船闸第五章 船闸的输水系统(5学时)-2012-3-31

5.3.4阀门后廊道条件的复核
1）输水廊道的阀门通常在压力作用下工作。当阀门开启时，水流 通过阀门断面后首先产生收缩（当然，收缩在阀门前已经开始 了），然后扩散到整个廊道。 2）这时，阀门后水力条件主要决定于阀门的淹没水深和通气条件。 3）根据阀门通气情况，可分为开敞式、密封式两种。
4）开敞式—— 有足够的空气补充，收缩断面处不至于出现很大的负压，但可 能出现远驱式水跃，使廊道在相当长范围内流速过大，而且不稳定 的水跃，容易回头碰击阀门引起震动。 通过收缩断面、全扩散断面、下游水面，分别建立动量方程、 能量方程验算远驱式水跃的可能性。 5）密封式——可能产生负压，过低时产生空蚀。 通过上游水面-收缩断面，或收缩断面-下游水面，建立能量方程 验算收缩断面处的压力。
5.1.3 船舶停泊条件
船舶允许系缆力的基本概念。船舶承受水流作用力小于允许系缆力。 1）为啥这样定？ 2）注意顶推船队的水流作用力、允许系缆力确定！
5.1.4 输水系统运行安全技术指标
若干规定，如： 闸室水面升降速度，引航道流速、波动限值，廊道负压，进水 口漩涡，廊道流速，惯性超高值，等等
5.2 船闸输水系统类型及选择
4、集中输水系统布置原则
2）波浪力减小措施：减小灌水初期的流量增率 （1）延长开启时间，均匀慢速开启；但延长了时间。 （2）先慢后快开启；不过大影响输水时间。 （3）下小上大的楔(xie)形断面。
5、集中输水系统布置要求
进口、出口、弯曲段、直线段、阀门段的具体要求。具体设计时， 按条款一一对照执行。 1）进口，限制流速，足够淹没水深，防止漩涡； 2）出口，要扩大，分流导墙（墩），增加对冲消能效果； 3）弯曲段，控制转弯半径，特别是内侧最小半径，防止负压出现； 4）直线段，满足阀门布置，特别是阀门后水流均匀和充分扩散； 5）阀门位置，宜设置在最低的直线段，以改善阀门工作条件。
c)闸墙长廊道闸室中心进口水平分流，闸底纵支廊道二区段出水， 简称：水平分流二区段（简单等惯性）输水系统 分别在美国新岸头船闸、葛洲坝3号船闸应用
3)复杂式，又称全动力平衡系统， 立体交叉垂直分流；区段之间完全等惯性；纵横向分别对称。二区 段、四区段
3、分散输水系统布置原则 2.5>m>2.4 第一类 简单式 1.8<m<2.4 第二类 较复杂式 m<1.8 第三类 复杂式 除遵循集中输水系统的原则外，特别注意 1、出水段中心与闸室面积中心重合，意味着，纵横向分别对称； 2、上下游进出口流线型布置，提高输水效率； 3、帏墙立面宜做成斜面，防止闸室水位上升时，水域面积突变； 4、阀门后廊道可采用不扩大、向上渐扩、突然扩大（突扩）三种 型式，应通过模型试验确定； 5、检修阀门门槽（门井）与工作阀门，应注意保持足够距离，防 止低压时掺气，必要时进行封闭； 6、有条件时，尽量采用旁侧取排水。
2、集输水系统型式
（1）短廊道输水：大多成为环绕（环形）短廊道输水。分有、无 消能室两种。 （a）无消能室，常用于无帷墙、帷墙高度较小的闸首。特点是平 廊道。对冲消能为主，辅加以消力槛、消力池等消能设施。
（b）有消能室，适用于有帷墙空间的上闸首。 在闸首口门下方的底板内设置消能室，使水流廊道出口后，进 入闸室前，先在消能室内，充分（对冲，5-2a）掺混消能，（或分 道5-2b)均匀扩散，降低出流的强度。消能室，可分封闭式、（教 材没有的）格栅式、开敞式。
