(9.1)--大藤峡船闸关键水力学问题研究.pdf

收稿日期:2017 05 31;修回日期:2017 07 21基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFC0402004);国家自然科学基金项目(51379019)作者简介:吴英卓(1964 )，女，湖北郧西人，高级工程师，主要从事通航水力学研究。E-mail:ckywuyingz163 com大藤峡船闸关键水力学问题研究摘要:大藤峡船闸闸室有效尺寸为280 m 34 m，最高通航水头为4025 m，是世界上首个水头超过40 m 的大型超高水头单级船闸。单级船闸的特性以及闸室规模、工作水头和输水时间要求决定了其单次输水水体、输水最大流量以及进入闸室的能量，超过闸室尺度相近的三峡多级船闸，借鉴三峡船闸输水系统体型的初设方案闸室内船舶停泊条件问题突出。为此开展了1 30 比尺船闸整体模型试验，结合减压及局部模型试验与数模计算，通过输水系统体型创新、输水系统阻力及阻力分配调整和阀门运行方式优选，解决了大藤峡船闸闸室内船舶停泊条件及输水系统水流空化等关键水力学问题。研究获得的新型自分流全闸室出水输水系统布置型式，很好地解决了闸室高效输水和船舶停泊安全问题，显著拓展了等惯性输水系统对水头的适应性，其成果可供超高水头大型船闸设计借鉴。关键词:大型超高水头船闸;闸室停泊条件;水流空化;全闸室出水;自分流分流口;阀门运行方式中图分类号:U641 1文献标志码:A文章编号:1001 5485(2018)12 0068 061工程背景大藤峡水利枢纽工程位于珠江流域西江水系黔江河段大藤峡峡谷出口处，下距广西桂平市黔江彩虹桥6 6 km，是一座以防洪、航运、发电、水资源配置为主，结合灌溉等综合利用的大型水利枢纽工程。大藤峡水利枢纽地处西江水运咽喉要道，船闸为该枢纽唯一的过船通道，其性能关系到黔江航道能否通畅，航运地位十分重要。大藤峡船闸设计通航最大船舶吨级为 3 000 t，船闸级别为级，采用单线单级布置，闸室有效尺寸为 280 m 34 m 5 8 m(有效长度 有效宽度 最小门槛水深)。上游最高通航水位61 00 m、上游最低通航水位44 00 m，下游最高通航水位41 21 m、下游 最 低 通 航 水 位 20 75 m，最 高 通 航 水 头40 25 m。船闸通航代表船型为 3 000 t 级集装箱船及 2 2 000 t 级船队，船闸输水时间需13 5 min。大藤峡船闸的闸室尺度、水头、水位变幅条件以及通过能力要求等综合指标超过了国内外已建单级船闸的最高水平，输水过程中由于进入闸室的水流能量大，闸室内船舶停泊条件难以满足要求。另外，超高水头船闸输水系统水流空化问题突出，为了保证船闸建成后船舶能安全、迅速地通过船闸，对输水系统的布置、结构体型尺寸及输水阀门运行方式等进行模型试验和优化。2研究成果大藤峡船闸是国内外首个水头超过 40 m 的大型单级船闸，闸室内船舶停泊条件及输水系统水流空化问题突出，因此针对上述关键水力学问题先后开展了数模计算选型、物模验证优化等系列研究，其中物模包括 1 30 比尺船闸整体模型、1 18 比尺闸室输水系统半整体模型、1 30 比尺输水系统阀门段减压模型、1 30 比尺第 2 分流口减压模型。以下简单介绍优化研究思路和各模型相关试验成果，为今后的超高水头船闸水力学研究提供参考。21初设方案验证2 1 1输水系统简介大藤峡船闸闸室有效尺寸与三峡船闸相同，借鉴三峡船闸的成功经验，初设方案采用了与三峡船闸类似的 4 区段 8 纵支廊道顶部出水盖板消能等惯性输水系统型式1，采用泄水箱涵将泄水水体泄入电站尾水渠中。其输水系统布置见图 1。初设方案的数模计算成果表明，输水流量明显图 1初设方案输水系统平面布置图Fig1Plane layout of the conveyance system in preliminary design偏大，流道压力偏低，对输水廊道、阀门及闸室停泊条件均不利，为此适当减小了输水廊道断面尺寸，加长了闸室内出水廊道长度，并根据以往研究经验，将消能盖板体型修改为裙梁等高型2，将分流口墩头修改为半椭圆形3。经上述修改后作为初设验证方案进行模型验证，该验证方案主要结构特征参数见表 1。