歐陽彪,陳 亮,歐澤全,舒岳階,王召兵
(1.廣東省北江航道開發(fā)投資有限公司,廣東 清遠(yuǎn) 511500;2.重慶交通大學(xué),重慶西南水運工程科學(xué)研究所,重慶 400016;3.重慶西科水運工程咨詢中心,重慶 400016)
清遠(yuǎn)水利樞紐位于北江干流清遠(yuǎn)城區(qū)下游,石角鎮(zhèn)大燕河口上游約1.0 km處,壩址上距清遠(yuǎn)市區(qū)16 km,距飛來峽水利樞紐46.73 km;下距石角水文站4.8 km。工程開發(fā)任務(wù)以航運和改善水環(huán)境為主,兼顧發(fā)電、灌溉、旅游、養(yǎng)殖和水資源配置等用途。
清遠(yuǎn)樞紐為北江最下游一級樞紐,目前已建成2座1 000噸級船閘。隨著北江運量快速發(fā)展,該樞紐貨運量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清遠(yuǎn)一線船閘通過能力,導(dǎo)致船舶擁堵嚴(yán)重,待閘船舶數(shù)平均為200多艘,平均待閘時間已達(dá)2~3 d。隨著北江航運擴(kuò)能升級的開展,清遠(yuǎn)二線船閘已于2019年5月建成通航,新建二線船閘位于一線船閘右岸,閘室有效尺度為220 m×34 m×4.5 m(長×寬×門檻水深),設(shè)計水頭10.35 m,輸水系統(tǒng)采用側(cè)墻廊道側(cè)支孔+檻梁結(jié)合的消能工,設(shè)計代表船型為1 000噸級機(jī)駁,輸水系統(tǒng)特征尺寸見表1,船閘輸水系統(tǒng)布置見圖1。
表1 清遠(yuǎn)二線船閘輸水系統(tǒng)特征尺寸
圖1 二線船閘輸水系統(tǒng)布置(尺寸:mm;高程:m)
二線船閘前期曾開展過輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗研究[1],試驗推薦閘室采用檻梁結(jié)合形式的新型消能工,為驗證原模差異,確定原型運行方式,2019年4月對二線船閘進(jìn)行了有水觀測及實船試驗[2],通過原型觀測和船閘調(diào)試,船閘性能可達(dá)到較佳狀態(tài),保證過閘船舶及船閘設(shè)備的安全[3-4]。
2019年4月北江汛期期間進(jìn)行原型觀測,并未觀測到船閘最不利運行水頭工況,觀測水頭分別為5.49、7.22、8.20 m,對閥門雙邊連續(xù)運行多種工況進(jìn)行了觀測。實船試驗采用1 000噸級空載和實載兩種船型,空載船型為52.80 m×11.48 m×2.72 m(長×寬×滿載吃水);實載船型為:49.90 m×9.94 m×2.70 m。
主要觀測參數(shù)[5-6]包括:水位、流速、流態(tài)、系纜力、船舶的縱傾和橫搖等。用水位傳感器記錄水位變化過程,布設(shè)在二線上游進(jìn)水口、閘室、下游引航道及一線船閘下游人字門門后;用多普勒超聲流速儀測量一線上引航道靠船墩處流速變化;用纜繩拉力計測量船舶系纜力;用相機(jī)記錄流態(tài)等。
在上游水位10.81 m、下游水位3.88 m、閥門325 s勻速雙邊開啟工況下,對閘室灌、泄水過程進(jìn)行流態(tài)觀測。二線船閘進(jìn)水口布置于引航道兩側(cè)導(dǎo)墻上,采用垂直多支孔形式,在上游進(jìn)水口處觀測到閘室灌水過程無串通漏斗漩渦,水面平穩(wěn),輸水過程最大跌水為17 cm,隨著充水流量的減小,上游水位很快恢復(fù)至充水之前。
二線船閘采用閘墻長廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)+檻梁結(jié)合式消能工,在整個灌泄水過程中閘室流態(tài)較好,未見明顯的縱、橫向流,未觀察到漩渦、泡漩等不良水流,閘室水面平靜,水面平穩(wěn)上升(下降),閘室停泊條件好。
