洪江船闸改造输水系统布置试验研究

王 能，高衡东，胡越高，李 君，郭 超，王 鑫，普晓刚

(1.湖南省交通规划勘察设计院有限公司，长沙 410000；2. 南京水利科学研究院 通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，南京 210029；3.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

洪江枢纽位于湖南省怀化市洪江区境内的沅水干流上，是沅水梯级开发的第8级，从左至右依次布置电站、泄水闸、单线二级船闸。洪江枢纽位于顺直微弯河道，两岸山体雄厚，空间狭窄，左岸无建设船闸位置。右岸为现有一线二级300 t级船闸，第一级船闸与大坝泄水闸相连，船闸2003年正式通航，受船闸规模小和下游通航条件控制，目前船闸使用频率低，成为制约沅水高等级航道建设的关键节点，需进行改造。

原船闸口门有效宽度12 m，为尽量减少原船闸拆除对坝体影响，参考国内富春江船闸成功改造经验[3-5]，本次改造拆除原中闸首、二闸室和下闸首，利用原上闸首做为枢纽挡水建筑物的组成部分，原上闸首和一闸室作为明渠导航段[6]。新建船闸由上、下闸首、广腹式闸室以及上、下游引航道组成。船闸轴线维持原船闸布置与坝轴线夹角90°，改造船闸上闸首布置于现有中闸首处，与原一闸室末端紧密连接。新建船闸闸室长度为215 m；上闸首口门宽度12.0 m，闸室为向右单侧拓宽11 m的不对称广腹式，闸室总宽23.0 m，下闸首口门宽度23.0 m(图1)。

图1 洪江船闸改造布置图Fig.1 Layout of the Hongjiang reconstructive lock

1 船闸输水系统布置

新建船闸输水系统采用闸底长廊道侧支孔出水明沟消能输水系统布置型式。在原有船闸基础上进行改造，利用上闸首和一闸室作为明渠导流，阀门廊道断面面积24.0 m2(2～3.0 m×4.0 m，宽×高，下同)，考虑船闸设计水头大且下游水位变幅达5.7 m，降低输水阀门顶高程至153.05 m，依靠阀门后较大的压力，减免门后空化的发生，以此为基础断面进行输水系统布置，输水系统特征尺寸汇总见表1，输水系统布置见图2。

表1 输水系统特征尺寸汇总表Tab.1 Characteristic dimensions of the lock filling and emptying system

图2 新建船闸改造输水系统布置示意图(单位：cm，高程：m)Fig.2 Layout of the reconstructive lock filling and emptying system

2 船闸输水系统初步认识

洪江船闸扩建改造具有其特殊性和复杂性，工程中主要存在以下关键技术问题：

(1)洪江船闸工作水头达27 m，船闸输水系统布置及消能难度大，同时洪江船闸要在短时间内灌满或者泄空闸室，闸室内水位上升速度将会很快，要求达到2.5 m/min，将影响闸室内船舶的泊稳条件[8]。

(2)新建上闸首门槛上游迎水面设置与老船闸闸室宽度一致的正面取水口，由于新建船闸为单侧扩宽的广腹式船闸，造成取水口两侧输水廊道不对称，输水系统水流条件十分复杂，复杂水流条件下的取水布置问题也是洪江船闸扩建改造工程输水系统水力学方面的技术特点之一。

3 物理模型设计

为了验证新建船闸输水系统设计参数，开展输水系统水力学物理模型试验[7-9]。模型按重力相似设计，比尺为1:25，模型与原型各物理量换算关系为：重量及力比尺L3=15 625；流速及时间比尺L1/2=5；流量比尺L5/2=3 125。模型范围包括原体上游引航道、船闸闸室、输水系统(包括进水口、上闸首、闸室、下闸首泄水出水段)以及下游引航道(图3)。

图3 新建船闸物理模型Fig.3 The reconstructive lock physical model

4 设计方案模型试验成果及分析

4.1 船闸输水水力特性

由于洪江船闸为典型高水头大型单级船闸，一次输水过程输水体积达14.3万m3，同时输水水力指标较高，闸室内水位变动速度较大，直接影响闸室内船舶的泊稳条件。为保证输水过程安全与效率，在设计水头下分别设定阀门双边及单边运行工况，测定并计算设计水头下，充、泄水阀门不同开启时间的闸室水位变化过程线、流量变化过程线、闸室的充泄水时间、输水廊道各典型断面平均流速、闸室充泄水惯性超高降等，主要水力特征值见表2。

