蜀山泵站枢纽船闸输水系统水力学模型试验

蜀山泵站枢纽船闸输水系统水力学模型试验
阚延炬;李君;宣国祥;徐新敏;赵宇航
【摘要】蜀山泵站枢纽船闸对引江济淮工程航运至关重要,是连通长江与淮河,确保引江济淮航运干线畅通的控制性工程,其闸室规模大、工作水头高、输水能量高,输水过程水力学问题是船闸设计的关键环节.结合工程地质和结构设计,船闸拟采用形式最为简单的闸墙长廊道侧支孔输水系统,输水过程船舶与船闸自身安全能否满足相关要求需要开展细致研究.通过比尺为1:25的物理模型试验,对其输水过程船舶停泊条件、水力特性及引航道水流条件开展研究.结果表明:在推荐的输水系统布置和阀门开启方式下,各项水力指标均能满足规范和设计要求.%The lock of Shushan Pump Station plays an important role in navigation of Yangtze-
to-Huai water diversion project, which is one of the controlling projects to keep smooth navigation from the Yangtze River to the Huai River. The lock has typical characteristics such as large chamber, high lift and huge flow energy, so the hydraulic problem becomes a key part in lock
design.Considering the geology and structure design, the lock tends to be used the simplest dispersed filling and emptying system, the wall-culvert side-port type. It needs to be detailed studied that if the safety of vessels and lock itself during filling and emptying can satisfy the design demands. The ship berthing condition in lock chamber, the hydrodynamic characteristics and flow conditions in approach channels are all studied by a 1:25 scaled physical model.The results indicate that, all the key parameters can satisfy the needs of codes and design under the recommended lock layout and valve opening patterns.
【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】2017(000)009
【总页数】6页(P126-130,143)
【关键词】引江济淮工程;船闸输水系统;船舶停泊条件;输水水力特性;模型试验
【作者】阚延炬;李君;宣国祥;徐新敏;赵宇航
【作者单位】安徽省水利水电勘测设计院, 安徽合肥230088;南京水利科学研究院, 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,通航建筑物建设技术交通行业重点实
验室, 江苏南京210029;南京水利科学研究院, 水文水资源与水利工程科学国家重
点实验室,通航建筑物建设技术交通行业重点实验室, 江苏南京210029;南京水利
科学研究院, 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,通航建筑物建设技术交通行业重点实验室, 江苏南京210029;南京水利科学研究院, 水文水资源与水利工程
科学国家重点实验室,通航建筑物建设技术交通行业重点实验室, 江苏南京210029【正文语种】中文
【中图分类】U641.1;TV135.4
引江济淮工程沟通长江、淮河两大水系，输水线路总长1 048.68 km，自南向北
可划分为引江济巢、江淮沟通、江水北送3大工程段落。

工程以城乡供水和发展
航运为主，结合灌溉补水和改善巢湖及淮河水环境等功能。

蜀山泵站枢纽是江淮沟通段的重要工程，为新建I等大(1)型水利工程，主要建筑物包括引水泵站、船闸、连接渠道及两岸堤防等建筑物。

船闸布置在输水渠道左侧并预留复线船闸位置，设计船舶等级为2 000吨级，闸室有效尺度为280 m×23 m×5.2 m(长×宽×槛上水深)，最大运行水头17.26 m，设计输水时间8～10 min。

蜀山船闸是引江济淮工
程通航船闸中水头最高的船闸，且闸室规模较大，输水水力指标较高，其对引江济淮工程航运至关重要，是确保引江济淮航运干线畅通的控制性工程。

为确保船闸和过闸船舶安全，对其开展水力学模型试验研究十分必要。

根据《船闸输水系统设计规范》[1](简称《规范》)的输水系统类型选择公式：
式中：m为判别系数；T为输水时间(min)；H为水头(m)。

计算可得：m=1.92～2.41，根据规范可采用第一类或第二类分散输水系统，结合蜀山船闸特点和类似工程经验，初步选定闸墙长廊道侧支孔和闸底长廊道输水系统进行对比分析。

闸墙长廊道侧支孔输水系统属于第一类分散输水系统，其输水性能较集中输水系统有较大的提高，而其结构较其他分散输水系统更简单，与集中输水系统相比工程量并未显著增加，尤其当船闸水头达10 m时，其性价比明显优于集中输水系统，是一种适合中等水头、重力式闸墙的船闸输水系统形式。

闸墙长廊道侧支孔输水系统在美国广泛应用于各种水头船闸，但在其船闸设计手册[2]中对水头大于12 m的
船闸不推荐使用，对大型船闸仅推荐应用于水头小于9.2 m。

目前国内采用闸墙长廊道侧支孔输水系统船闸中规模最大为湘江长沙双线船闸、株洲二线船闸和大源渡二线船闸[3]，其规模与三峡船闸规模(280 m×34 m)一致，但水头均在10～11 m；有6座船闸水头已突破美国船闸设计手册规定，已建的最高水头船闸为长洲2#船闸[4]，达15.55 m，闸室规模为190 m×23 m。

