高水头船闸下游出水口布置方案试验研究

林勇 ，代敏

（1.四川省交通勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610031；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051）

某水电站位于湄公河通航河段，属大（2）型工程，工程等别为Ⅱ等，工程由泄洪冲沙闸、发电建筑物、两岸非溢流坝、右岸船闸、左岸鱼道等建筑物组成，枢纽布置拟采用“右岸船闸+右岸泄洪冲沙闸+左岸厂房”的布置方案。根据中、老、缅、泰四国政府签订的《澜沧江-湄公河商船通航协定》及《澜沧江-湄公河航道维护与改善导则》，该工程船闸级别拟定为Ⅳ级，按通航500t 级船舶标准设计，船闸采用右岸单线1 级船闸[1]，船闸主体段由上闸首、闸室、下闸首及输水系统组成，闸室有效尺寸为120m×12m×4m，闸首、闸室均采用整体式结构。由于该船闸最大工作水头约为32.5m，无论是水头、还是水位变幅都已接近或达到了国内外已建船闸的最高水平，而出水口水流条件的好坏关系到船闸安全稳定的运行，考虑到该船闸是该枢纽唯一的过坝通道，其性能优劣将直接影响到湄公河干流的航运能否畅通，航运地位十分重要，因此本文通过对下游出水口水流条件的试验研究合理确定下游出水口的布置，保证船闸的安全稳定运行。

1 概述

1.1 主体建筑物布置

船闸布置于右岸，为便于与下游引航道的布置与衔接，船闸中心线与坝轴线成97°夹角。船闸左侧为航道冲沙闸，右侧与右岸非溢流坝段相接。

船闸主体段由上闸首、闸室、下闸首及输水系统组成。船闸最大工作水头为32.38m，闸室有效尺寸为120m×12m×4m。具体布置见图1。

图1 输水系统布置

1.2 输水系统布置

输水系统采用闸墙长廊道经闸室中心进口立体分流、闸底支廊道二区段出水的分散输水型式[2]。

进水口采用导墙垂直多支孔、部分旁侧取水布置[3]，左边进水口布置在导墙外侧，右边进水口布置在导墙内侧，每侧进水口由4 个尺寸为3m×3.3m（宽×高）的孔口组成，每侧进水口顶侧布置两根宽度为1.2m 的消涡梁，消涡梁缝隙宽度分别为0.8m 和1.2m；进水口设拦污栅。

输水阀门采用反弧门[4]，阀门处廊道断面尺寸为2.2m×2.6m（宽×高），廊道顶高程为EL.294.620m。主廊道断面尺寸为2.2m×3.3m（宽×高），在闸室中部设上、下两层分流孔向闸室上、下游分流，每个分流孔尺寸为3.6m×1.4m（宽×高），闸室底板上、下游各1 条输水支廊道，断面尺寸为3.6m×3m（宽×高），共布置28 出水侧支孔，孔口尺寸为0.5m×1.4m（宽×高），出水孔侧面闸墙布置0.5 m×0.5m 的消能坎，消能坎顶部高程为EL.301.12m。

右支泄水廊道直接泄水入下游引航道，左支泄水廊道直接泄入航道冲沙闸下游，泄水廊道出水孔孔口前设有消能格栅，出水孔孔口尺寸为2.2m×0.6m（长×宽），共20 孔。具体布置见图1。

2 模型设计及试验工况

2.1 模型设计及制作

模型按重力相似设计，比尺L= 25。模型与原型各物理量换算关系为：重量及力比尺为：=15625，流速及时间比尺为(Lr)1/2=5，流量比尺为(Lr)5/2=3125。

闸室边墙用钢板制作，输水廊道采用聚乙烯塑料板，输水阀门段及闸室出水段一侧闸墙用有机玻璃制造。上、下游引航道采用预制混凝土板，并以水泥砂浆粉面。水工模型的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。