下引航道出水口消能采用頂部、側(cè)面格柵聯(lián)合出水的布置形式,消能室內(nèi)設(shè)3道不對稱挑流坎以調(diào)整格柵出水孔水流流量分配,使下泄水流在下引航道內(nèi)均勻擴(kuò)散。在閘室泄水過程中,格柵頂部水出流均勻,下泄水流出消能工后,迅速均勻擴(kuò)散。整個泄水過程中下游引航道內(nèi)水面波動小、未觀測到泡漩、剪刀水和大漩渦等不良流態(tài),格柵頂部最大水位壅高為29 cm,出下引航道擴(kuò)散段后水位壅高在20 cm以內(nèi),未見水面有明顯波動。
原型觀測了2種水位組合,組合1:上游水位10.81 m、下游水位5.32 m、水頭5.49 m;組合2:上游水位11.10 m、下游水位3.88 m、水頭7.22 m。輸水主要特征值見表2,典型水力特性曲線見圖2。
表2 船閘非恒定流水力特性參數(shù)
圖2 典型水力特性曲線
由表2、圖2可以看出,在閥門雙邊tv=325 s充水工況下,閘室輸水時間分別為423、497 s,最大瞬時流量分別為167、218 m3/s,輸水廊道瞬時最大平均流速分別為3.71、4.84 m/s;在閥門雙邊tv=315 s泄水工況下,閘室泄水時間分別為432、502 s,最大泄水瞬時流量分別為155、192 m3/s,泄水廊道瞬時最大平均流速為3.44、4.27 m/s。以上數(shù)據(jù)表明,船閘在觀測工況下的閘閥門啟閉時間及閘室充、泄水時間滿足設(shè)計要求;廊道的最大平均流速遠(yuǎn)小于規(guī)范最大允許值15 m/s,說明閘室充泄水不會造成廊道混凝土破壞。
此外,充泄水過程超灌、超泄值分別為36、34 cm,該值與船閘水力學(xué)模型測得的超灌、超泄值相當(dāng),兩者均大于船閘規(guī)范最大允許值25 cm。二線船閘閥門啟閉方式為平時動水開啟,靜水閉門,應(yīng)急時采用動水閉門,設(shè)計時未考慮平時動水閉門,因此本次觀測未進(jìn)行提前關(guān)閉輸水閥門的動水調(diào)試。對于超灌、超泄,本次調(diào)試采用平水開啟人字門方式,即測量水位平壓時,立即泄壓打開人字門,對于平水開啟人字門,超灌、超泄值有所減小,分別為28、27 cm,盡管大于規(guī)范值,但可避免人字門活塞桿受反向壓力過大,并有效減小啟門力,保證船閘啟閉設(shè)備的安全,建議在船閘運行管理時,采用平水開門的運行方案來減小超灌、超泄值。
一線船閘下游水位測點布置在下引航道靠近一線現(xiàn)有人字門處;二線船閘上游水位測點布置在上游右岸進(jìn)水口附近;閘室水位測點布置在右岸靠下閘首相對靜水區(qū)域;二線下引航道測點布置在下游格柵出口以外約20 m處。在上游水位11.10 m,下游水位3.88 m,閥門tv≈6 min勻速開啟工況下,實測二線船閘充水時一線船閘上引航道水位最大跌落11 cm,二線船閘進(jìn)口處最大跌落17 cm,隨著流量的減小,跌落值逐漸回升;實測二線船閘泄水時,一線船閘下引航道靠下閘首(人字門附近)最大水位壅高為16 cm,二線船閘下游出口處最大水位壅高29 cm,出擴(kuò)散段后,二線引航道內(nèi)水位壅高基本在20 cm以內(nèi),壅高值和跌落值均在規(guī)范范圍內(nèi),見圖3。如在最不利水位組合下,一、二線船閘間的相互影響將進(jìn)一步增大,因此,除加強(qiáng)最不利水位組合下一、二線船閘間相互影響的觀測外,應(yīng)考慮一、二線船閘的聯(lián)合調(diào)度,統(tǒng)一管理,盡量避免同時、同向運行和引航道內(nèi)水位及流速的疊加,影響下游靠泊船舶安全。
圖3 二線船閘泄水時一、二線船閘下引航道內(nèi)水位變化過程線
一、二線船閘共用部分上下游引航道,一線船閘采用獨立靠船墩,二線建成后,一線靠船墩處于共用引航道中心線附近,根據(jù)現(xiàn)場觀測,二線船閘灌水時,一線船閘靠船墩側(cè)橫流較大,對一線進(jìn)閘船舶有一定影響,因此本次原觀采用2種手段重點對二線船閘充泄水時上下游引航道內(nèi)流速進(jìn)行測量,第一種為多普勒超聲流速儀(ADV),主要對二線充水時上引航道內(nèi)個別點流速進(jìn)行三維流速測量;第二種為無人機(jī)大范圍表面流場儀,主要對二線充水時引航道內(nèi)局部區(qū)域表面流場進(jìn)行測量。上游流速觀測工況:上游水位11.00 m,下游水位2.80 m,水頭8.20 m,閥門tv≈6 min雙邊勻速開啟;下游流速觀測工況:上游水位11.10 m,下游水位3.88 m,水頭7.22 m,閥門tv≈6 min雙邊勻速開啟。上引航道流速測點布置見圖4。二線船閘充水時一線船閘上游靠船墩處流速過程線見圖5。
