高水头船闸输水系统布置及应用

根据国内外及长江科学院建院50多年来对高水头船闸输水系统水力学研究成果,对高水头船闸输水系统布置型式及关键部位体型应用进行了简单介绍,给出了适应不同闸室尺度及水头的等惯性输水系统基本型式和优化闸室内船舶停泊条件以及解决输水系统空化问题的关键部位优化体型,提出了通过阀门底缘掺气解决船闸输水反弧门底缘空化从而简化高水头船闸输水阀门段体型的新思路,以及有望应用于超高水头船闸的具有内外消能系统的新型分散输水系统型式,可提供给有关的科研设计工作者参考。

大型超高水头船闸输水系统型式研究与展望

高水头船闸输水水流携带巨大能量,可能对船闸输水系统运行安全及闸室内船舶停泊安全产生危害,选择合理的输水系统型式对保障工程安全至关重要。随着大型超高水头单级船闸——大藤峡船闸的开工建设,研究发现目前已成功运行的输水系统型式不能满足该工程需要,亟需消能效果更好的输水系统。结合大藤峡船闸工程相关研究,参考国内外已建高水头船闸输水系统布置的成功经验,总结了高水头船闸不同输水系统型式与船闸运行水头和闸室尺度规模的匹配关系,介绍了适应大藤峡船闸工程特点的自分流全闸室出水4区段等惯性输水系统型式,提出了消能效果更好的带内消能工的输水系统新体型,可供类似超高水头大型船闸的设计和研究借鉴。

银盘船闸输水系统布置型式研究

银盘船闸水头高使得输水阀门及分流口区极易出现水流空化。虽然阀门段和分流口区空化问题在三峡多级船闸中进行过大量的研究,但是因单级船闸泄水时下游水位相对恒定,阀门工作条件极为恶劣;又因银盘船闸下游通航水位变幅大,不能采用阀门浅埋深加自然通气的方法解决空化问题;另受地质等因素限制,阀门埋深又不能太大,使解决阀门段空化问题难度进一步加大。为保证船闸建成后自身及通行船舶的安全,进行了1∶20模型试验,试验发现设计方案阀门段已出现真空负压,分流口压力脉动大。通过对输水阀门运行方式及输水系统布置等进行优化,使阀门段最低时均压力上升至2×9.8 kPa,基本解决了阀门段空化等关键技术问题,为设计提供了科学依据。

兴隆船闸关键水力学问题研究

兴隆船闸采用短廊道输水系统,属集中输水系统布置中的中高水头船闸.船闸规模及一次充泄水水体大,输水时间短,水力指标要求高.对于输水系统出口设置在闸首的船闸,其充、泄水系统出口布置型式以及输水阀门的运行方式直接影响过闸船舶安全.通过1∶30兴隆船闸整体模型,对过闸船舶停泊条件等关键水力学问题进行了专题研究.通过研究提出了能够满足充泄水时间和停泊条件要求的输水阀门运行方式及输水系统布置型式,为兴隆船闸设计提供了科学依据,并可作为其他短廊道输水系统船闸设计参考.

大淹没度低堰泄流能力研究

结合某工程实例,对大淹没度低堰选型以及大淹没度对低偃泄流能力的影响进行了研究。研究成果表明:在大淹没度下运行的低堰,堰的厚度与堰上水头之比δ/H≤0.67,且下游堰坡为陡坡的折线型实用堰比相同堰高的WES堰泄流能力大;在大淹没水深下运行的低堰,降低堰顶高程,减小堰高可增大泄流能力,但随着淹没水深的增加,低堰堰高以及堰面形式的变化对泄流能力的影响减小。

三峡船闸输水系统分流口型式研究

采用局部模型试验研究方法，对三峡船闸闸室第一及第二分流口的布置型式进行了不同方案比较；对分流口流态、分流比及压力等因素进行综合分析后，提出了较为合理的分流口布置型式，为修改设计提供了依据，并可作为其它高水头船闸设计参考。

船闸短廊道输水系统进口漩涡成因及消除措施研究

以兴隆船闸为例,通过物理模型试验研究,对短廊道输水系统进口漩涡成因进行了探讨,分析了输水阀门运行条件、进口淹没水深、进口形式及固体边界条件对漩涡形态的影响。通过模型试验比较,最终提出了适当增加进口淹没深度同时在进口顶部设置开孔式消涡板等措施,可消除吸气漩涡,为优化设计和运行管理提供了依据,并可为其它类似工程设计提供参考。