表 1初设验证方案输水系统主要结构特征尺寸Table 1Dimensions of main components of the waterconveyance system in preliminary design部位型式尺寸(m m)主廊道矩形(2 50)70阀门反弧门(2 50)60阀门段起始淹没水深 20 m顶渐扩、底突扩275 10 1第 1 分流口垂直分流(半椭圆墩头)充水进口(4 60)31充水出口(4 56)31中支廊道矩形(2 56)70第 2 分流口平面分流+垂直分流充水进口(8 29)31充水出口(8 50)31出水支廊道矩形(8 50)31出水孔顶部出水盖板消能 8 (12 50 022+50 015)旁侧泄水箱涵矩形(2 68)75注:阀门段起始淹没水深=下游最低水位 阀门控制断面顶高程2 1 2验证试验成果1 30 比尺船闸整体模型试验获得的正常双阀开启工况输水主要水力特征值见表 2。表 2最高通航水头闸室输水水力特征值Table 2Hydraulic eigenvalues of water conveyance inthe chamber in the presence of maximum water head输水方式tv/minH/mT/minT1/minQmax/(m3s1)Umax/(mmin1)充水泄水2402511189501 16364510402514541236794441240251275108499955410402516181375720400注:tv为阀门开启速度，以匀速开启全历时计;H 为输水起始水头;T为模型实测输水时间;T1为考虑 15%缩尺效应后的输水时间;Qmax为最大流量;Umax为闸室水面最大上升(下降)速度由表 2 可知，阀门采用 tv=2 10 min 速度开启，充泄水时间基本均能满足设计要求，且较快速度开阀时，裕度较大;闸室充泄水 Qmax均超过三峡船闸运用最大流量 613 m3/s，闸室水面上升速度也超过三峡船闸(3 54 m/min)。充水时闸室内流态较差，tv=2 min 开阀充水，3 000 t 船舶最大系缆力分别为88 kN(纵向)、80 kN(横向)，大幅超过规范要求(纵向力46 kN、横向力23 kN)。进一步放慢开阀速度至 tv=12 min，系缆力仍超标，特别是横向力最大超标近 30%。试验还表明，该方案输水阀门突扩腔升坎等部位时均压力低，压力脉动大。若采用与三峡船闸相同的快速 tv=2 min 开阀方式，突扩腔升坎测点最低时均压力为 Pmin=4 60 9 8 kPa(充水)、Pmin=5 48 9 8 kPa(泄水)，瞬时最低压力 Pmin=1 32 9 8 kPa(充水)、Pmin=0 27 9 8 kPa(泄水)，类比三峡船闸模型试验及原观成果，初设验证方案输水阀门段压力偏低。22优化研究初设验证方案成果表明，船闸必须满足的通过能力、船舶停泊条件、输水系统安全这 3 方面要求，仅通过能力满足，且有一定裕度，其余 2 方面均不达标，因此从综合考虑输水时间、闸室停泊条件和输水系统工作条件 3 方面要求着眼，通过调整输水阀门运行方式、输水系统关键部位体型及输水系统总体布置，达成均衡 3 方面要求，提升不达标短板的目的4。2 2 1输水阀门运行方式优选输水阀门运行方式的选择，必须综合考虑输水时间要求、输水阀门工作条件、船舶停泊条件等因素影响。从满足输水时间方面考虑，根据初设验证方案试验成果，充泄水阀门选择 tv10 min 均可;从改善停泊条件方面考虑，闸室内停泊条件存在随着开阀速度放慢而趋好的普遍规律，鉴于大藤峡船闸输水96第 12 期吴英卓 等大藤峡船闸关键水力学问题研究能量大，系缆力超标严重，放慢充水阀开阀速度有助于系缆力超标问题的解决，因此充水阀开阀速度选择慢速为好。而大藤峡船闸泄水系统的布置特点决定了泄水阀门开阀速度选择与下游引航道通航水流条件无关;从改善阀门工作条件来看，由于大藤峡船闸水位变幅大，不适宜采用浅埋深通气减蚀，因此提升阀门段压力成为减免大藤峡船闸阀门段水流空化的主要措施。图 2 示出了初设验证方案，最高通航水头条件下，tv=2 12 min 双阀充水(SC)、泄水(SX)和单阀充水(DC)、泄水(DX)，阀门后廊道典型测点最低时均压力与开阀时间关系。图 2最低时均压力与开阀速度关系Fig2elationship of lowest time-averagedpressure vs valve opening duration图 2 表明，从提高阀门段压力着眼，大藤峡船闸充水阀门以 tv6 min 慢速开启为佳，泄水阀门以tv=2 min 快速开启为佳。由图 2(b)可知，泄水阀门段最低时均压力与开阀速度的关系，双泄工况下在 tv8 min 的速度区间为单调降变化，这一规律与三峡船闸不同，三峡船闸中间级输水，不管是充水还是泄水，tv 3 min 区间单调减、tv3 min 区间单调升。