CN105133561B - 一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水*** - Google Patents

Abstract

一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，包括闸室、两侧主廊道、第一分流口、中支廊道、第二分流口、出水支廊道、出水孔、消能盖板，第一分流口位于闸室中部，包括两个进口和两个出口，采用立体分流型式，第二分流口位于闸室长度1/4和3/4的部位，每个第二分流口包括一个进口和四个出口，采用大空腔自分流结构，支廊道的立面呈梯形，顺充水时的水流流向沿程减小，顶部均匀布置出水孔，出水孔顶部采用消能盖板消能。本发明可减小船闸闸室输水过程中水流的纵横向流动，改善闸室内船舶的停泊条件，提高船舶过闸安全性，提高闸室输水效率增加客货运量，通过简化闸室第二分流口体型，避免了因第二分流口体型过于复杂易出现的空化空蚀问题。

Description

一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，具体是一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***。

背景技术

船闸是设置在通航河流上帮助船舶克服因筑坝引起的水位差的通航建筑物。

船闸在充水过程中，上游高位置水体通过输水***进入闸室，水体所具有的势能部分转变为动能进入闸室，若进入闸室内的水体能量耗散不良或能量过于集中，则容易在闸室内产生过大的翻涌、紊动以及出现明显的纵向和(或)横向流动，危及闸室内过闸船舶的安全。

船闸按其工作水头高低通常划分为低水头船闸(水头小于10m)、中水头船闸(水头介于10m至20m之间)和高水头船闸(水头大于20m)。对中低水头船闸而言，与之相匹配的输水***主要为集中输水***或简单分散输水***。对高水头船闸，与之相匹配的输水***则全为分散输水***。早期的高水头船闸，闸室尺度较小的多采用简单分散输水***，如前苏联建成的乌斯基—卡米诺阿尔斯基单级船闸(闸室尺度为100m×15m，最大水头为42m)以及我国的万安单级船闸(闸室尺度为175m×14m，最大水头为32.5m)均采用了闸底长廊道输水***；对于闸室尺度较大的多采用较为复杂的输水***，如美国的约翰德、冰港、下纪念碑及小鹅船闸(闸室尺度为206m×26.2m，最大水头34.5m～30.8m)均采用了闸底前后横支廊道输水***；随着闸室尺度进一步加大又出现了更加复杂的闸底纵横支廊道输水***，如我国的葛洲坝2#船闸(闸室尺度为280m×34m，最大水头27m)。显然为适应船闸大型化和高水头化发展，与之相匹配的输水***型式越来越复杂，且随着更大尺度更高水头船闸的出现，上述输水***布置型式已不能同时满足过闸船舶停泊安全和快速过闸的要求。

自20世纪50年代法国建成第一座等惯性输水***船闸后，等惯性输水***就以输水效率高，闸室内船舶停泊条件好而被后续高水头船闸广泛采用，并且随着闸室尺度及水头的不同衍生出许多不同的布置型式，但基本可归纳为2区段出水、4区段出水、8区段出水3类等惯性输水***布置。其中2区段及4区段布置均有成功运用实例，而8区段布置仅进行过研究。

已建成并成功运用的等惯性输水***船闸中，闸室长度＜200m均采用了2区段的布置型式，闸室长度≥200m则均采用了4区段的布置型式，并且这2种常规的输水***应用在单级船闸中水头均未超过40m(单级船闸的单次充泄水体显著大于同等规模的多级船闸)。造成这一结果的主要原因除了阀门段的工作条件受限外，便是闸室内的停泊条件难于满足要求。尽管常规采用的两次分流的输水***在一定程度上兼顾了等惯性和分散输水的目的，但由于闸室分流口所占面积较大无法布置出水孔，又制约了充分分散输水目标的达成，且随着分区越多(如8区段出水)，这一问题便越突出。

由此可见，随着闸室尺度和水头的加大，常规的等惯性输水***亦面临了难以满足要求的窘境。因此，在继承等惯性输水***优点的前提下，探寻一种更具适应性的新的输水***型式，成为破解这一难题的明智选择，亦是经济社会发展的迫切需要。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，可以改善闸室内船舶的停泊条件，不仅提高了船舶过闸的安全性，还可增加船闸的通过能力。

本发明采用的技术方案如下：

一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，包括闸室、两侧主廊道、第一分流口、中支廊道、第二分流口、出水支廊道、出水孔、消能盖板，第一分流口位于闸室中部，包括两个分别接两侧主廊道的进口和两个分别接中支廊道的出口，采用立体分流型式，第二分流口位于闸室长度1/4和3/4的部位，每个第二分流口包括一个接中支廊道的进口和四个分别接出水支廊道的出口，第二分流口采用不设分流脊或分流板的自分流型式，第二分流口自身采用两次分流，为大空腔结构，每次分流后的廊道总面积扩大一倍左右，出水支廊道的立面呈梯形，顺充水时的水流流向沿程减小，顶部均匀布置出水孔，出水孔顶部采用消能盖板消能。

