省水廊道布置對(duì)省水泵通輸量影響分析

省水廊道布置對(duì)省水泵通輸量影響分析

采用低庫、多段式閘門和在線式封鎖。德國是已建省水船閘最多的國家，據(jù)29座省水船閘統(tǒng)計(jì)，最大水頭24.67m，省水池大多采用2～3級(jí)的分散式布置。巴拿馬運(yùn)河第三線船閘為連續(xù)三級(jí)海船閘，每級(jí)閘室配置3級(jí)分散式省水池，船閘綜合省水率高達(dá)87%。我國自20世紀(jì)70年代末開始，相繼開展了江淮運(yùn)河鄭家崗、潁河鹿邑、烏江銀盤、白馬、小清河復(fù)航工程等省水船閘布置與輸水系統(tǒng)水力特性試驗(yàn)研究省水船閘輸水系統(tǒng)可分為連接上、下游或上、下級(jí)閘室與本級(jí)閘室的輸水系統(tǒng)(主系統(tǒng))以及連接省水池與本級(jí)閘室的輸水系統(tǒng)(省水系統(tǒng))。主系統(tǒng)、省水系統(tǒng)應(yīng)分別滿足各自分擔(dān)水頭的設(shè)計(jì)要求。如非省水運(yùn)行時(shí)，主系統(tǒng)應(yīng)滿足獨(dú)自承擔(dān)總水頭的設(shè)計(jì)要求。已建省水船閘大多采用分散輸水系統(tǒng)，主系統(tǒng)與省水系統(tǒng)廊道在閘室墻或底板內(nèi)互通省水船閘輸水時(shí)間等于省水系統(tǒng)與主系統(tǒng)輸水時(shí)間之和，省水閥門提前關(guān)閉1家子牙省水孔的輸送系統(tǒng)1.1勝地級(jí)設(shè)計(jì)水位小清河復(fù)航工程起自濟(jì)南港主城港區(qū)，終于濰坊西港區(qū)羊口作業(yè)區(qū)，全長169.2km，Ⅲ級(jí)航道設(shè)計(jì)船型為1000噸級(jí)，沿途布置4座Ⅱ級(jí)船閘。根據(jù)水資源分析金家堰船閘金家堰船閘設(shè)計(jì)水位及其組合見表1。運(yùn)行期上下游最大水頭差H=5.4m，水頭差H!3.0m時(shí)考慮省水運(yùn)行，表1中后3種組合(最高通航水位～正常蓄水位)的省水池儲(chǔ)水高度1.5～1.8m、水位5.70～8.07m，省水池底高程4.5m、頂高程8.5m。金家堰船閘水系統(tǒng)如圖1所示，包括閘首輸水系統(tǒng)和省水池輸水系統(tǒng)兩部分。1.2進(jìn)水口布置考慮到非省水運(yùn)行的情況，閘首輸水系統(tǒng)按照最大水頭差H=5.4m設(shè)計(jì)。閘首閥門段廊道斷面面積ω=40m上閘首進(jìn)水口采用檻上多支孔的布置形式，4組×14個(gè)進(jìn)水支孔，總面積108.3m下閘首進(jìn)水口采用門龕內(nèi)側(cè)向進(jìn)水口的布置形式。廊道進(jìn)口7.5m×5m，淹沒水深7.0m;出口轉(zhuǎn)彎段漸擴(kuò)為8.7m×5m，淹沒水深2.5m。出水口采用設(shè)置消力坎的簡單消能布置，經(jīng)分流墩導(dǎo)流后對(duì)沖消能。1.3平交連接互通設(shè)計(jì)本文分別用下標(biāo)b、d表示省水池輸水系統(tǒng)、閘首輸水系統(tǒng)相應(yīng)的變量。帶1個(gè)省水池的船閘運(yùn)行時(shí)，將船閘水頭H分為3級(jí)，省水閥門初始工作水頭H省水池輸水系統(tǒng)分為上游、下游2個(gè)輸水廊道，分別與上、下閘首的一側(cè)短廊道采用平交連接互通方式。上閘首匯合廊道與格柵消能室連接處設(shè)置一個(gè)挑流坎，以避免省水池向閘室輸水時(shí)集中在正面。下閘首進(jìn)水口外設(shè)置3道消力坎，以確保省水池向閘室輸水時(shí)出流均勻。