m>3.5，集中输水系统 m<2.5 ,分散输水系统 2.5<m<3.5，技术经济论证确定
5.2.1集中输水系统
1、集中输水系统水力特性 水力特点是水体在闸室的一端流入或流出。 （1）流速力。水流纵向流动对过闸、停靠的船舶产生作用力； 其大小与流速有关，一般情况下，灌泄水过程中，均比较小。 （2）波浪力。非恒定流形成长波，造成水面倾斜，使船舶受力。 大小与流量增率、过水断面积有关。灌水初期较大，可通过阀门开 启方式改善之。 （3）局部力。集中出流处，水流流速分布不均匀，有掺混、旋 转和紊动，局部水流对船舶产生冲击力。 集中输水系统设计关键：能够做的就是调整流速均匀性，减小 局部力的大小。 （a）进入闸室前。利用消能室、消能工，在横断面上，（闸室 宽度、水深方向），尽量调整流速均匀； （b）进入闸室后。利用镇静段，使水流进一步扩散均匀，减小 水流作用力。
2、分散输水系统型式
（1）简单式 a)闸墙长廊道侧支孔输水系统
b)局部分散输水系统
(2)较复杂式 采用便于水流在闸室内均匀分布的，受单边开启影响较小的闸室底 部短支孔出水；单区段、或简单的多区段等惯性输水。 a) 闸底长廊道顶（侧）短支孔（管）出水，（单廊道、单区段）
b)闸底长廊道分区段出水 多区段，闸底长廊道是区段数的2倍，每区段内对称出水
5.3.5 分散输水系统的其他问题
1）惯性水头的影响，惯性超高、超 降的。 2）转弯段内侧的最低压力 3）阀门底缘空化数的验算
附加思考题： 计算中，阻力系数为一侧廊道组成的各项阻力系数，从而求得流量 系数； 廊道面积——为两侧廊道面积之和。？？！！ 试问：如果两侧输水廊道不对称，如何处理？ 提示：两侧廊道实质为并联系统
1、输水系统的型式可分为 集中输水系统，又称头部输水系统，廊道集中布置于闸首内， 集中出流，犹如不带花洒的水龙头。 分散输水系统，又称长廊道输水系统，廊道分布于闸首、闸室， 在闸室底板、或闸室墙，分散出流，犹如带花洒的水龙头。 两种系统形成的作用力，有很大的区别，适用于不同水头。 2、判别系数
m=T/√H
2）方程求解
a）不计惯性水头时，（其中5-2为连续方程）
将时间分为：阀门开启中、全开后，两个时段 (1)开启过程0~tv
（2）全开后
（3）总的有
b）考虑惯性水头时 5-11，5-2式得5-18，令d=0时，可得5-16
1）d为惰性水头，主要在输水后期，Ht越来越小时，d的影响越来 越大；输水时间是缩短的。 2)在Ht=0时，v≠0；在灌泄水末了，闸室水位将以齐平水位为中心， 以最大振幅d值上下来回震动，并逐渐衰减。d值可达0.5~1.0m,将 产生不利影响，应采取措施。
（c）槛下输水。 这是一种秦淮新河船闸（一线）采用的型式。特殊的型式， 全宽出流，一扇一字形空腹阀门。
（2）直接利用闸门输水 利用门缝、门下、小孔输水。各具特色。总体特征是：全宽出 流、垂直跌落，惨气严重，底部流速大。利用对冲、水垫、扩散等 方式进行消能。
（3）组合式输水 如三角门门缝输水与短廊道输水结合。
4、集中输水系统布置原则
总原则：满足输水时间和停泊条件的基本要求， 1）输水系统结构布置 （1）水头损失小，流量系数大，满足输水时间； （2）便于水流消能和扩散； （3）平面上应闸室或下游引航道布置相适应； （4）立面上适应闸室最大平均流速出现时刻的闸室水位。这个水 位时，消能室应该淹没的。否则说明，消能室没充分发挥作用；
