某城市船閘輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和分類
1.1 船閘輸水系統(tǒng)應(yīng)包括進(jìn)水口、閥門(mén)段、輸水廊道、消能工和鎮(zhèn)靜段等。
1.2 輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足下列基本要求：
(1 )灌水和泄水時(shí)間；
(2 )船舶、船隊(duì)在閘室內(nèi)的停泊條件和引航道內(nèi)的停泊和航行條件；
(3 )船閘各部位在輸水過(guò)程中不至由于水流沖刷、空蝕、振動(dòng)等造成破壞。
1.3 對(duì)有雙向水頭、多線船閘或船閘與升船機(jī)共用引航道、多級(jí)船閘補(bǔ)溢水、設(shè)置中問(wèn)渠遁、省水、防咸等要求的船閘；
1.2條規(guī)定外，尚應(yīng)滿足各自特殊的要求。
1.4 船閘輸水系統(tǒng)可分為集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)兩大類。輸水系統(tǒng)的類型可根據(jù)判別系數(shù)按式(1.4)初步選定。當(dāng)m>3.5時(shí)，采用集中輸水系統(tǒng);當(dāng)m<2.5時(shí)，采用分散輸水系統(tǒng);“與m為2.5-3.5時(shí)，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證或參照類似工程選定。<>
(1.4)
式中m ----判別系數(shù)；
H----- 設(shè)計(jì)水頭(m) ；
T----- 閘室灌水時(shí)間(min)
1.5 船閘輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，宜將水力計(jì)算分析和進(jìn)行水工模型試驗(yàn)相結(jié)合。
1.6 多級(jí)船閘的上、下游水位變幅較大且不同步時(shí)，應(yīng)考慮閘室輸水過(guò)程的補(bǔ)水和溢水措施。
2.輸水系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)安全技術(shù)指標(biāo)和要求
2.1 對(duì)只設(shè)有固定系船設(shè)備的船閘，閘室灌泄水時(shí)的最大水面升降速度應(yīng)不大于5-6cm/s，設(shè)有浮式系船柱時(shí)，可不受此限制。
2. 2 船閘灌泄水時(shí)，引航道內(nèi)非恒定流的水面波動(dòng)、比降及流速等水力特性，除應(yīng)滿足引航道內(nèi)船舶、船隊(duì)停泊條件標(biāo)準(zhǔn)外，尚應(yīng)滿足船舶船隊(duì)在引航道內(nèi)的航行條件和�？看a頭的操作要求。引航道內(nèi)水面的降低應(yīng)保證航行船舶的富裕水深。上游引航道中最大縱向流速應(yīng)不大于0.5-0.8m /s，下游引航道中應(yīng)不大于0.8-1.Om/s。但在上游引航道碼頭處應(yīng)不大于0.5m/s。
2.3 船閘正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，輸水系統(tǒng)各部位不宜出現(xiàn)負(fù)壓，在特殊情況下，其局部壓力不宜產(chǎn)生超過(guò)3mH20的負(fù)壓。
2.4 輸水廊道中的流速不宜大于15 m/s。當(dāng)流速超過(guò)15m/s或含沙量較大的水流，應(yīng)采取防護(hù)措施。
2.5 當(dāng)船閘閘室灌泄水時(shí)，閘室水面的最大慣性超高、超降值，在采取提前關(guān)閉輸水閥門(mén)及水面齊平時(shí)開(kāi)啟閘門(mén)等措施后，不宜大于0.25 m。
2.6 輸水系統(tǒng)進(jìn)水口水面不應(yīng)產(chǎn)生有危害性的串狀吸氣漩渦。
