输水系统的水力学分析

(1)输水系统布置。船闸输水系统概括起来可以分为两大类——集中输水系统和分散输水系统。美国陆军工程兵团在1985年修订的船闸设计手册中,把水头分级以及各自适用的输水型式作了规定(见表5-3)。从美国267座船闸输水系统应用情况的资料可看出,采用集中输水系统的船闸相对较少,仅71座,占总数的27%;分散输水系统中应用最广的为闸墙廊道短支管输水以及由其派生的闸墙廊道闸底横支廊道输水,共有139座,占总数的一半以上。从20世纪60年代开始,美国对闸底纵支廊道分区段等惯性输水系统进行了研究,并先后建成了米列斯菲雷(Millers Ferry)、达旦纳尔、新岸头(New Bankhead)、下花岗岩(Lower Granite)及湾泉(Bay Springs)等7座船闸。由于这种输水型式在水力条件上的突出优点:输水快而水体波动及紊动很小,在单侧阀门开启时仍然可以获得十分均匀的水流,同时在造价上与底部横支廊道也相差不多。因此,这种输水系统已被美国推荐用于水头大于12.2m 的船闸上。

表5-3　美国船闸的水头分级与输水系统型式

前苏联着重从工程投资的角度考虑,认为当水头在15m 以下,与分散输水系统相比较,集中输水系统的工程费用可节省10%～60%,因此建议,当LH<2000(L 和H 分别为船闸闸室的长度和设计水头)及H/h k<3(hk 为闸室的槛上水深)时可不需论证就采用集中输水系统,只有当水头超过18～20m 时,才考虑采用分散输水系统。近30年来,在前苏联,只在不多的船闸上采用分散输水系统,而将集中输水系统作为主要的型式。

我国船闸设计规范推荐根据船闸水头H(m)与输水时间T(min)来初选输水系统型式,m=T/(H)0.5,当m>3.5,采用集中输水系统;m<2.5,采用分散输水系统;m=2.5～3.5,应进行技术经济论证,参照类似工程选定。

选择具体的输水系统型式时,还应考虑到船闸的规模(航道的级别)、船闸在枢纽中的位置和地质条件、闸首和闸室的结构型式以及工程造价等诸多因素。较合理的输水系统应该是闸室的灌、泄水时间较短,能满足船闸通过能力的要求,又使过闸船舶在闸室及引航道内具有良好的停泊条件,同时船闸运行费用和工程造价均较低。

我国葛洲坝2号船闸首次采用了闸室底部纵横支廊道输水系统;葛洲坝1号船闸所采用的等惯性八支管闸室底部廊道输水系统中,首次采用了第二级立交分流口型式;三峡连续五级船闸输水系统亦采用了类似葛洲坝l号船闸的型式,在第二级分流口布置方面作了改进;广西昭平船闸输水系统采用了槛下分散输水型式;福建水口与沙溪口、浙江七里垅、湖南五强溪和江西万安等船闸的输水系统均采用了闸室底部长廊道的输水型式;京杭大运河苏北段水头小于10m 的十几座船闸的输水系统均采用了集中输水系统中的短廊道输水型式。(www.xing528.com)

(2)输水系统水力计算。在船闸输水系统的型式确定后,需要确定输水系统的基本尺寸、廊道高程和布置细节,阀门处廊道断面面积、输水廊道换算长度、阀门开启时间、输水系统阻力系数等。输水系统水力计算的主要内容有:

1)输水水力特性计算,可用来取得船闸输水过程的流量、水位、能量等随时间的变化过程线;

2)阀门工作条件计算,可用以判断阀门后的水跃和阀门的空化情况;

3)船舶停泊条件计算,用于计算船舶在闸室和引航道内停泊时所受的水流作用力。

在国内,南京水利科学研究院开发和应用了多种船闸输水系统非恒定流数学模型,如单级船闸输水系统水力分析及数据库软件系统、船闸输水水力分析专家系统、连续多级船闸补溢水数学模型、带调节水池船闸水力计算数学模型、考虑水弹性影响的输水系统非恒定流数学模型、复杂分散输水系统数学模型和船闸人字门动水阻力数学模型等。这些数学模型对确定船闸输水过程中的总流量、闸室水位和输水时间等水力特征值是非常有效的,并且在许多船闸工程中得到广泛应用。

美国陆军工程兵团水道试验站(WES)1975年提出了预测校正法,WES根据这一方法开发了H5320水力计算程序,在20世纪80年代后又相继演变为H5321和H5322程序,并在H5320中加入了雷诺数Re差别对水力特性影响的校正。此外,巴西C.E.Almedia和比利时列日大学都对分散输水系统数学模型进行了研究。

荷兰的Jong R.J.研究了闸门上开小门的集中输水系统输水时闸室内船舶所受纵向力的数学及简单的水力学模型,将由推进波和均匀流引起的纵向力(由数学模型求出)与因集中充水射流引起的纵向力相叠加,从而得到总的纵向力。并把用这种方法确定的纵向力与传统的在水力学整体模型上测定的纵向力相比较,认为这种方法为闸首充泄水系统提供的设计意见是可靠的。