北江清遠(yuǎn)樞紐二線船閘水力特性原型觀測及實船試驗

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]。

1 觀測方法

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。

2 進(jìn)出水口及閘室充水過程流態(tài)觀測

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。

3 閘室充泄水水力特性觀測

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。

4 二線船閘灌泄水對一線船閘的影響分析

4.1 水位分析

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

4.2 流速分析

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。

5 實船試驗

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

6 原型和模型對比分析

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。

7 結(jié)語

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%。