5.3.2 水力特性曲线的绘制
（1）流量系数曲线，见前面说明
（2）水头（水位差）曲线，5-13式用差分表示得
（3）流量曲线
特性曲线示意，这是分散输水的特性曲线(缺少少流量系数曲线)。 试证明：集中输水系统，在阀门全开后，流量曲线是直线分布！！
5.3.3 船舶停泊条件的估算
由于影响船舶系缆力大小及变化的因素复杂，目前该拉力的确 定还不能从理论分析上得到满意的解答，主要借助水工模型试验。
3、集中输水系统的消能工
1）消能设施 （1）消能室：封闭式、开敞式、格栅式等 （2）消力槛、消力齿：竖向挑流，将底部流速大向上挑起； （3）消力梁：结合消能室使用，调整流速竖向分布。下密上疏。 （4）消力栅：调整水流横向分布。应与平面布置相适应。 （5）消力池： （6）其它 2）消能工分类 第一类：无消能工。 利用水流的对冲（环形短廊道）、扩散（闸门小孔）、水垫 （门下输水，未淹没时）消能。三角门门缝输水，几种作用兼有之。 第二类：简单消能工。无消能室、以及图5-2a的简单消能室。 第三类：复杂消能工。复杂消能室。图5-2b,图5-5，图5-6，以 及格栅式 注意的是，下闸首相对上闸首，可以降低一个档次选择消能工
5.2.2分散输水系统
1、分散输水系统水力特性 1）特点是：长廊道的惯性力影响较大，导致出流孔沿程不均匀。 惯性是一种惰性，在灌水初期，流量呈加速流，惰性阻止流速增加， 后方出水孔长度长，惰性大，流速增长慢，所以各出水口流量呈现 依次减小的分布；在灌水后期，是减速流，反之呈出水口流量依次 递增分布。 2）因为出流沿程不均匀，纵向流速、水面倾斜产生流速力和波浪 力。另外，在出水孔处仍有剩余能量，局部流态产生局部力。 3）但，闸室分布式出流，产生的水流作用力将极大地减小（相对 集中输水系统）。 显而易见，分散输水系统设计关键是：如何减小惰性的影响！！！ 等惯性输水系统受到了推崇！
5.3.1水力计算的基本方程
伯努利能量守恒方程（Ht~Vt)， 连续方程(质量守恒)(Vt~Qt~Ht)→→得Ht的微分方程，可解Ht 1)能量方程
几个说明： 1）水头损失项 a)包括局部水头损失，沿程水头损失（集中输水系统不计！）。 b)局部水头损失包括廊道损失，阀门（收缩扩散）损失（平板全开 时0，弧形全开时0.1），门槽（门井）损失（平板阀门槽损失0.1 （弧形阀门没有，已包含在阀门损失中）； c)统一换算到阀门处断面积。查表时注意分清，表5-3相关表达式 中的参照断面； 2）惯性水头项 统一换算到阀门处断面积，集中输水系统不计
渠化工程
河海大学港海学院港航系
第五章 船闸的输水系统
5.1 概述
5.1.1输水系统组成及基本要求
进水口、阀门段、廊道、出水口、消能工、镇静）良好停泊条件 3）各部位不应水流冲刷、空蚀等破坏 4）性价比高
5.1.2 输水时间
一般7~10min，水头较大时，8~12min；最大一般不超过15min。
5.3 船闸水力计算
目的 1、阀门处廊道面积，是输水系统设计的第一步； 2、阻力系数、流量系数，是水力特性的关键参数，反映输水效率； 3、开启时间、输水时间，试算开启时间，与停泊条件有关 4、绘制水力曲线，水头、水位、流量、流速、能量等时间曲线 5、校核停泊条件 6、校核阀门后廊道条件，防止廊道负压或门后产生远驱式水跃 7、转弯段内侧等最低压力水头 8、阀门的工作空化数，防止产生空化（空蚀、气蚀）