河道樞紐工程船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

某樞紐船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析船閘工程建設(shè)中，要做到船舶航行過閘安全、通暢，力求布置簡(jiǎn)單。就要充分做好船閘輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算分析。船閘輸水系統(tǒng)應(yīng)包括進(jìn)水口、閥門段、輸水廊道、出水口、消能工和鎮(zhèn)靜段等；并且應(yīng)該滿足一下基本要求：灌水和泄水時(shí)間；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；船閘各部位在輸水過程中不至由于水流沖刷、空蝕、振動(dòng)等造成破壞。本文以某樞紐新建二線船閘工程為例，對(duì)船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的輸水方式選擇、灌泄水、船舶停泊條件、船閘通過能力等方面進(jìn)行比較分析。1工程概況本河是該區(qū)中部地區(qū)最大的一條引排河道，西端連接xx江，東端勾通大海，擔(dān)負(fù)著本地區(qū)的主要引水、航運(yùn)和排澇任務(wù)。該閘水利樞紐位于本河西端，距xx江邊約1000m，是本河銜接xx江的控制建筑物，在地理位置上屬于xx區(qū)，主要為該區(qū)服務(wù)。根據(jù)規(guī)劃，該片各支河河口控制工程建成后，片內(nèi)的內(nèi)河水位將處在人為調(diào)控狀態(tài)，片內(nèi)的最高控制水位在3.75m（現(xiàn)狀為4.2m），常水位在2.50～2.80m，最低水位（預(yù)降水位）為2.00m。本次擴(kuò)建二線船閘規(guī)模為：閘首凈寬23m，閘室凈寬23m，長(zhǎng)280m（有效長(zhǎng)度260m），門檻水深3.75m。2輸水方式選擇由《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ306-2001），閘室輸水時(shí)間可由式2-1估算，輸水類型判別系數(shù)由式2-2計(jì)算：T=Kp(HBLc)1/32-1m=T/H1/22-2式中Kp：假設(shè)采用集中輸水時(shí)，取0.27，分散輸水時(shí)，取0.19；H：閘室設(shè)計(jì)水頭，取2.75m（黃浦江水位▽4.75m，大治河水位▽2.0m）；B：閘室寬度，取27m,Lc：閘室長(zhǎng)度，取380m,計(jì)算得T為30.44Kp。假設(shè)采用集中輸水，計(jì)算得T=8.22，m=4.96>3.5，根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ306-2001）第2.1.4條，本次設(shè)計(jì)應(yīng)采用集中輸水型式；假設(shè)采用分散輸水，計(jì)算得T=5.78。2.5<m=3.49<3.5，根據(jù)規(guī)范，應(yīng)參照類似工程選定。按照規(guī)范及交通部門有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于設(shè)計(jì)水頭低于10m的船閘宜采用集中輸水，因?yàn)椴捎眉休斔褪綍r(shí)，閘室結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)較低。集中輸水系統(tǒng)可分為短廊道輸水、直接利用閘門輸水和組合式輸水三種型式?？紤]到本次工程閘首跨度大，一般不使用平面閘門，由工程可行性研究報(bào)告知本工程船閘設(shè)計(jì)門型為三角門。采用三角門門縫輸水時(shí)，水流從門的兩側(cè)及中間三條垂直縫隙進(jìn)入閘室，其中門兩側(cè)邊縫水流經(jīng)門龕邊壁互相對(duì)沖消除一部分能量，而中縫水流由閘首軸線直沖而下，產(chǎn)生很大的折沖水流并伴隨著強(qiáng)烈渦流，水流條件差，且不容易改善。根據(jù)規(guī)范，三角門門縫輸水適應(yīng)水力指標(biāo)較低（閘室最大斷面平均流速小于0.25m/s和設(shè)計(jì)水頭小于1.4m），而本次二線船閘設(shè)計(jì)水頭差較大（2.75m），閘室水域面積較大（380m×27m），若采用三角門門縫輸水，則閘室水流條件差，輸泄水時(shí)間長(zhǎng)，從而影響船舶通過能力及過往船只安全。另外，三角閘門利用門縫輸水時(shí)，由于閘門兩側(cè)邊縫輸水，將增加閘門的啟閉力，且會(huì)在閘門的邊縫后面產(chǎn)生回流，引起閘門振動(dòng)，使底止水磨損加快，從而對(duì)門體受力不利。