省水池底部上、下游側(cè)分別布置1個(gè)進(jìn)(出)水口25.0m×4.0m(長×寬)，頂部各設(shè)15個(gè)進(jìn)出水孔，總面積為140.8m2非交叉開放供水系統(tǒng)的計(jì)算2.1閥門開啟時(shí)間按照《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》式中:ξ省水池上游廊道向閘室充水時(shí)，ω閘室充水時(shí)，閥門開啟時(shí)間t此時(shí)銳緣平面閥門系數(shù)k第1階段省水廊道輸水時(shí)，式(2)中H為省水閥門水頭H第2階段閘首廊道輸水時(shí)，式(2)中H為閘首閥門水頭H2.2確定合理的臨界停止條件輸水系統(tǒng)的基本積分方程為:式中:μ在省水池系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，對(duì)省水閥門開啟過程(開啟時(shí)間t式中:H如保持閥門開啟時(shí)間t如果式(5)的臨界停頓時(shí)間t式(6)中取e=0m、t閘室輸水時(shí)，閘室內(nèi)停泊條件要求取t經(jīng)水力特性計(jì)算表明，泄水時(shí)閘室、上游引航道以及充水時(shí)閘室、下游引航道的船舶縱向水流作用力P充水時(shí)閘室、泄水時(shí)下游引航道P2.3省水閥門提前時(shí)，省水率e式為專門的數(shù)值傳統(tǒng)模式設(shè)實(shí)際采用的停頓時(shí)間t式(7)表明，如t根據(jù)省水率E式中:H為船閘總水頭;h僅省水閥門提前時(shí)，省水率E式中:e為剩余水頭，2e可理解為閘室充水與泄水剩余水頭之和。提前關(guān)閉縮短省水系統(tǒng)輸水時(shí)間ΔT3節(jié)省取水時(shí)間在省水閥門全關(guān)之前，提前開啟閘首閥門可進(jìn)一步節(jié)省輸水時(shí)間。在交叉啟閉期，如廊道互通時(shí)，可能出現(xiàn)上游水體直接輸入省水池或者省水池水體直接泄到下游的情況。3.1廊道斷面面積以閘室充水為例，充水時(shí)設(shè)上閘首右側(cè)廊道1、省水池上游廊道2、上閘首左側(cè)廊道3、省水池下游廊道4，閥門處斷面面積ω如Q式中:ξ出現(xiàn)Q式中:ξ廊道1、2方程式表示為式(14)，廊道3、4的方程表示為式(15):式(10)～(15)中，對(duì)應(yīng)Q根據(jù)連續(xù)條件有:式(14)～(18)共有7個(gè)關(guān)系式，用差分法可解得h3.2省水閥門提前開啟為便于考察，設(shè)閘首閥門與省水閥門同時(shí)開啟，廊道互通時(shí)，省水廊道Q閘首閥門相對(duì)于省水閥門全關(guān)時(shí)刻，提前開啟245s，可縮短輸水時(shí)間約206s，但開啟過早導(dǎo)致后期產(chǎn)生回流，影響省水閥門關(guān)閉時(shí)水位，嚴(yán)重降低省水率。計(jì)算中，分流口b-b轉(zhuǎn)彎到斷面c-c的阻力系數(shù)ξ3.3廊道不互通工況使得省水池不出現(xiàn)回流(Q式中:ω差分解表明，在廊道不互通時(shí)，閘首Q平板閥門a=1.9、閘室面積S=11278m在廊道互通時(shí)，由于廊道2回流量發(fā)生較早，此時(shí)t閘首閥門提前t4省水率的計(jì)算方法1)一般情況下，閥門開啟速度是由船舶停泊條件決定，在啟閉機(jī)械性能允許時(shí)，應(yīng)盡量提高省水閥門關(guān)閉速度。省水閥門提前關(guān)閉時(shí)間t2)常用的省水率計(jì)算公式適用閥門不提前或單提前的情況，閘首閥門不超過最優(yōu)提前時(shí)間時(shí)，對(duì)省水率的影響極小，可按常用公式估算省水率