圖4 船閘上引航道流速測點布置
圖5 二線船閘充水時一線船閘上游靠船墩處流速過程線
上游單點流速實測結(jié)果表明:二線船閘充水過程中,一線船閘上游第1個靠船墩位置最大橫向流速為0.172 m/s,最大縱向流速0.181 m/s,最大垂向流速為0.05 m/s,最大縱、橫向流速出現(xiàn)時間均為360 s左右,即閥門雙邊全開時;一線船閘上游第3個靠船墩位置最大橫向流速為0.126 m/s,最大縱向流速0.316 m/s,最大垂向流速為-0.074 m/s,最大縱、橫向流速出現(xiàn)時間也為360 s左右,即閥門雙邊全開時。
上游實測流場表明,在雙邊開啟n=0.5開度,二線左岸副導(dǎo)墻頂部位置最大流速為0.3 m/s,從副導(dǎo)墻頂至上游第2個靠船墩段平均流速約為0.2 m/s,流向基本為橫向;在雙邊開啟n=0.8開度,二線左岸副導(dǎo)墻頂部至第1個靠船墩處位置,最大流速為0.31 m/s,從副導(dǎo)墻頂至上游第2個靠船墩段平均流速約為0.25 m/s,水流與縱向夾角有所減小,但有明顯斜流,第1個靠船墩附近最大橫向流速約0.22 m/s。
一、二線船閘均布置于右岸,電站位于左岸,觀測當(dāng)天泄洪閘未開閘,僅電站發(fā)電。根據(jù)《清遠(yuǎn)樞紐設(shè)計報告及清遠(yuǎn)整體模型試驗報告》,當(dāng)流量Q≤1 102.8 m3/s時,電站發(fā)電,泄水閘關(guān)閉,流量在900 m3/s左右。下游實測流場結(jié)果表明:上引航道口門區(qū)附近流速均在0.2 m/s以下,下引航道口門區(qū)(北江大堤下游140 m左右)附近測量范圍內(nèi)實測最大縱向流速0.48 m/s,最大橫向流速0.168 m/s(測量范圍:順?biāo)鞣较?00 m,垂直于水流方向380 m),實測流速當(dāng)天并未觀測到回流,二線船閘引航道停泊段基本無流速,一、二線船閘引航道口門區(qū)通航水流條件較好,滿足規(guī)范要求的口門區(qū)縱向流速小于2.0 m/s、橫向流速小于0.3 m/s、回流小于0.4 m/s。
綜上所述,在二線船閘充水過程中,一線上游停泊段1#、2#靠船墩處及導(dǎo)航墻至靠船墩之間水域,局部水流速度略超《船閘總體設(shè)計規(guī)范》的允許值[7]。清遠(yuǎn)船閘設(shè)計最大工作水頭為10.35 m,水位組合為上游10.81 m,下游0.46 m。實測流速時,上游水位為11.00 m,上游淹沒水深與最不利水位組合時相差不大,下游水位為2.8 m,較下游最低通航水位0.46 m高2.34 m。待最不利水位組合時,二線船閘灌水時最大瞬時流量將有所增大,上引航道內(nèi)流速也將有所增大,但增量較小。因此二線建成運行后,改變了一線船閘邊界條件,二線船閘充水時,一線船閘側(cè)不應(yīng)安排船舶進(jìn)閘,且前3個靠船墩不應(yīng)在此時安排上游來船靠泊。
實測了空載和載重2種工況在2種水位組合下的情況,見表3。
表3 實船試驗測驗工況及內(nèi)容
按照實船試航要求選定代表性的試驗用船,采用專用船舶姿態(tài)采集器測量船舶縱橫傾變化,該采集器集成高精度陀螺儀、加速度計、地磁場傳感器,采用高性能微處理器、先進(jìn)的動力學(xué)解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法,能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實時運動姿態(tài),其靜態(tài)精度≤0.05°,動態(tài)精度≤0.1°。
船舶的安全航行是由駕乘人員來保證的,把人員所能忍受的船舶橫搖衡準(zhǔn)作為保證船舶在船閘及引航道內(nèi)安全通行的橫搖值具有一定的參考價值。