根據(jù)交通部門經(jīng)驗(yàn)，利用三角門門縫輸水僅運(yùn)用于口門寬度10m以下，水頭不超過3m的船閘。綜上所述，本次擴(kuò)建二線船閘工程擬采用短廊道集中輸水型式。3灌泄水計(jì)算假設(shè)每座閘首布置兩個(gè)輸水廊道，廊道布置在閘首兩側(cè)，廊道出水孔口相對(duì)，消能方式采用對(duì)沖消能加消力檻，廊道閥門采用銳緣平面閥門。根據(jù)規(guī)范，輸水閥門處廊道斷面面積可根據(jù)給定的輸水時(shí)間和閥門全開時(shí)輸水系統(tǒng)流量系數(shù)求得，見公式3-1。ω=2C(H)1/2/[μT（2g）1/2(1-(1-α)kv)]3-1式中ω：輸水廊道斷面面積（m2）,C：計(jì)算閘室水域面積，取10260m2；μ：閥門全開時(shí)輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)，由規(guī)范附錄A求得，取0.68；H：設(shè)計(jì)水頭，取2.75m；T：閘室灌水時(shí)間，根據(jù)式3-1，暫取8.0分鐘，即480s；α：由計(jì)算所得μ值查表，取0.56；kv：系數(shù)，取0.6；計(jì)算得ω=27.62m2，取單廊道斷面尺寸為4.0（寬）×3.5（高）m2，則輸水閥門開啟時(shí)間可由式3-2求得。tv=krωDW(2gH)1/2/[PL(ωc-χ)]3-2式中tv：輸水閥門開啟時(shí)間(s)；kr：系數(shù)，平面閥門取0.725；ωc：初始水位的閘室橫斷面面積，取140.4m2χ：船隊(duì)船舶浸水橫斷面面積，取21.6m；D：波浪力系數(shù)，由規(guī)范附錄B求得，取1.0；W：船舶、船隊(duì)排水量(t)，取1000t；PL：允許系纜力的縱向水平分力，由規(guī)范查取32kN；計(jì)算得tv=47.92s。一般情況下，為保證閘室內(nèi)水流條件和閥門的安全，對(duì)閥門的啟閉速度應(yīng)加以控制。假定閥門啟閉速度為1.0m/min，則tv=210s，閘室輸水時(shí)間可按式3-3計(jì)算。T=2CH1/2/[μω(2g)1/2]+(1-α)tv3-3式中符號(hào)意義與前同。計(jì)算得T=485s。為保證閘室內(nèi)停泊船只的安全，在閘室內(nèi)靠近上下閘首側(cè)設(shè)置鎮(zhèn)靜段，其長(zhǎng)度由式3-4計(jì)算確定：L=BEp3-4式中B：系數(shù)，根據(jù)規(guī)范并考慮本次工程實(shí)際情況，取0.7；Ep：理論最大比能，由規(guī)范附錄C求得。因擴(kuò)建二線船閘承受雙向水頭，其上下閘首隨本河與外河xx江的水位變化而變化，故本次對(duì)閘首不稱上下，按一般習(xí)慣稱某江側(cè)閘首為外閘首，本河側(cè)閘首為內(nèi)閘首。在閘室兩段各設(shè)15m長(zhǎng)鎮(zhèn)靜段，根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTJ306-2001）附錄可計(jì)算得出設(shè)計(jì)水頭時(shí)船閘的灌泄水情況，詳見表1。表1灌泄水計(jì)算成果表計(jì)算工況水位組合（m）灌水時(shí)間（s）泄水時(shí)間（s）最大流量a最大比能（Kww/m2）閘首最大平均流流速（m/s）消能措施最大鎮(zhèn)靜段長(zhǎng)（m）xx江本河允許最大流速速（m/s）正向設(shè)計(jì)反向設(shè)計(jì)4.751.302.003.75485480485480102.3794.8611.5010.76外閘首0.522內(nèi)閘首0.588外閘首0.544內(nèi)閘首0.611ⅡⅡⅡⅡ0.45～0..650.8～1.990.45～0..650.8～1.998.054.52注：計(jì)算時(shí)段△t取15s，故灌泄水時(shí)間取整數(shù)。由表1可知，設(shè)計(jì)輸水、消能方式及廊道面積滿足規(guī)范要求。4船舶停泊條件驗(yàn)算船舶、船隊(duì)在閘室及引航道內(nèi)的停泊條件按式4-1、4-2、4-3計(jì)算得到。排水量為1000t（即設(shè)計(jì)船型67.5×10.8×2.0）級(jí)。灌水時(shí)，船舶在閘室內(nèi)所受的水流作用力主要為灌水時(shí)的波浪作用力，計(jì)算公式見4-1。P1=PB=krωDW(2gH)1/2/[tv(ωc-χ)]≤PL=32kN4-1式中PB：灌水時(shí)的波浪作用力；tv：閥門開啟時(shí)間，取210s；其它符號(hào)意義同前。泄水時(shí)，船舶在閘室內(nèi)所受的水流作用力由式4-2計(jì)算。P1=Pi+Pv4-2式中Pi為泄水水面坡降所產(chǎn)生的作用力，由附錄D計(jì)算得到；Pv為縱向流速所產(chǎn)生的作用力，由附錄D計(jì)算得到。