大藤峡船闸关键水力学问题研究

大藤峡船闸闸室有效尺寸为280 m×34 m,最高通航水头为40. 25 m,是世界上首个水头超过40 m的大型超高水头单级船闸。单级船闸的特性以及闸室规模、工作水头和输水时间要求决定了其单次输水水体、输水最大流量以及进入闸室的能量,超过闸室尺度相近的三峡多级船闸,借鉴三峡船闸输水系统体型的初设方案闸室内船舶停泊条件问题突出。为此开展了1∶30比尺船闸整体模型试验,结合减压及局部模型试验与数模计算,通过输水系统体型创新、输水系统阻力及阻力分配调整和阀门运行方式优选,解决了大藤峡船闸闸室内船舶停泊条件及输水系统水流空化等关键水力学问题。研究获得的新型自分流全闸室出水输水系统布置型式,很好地解决了闸室高效输水和船舶停泊安全问题,显著拓展了等惯性输水系统对水头的适应性,其成果可供超高水头大型船闸设计借鉴。

适应整体式闸室结构的船闸输水系统研究

采用整体式闸室结构的船闸,闸室宽度较大时需采用左、右侧完全独立的输水系统布置型式,相关规范中经典左、右侧独立的输水系统布置适用于较低水头船闸,若应用于中、高水头船闸则闸室内停泊条件较差,且系缆力难以满足要求。以水头近20 m,闸室平面尺寸达120.0 m×23.0 m的孤山船闸为例,对左、右侧独立的船闸输水系统布置型式创新设计进行了介绍。通过类比分析、数模计算和物理模型试验研究,最终确定了独创性的自分流全闸室出水2区段4纵支廊道等惯性输水系统布置型式及阀门运行方式,很好地解决了中、高水头船闸在大闸室宽度下,左、右侧输水系统完全独立带来的闸室内停泊条件较差的问题。相关经验可供类似中、高水头船闸设计参考。

船闸水力学研究方法论

为进一步拓宽船闸水力学研究的思维方式,在总结已有研究成果的基础上,介绍了船闸水力学研究的目的、方法和准确把握优化研究方向的思维方式;阐述了通过能力、船舶航行/停泊安全与船闸输水系统安全三者在船闸水力学研究中的辩证统一关系。研究提出:船舶安全高效过闸优化研究过程,是一个从全局着眼对各种问题和矛盾渐进让步和协调的过程,是在厘清矛盾主次、明确目的后遵循水流自身规律因势利导、跳出惯性思维陷阱的创新过程。结合大藤峡船闸水力学研究成果,对船闸水力学研究方法论进行了解析,可为后续船闸水力学研究者提供参考。

银盘船闸阀门段体型优化三维数值模拟研究

乌江银盘船闸为目前国内已建和在建船闸中水头最高的单级船闸。通过对设计方案的初步计算成果和物理模型试验资料分析,在设计水头下其泄水阀门段存在较大的负压,尤其是在突扩体升坎处压力甚低,有可能造成边壁的空蚀破坏,成为亟需解决的关键问题之一。采用数学模型计算的方法,对泄水阀门段体型进行了一系列的比较优化,最终确定了推荐方案,并对经物理模型试验验证的数据进行了对比,两者吻合较好。

三峡船闸四级运行方式优化研究

针对三峡船闸在四级运行方式下，二闸室充水过程中一闸室待闸条件不佳和充水时间超过设计允许值的问题，采用在二闸室充水前关闭一闸首人字门＋快速开启阀门的运行方式，并在原型上进行了调试优化。水力学观测、实船试验及分析表明，这一运行方式从根本上改善了一闸室的待闸条件，显著提高了船舶待闸的安全性，并使一、二闸室充水时间缩短到与后续闸室一致，满足了不大于12min的设计要求，彻底改变了四级运行方式下二闸室充水过程成为延长船舶过闸时间关键的现状，可使日通过闸次由一闸室不待闸的13—14．5次提高到18．7，22．1次。