表2 闸室输水水力特征值Tab.2 Hydraulic characteristic value of lock water delivery process

由表可见，设计方案下，随着双边阀门匀速开启时间的增加，闸室输水完成时间逐渐延长、最大流量逐渐减小。控制充水阀门双边匀速开启时间tv<8 min时，闸室充水时间满足设计16.5 min的要求，tv=7 min时，闸室充水完成时间16.49 min，充水最大流量为286.64 m3/s，阀门处廊道最大断面平均流速达到11.94 m/s，水力特征指标都满足规范和设计要求。当泄水阀门双边开启时间tv为4～7 min时，在相同阀门开启时间条件下，泄水工况水力特征值都略大于充水工况，当tv=7 min时，泄水完成时间15.31 min，最大流量303.32 m3/s，阀门处廊道最大断面平均流速12.64 m/s；当泄水阀门tv=4 min双边开启时，泄水完成时间13.62 min，最大流量324.04 m3/s，阀门处廊道最大断面平均流速达到13.50 m/s。

当输水阀门单边开启时，除闸室输水时间、阀门处廊道最大断面平均流速和旁侧廊道最大断面流速外，其他特征值单边连续运行方式下都小于相应的双边开启方式。最大设计水头工况下，若充水阀门采用7 min单边连续开启，阀门处廊道最大断面平均流速为16.72 m/s>15 m/s，不满足规范要求，阀门工作条件较为恶劣(图4)。

图4 阀门单边开启tv=7 min充水水力特性曲线Fig.4 Hydraulic characteristic curve of water-filling process(tv=7 min，Single side valve)

本船闸泄水系统中设有旁侧泄水廊道，由于旁侧廊道较长、且廊道采用类似结构薄壁形式，其水流流速不能按输水系统主廊道控制，目前的规范也没有明确的指标，只能参考运行多年、具有类似旁侧泄水廊道的三峡船闸，已经安全运行多年的三峡船闸末级旁侧泄水廊道流速6.8 m/s。采用旁侧泄水廊道进行单边泄水tv=4 min时，平均最大流速7.6 m/s，大于三峡船闸旁侧泄水廊道流速(图5)。

图5阀门单边开启tv=4 min泄水水力特性曲线Fig.5 Hydraulic characteristic curve of water-emptying process(tv=4 min，Single side valve)

4.2 闸室内船舶的泊稳条件

最大设计水头下，闸室船舶(队)停泊条件试验工况按船舶(队)在闸室中受力最大；试验船舶(队)采用受控制的500 t设计船舶，输水阀门开启时间采用满足输水时间要求且水力指标稍高的6～7 min；运行方式除考虑双边运行方式外，还考虑了单边运行方式，试验结果如表3所示。

表3 船舶(队)最大系缆力表Tab.3 The maximum mooring forces

由表可见，当充水阀门双边开启时间tv=7 min时，船舶最大纵向系缆力为9.79 kN(停泊于下半闸室)，最大横向力为9.51 kN(停泊于上半闸室)；当充水阀门单边开启时间tv=7 min，设计500 t单船的最大纵向系缆力为8.80 kN(停泊于闸室中部)，最大横向力为9.39 kN(停泊于上半闸室)。

因此，输水系统采用双明沟消能布置，在改善闸室中船舶停泊条件方面获得了预期的效果，船闸正常运行时闸室内水流较平稳，充水阀门开启时间为7 min时，各类设计船舶(队)的系缆力均小于规范允许值，并且留有一定富余。

4.3 取水口流速流态

设计方案中船闸上游进水口采用正面进水口布置，直接在老闸室内取水，廊道进水口顶高程为176.75 m，进水口面积为12.0 m×5.0 m(宽×高)=60 m2。当充水阀门双边开启时间tv=7 min时，最大设计水头工况下，双边充水最大流量为287 m3/s，进水口最大断面平均流速为4.78 m/s，充水过程中发现有间歇出现的串心旋涡；上游最低通航水位工况下(水位组合：186.00 m～163.00 m)，充水阀门双边开启tv=7 min时，双边充水最大流量为253 m3/s，进水口最大平均流速为4.22 m/s，出现较为强烈的间歇串心旋涡(图6)。

图6 进水口串心旋涡Fig.6 Vortex above the hydraulic intakes

当充水阀门单边开启时间tv=7min时，最大设计水头工况下，单边充水最大流量为201 m3/s，进水口最大断面平均流速下降为3.35 m/s，此时进水口水流条件良好，充水时水面平稳；上游最低通航水位工况下(水位组合：186.00 m～163.00 m)，单边充水最大流量为188 m3/s，进水口最大平均流速为3.13 m/s，进水口水流条件较为满意，水面平稳，未见漩涡等不良水力现象。

4.4 设计方案小结

(1)最大设计水头工况、双边阀门运行方式时，推荐充水阀门开启时间tv=7 min，泄水阀门开启时间tv=4 min，此时水力特征指标都满足规范和设计要求。

(2)在充水阀门开启时间tv=7 min时，进水口最大断面平均流速超过规范要求，加之充水流量多在狭窄的老闸室内取水，因此进水口水流条件需加以关注；在泄水阀门开启时间tv=4 min时，水力特征值较高，但由于其淹没水深始终保持不变，因此其阀门工作条件较充水阀门要更为恶劣，仍需进一步研究。

