金國強(qiáng)，劉本芹，宣國祥，黃 岳

(1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310006;2.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實驗室，江蘇 南京 210029)

富春江船閘改擴(kuò)建工程位于錢塘江中下游桐廬縣富春江水電站東側(cè)，距下游杭州市約110km，按Ⅳ級航道通航標(biāo)準(zhǔn)(通航500 t級船舶)規(guī)劃建設(shè).根據(jù)富春江船閘的現(xiàn)狀以及大壩樞紐總體布置、地形條件和水電站發(fā)電調(diào)度以及預(yù)測的過閘貨運(yùn)量等，為使擴(kuò)建后的船閘和航道全天候運(yùn)行，建設(shè)方案考慮航運(yùn)與電站發(fā)電關(guān)系的原則為:(1)不影響富春江電站的正常發(fā)電運(yùn)行調(diào)度;(2)船閘運(yùn)行沒有航運(yùn)基流要求，船閘運(yùn)行和發(fā)電調(diào)度互不影響.前期對富春江通航“瓶頸”問題進(jìn)行了多方案技術(shù)研究論證，包括現(xiàn)有船閘改擴(kuò)建方案、新建第二通道方案［1］以及新建升船機(jī)方案等.綜合考慮項目建設(shè)的難度、投資以及各種外部協(xié)調(diào)關(guān)系，擬采用先期實施現(xiàn)有船閘改擴(kuò)建工程方案，第二通道工程作為預(yù)留方案.

現(xiàn)有富春江船閘布置在樞紐右岸，有效尺度為100.0m×14.4 m×2.5m(長×寬×門檻水深)，輸水系統(tǒng)采用閘底長廊道頂支孔出水方式，通航100 t級船舶，在下游滿足通航水位的前提下可通航300 t級船舶.富春江船閘改擴(kuò)建工程建設(shè)方案是保留原有船閘結(jié)構(gòu)物，在其下游新建一座Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)船閘，船閘設(shè)計有效尺度為300m×23m×4.5m(長×寬×門檻水深);最大設(shè)計水頭21.22m，對應(yīng)的上下游通航水位組合為:上游最高通航水位24.00m，下游最低通航水位2.78 m;設(shè)計輸水時間為充水16min(另考慮5min的波動穩(wěn)定時間)、泄水15min;最大通航船舶為1000 t級貨船，船型尺度為80.0m×10.8 m×2.0m(總長×型寬×吃水深).新建船閘的上閘首與原有船閘下閘首緊密相連，上游引航道包括兩部分:一部分為原有船閘的上游引航道，另一部分為原有船閘形成的上游引航渠道，引航渠道進(jìn)、出口寬度為12.4 m，渠內(nèi)寬度14.4 m，上游引航渠道長度為132m.

1 輸水系統(tǒng)選型

初步分析可知，新建船閘輸水過程中上游引航渠道內(nèi)流速會較大，將引起一定的振蕩波，影響船舶進(jìn)閘通行，因此其輸水系統(tǒng)布置尤為關(guān)鍵［2-3］.考慮到富春江船閘改擴(kuò)建工程的特殊性，在此不適宜采用《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(JTJ306～2001)的選型公式計算其船閘輸水系統(tǒng)型式.由于船閘設(shè)計水頭較高，且船閘的航運(yùn)地位十分重要，輸水系統(tǒng)初步考慮采用閘底長廊道側(cè)支孔出水明溝消能的輸水方式，側(cè)支孔出水明溝消能方式可以減小閘室底板厚度，節(jié)省工程量.

閘底長廊道輸水系統(tǒng)不需要在閘墻內(nèi)布置輸水廊道，閘室輸水時水流直接由布置在閘室底部長廊道上的支孔流入(出)閘室.這種型式輸水系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為:(1)對船閘閘墻結(jié)構(gòu)尺寸沒有要求，因此對采用閘墻斷面尺寸較小的襯砌式船閘可節(jié)省工程量;(2)輸水時水流由底部進(jìn)入閘室，水流消能條件較好，可較好地適應(yīng)閥門單邊或不同步開啟時船舶的停泊條件.

2 輸水系統(tǒng)布置

2.1 閥門處廊道斷面面積

輸水閥門處廊道斷面面積可按以下公式進(jìn)行計算［4］:

式中:ω為輸水閥門處廊道斷面面積(m2);C為閘室水域面積(m2);H為設(shè)計水頭(m);d為慣性水頭(m);μ為閥門全開時輸水系統(tǒng)的流量系數(shù);T為閘室輸水時間(s);α為系數(shù)(可查規(guī)范表);kv可取0.6～0.8;g為重力加速度(m/s2).對于富春江擴(kuò)建船閘，C=325×23.0=7475m2，H=21.22m，d值根據(jù)已有試驗資料取0.30m，流量系數(shù)取 μ=0.70，查表得 α=0.46，T=960 s，kv取0.67.計算得出 ω =32.2m2.因此，確定每側(cè)輸水閥門處廊道斷面尺寸(寬×高)為4.0m×4.0m，兩側(cè)總斷面面積32.0m2.