2.2 试验工况

上游最高通航水位为340m、最低通航水位为334.00m；下游最高通航水位为329.38m、最低通航水位为307.62m。试验研究考虑的主要水位组合包括：

（1）上游最高通航水位340.00m ～下游最低通航水位307.62m，此时水位差为船闸最大工作水头32.38m；

（2）上游最低通航水位334.00m ～下游最低通航水位307.62m，水头为26.38m。

2.3 测点布设

该船闸下游与冲沙闸共用引航道，下游引航道宽50m，为调顺引航道内水流，船闸下游两个出水口分别布置在船闸下闸首和冲沙闸下游，下游出水口选用顶出水格栅式消能室，消能室顶与下游引航道底高程一致，为合理确定出水口布置方案，于下游引航道内布置两个监测断面共计14 个监测点，具体布置如图2 示。

图2 下游引航道流速测点布置

3 下游出水口水流条件成果及方案调整

满足闸室船舶停泊条件、输水廊道水动力特性、输水时间要求及上游进水口水流条件时，泄水阀门开启时间tv 取6min，闸室泄水时间11.16min，闸室泄水最大流量为140m3/s，根据出水口水流条件进一步研究确定下游出水口布置方案。

3.1 原方案出水口水流条件

为调顺引航道内水流，下游出水口选用顶出水格栅式消能室[2]，消能室顶与下游引航道底高程一致，为使引航道内水流均匀在消能室内则设挑流槛，以调顺出水口横向流速分布，格栅孔缝尺寸为2 ～20×2.2×0.6 m（数量×长×宽），顶出水格栅式消能室及挑流坎尺寸见图3～4。

图3 冲砂闸侧

图4 下闸首侧

该布置型式下，最大流量时，下游引航道流速分布见表1，双边船闸双边泄水时，I 断面最大流速0.79m/s，最小流速0.41m/s；II 断面最大流速0.72m/s，最小流速0.48m/s。单边泄水时，除距离岸边较近的流速较大，接近规范限值外，其余各测点流速均较小。

表1 原方案下游引航道流速（单位：m/s）

该布置方案虽基本满足规范要求，但引航道内流速分布不均匀，特别是引航道内的流速分布呈中间小、两边大的分布，对引航道内的船舶停泊待闸不利，有必要采取进一步的措施，优化下游引航道内的流速分布。

3.2 方案优化调整及水流条件

3.2.1 方案优化调整

将下闸首左侧导航墙采用底部透空的布置型式，即在下游最低水位以下1m（导墙306.62m 高程以下）采用透空城门式布置，以使水流内快速向引航道中间调整，解决双边运行时引航道内流速两边大、中间小的问题，同时将下游两支出水廊道连通，解决单边运行时引航道内出水侧流速过大的问题，调整后的布置如图5 示。

图5 调整后的出水口布置

3.2.2 出水口水流条件

方案优化调整后，船闸最大流量时下游引航道流速分布见表2。双边船闸双边泄水时，I断面最大流速0.75m/s，最小流速0.41m/s；II 断面最大流速0.73m/s，最小流速0.49m/s；引航道内流速呈左侧小右侧大的分布，更有利于船舶在引航道内停泊待闸（船舶停泊在引航道左侧）。左侧单边泄水时，I 断面最大流速0.78m/s，II 断面最大流速0.63m/s；右侧单边泄水时，I 断面最大流速0.51m/s，II 断面最大流速0.49m/s。由试验结果可知，上述调整对改善下游引航道水流条件起到了较好的作用，各工况下引航道流速均满足规范要求。

表2 调整方案后下游引航道流速（单位:m/s）

4 结语

该船闸是湄公河航运干线的咽喉，航运地位十分重要，其性能优劣将直接影响到湄公河干流的航运能否畅通，因此本文通过对下游出水口水流条件的试验研究合理确定下游出水口的布置，保证船闸的安全稳定运行。

根据出水口下游引航道水流条件，布置格栅式消能室、设置不同尺寸挑流坎、连通下游两支出水廊道等措施可有效改善下游引航道水流条件，有利于船舶在引航道内停泊待闸，各工况下引航道流速均满足规范要求。