差异源于单级船闸泄水与多级船闸中间级泄水的边界条件不同。单级船闸泄水时下游水位基本恒定，不会随开阀速度的改变而改变，多级船闸中间级泄水时因下闸室水位升高获得的增压作用在单级船闸中消失，相应快速开阀因惯性提高阀门段压力的优势显现。银盘船闸(单级、2 区段 2 纵支等惯性输水系统)也具有泄水阀门段最低时均压力随开阀速度放慢单调下降这一规律3，显然对于具有复杂输水系统的高水头单级船闸而言，当下游水位变幅大，不适宜采用浅埋深通气减蚀时，快速开阀对提高阀门段压力、减免泄水阀门段水流空化有利，若船闸又采用了外泄泄水方式，泄水流量大小对下游引航道通航水流条件无影响，则泄水阀以快速开启为佳。综合考虑输水时间要求、闸室停泊条件以及阀门段压力状况，双阀充水选择 tv=6 8 min、双阀泄水选择 tv=2 4 min，作为大藤峡船闸输水阀门运行速度是较为恰当的。上述研究表明，对于水位变幅较大的单级大型高水头船闸而言，充水阀采用较慢速度开启、泄水阀采用快速开启，对均衡输水时间、闸室停泊条件、输水阀门水流空化条件 3 方面要求最为有利。固守充泄水阀门运行方式一致，会增加解决闸室停泊条件或阀门水流空化问题的难度，可能得不偿失。2 2 2输水阀门工作条件改善措施改善输水阀门工作条件的目的，是避免阀门后水流空化带来的阀门振动及空蚀破坏。由于大藤峡船闸水位变幅大，不宜采用浅埋深通气减蚀措施5 6，因此提升输水阀门段廊道压力成为减免阀门段水流空化的主要手段。提升阀门段压力有 2 条途径，一条是输水阀门运行方式优化，另一条是输水系统布置或阀门段体型优化。初设验证试验表明，通过优选输水阀门运行速度，可提升突扩腔压力，但仍偏低。因此，还需从优化输水系统布置或阀门段廊道体型的途径寻找综合解决方案。考虑到初设验证方案输水时间比设计允许值短近3 min，因此，首先从充分利用输水时间裕度着眼，调整输水系统阻力及阻力分配，限制输水最大流量，提升压力7。经过多个方案的优化比较，最终对输水系统进行了如下局部调整:将输水阀门处廊道面积缩小13%;闸室出水孔面积减小 30%;泄水箱涵出口面积缩小 30%。1 30 比尺整体模型试验结果表明，通过适当增大输水系统阻力，调整阀门段前后阻力分配及优选阀门运行方式，将最大输水流量控制在 851 m3/s以下，充水流量减小 12%、泄水流量减小 17%，阀门段压力可提高到(8 34 9 63)9 8 kPa(tv=6 8min 双充)、(8 58 6 03)9 8 kPa(tv=2 4 min双泄)，压力提升明显。输水系统阀门段减压模型试验表明，在上述优化的基础上再加大阀门段埋深1 m，可保证阀门段空化强度降低到初生阶段，阀门段埋深加大 6 m 以上，可保证阀门段不发生空化。2 2 3闸室内停泊条件改善措施采用上述调整阀门运行速度及输水系统阻力的措施，减小了输水流量和进入闸室的能量，使闸室停泊条件得到改善，但尚存在船舶横向力偏向一侧且超过允许值近 1 倍的问题。受输水时间要求限制，输水流量不可能无限制地减小。试验表明，在最大限度利用输水时间裕度后，可将闸室充泄水 Qmax控07长江科学院院报2018 年制在 850 m3/s 左右，经计算，上述闸室内参与消能水体的比能仍为三峡船闸的1 2倍左右。因此，第 2阶段优化首先从优化闸室内消能设施着手，在模型上尝试了诸如三峡船闸模型研究证实有效的“盖板+小明沟”2 等措施，但作用有限。表明简单照搬三峡船闸的输水布置已不能解决该船闸的问题，其输水系统布置型式必须从大格局上进行调整。对大藤峡船闸而言，因进入闸室的流量高、能量大，以往国内外船闸采用的常规 4 区段等惯性输水系统(见图 1)，闸室内出流集中在闸底约 65%左右范围内8，出水孔出流相对集中，上部参与消能的水体相对偏小，且闸底有出水孔区域与无出水孔区域会形成一定的水面坡降，亦不利于船舶停泊;另外，通过第 2 分流口进入出水分支廊道的流速较高，偏向严重，造成出水孔出流偏向。这些都是造成系缆力超标的原因。要解决上述问题，优化第 2 分流口体型、加大出水孔布置区域、使更多水体参与消能是关键。图 3第 2 分流口常规体型与自分流体型比较Fig3Comparison between conventional layout andautomatic diversion layout at the second outlet图 3 绘出了国内外以往 4 区段输水系统采用的第 2 分流口体型(简称常规体型)，和取消导流隔板、空腔内水流自行分流的第 2 分流口体型(简称自分流体型)的结构示意图。