2.2 輸水主廊道及出水支孔布置

輸水主廊道斷面面積需要大于閥門處廊道斷面面積，而分析已有采用類似輸水系統(tǒng)的船閘資料得出，側(cè)向出水支孔總面積與主廊道斷面面積之比一般在0.79～1.38之間［5-8］，比值越小，各出水支孔之間出流越均勻，比值越大，各段的損失越小.結(jié)合富春江船閘工程具體情況，綜合考慮上述因素后取閘底輸水主廊道斷面為40.5m2(主廊道中間設(shè)1.0m隔墻，50%左右的面積互通，以保證單邊輸水時出流均勻).廊道出水段每側(cè)設(shè)46個出水孔，分為3組，自上游至下游孔口尺寸(寬×高)分別為0.36m×1.30m(15孔)、0.33m×1.30m(16孔)、0.30m×1.30m(15孔)，總面積為39.468 m2.出水段順?biāo)鞣较蚴啄┒纬鏊酌娣e比為1.2∶1.0，這是根據(jù)船閘復(fù)合管水力學(xué)的研究成果而確定的，即對于相同斷面的出水孔，當(dāng)出水孔總面積與主廊道斷面面積相當(dāng)、且無消能蓋板時，順?biāo)鞣较蚴啄┏鏊Э灼骄髁勘葹?∶1.2［9］.根據(jù)該船閘閘室的具體條件，確定出水段支孔采用分組、等間距布置.結(jié)合船閘結(jié)構(gòu)分縫布置，確定出水支孔間距為4.5m，這樣出水孔總長為45×4.50=202.5m，占閘室有效長度的67.5%.

支孔出口消能明溝對水流消能及二次調(diào)整作用十分顯著，為達(dá)到較好的消能效果，對消能明溝寬度有一定的要求，《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，明溝寬度宜大于支孔寬度的5倍，結(jié)合閘室寬度取明溝寬為4.50m.明溝擋檻的高度D應(yīng)大于出水支孔出流擴(kuò)散后的高度，經(jīng)計算需要D≥2.38 m，結(jié)合閘底長廊道高度取D=5.5m，同時為使水流導(dǎo)向閘室中部，明溝上部按1∶1坡度向閘室中心傾斜.為保證出水支孔水流較平順并減小出水支孔的形狀阻力，出水支孔應(yīng)有一定長度，沿水流方向的長度L一般宜為其斷面寬度的3.6倍左右，取L=1.0m.閘室橫斷面見圖1.

圖1 閘室橫斷面(單位:高程:m，長度:cm)Fig.1 Cross section of lock chamber(unit:elevation:m，length:cm)

2.3 進(jìn)出水口布置

新建船閘上游引航道一部分為原有船閘的上游引航道，另一部分為老船閘形成的上游引航渠道，在此對輸水系統(tǒng)上游取水方式進(jìn)行了多個方案比選，各方案進(jìn)水方式見圖2.方案1由老船閘上閘首取水，在對老船閘上閘首進(jìn)水口頂部消能蓋板進(jìn)行加固的基礎(chǔ)上，采用正面進(jìn)水方式，進(jìn)水口總面積為58.2m2，是新建船閘閥門面積的1.82倍;方案2在保留老船閘上閘首頂面格柵進(jìn)水的基礎(chǔ)上，在老閘室底板上方加設(shè)兩支輸水廊道，每支廊道寬4.5m，高4.0m，兩支廊道中間部分連通，廊道頂設(shè)一定數(shù)量的進(jìn)水孔，孔的面積可根據(jù)引水渠的水流條件及輸水系統(tǒng)流量系數(shù)由模型試驗最終確定，加設(shè)的廊道在新建船閘上閘首處降低高程，并與布置在閘首兩側(cè)的輸水廊道聯(lián)接;方案3新建船閘的輸水系統(tǒng)進(jìn)水口直接布置在其上閘首處，不利用原有船閘的輸水系統(tǒng).

新建船閘上閘首輸水閥門處廊道高度和寬度均為4.0m，門后廊道頂高程抬高至－2.72m，同時廊道高度增大為4.5m;然后通過水平轉(zhuǎn)彎在閘室匯合至中心斷面輸水廊道，并將閘底廊道寬度增大為4.5m.閘底廊道通過兩個水平轉(zhuǎn)彎與下閘首閘室輸水廊道相聯(lián)接，同時將廊道寬度由4.5m調(diào)整至4.0m，輸水閥門底高程采用與閘室輸水廊道底高程一致，以簡化布置.為了保證下游引航道具有較好的通航水流條件，下閘首一側(cè)廊道通過消能室頂支孔出水泄入下游引航道;另一側(cè)廊道采用旁側(cè)泄水，出水口斷面面積取閥門斷面面積的2倍，并設(shè)中間隔墩.