闸底长廊道输水系统属于船闸第二类分散输水系统，其对船闸闸墙结构尺寸没有要求，可采用闸墙断面尺寸较小的衬砌式结构，同时输水水流消能效果较好，可较好地适应阀门单边或不同步开启时船舶的停泊条件，适用于中高水头船闸(尤其是采
用衬砌式闸墙结构)。

国外采用闸底长廊道输水系统的工程不多，国内最早采用该
形式的为富春江船闸，闸室规模最大的为长洲三线四线船闸[5]，尺度为(340
m×34 m)，水头为17.3 m，应用水头最高的为红水河桥巩船闸，达24.65 m[6]。

由蜀山泵站枢纽工程地址和地质条件可知，船闸所在位置主要为农田，建设时需进
行土方开挖，为增强稳定性，闸室采用整体式钢筋混凝土倒“Π”型结构，闸墙采用重力式结构。

因此，输水系统廊道设置在闸墙内较设置在闸室底板下更为经济。

此外，蜀山船闸最大设计水头17.26 m时对应的闸室初始水深达6 m，下游最低通航水位时对应的闸室初始水深亦有5.2 m，而此时船闸水头仅为11.6 m，因而在充水初期闸室内有较大的消能水体空间。

综合以上分析，蜀山船闸拟采用形式最为简单的闸墙长廊道侧支孔输水系统。

闸墙长廊道侧支孔输水系统布置除遵守规范要求外还宜在关键部位的面积比、廊道淹没水深、闸室消能设施布置等方面遵循一些具体原则，见文献[3]。

根据蜀山船闸基本资料，按照规范和基本原则要求，给出了其输水系统具体布置。

输水系统关键部位具体布置及尺寸见表1，输水系统整体布置见图1，闸室消能布置见图2。

为研究蜀山船闸闸墙长廊道侧支孔输水系统输水水力特性及船舶停泊条件，建立了船闸1:25整体物理模型，分别针对该船闸3种主要水位组合工况和2种典型船舶(队)开展研究。

水位组合包括：1)最大设计水头工况：瓦埠湖侧水位23.86 m至派河侧水位6.60 m，水头17.26 m；2)泵站运行设计水头工况：瓦埠湖侧水位18.40 m至派河侧水位6.10 m，水头12.7 m；3)上游最低通航水位工况：瓦埠湖侧水位17.40 m至派河侧水位5.80 m，水头11.6 m。

典型船舶(队)及其尺度分别为：1)2 000 t货船，68.0 m×13.8 m×3.2 m(总长×型宽×吃水)；2)2×1 000 t 顶推船队，160.0 m×10.8 m×2.2 m。

3.1 闸室船舶停泊条件
船闸输水过程中闸室内船舶(队)停泊条件主要受充水工况控制，对蜀山船闸而言，船舶停泊条件控制工况应为最大水头设计工况。

对于闸室内水流分配，在输水系统布置通过采用侧支孔分组布置及消力槛设置进行了考虑，以使闸室水流均匀，从而改善船舶在闸室中的停泊条件。

通过观测闸室水流条件及船舶系缆力初步试验，发现上述布置取得了较好效果，闸室内未见明显纵横向水流。

实测典型船舶(队)系缆
力指标见表2。

由表2可知：最大设计水头工况下，当充水阀门开启时间tv=6 min，双边阀门开启时，设计2 000 t单船的最大纵向系缆力为19.0 kN，最大横向力为9.3 kN；
设计2×1 000 t船队的最大纵向系缆力为12.8 kN，最大横向力为9.5 kN，系缆
力值均满足规范要求；当充水阀门开启时间tv=7 min，双边阀门开启时，设计2 000 t单船的最大纵向系缆力为15.9 kN，最大横向力为9.2 kN；设计2×1 000 t 船队的最大纵向系缆力为11.8 kN，最大横向力为6.6 kN，系缆力值均满足规范
要求。

因此，最大设计水头工况下，设计船队及单船的纵向及横向系缆力均小于规范规定的允许值，约为规范允许值40%。

由于现布置方案下船舶系缆力有较大富余，为此，又针对抬高闸室底高程0.5
m(即减小闸室消能水体空间)开展了设计船队的停泊条件试验，最大系缆力值见表3。

尽管抬高闸底高程减小了闸室消能水体空间，但由于闸室初始水深较大，各设计船舶(队)停泊条件仍可满足规范要求。

为确保过闸船舶安全，并考虑为今后货运量增长较快时船闸输水时间优化留有余地，最终确定闸室底高程仍保持原设计方案。

由于闸墙长廊道侧支孔输水系统对输水阀门单边开启工况适应性较差，多座工程实践经验表明该工况下闸室内横向水流特性较为明显，船舶横向系缆力难以满足要求，考虑到蜀山枢纽预留了二线船闸位置，2座船闸建成后输水阀门单边开启几率较小，因而建议，当一线船闸一侧输水阀门需要检修时，勿使该线船闸处于单边输水工况，以确保过闸船舶安全以及输水阀门及其启闭系统的运行安全。