2.7 多級(jí)船閘采用輸水閥門(mén)兼作補(bǔ)水閥門(mén)時(shí)，應(yīng)核算補(bǔ)水操作時(shí)閥門(mén)的工作條件以及閘室輸水時(shí)間。采用閘室側(cè)溢流堰作為溢水措施時(shí)，溢流孔口頂高程應(yīng)低于船舶底部高程。同時(shí)在確定閘室下閘首閥門(mén)井頂部高程時(shí)，應(yīng)考慮閥門(mén)前廊道水流動(dòng)能恢復(fù)所導(dǎo)致的閥門(mén)井水位增高。
3.案例分析
3.1概況
某城市水利樞紐工程船閘布置在左岸，閘室有效尺寸為80 m×12 m×2 m (長(zhǎng)×寬×檻上水深)，最大水頭12．50 m，年設(shè)計(jì)通過(guò)能力按100萬(wàn)t核算。船閘由下游開(kāi)挖段、上下引航道、上下閘首及閘室組成，總長(zhǎng)659．4 m，其中上引航道長(zhǎng)103．0 m，船閘123.4 m,下引航道130.0 m、下游疏浚航道段303m。根據(jù)樞紐總布置及地形因素，上下引航道采用不對(duì)稱型的平面布置。
3.2設(shè)計(jì)基本原則及基本資料
3.2.1設(shè)計(jì)基本要求船閘輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足下列基本要求：
(1)灌水和泄水的時(shí)間；
(2)船舶、船隊(duì)在閘室內(nèi)的停泊條件和引航道內(nèi)的停泊和航行條件；
(3)船閘各部位在輸水過(guò)程中不至于由于水流沖刷、空蝕、振動(dòng)等造成破壞。
3.2.2通航標(biāo)準(zhǔn)及水位
為減少淹沒(méi)損失，本樞紐采取大洪水敞泄降低運(yùn)行水位的運(yùn)用方案，且當(dāng)流量大于3500 m3/s時(shí)停止通航，閘門(mén)逐步開(kāi)啟至全開(kāi)泄洪；小于3500 m3/s流量時(shí)，水庫(kù)水位在正常水位運(yùn)行，故正常蓄水位為上游設(shè)計(jì)最高通航水位。根據(jù)上級(jí)批復(fù)確定最低通航水位。通航水位見(jiàn)表1
3.3 輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.3.1輸水型式選擇
(1)輸水系統(tǒng)類型確定。本船閘上游最高通航水位54.00 m，下游最低通航水位41．50 m，輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大水頭差H=12．5 m，根據(jù)設(shè)計(jì)通過(guò)能力等要求，輸水時(shí)間T采用8 min。
依船閘規(guī)范規(guī)定，m<2．5應(yīng)優(yōu)先選擇分散輸水系統(tǒng)。<>
船閘所在航道為V級(jí)，閘室尺度小，但水頭相對(duì)較大，若采用集中輸水系統(tǒng)，閘室需有較長(zhǎng)的鎮(zhèn)靜段，閘首內(nèi)消能設(shè)施較復(fù)雜，且閘室內(nèi)泊穩(wěn)條件較差，故采用分散輸水系統(tǒng)。
（2）分散輸水型式的選擇。本船閘最大水頭12.5 m，屬中等水頭，航道等級(jí)低，閘室尺寸小，經(jīng)綜合比較，選用閘墻長(zhǎng)廊道多支管，出水口設(shè)置消能溝的簡(jiǎn)易分散輸水型式。
3.3.2 輸水系統(tǒng)的布置
本船閘輸、泄水廊道分別布置于兩側(cè)閘墻內(nèi)，每側(cè)廊道由進(jìn)口段，閥門(mén)段，主廊道出水段，泄水出口段等組成，各段分述如下：
(1)進(jìn)口段。根據(jù)上閘首的結(jié)構(gòu)布置和輸水系統(tǒng)進(jìn)水的水力要求，廊道進(jìn)水口前面為一個(gè)由帷墻空間形成的深水池。水流由上閘首垂直進(jìn)入在不同高度上設(shè)有格柵的池內(nèi)，然后再進(jìn)入廊道進(jìn)口。這樣布置能獲得較大的淹沒(méi)水深和較好的進(jìn)水流態(tài)，有利于防止漩渦的生成，避免挾帶空氣進(jìn)入閘室、惡化停泊條件。
（2）閥門(mén)段。4個(gè)輸水閥門(mén)處廊道斷面尺寸為2.0m×2.2 m (寬×高)，上閘首閥門(mén)段底高程38.3 m，下閘首閥門(mén)段底高程38.85 m.