新建船閘輸水系統(tǒng)各部分尺寸匯總見表1.

圖2 進(jìn)水口示意圖Fig.2 Layout of the water inlet

表1 輸水系統(tǒng)特征尺寸Tab.1 Characteristics of filling and emptying system

2.4 進(jìn)水口布置方案的確定

通過估算3種輸水系統(tǒng)布置方案的基本水力參數(shù)，初步計算了其輸水水力特性.計算結(jié)果表明:方案1雖然進(jìn)水口面積比原來有所增大，但進(jìn)水控制斷面仍為老船閘輸水閥門處廊道斷面，而該斷面面積與新建船閘輸水閥門處廊道斷面相比太小，僅為其27%［10］，計算得出充水流量系數(shù)較小，充水時間遠(yuǎn)不能滿足16min的設(shè)計要求;方案2為了盡量保證老船閘閘室內(nèi)的水流條件，可通過控制廊道頂進(jìn)水孔面積及其分布，控制兩處并聯(lián)進(jìn)水的流量分配，充泄水總時間基本滿足設(shè)計輸水時間要求;方案3流量系數(shù)相對較大，輸水時間滿足設(shè)計要求，缺點(diǎn)是由于充水流量較大，充水時將導(dǎo)致上游引航渠道內(nèi)的水流條件非常差，產(chǎn)生往復(fù)流、較大水位波動以及水躍等不良水力現(xiàn)象，很難滿足船舶安全航行要求.因此，最終確定采用方案2的取水方式，即上游通過老船閘輸水系統(tǒng)進(jìn)水口及老船閘閘底廊道上方新布置的廊道頂部進(jìn)水孔同時進(jìn)水.

3 模型試驗驗證

通過比尺為1∶30的輸水系統(tǒng)整體模型試驗研究，確定老船閘閘底廊道上方新布置的廊道頂部進(jìn)水孔總面積為18 m2.研究發(fā)現(xiàn)，閘室充水時隨充水流量增大，老船閘閘室內(nèi)水位迅速下降，老船閘上閘首門檻處形成堰流，當(dāng)上游為最低通航水位時該現(xiàn)象更為明顯，水位集中跌落，最大落差可達(dá)7.5m，當(dāng)閘室充水流量減小后水位逐漸回升，在充水結(jié)束時回升至與上游水位一致.因整個船閘充水過程較長，老船閘閘室內(nèi)水位回升緩慢，不存在往復(fù)流及明顯波動現(xiàn)象，因此船閘充水結(jié)束便可開啟上閘首閘門過船，故可將原設(shè)計考慮的5min水流波動時間計入充水時間，即閘室充水時間在21 min以內(nèi)便可滿足設(shè)計要求.

模型試驗實測最大水頭充、泄水閥門開啟時間分別為3min和7min時的水力特征值見表2，充水時閘室內(nèi)船舶系纜力最大值見表3，充泄水時間滿足設(shè)計要求，船舶系纜力滿足規(guī)范要求.

表2 實測充、泄水水力特征值Tab.2 Hydraulic characteristics of lock filling and emptying

表3 充水時船舶最大系纜力Tab.3 Maximum hawser forces during filling

4 結(jié)語

富春江船閘改擴(kuò)建工程是在保留老船閘結(jié)構(gòu)物的基礎(chǔ)上，緊臨其下游新建一座Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)船閘，新建船閘規(guī)模較大、水頭較高，輸水系統(tǒng)布置也較為復(fù)雜.依據(jù)有關(guān)規(guī)定及要求，研究確定的閘室底部長廊道輸水系統(tǒng)型式是合適的，經(jīng)模型試驗研究確定的充、泄水閥門勻速全開時間分別為3min和7min，充水時上閘首進(jìn)水口水流條件良好，泄水時出水水流較為均勻，充泄水時間滿足設(shè)計要求，船舶系纜力滿足規(guī)范要求.因此，通過老船閘上閘首進(jìn)水口及閘室共同進(jìn)水的方式是可行的.

［1］金國強(qiáng)，宣國祥.富春江七里瀧航道第二通道工程船閘輸水系統(tǒng)布置［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報，2007(1):47-52.(JIN Guoqiang，XUAN Guo-xiang.Layout of filling and emptying system of the second line shiplock of Qililong waterway on Fuchun River［J］.Hydro-Science and Engineering，2007(1):47-52.(in Chinese))

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