某枢纽船闸输水系统设计分析

某枢纽船闸输水系统设计分析船闸工程建设中，要做到船舶航行过闸安全、通畅，力求布置简单。就要充分做好船闸输水系统的设计计算分析。船闸输水系统应包括进水口、阀门段、输水廊道、出水口、消能工和镇静段等；并且应该满足一下基本要求：灌水和泄水时间；船舶船队在闸室内的停泊条件和引航道内的停泊和航行条件；船闸各部位在输水过程中不至由于水流冲刷、空蚀、振动等造成破坏。本文以某枢纽新建二线船闸工程为例，对船闸输水系统设计中的输水方式选择、灌泄水、船舶停泊条件、船闸通过能力等方面进行比较分析。本河是该区中部地区最大的一条引排河道，西端连接xx江，东端勾通大海，担负着本地区的主要引水、航运和排涝任务。该闸水利枢纽位于本河西端，距xx江边约1000m，是本河衔接xx江的控制建筑物，在地理位置上属于xx区，主要为该区服务。根据规划，该片各支河河口控制工程建成后，片内的内河水位将处在人为调控状态，片内的最高控制水位在3.75m（现状为4.2m常水位在2.50～2.80m，最低水位（预降水位）为2.00m。本次扩建二线船闸规模为：闸首净宽23m，闸室净宽23m，长280m（有效长度260m门槛水深3.75m。由《船闸输水系统设计规范》（JTJ306-2001闸室输水时间可由式2-1估算，输水类型判别系数由式2-2计算：T=Kp(HBLc)1/32-1m=T/H1/22-2式中Kp：假设采用集中输水时，取0.27，分散输水时，取0.19；H：闸室设计水头，取2.75m（黄浦江水位▽4.75m，大治河水位▽2.0mB：闸室宽度，取27m,Lc：闸室长度，取380m,计算得T为30.44Kp。假设采用集中输水，计算得T=8.22，m=4.96>3.5，根据《船闸输水系统设计规范》（JTJ306-2001）第2.1.4条，本次设计应采用集中输水型式；假设采用分散输水，计算得T=5.78。2.5<m=3.49<3.5，根据规范，应参照类似工程选定。按照规范及交通部门有关经验，对于设计水头低于10m的船闸宜采用集中输水，因为采用集中输水型式时，闸室结构比较简单、施工方便、造价较低。集中输水系统可分为短廊道输水、直接利用闸门输水和组合式输水三种型式。考虑到本次工程闸首跨度大，一般不使用平面闸门，由工程可行性研究报告知本工程船闸设计门型为三角门。采用三角门门缝输水时，水流从门的两侧及中间三条垂直缝隙进入闸室，其中门两侧边缝水流经门龛边壁互相对冲消除一部分能量，而中缝水流由闸首轴线直冲而下，产生很大的折冲水流并伴随着强烈涡流，水流条件差，且不容易改善。根据规范，三角门门缝输水适应水力指标较低（闸室最大断面平均流速小于0.25m/s和设计水头小于1.4m而本次二线船闸设计水头差较大（2.75m闸室水域面积较大（380m×27m若采用三角门门缝输水，则闸室水流条件差，输泄水时间长，从而影响船舶通过能力及过往船只安全。另外，三角闸门利用门缝输水时，由于闸门两侧边缝输水，将增加闸门的启闭力，且会在闸门的边缝后面产生回流，引起闸门振动，使底止水磨损加快，从而对门体受力不利。根据交通部门经验，利用三角门门缝输水仅运用于口门宽度10m以下，水头不超过3m的船闸。综上所述，本次扩建二线船闸工程拟采用短廊道集中输水型式。假设每座闸首布置两个输水廊道，廊道布置在闸首两侧，廊道出水孔口相对，消能方式采用对冲消能加消力槛，廊道阀门采用锐缘平面阀门。根据规范，输水阀门处廊道断面面积可根据给定的输水时间和阀门全开时输水系统流量系数求得，见公式3-1。ω=2C(H)1/2/[μT（2g）1/2(1-(1-α)kv)]3-1式中ω：输水廊道断面面积（m2）,C：计算闸室水域面积，取10260m2；μ：阀门全开时输水系统的流量系数，由规范附录A求得，取0.68；H：设计水头，取2.75m；T：闸室灌水时间，根据式3-1，暂取8.0分钟，即480s；α：由计算所得μ值查表，取0.56；kv：系数，取0.6；计算得ω=27.62m2，取单廊道断面尺寸为4.0（宽）×3.5（高）m2，则输水阀门开启时间可由式3-2求得。tv=krωDW(2gH)1/2/[PL(ωc-χ)]3-2式中tv：输水阀门开启时间(s)；kr：系数，平面阀门取0.725；ωc：初始水位的闸室横断面面积，取140.4m2χ：船队船舶浸水横断面面积，取21.6m；D：波浪力系数，由规范附录B求得，取1.0；W：船舶、船队排水量(t)，取1000t；PL：允许系缆力的纵向水平分力，由规范查取32kN；计算得tv=47.92s。一般情况下，为保证闸室内水流条件和阀门的安全，对阀门的启闭速度应加以控制。假定阀门启闭速度为1.0m/min，则tv=210s，闸室输水时间可按式3-3计算。