(3)主廊道出水段。主廊道斷面積2.0 m×2.2 m (寬×高)，底高程38.3 m，出水孔段總長(zhǎng)40 m，設(shè)于閘室中部，每側(cè)共有出水管40個(gè)，單層布置；出水孔出口斷面直徑為0.55 m，支孔中心距3.0 m，支管出口處設(shè)消能坎，以進(jìn)一步消除部分能量，改善流態(tài)，減少橫向系纜力。
（4）泄水出口段。下閘首采用格柵式消能出水，消能室頂部為中密側(cè)疏的格柵，柵條斷面寬0.5 m，出水孔寬0.4-0.6 m,消能室有消能坎和消能柱，水流向上經(jīng)格柵調(diào)整進(jìn)入下游引航道，由于泄水流量較大，下游引航道水深較小，為增加淹沒(méi)水深，將下閘道閥門(mén)段廊道底高程作局部降低到35.85 m，以利消能。
3.3.3 船閘通過(guò)能力計(jì)算
根據(jù)某城市水利樞紐水文條件。客貨盤(pán)比例現(xiàn)狀及發(fā)展預(yù)測(cè)、貨運(yùn)特點(diǎn)，以年平均通航過(guò)閘天數(shù)為320d,船閘晝夜工作時(shí)間為20h，一次過(guò)閘時(shí)間36min、非貨運(yùn)過(guò)閘比例為20%、船舶裝載利用系數(shù)0.65，運(yùn)量不均衡系數(shù)1.5為準(zhǔn)，按有關(guān)公式算得：
年過(guò)閘船舶總載重噸位為276萬(wàn)t。年過(guò)閘貨運(yùn)量為70萬(wàn)t。船閘達(dá)到設(shè)計(jì)通航能力時(shí)的日平均耗水量經(jīng)過(guò)計(jì)算為5.43m3/s。
3.3.4船閘水力計(jì)算
(1)輸水閥門(mén)處，廊道斷面面積按下計(jì)算。
式中符號(hào)意義見(jiàn)(JTJ261-266)船閘設(shè)計(jì)規(guī)范，其中：取0．581，取用0．598，取用0.75。經(jīng)計(jì)算得閥門(mén)處廊道斷面積需用8.68 m2，設(shè)計(jì)取用閥門(mén)處廊道斷面與主廊道相同為8.8 m2 (4×2.2 m2)。
(2)輸水系統(tǒng)阻力系數(shù)與流量系數(shù)。由各段阻力系數(shù)計(jì)算得充水系統(tǒng)、泄水系統(tǒng)總阻力系數(shù)及流量系數(shù)，充、泄水時(shí)，閥門(mén)各開(kāi)度的阻力系數(shù)，流量系數(shù)，收縮系數(shù)的計(jì)算成果見(jiàn)表2。
(3)輸水廊道換算長(zhǎng)度慣性超高。由閥門(mén)前、后長(zhǎng)度，出水孔段長(zhǎng)度及廊道截面積計(jì)算得換算長(zhǎng)度及慣性超高d，見(jiàn)表2。
(4)核算輸水時(shí)間。充水、泄水的時(shí)間T，
結(jié)束語(yǔ)：
船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)從全局出發(fā)，在確保船舶、船隊(duì)迅速、安全過(guò)閘的條件下，力求布置簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)，并便于施工、管理和維修。某工程水利樞紐工程船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)，結(jié)合工程的實(shí)際情況，主要就輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，為今后船閘的設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)交流提供借鑒。