由图 3 可知，常规的第 2 分流口，因采用水平与垂直组合分流造成调顺水流需较长距离，妨碍了出水孔布置更进一步分散。因此减小第 2 分流口所占闸底面积是优化的方向。其中最极端的做法是取消第 2 分流口，即采用 2 区段布置。根据葛洲坝 1#船闸研究经验9，对于闸室长度接近 300 m 的船闸，采用 2 区段等惯性输水系统，需要长度超过 100 m 的出水廊道，过长的出水廊道会使 2 区段出水孔布置对流量变化的适应性下降，即保证各级流量下出流均匀性能力较差。由于 4 区段等惯性输水系统具有对流量变化的适应性更强的特点，因此国内外水头 Hmax30 m 的单级船闸，闸室长度 L200 m 时均采用 4 区段等惯性输水系统，如美国的下花岗岩船闸(闸室有效尺寸 206 m 26 2 m、Hmax=30 8 m)以及索伯雷丁莎船闸(闸室有效尺寸 200 m 17 m、Hmax=33 0 m)10。鉴于此，优化方案仍采用 4 区段布置，仅将第 2 分流口体型由原来复杂的水平分流与垂直分流结合的分流型式(图 3(a)，修改为简单的大空腔低流速自行分流型式(图 3(b)，该型式第 2 分流口平面尺寸减小，出水支廊道加长，闸室内布置出水孔的区域占比提高至 90%，使得闸室内参与消能的水体进一步增加，经计算采用 tv=6 min 双充时，闸室内消能水体比能降低至三峡船闸的0 85倍。这一第 2 分流口自行分流全闸室出水 4 区段等惯性输水系统简称为自分流全闸室输水系统，见图 4。上述输水系统体型还具有以下特点:(1)与常规等惯性输水系统完全依靠分流口将流量均匀分配至各区段不同11，自行分流的第 2 分流口通过降低分流口内流速基本可达成分流均匀，但进入 1/4(4/4)与 2/4(3/4)区段的流量仍有 15%左右的差异，研究表明，调整空腔体型对进一步均化分流作用不大，最终通过调整各区段出水孔面积很好保证了各区段出流的均匀性;(2)出水支廊道采用近端大、远端小的变截面布置，配以等间距变孔宽的出水孔，保证了长度超过50 m 的出水支廊道上各出水孔出流均匀12;(3)自分流的第 2 分流口通过水流撞击、流线的急剧弯曲消耗能量，能起到内消能的作用，且根据流场特点最终采用的曲线型空腔(见图 4)，解决了第 2 分流口充水顶冲区壁面，在泄水时出现的压力瞬时陡降问题，进一步优化了第 2 分流口压力特性，减压试验表明，第 2 分流口空化特性良好。研究结果表明，自分流全闸室输水系统(图 4)，在最高通航水头下，采用 tv=6 8 min 双阀开启充水、tv=2 4 min 双阀开启泄水，充水时间为12 5813 35 min、泄水时间为12 50 13 09 min，满足设计输水时间13 5 min要求;充水过程中，闸室内水流流态良好，闸室内3 000 t 单船最大纵向力34 27 kN、最大横向系缆力 9 8 kN，满足系缆力纵向力46 kN、横向力23 kN 的规范要求，且有较大富余;2 2 000 t 船队最大纵向力 29 21 kN、最大横向系缆力 5 3 kN，满足系缆力纵向力40 kN、横向力20 kN 的规范要求，且有较大富余，很好地解决了大藤峡船闸闸室内船舶系缆力超标问题。17第 12 期吴英卓 等大藤峡船闸关键水力学问题研究图 4自分流全闸室输水系统布置Fig4Layout of the conveyance system with automatic diversion outlets in the whole chamber3结论通过 1 30 比尺船闸整体模型，结合减压及局部模型试验与数模计算，对大藤峡船闸关键水力学问题进行了研究，通过优选输水阀门运行方式、调整初设方案输水系统阻力和阻力分配以及适当降低输水阀门布置高程，优化了输水阀门工作条件。参考国内外已建高水头船闸输水系统布置的成功经验，提出的全新自分流全闸室输水系统充分吸取了 4 区段等惯性输水系统对不同流量适应性强的优点，同时通过全闸室分散输水减小了闸室水流纵横向流动，有效降低了主要参与消能水体的比能，解决了水头超过 40 m 的大型超高水头单级船闸 大藤峡船闸系缆力超标问题，从实测系缆力来看已远小于规范允许值，是适应水头超过40 m 的超高水头大型单级船闸较好的输水系统布置型式，现已被工程采用。因闸室停泊条件好，该型式有望运用于更高水头大型船闸。