乌江银盘船闸输水系统设计与试验研究

银盘船闸等级为Ⅳ级,采用单线单级船闸布置形式,最高运行水头35.12 m,建成后将是国内水头最高、世界水头第三的单级船闸。简要介绍了输水系统设计中重点研究解决的几个关键问题。通过对输水系统合理的布置,采用的阀门段廊道体型及淹没深度、通气等措施,较好地解决了阀门底缘及阀门段廊道防空化技术难题。

船闸输水系统流量系数计算方法分析

介绍了葛洲坝 1号船闸原型观测资料和模型试验数据。从两方面的实测资料发现“流量系数”接近 1.0或大于 1.0。分析了产生这一结果的原因 ,证明“流量系数”大于 1.0是成立的 ,但是这种“流量系统”的数值不能用来评价输水系统的优劣。应该指出 ,船闸中所指“流量系数”其实质是阀门断面流速系数。

三峡船闸六闸首输水阀门运行方式优化

针对三峡船闸五闸室泄水运行中存在的问题,通过数模计算分析和原型调试研究,在维持现有运行方式大体不变的条件下,采用实时监测到的箱涵出口与下游引航道水位差,确定与之相适应的动水关阀小开度控制阀门运行的方法,较好地解决了六闸首阀门枯水期不能正常关至小开度从而造成闸室超泄偏大和汛期枢纽下泄流量较大时人字门不能按程序正常开启的问题,给出了适应于不同下泄流量下的六闸首阀门动水关闭参数,可保证在通航流量范围内,五闸室泄水时均无须动用辅阀,提高了通航效率。

三峡船闸145m水位下运行方式研究

当三峡库水位变化时 ,三峡工程船闸第二级闸室存在作为首级与中间级的两种运行工况。两种工况每次充水水体相当 ,但起始水头相差近 1倍 ,不能同时满足充水时间与停泊条件要求。为此 ,通过 1∶30物理模型 ,采用优化运行方式 ,即在 14 5m条件下 ,利用输水廊道进行补水 ,使第二闸室起始水位不低于 133m。结果表明 :补水后第二闸室充水时间不大于 12min ,船队缆绳拉力在允许值内 ,即 9× 10 0 0t船队的横向系缆力小于 30kN ,纵向系缆力小于 5 0kN。

三峡船闸关键水力学问题研究

三峡船闸工程规模、设计水头、水位变幅和水力指标都达到或超过了国内外已建船闸的最高水平,对船闸输水系统和输水阀门工作带来了极大的挑战。从三峡工程可行性论证阶段起至船闸完建,进行的水力学专题研究,解决了一系列关键技术问题,为船闸设计和施工提供了科学依据。

三峡永久船闸进水口型式研究

对于设置在引航道内的船闸正向进水口,其流量分配的均匀性直接影响闸前的通航水流条件,通过1∶22三峡船闸进口局部模型进水口体型优化的水力学试验,对进流的均匀性、自身的防淤效果及其影响因素进行了研究。再通过1∶30整体模型验证试验,成果表明试验推荐的修改体型具有进流均匀,防淤效果较好,闸室充水时间较原旁侧取水方案略短等优点。

超高水头大型船闸输水系统研究

随着社会经济的发展和技术的提高,船闸不断向大型化和高水头化方向发展,以往常规的等惯性输水系统已不能适应40 m以上的超高水头大型单级船闸。结合某工程实例,通过类比分析、物理模型试验及数值计算的方法,提出了新型自分流的闸室分流口结构型式和输水系统布置型式,很好地解决了闸室高效输水和船舶停泊安全问题,显著拓展了常规等惯性输水系统的适应性,其成果可供超高水头大型船闸设计借鉴。

汉江兴隆船闸输水系统水力学原型观测研究

兴隆船闸实际通航船舶类型及阀门运行方式均与设计存在差异,需通过原型观测获得相关水力学参数,对船闸运行以及过闸船舶安全的影响加以判断,并优化阀门运行方式。观测结果表明:现有运行水头及阀门运行方式下,两侧阀门运行同步性较差;充、泄水时间均满足设计要求;泄水时进水口区域出现偶发性吸气漩涡,但并未危害闸室内船舶的停泊安全;闸室内船舶系缆力满足规范要求。船闸双边泄水采用推荐运行方式,可有效改善进水口流态。