灌泄水時(shí)，船舶在引航道內(nèi)所受的水流作用力可由式4-3計(jì)算。P2=+≤PL4-3式中：灌泄水時(shí)，上下游引航道內(nèi)的波浪作用力；：上下游引航道縱向流速所產(chǎn)生的作用力計(jì)算結(jié)果見表2。表2船舶所受的水流作用力計(jì)算成果表計(jì)算工況水位組合（m）閘室內(nèi)(kN))引航道內(nèi)（kNN）允許系纜力（KKN）灌水時(shí)泄水時(shí)P’Bxx江本河PBP’B正向設(shè)計(jì)反向設(shè)計(jì)4.751.32.003.757.304.915.283.054.424.769.707.812.662.122.250.924.913.04縱向水平力322，橫向水水平分力16注：1、表中數(shù)值均指計(jì)算最大值，引航道內(nèi)最大水流作用力、最大縱向流速作用力、波浪作用力發(fā)生不同時(shí)。2、船舶允許系纜力按船舶噸位1000t查得。由表2知，各種通航情況船舶所受到的水流作用力均小于允許系纜力。5船閘通過能力驗(yàn)算由于原船閘引航道較小，難以滿足雙向過閘要求，考慮雙向過閘耗水少，過閘時(shí)間短，有利于更好地利用船閘通過能力，故本次仍按雙向過閘設(shè)計(jì)。則單向過閘船隊(duì)進(jìn)出閘運(yùn)行距離L1、L1′：及雙向過閘船隊(duì)進(jìn)出船閘運(yùn)行距離L2分別由式5-1、5-2、5-3計(jì)算得到。L1=Lc(1+α1)5-1L1′=Lc(1+α1′)5-2L2=Lc(1+α2)+L35-3式中Lc：閘室有效長(zhǎng)度，取260m；α1：系數(shù)，取0.4；α1′：系數(shù)，取0.1；α2：系數(shù)，取0.1；L3：導(dǎo)航段和調(diào)順段之和，對(duì)于本船閘，導(dǎo)航段與調(diào)順段合并，取L3=260m。計(jì)算得L1=364m，L1′=286m，L2=546m。根據(jù)規(guī)范及有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，船隊(duì)進(jìn)閘速度v1單=0.5m/s、v1雙=0.7m/s，船隊(duì)出閘速度v2單=0.7m/s、v2雙=1.0m/s，則船隊(duì)單向過閘及雙向過閘時(shí)間分別由式5-4、5-5計(jì)算。單向：T1=4t1+t2+2t3+t4+2t55-4雙向：T2=4t1+2t2′+2t3+2t4′+4t55-5式中t1：開門或關(guān)門時(shí)間，取3min；t2：?jiǎn)蜗虻谝粋€(gè)船隊(duì)進(jìn)閘時(shí)間，取728s，即12.13min；t2′：雙向第一個(gè)船隊(duì)進(jìn)閘時(shí)間，取780s，即13min；t3：閘室灌水或泄水時(shí)間，取5.5min；t4：?jiǎn)蜗虻谝粋€(gè)船隊(duì)出閘時(shí)間，取408.6s，即6.8min；t4′：雙向第一個(gè)船隊(duì)出閘時(shí)間，取546s，即9.1min；t5：船舶、船隊(duì)進(jìn)閘或出閘間隔時(shí)間，取3min。計(jì)算得單向一次過閘時(shí)間T1為47.93min，雙向一次過閘時(shí)間T2/2為39.6min，若考慮單向過閘與雙向過閘次數(shù)基本相等，則一次過閘平均時(shí)間T3為43.77min，均小于前面估計(jì)的48min，故其通過能力滿足設(shè)計(jì)水平年要求。由前面第5章公式可求得：P1為4298.8萬噸，若考慮原船閘維修要求，將老閘運(yùn)行天數(shù)減至350天，每天運(yùn)行時(shí)間減至20小時(shí)，則原船閘實(shí)際通過能力P2為1836.2萬噸，此時(shí)總貨運(yùn)量P=6135萬噸>6089.2萬噸（預(yù)計(jì)噸位），滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要。6船閘耗水量計(jì)算由于本船閘所在地東臨大海，土質(zhì)土壤條件差，需要淡水改良，故需計(jì)算船閘耗水量。根據(jù)規(guī)范，船閘一天內(nèi)平均耗水量Q可由式6-1計(jì)算。Q=nV/86400+q6-1式中Q：一天內(nèi)平均耗水量(m3/s)V：一次過閘用水量，取平均水位差1.5m，即V取18468m3n：過閘次數(shù)，取27q：閘門、閥門的漏水損失。q=eu其中e為止水線每米上的滲漏損失，取0.0015；u為閘門、閥門止水線總長(zhǎng)度，暫估70m。計(jì)算得：Q為5.87m3/s。該船閘耗水量較小，滿足地方要求。7船舶系纜力及船舶撞擊力計(jì)算根據(jù)港工規(guī)范，引航道內(nèi)靠船墩所受船舶系纜力Pb和船舶撞擊力Pc分別按7-1、7-2計(jì)算：Pb=6W0.43（KN）7-1Pc