参考文献:1 江耀祖，吴英卓，徐勤勤，等 三峡船闸关键水力学问题研究 J 湖北水力发电，2007，72(3):60 64 2 吴英卓，陈建，王智娟，等 高水头船闸输水系统布置及应用 J 长江科学院院报，2015，32(2):58 63 3吴英卓，江耀祖 银盘船闸输水系统布置型式研究 J 长江科学院院报，2008，25(6):6 9 4吴英卓，姜伯乐，李静，等 船闸水力学研究方法论 J 人民长江，2017，48(13):57 61 5 邓廷哲 葛洲坝船闸水力学原、模型试验比较 J 长江科学院院报，1993，10(2):67 72 6 邓廷哲，金峰，彭爱琳 葛洲坝船闸水力学问题综合分析 J 人民长江，2002，33(2):41 46 7 邓廷哲 船闸输水廊道阀门段水力学问题的分析研究 J 长江科学院院报，1989，(2):37 43 8 钮新强，宋维邦 船闸与升船机设计M 北京:中国水利水电出版社，2007 9 易兴华 等惯性输水系统及其在葛洲坝船闸中的应用 J 长江科学院院报，1988，5(1):37 48 10 吴英卓，江耀祖，姜伯乐，等 大型超高水头船闸输水系统型式研究与展望J 长江科学院院报，2016，33(6):53 57 11 吴英卓，江耀祖 三峡船闸输水系统分流口型式研究 J 长江科学院院报，1998，15(5):6 11 12 吴英卓，江耀祖 三峡船闸正向进水口流量分配规律研究 J 水利水运工程学报，2001，(增):127 131(编辑:王慰)27长江科学院院报2018 年Hydraulic Key Issues in the Ship Lock of Datengxia Hydropower ProjectWU Ying-zhuo，JIANG Yao-zu，JIANG Bo-le，WANG Zhi-juan，LIU Zhi-xiong，HE Yong(Hydraulics Department，Yangtze iver Scientific esearch Institute，Wuhan430010，China)Abstract:The ship lock of Datengxia hydraulic junction is the first single-stage ship lock with a water head over40 m in the world and an effective chamber size of 280 m 34 m Due to the features of single-stage ship lock andthe chamber size，working head and conveyance time of the Datengxia ship lock，the conveyance water body，themaximum discharge and energy into the chamber are larger than those of the multi-stage ship lock in the Three Gor-ges Dam In the original design，obvious problems of ship berthing in the chamber and cavitation in the valve seg-ment were resulted from the high head，large chamber size，and high requirements for hydraulic indexes In view ofthis，the layout pattern of conveyance system and the operation mode of valves were optimized through integral mod-el test(1 30)in association with pressure reduction test，local model test and mathematical calculation Theproblems of ship berthing in the chamber and cavitation in the valve segment are addressedKey words:large-scale and super-high head shiplock;conditions of berth in the lock chamber;flow cavitation;ho-listic water filling in the