3.2 闸室输水水力特性
各水位组合下闸室输水主要水力特征值见表4。

由表4可知：1)各种水位组合下，只要输水阀门开启时间小于8 min，输水时间即可满足设计要求，说明所设计的输水系统各部分尺寸基本合理。

若充、泄水阀门均采用7 min匀速开启，最大设计水头工况平均输水时间为9.27 min，上游最低通
航水位工况平均输水时间为8.11 min，泵站运行设计水头工况平均输水时间为
8.26 min；2)输水系统各项水力指标除惯性超高(降)外均满足规范要求；3)各工况下惯性超高(降)均超标问题，实际运行中可根据实际情况采用提前关闭充、泄水阀门并在水位齐平时打开人字门的措施加以解决。

综合闸室内船舶停泊条件试验成果及闸室输水水力特性试验成果，推荐阀门运行方式为：充、泄水阀门均采用7 min的匀速开启方式。

3.3 进出水口和引航道水流条件
蜀山船闸进水口采用导墙上多支孔布置，最大设计水头时淹没水深达到12.66 m，上游最低通航水位时淹没水深为6.2 m。

当充水阀门双边开启时间为7 min时，
上游进水口最大断面平均流速为1.70 m/s，进水口水流条件均较好，无串心漩涡
出现，仅有强度不大的表面旋转水流，不会对船闸正常运行产生不利影响。

下游出水口采用格栅消能室顶部出水的布置，流态观察表明，出水口顶部水面涌高及紊动相对较小，水流下泄时分布较为均匀。

最大设计水头工况及上游引航道水流条件控制工况推荐阀门开启方式下上、下游引航道最大断面平均流速值见表5。

由表5可知，最大设计水头工况下，蜀山船闸上游引航道过水横断面面积为1 148 m2，引航道最大断面平均流速小于规范允许的0.5～0.8 m/s。

而在上游引航道水流条件控制工况下，上游引航道过水横断面面积为381 m2，引航道最大断面平均流速则达到0.75 m/s，满足规范允许的0.5～0.8 m/s，但流速已较大，需加以关注，实际运行时可进一步放慢阀门开启速度。

2种工况下，下游引航道过水横断面面积分别为458、381 m2，下游引航道最大断面平均流速分别在0.73、0.69 m/s，均小于规范允许的0.8～1.0 m/s。

1)结合船闸结构设计并利用闸室初始消能水体空间较大的特点，蜀山船闸采用形式最为简单的闸墙长廊道侧支孔输水系统是可行的。

2)最终推荐的蜀山船闸充、泄水阀门运行方式均为7 min的匀速开启方式。

3)推荐阀门开启方式下，输水系统各项水力特征值和船舶停泊条件均满足规范和设计要求。

4)由于引江济淮工程为引水工程，水资源十分珍贵，而蜀山船闸耗水量较大，船闸节水问题需进一步考虑。

5)鉴于蜀山船闸是国内外采用闸墙长廊道侧支孔输水系统水头最高的工程，而船闸输水系统水力学模型又存在一定的缩尺影响，原型水力指标更高。

因而建议：①输水阀门启闭时间留有余地(充、泄水阀门启闭时间在6～9 min内可调)，以便根据原型水流条件调整运行方式；②进行水力学原型调试，为船闸的运行和管理规程提供必要的技术资料和依据。

【相关文献】
[1] 南京水利科学研究院,天津水运工程科学研究院.船闸输水系统设计规范:JTJ 306—2001[S].北京:人民交通出版社,2001.
[2] US Army Corps of Engineers.Hydraulic design of navigation locks:EM 1110-2-
1604[S].Washton:USACE,2006.
[3] 宣国祥,李君,黄岳,等.中水头巨型船闸闸墙长廊道侧支孔输水系统水动力学研究[J].水运工
程,2016(12):36-41.
[4] 宣国祥,李中华.广西长洲水利枢纽船闸输水系统模型试验研究[R].南京:南京水利科学研究
院,2003.
[5] 李君,宣国祥,黄岳.长洲水利枢纽三线四线船闸工程初步设计阶段船闸水力学模型试验研究[R].南京:南京水利科学研究院,2010.
[6] 李中华,宣国祥,黄岳.广西红水河桥巩船闸输水系统水力学试验研究[R].南京:南京水利科学研究院,2005.。