T=2CH1/2/[μω(2g)1/2]+(1-α)tv3-3式中符号意义与前同。计算得T=485s。为保证闸室内停泊船只的安全，在闸室内靠近上下闸首侧设置镇静段，其长度由式3-4计算确定：L=BEp3-4式中B：系数，根据规范并考虑本次工程实际情况，取0.7；Ep：理论最大比能，由规范附录C求得。因扩建二线船闸承受双向水头，其上下闸首随本河与外河xx江的水位变化而变化，故本次对闸首不称上下，按一般习惯称某江侧闸首为外闸首，本河侧闸首为内闸首。在闸室两段各设15m长镇静段，根据《船闸输水系统设计规范》（JTJ306-2001）附录可计算得出设计水头时船闸的灌泄水情况，详见表1。表1灌泄水计算成果表计算工况水位组合（m）灌水时间泄水时间最大流量最大比能闸首最大平最大镇静段长（m）xx江本河类型允许最大流速（m/s）正向设计4.752.00485485102.37外闸首0.52内闸首0.580.45～0.650.8～1.98.05反向设计3.7548048094.86外闸首0.54内闸首0.610.45～0.650.8～1.94.52注：计算时段△t取15s，故灌泄水时间取整数。由表1可知，设计输水、消能方式及廊道面积满足规范要求。船舶、船队在闸室及引航道内的停泊条件按式4-1、4-2、4-3计算得到。排水量为1000t（即设计船型67.5×10.8×2.0）级。灌水时，船舶在闸室内所受的水流作用力主要为灌水时的波浪作用力，计算公式见4-1。P1=PB=krωDW(2gH)1/2/[tv(ωc-χ)]≤PL=32kN4-1式中PB：灌水时的波浪作用力；tv：阀门开启时间，取210s；其它符号意义同前。泄水时，船舶在闸室内所受的水流作用力由式4-2计算。P1=Pi+Pv4-2式中Pi为泄水水面坡降所产生的作用力，由附录D计算得到；Pv为纵向流速所产生的作用力，由附录D计算得到。灌泄水时，船舶在引航道内所受的水流作用力可由式4-3计算。L4-3式中PB′：灌泄水时，上下游引航道内的波浪作用力；Pv′：上下游引航道纵向流速所产生的作用力计算结果见表2。表2船舶所受的水流作用力计算成果表计算工况闸室内(kN)引航道内（kN）灌水时泄水时允许系缆力xx江本河P1=PBPiPv+PvP’BP’vP2=P’B（KN）正向设计反向设计4.752.007.305.284.429.702.662.254.91纵向水平力32，横向水平3.754.913.054.767.810.923.04注：1、表中数值均指计算最大值，引航道内最大水流作用力、最大纵向流速作用力、波浪作用力发生不同时。2、船舶允许系缆力按船舶吨位1000t查得。由表2知，各种通航情况船舶所受到的水流作用力均小于允许系缆力。由于原船闸引航道较小，难以满足双向过闸要求，考虑双向过闸耗水少，过闸时间短，有利于更好地利用船闸通过能力，故本次仍按双向过闸设计。则单向过闸船队进出闸运行距离L1、L1′：及双向过闸船队进出船闸运行距离L2分别由式5-1、5-2、5-3计算得到。L1=Lc(1+α1)5-1L1L2=Lc(1+α2)+L35-3导航段和调顺段之和，对于本船闸，导航段与调顺段合并，取L3=260m。计算得L1=364m，L1′=286m，L2=546m。根据规范及有关经验，船队进闸速度v1单=0.5m/s、v1双=0.7m/s，船队出闸速度v2单=0.7m/s、v2双=1.0m/s，则船队单向过闸及双向过闸时间分别由式5-4、5-5计算。单向：T1=4t1+t2+2t3+t4+2t55-4双向：T2=4t1+2t2′+2t3+2t4′+4t55-5式中t1：开门或关门时间，取3min；t2：单向第一个船队进闸时间，取728s，即12.13min；t2′：双向第一个船队进闸时间，取780s，即13min；t3：闸室灌水或泄水时间，取5.5min；t4：单向第一个船队出闸时间，取408.6s，即6.8min；t4′：双向第一个船队出闸时间，取546s，即9.1min；t5：船舶、船队进闸或出闸间隔时间，取3min。计算得单向一次过闸时间T1为47.93min，双向一次过闸时间T2/2为39.6min，若考虑单向过闸与双向过闸次数基本相等，则一次过闸平均时间T3为43.77min，均小于前面估计的48min，故其通过能力满足设计水平年要求。由前面第5章公式可求得：P1为4298.8万吨，若考虑原船闸维修要求，将老闸运行天数减至350天，每天运行时间减至20小时，则原船闸实际通过能力P2为1836.2万吨，此时总货运量P=6135万吨>6089.2万吨（预计吨位满足经济发展需要。由于本船闸所在地东临大海，土质土壤条件差，需要淡水改良，故需计算船闸耗水量。根据规范，船闸一天内平均耗水量Q可由式6-1计算。Q=nV/86400+q