bottom;automatic diversion outlet;櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊櫊valve operation mode(上接第 56 页)4 喻胜春，袁锦虎，邹允福 InfoWorks S 软件在平原河网计算中的应用研究J 中国农村水利水电，2009，(10):44 46 5 张盛楠，吴贝，耿雪 InfoWorks S 在城市景观河道汛期排咸中的应用 J 广州化工，2017，(03):86 88 6 魏凯，梁忠民，陈永钢 InfoWorks S 在河道洪水模拟中的应用 J 水电能源科学，2013，31(8):56 58 7 林国勇，师琨 InfoWorks S 软件在溪源江洪水模拟中的初步应用研究 J 水利科技，2012，(2):9 11 8 王学超，梁士奎，叶飞 InfoWorks S 在河流系统模拟中的应用J 华北水利水电学院院报，2013，34(2):8 10 9 肖魁，陈进，胡军，等 基于 InfoWorks S 的鄱阳湖 二 维 水 动 力 学 计 算J 人 民 长 江，2014，45(16):73 75 10 许拯民，师琨，许龙宾 InfoWorks S 在防洪预警中的应用 J 河南水利与南水北调，2012，(1):3 35(编辑:黄玲)Flood outing Simulation of Jiangxiang DikeBased on InfoWorks SLI De-long1，2，HUANG Ping1，XU Xiao-hua1，FAN Zi-wu3，WU Jing-xiu3，FEI Xiang-bo3(1 Department of Information and Automation，Jiangxi Provincial Institute of Water Science，Nanchang330029，China;2 State Key Lab of Hydrology-Water esources and Hydraulic Engineering，HohaiUniversity，Nanjing210098，China;3 Department of Hydraulics，Nanjing Hydraulic esearch Institute，Nanjing210029，China)Abstract:InfoWorks S was adopted to simulate the 2D flood routing at Jiangxiang Dike by combining 1D channelmodel and 2D flooded area model，and the water depth，flow velocity，arrival time and other factors in the floodprotection area under the most unfavorable conditions were analyzed The measured water level data in 2010 and1998 were used to calibrate the model，and the results indicated that the model is reasonable The boundary condi-tions used in the model was 50-year event flood in Ganjiang iver combined with constant flood level 22 5 m(Wu-song elevation)at Hukou Station The results demonstrate that the model could reflect the flood routing process wellafter dike breaking This research offers technical support for the disaster reduction of Jiangxi provinceKey words:flood routing;flood control and disaster reduction;flood-protected area;InfoWorks S;Jiangxiangdykes37第 12 期吴英卓 等大藤峡船闸关键水力学问题研究