(3)单边阀门连续开启时关键水力指标较双边阀门输水工况有较大增加，阀门处廊道最大断面平均流速将超过15 m/s，不满足规范，会对阀门及输水廊道运行造成一定不利影响。

(4)当以tv=7 min充水阀门单、双边运行，设计500 t单船系缆力均满足规范要求。

(5)充水阀门双边开启时间tv=7 min时，充水过程中新建船闸进水口发现间歇出现的串心旋涡。

5 优化方案模型试验成果及分析

5.1 优化方案输水系统布置

针对设计方案存在的上述问题，在船闸输水系统结构设计方面进行以下优化布置, 将新船闸上闸首充水阀门埋深深度增加2.45 m，为消除洪江新船闸进水口处的串心旋涡，在进水口前设置消涡板[10]，并配合填平老闸室进水口至门槛高程178 m(图7)。同时，针对设计方案存在的单边阀门连续开启时输水廊道流速过大这一不利影响，优化新船闸在阀门单边运行时采用间歇开启方式，以保证船闸廊道的输水安全。

图7 优化方案改建船闸输水系统整体布置(单位：cm，高程：m)Fig.7 The optimization scheme of the reconstructive lock filling and emptying system

5.2 优化方案模型试验成果及分析

5.2.1 单边运行方式下的充泄水水力特性

由于单边阀门连续开启时输水廊道流速过大，对船闸阀门在单边间歇开启时的水力特性进行分析。调整船闸充水时阀门单边开启方式，单边阀门以tv1=7 min的速度开至n=0.7开度后，停机tv2=4 min，再以原速度开至全开；船闸泄水时单边阀门以tv1=4 min的速度开至n=0.7开度后，停机tv2=4 min，再以原速度开至全开。

此时，最大设计水头下单边充水最大流量为157.26 m3/s，输水时间为25.13 min，输水阀门处廊道断面平均最大流速为13.11 m/s，进水口最大断面平均流速为2.63 m/s(图8)。单边泄水时最大流量为169.30 m3/s，输水时间为23.85 min，输水阀门处廊道断面平均最大流速为14.11 m/s，旁侧泄水廊道最大断面平均流速为4.70 m/s，小于三峡船闸末级旁侧泄水廊道流速(6.8 m/s)值(图9)。

图8 阀门单边间歇开启充水水力特性曲线Fig.8 Hydraulic characteristic curve of water-filling process(Single side valve intermittent opening)

图9 阀门单边间歇开启泄水水力特性曲线Fig.9 Hydraulic characteristic curve of water-emptying process(Single side valve intermittent opening)

因此，洪江船闸改造工程在单边开启时采用上述间歇开启方式，船闸廊道的输水水力特征值均满足规范要求。

5.2.2 进水口水流条件

针对充水过程中新船闸进水口出现串心旋涡，在进水口前设置了消涡板，消涡板沿进水口向上游延伸17 m、宽12 m、厚0.8 m；消涡板上间距0.8 m设置0.05 m、0.08 m、0.1 m、0.15 m、0.25 m宽不等的取水槽(图10)。设置消涡板后，新船闸进水口前水面在充水阀门大开度时仍有一定的表面旋涡，但尚未形成串心旋涡(图11)。

6 结论

洪江枢纽改造船闸最大水头为27.0 m，闸室有效尺度为215 m×23 m×4.0 m(长×宽×门槛水深)，设计输水时间为16.5 min。根据改造工程条件及地形限制，确定采用闸底长廊道侧支孔出水明沟消能输水系统，且需利用原已有船闸设施进行布置，具有其特殊性和复杂性。为确保船闸运行及过闸船舶安全，建立1:25水工物理模型进行试验研究。研究结果表明，最大设计水头工况、双边阀门运行方式时，推荐充水阀门开启时间tv=7 min，泄水阀门开启时间tv=4 min，此时输水水力特征指标及船舶系缆力均满足规范和设计要求。

然而设计方案下，当单边阀门以tv=7 min连续开启时，阀门处廊道最大断面平均流速将超过15 m/s，阀门工作条件较为恶劣。对此，通过优化充水阀门单边运行方式为单边间歇开启，即建议单边阀门以tv1=7 min的速度开至n=0.7开度后，停机tv2=4 min，再以原速度开至全开；船闸泄水时单边阀门以tv1=4 min的速度开至n=0.7开度后，停机tv2=4 min，再以原速度开至全开，可有效改善单边输水水力特性。同时为消除设计方案进水口在充水过程中间歇出现的串心旋涡，建议在进水口前设置消涡板。