，双阀充、 泄水最大流量小于或等于849 m3/s， 单阀充泄水最大流量小于或等于457 m3/s，相应输水系统进水口、主廊道、分流口等关键部位流速满足规范及相关经验要求。

（5）闸室停泊条件

最大工作水头下采用6～8 min 速度双阀匀速开启充水，闸室内3 000 t单船系缆力均能满足纵向力不大于46 kN、 横向力不大于23 kN 规范要求；2×2 000 t 船队系缆力均能满足纵向力不大于40 kN、 横向力不大于20 kN 规范要求且有较大富余。

三、主要成果

通过多家科研单位深入研究，解决了大藤峡船闸输水系统水力学问题。

①进水口采用侧向垂直多支孔分散进水方式。部分自引航道内取水、部分自库区取水。 出水口采用泄水箱涵将闸室水体旁侧泄入下游河道内。

②第一分流口在T 形管处设置不对称分流脊， 解决了第一分流口充水工况分流舌局部易发生气蚀问题。

③第二分流口加设分流脊的自分流体形，分流均匀，充泄水工况均未发现空化现象。 泄水工况脉动压力幅值不大，优化后体型合理可行。

④充水阀门段跌坎采用垂直形式，升坎采用五次曲线。

⑤泄水阀门段廊道及旁侧泄水箱涵。 泄水阀门段采用同充水阀门段一致体形。泄水箱涵断面尺寸采用7.5 m×7.0 m， 出口断面缩减为7.5 m×3.9 m，有利于改善泄水阀门段工作条件。

⑥整体输水系统。 优化后的四区段八分支廊道盖板消能 （自分流）输水系统水力特性、 廊道压力特性、船舶停泊条件均满足规范要求。