實測兩種船型橫搖和縱傾值均遠(yuǎn)小于《內(nèi)河船舶法定檢驗技術(shù)規(guī)則》和《船舶設(shè)計實用手冊》要求值,實測兩種船型最大橫搖值為1.12°、最大縱傾值為0.41°,且均發(fā)生在進(jìn)閘或靠泊時,輸水過程基本上無橫搖、縱傾,說明輸水過程閘室水面平穩(wěn),無明顯縱橫比降和局部不良流態(tài),見表4。船舶在引航道及閘室內(nèi)航速基本在1.5 kn內(nèi),最大舵角均在20°以內(nèi),最大舵角發(fā)生在調(diào)整船舶姿態(tài)的停泊段進(jìn)閘段。
表4 實測船舶縱傾、橫搖最大值
實測充水過程系纜力過程線見圖6。系纜力測量時,纜繩拉力計一端與直徑26 mm、掛在浮式系船柱上的鋼纜連接,另一段與船上纜繩連接。26 mm鋼纜破斷力為426.5 kN,遠(yuǎn)大于規(guī)范允許的系纜力。船舶??亢?,系緊纜繩,使其基本處于拉緊狀態(tài),測量過程未對纜繩進(jìn)行調(diào)整。實測1 000噸級貨船(空載情況)船舶最大系纜力,充水過程為3.54 kN,泄水過程為2.80 kN。實測1 000噸級集裝箱船(載重情況)船舶最大系纜力,充水過程為4.80 kN,泄水過程為4.20 kN。船舶停于上引航道停泊段,充水過程最大系纜力為6.10 kN;船閘灌泄水過程,船舶停于下引航道停泊段,泄水過程最大系纜力為7.10 kN。上述數(shù)據(jù)說明,船舶系纜力遠(yuǎn)小于規(guī)范值32.00 kN,考慮此次實船試驗并非最不利水位組合工況,且試驗船舶未滿載,實際運行后,如遇最不利水位組合和船舶滿載情況,船舶停于閘室灌泄水過程系纜力將有所增大,但此次測量系纜力富余較大,由此推測,即使以后遇最不利情況,船舶系纜力仍在規(guī)范允許范圍內(nèi),船閘輸水條件較好。值得注意的是,上下游人字門在開啟時,閘室超灌、超泄引起的縱向水流會導(dǎo)致纜繩受力陡增,但實測值仍只有規(guī)范允許值的約1/3。
圖6 載重船舶停于閘室尾部充水過程系纜力過程線
由于原型觀測時上、下游水位組合與模型試驗時不同,且模型試驗實測為船舶受力,與原型纜繩拉力有所差異,因此,本文只對閥門全開時刻船閘流量系數(shù)進(jìn)行對比分析,原型和模型流量系數(shù)對比見表5。
表5 原型、模型阻力系數(shù)和流量系數(shù)
流量系數(shù)不受閥門開啟時間及水位組合的影響,對前期模型試驗與原型觀測成果進(jìn)行比較可知,原型較模型流量均有所增大,充水流量系數(shù)增大9.1%,泄水流量系數(shù)增大8.3%。此外物理模型試驗推薦tv=6 min充水工況,實測1 000噸級船舶最大縱向系纜力6.40 kN,最大橫向系纜力為7.20 kN,原型觀測實測最大系纜力為4.80 kN,雖水頭和試驗船舶有所差異,但在原型流量系數(shù)有所增大的情況下,原型實測系纜力較模型所測船舶受力仍偏小,由此可見,模型試驗所測船舶受力和原型實測系纜力仍存在一定的差異,值得進(jìn)一步探索。
1)在觀測水位組合下,船閘灌泄水各項水力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求,超灌、超泄值超過規(guī)范值,可采取平水開啟人字門的措施解決。
2)二線船閘灌泄水時,一、二線船閘上下游引航道內(nèi)水位變化均較小;一線灌泄水時,另外一線人字門處反向水頭較小,影響較小。
3)由于一、二線船閘布置特點,二線船閘建成后,二線船閘上游左側(cè)進(jìn)水口離一線船閘停泊段較近,二線船閘灌水時,一線船閘停泊段1#、2#測點(靠近上閘首)橫向流速超過規(guī)范允許值0.15 m/s。因此,二線船閘充水時,一線船閘上游不應(yīng)安排船舶進(jìn)閘,且前3個靠船墩不應(yīng)在此時安排上游來船靠泊,兩線船閘應(yīng)加強(qiáng)聯(lián)合調(diào)度。
4)實船試驗結(jié)果表明,在現(xiàn)有運行方式下,實測船舶上下行船舶縱傾、橫搖值均較小,船舶停于閘室及上、下游引航道系纜力均較小,停泊條件好,滿足規(guī)范要求。
5)經(jīng)試驗對比可知,原型充泄水流量系數(shù)較模型增大約8%~9%。