如上所述的能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，进入闸室内的水流经过第一分流口和第二分流口分流后，形成四个相同面积的出水区段，四个出水区段总面积占闸室总平面面积比可达90％以上，且输水过程中四个区段的惯性始终相等。

如上所述的能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，第一分流口的四边分流隔板端部形状均为1/2椭圆，椭圆的长半轴与短半轴之比为3.0。

如上所述的能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，水流由中支廊道进入第二分流口后先将水流一分为二，第二分流口内的廊道断面面积扩大一倍，水流由第二分流口进入出水支廊道后各自再将水流一分为二，出水支廊道断面面积再扩大一倍。

如上所述的能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，相邻两个出水孔之间的间距为4.0～5.5m，面积从首端至尾端逐渐减小，两者面积之比约为1.3。

本发明通过将第二分流口设计为结构简单的大空腔自分流型式(分流口为内部不设分流墩和分流板的空腔结构，其流道断面比中支廊道断面明显扩大，来自中支廊道的水流在分流口内自行分流后进入出水支廊道)，获得了有出水区域闸室占比的显著突破，形成了全闸室均匀出水的输水格局，有效降低了参与消能水体的比能；大空腔自分流的第二分流口型式为沿闸室左右的对称结构，保证了左右分流的均匀性；大空腔自分流的第二分流口结构相当于一个压力室，通过限制腔体内的流速，来减低上下均匀分流的难度。其次，本发明配合采用独特变断面出水支廊道和等间距变孔宽的出水孔，弥补了水流前后分流时的微小差别，进一步保证了支孔出流的均匀性。另外，本发明与通常做法相反，不追求流道曲线的顺畅和体型阻力的降低，而是通过两次断面突扩来增加水头损失，让第二分流口起到分流和内部消能的双重作用，减低进入闸室的水流能量，同时该分流型式避免了在廊道流速最高的中部设置分流隔板，加上腔体内流速较低，从而避免了自身发生空化空蚀问题。

附图说明

图1是本发明一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***的平面结构示意图；

图2是本发明一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***的立面结构示意图；

图3是图1中第二分流口结构放大图；

图4是图2中出水支廊道及出水孔结构放大图；

图5是图2中第一分流口分流隔板端部结构放大图；

图6是本发明实施例的3000t船舶系缆力与实施前常规布置系缆力对比图。

图中：1—闸室，2—两侧主廊道，3第—分流口，4—中支廊道，5—第二分流口，6—出水支廊道，7—出水孔，8—消能盖板。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1、图2所示为本发明一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***的平面和立面结构示意图，所述***包括闸室1、两侧主廊道2、第一分流口3、中支廊道4、第二分流口5、出水支廊道6、出水孔7、消能盖板8，主廊道2位于船闸闸室1的两侧。

请进一步参考图1和图5，所述第一分流口3位于闸室1中部，包括两个分别接两侧主廊道2的进口和两个分别接中支廊道4的出口，其采用立体分流型式，位于进口和出口的分流隔板端部体型均为半椭圆，兼顾分流隔板端部压力分布特性(高流速环境)及结构施工等要求，确定椭圆长短半轴之比为3.0(如图5所示)。

进一步参考图1和图3，第二分流口5有两个，分别位于闸室1长度1/4和3/4的部位，每个第二分流口5包括一个接中支廊道4的进口和四个分别接出水支廊道6的出口，其采用大空腔自分流结构，水流由中支廊道4进入第二分流口5后先将水流一分为二，第二分流口5内的廊道断面面积扩大一倍，水流由第二分流口5进入出水支廊道6后各自再将水流一分为二，出水支廊道6断面面积再扩大一倍。

进一步参考图1和图4，所述出水支廊道6的立面呈梯形，顺充水时的水流流向沿程减小，出水支廊道6的首尾断面面积之比为2.0，顶部均匀布置出水孔7，相邻两个出水孔7之间的间距为4.0～5.5m，面积从首端至尾端逐渐减小，首端和尾端的两个出水孔7的面积之比约为1.30，这一支廊道变截面与出水孔变孔宽的出水组合，其各项特征尺寸均由系列模型试验确定，保证了各支孔出流的均匀；出水孔7顶部采用消能盖板8消能。

本发明改善闸室停泊条件的机理为通过采用第二分流口5大空腔自分流的全新结构，大大缩小了第二分流口5的平面尺寸，并根据出水结构对称布置原则，使出水支廊道6向常规布置下的5个非出水区域(包括上闸首帷墙后非出水区域、两个第二分流口区域、第一分流口区域和下闸首工作闸门前非出水区域)有效延伸，将出水区域的闸室占比由常规布置的60％左右提高到90％以上，获得了最大限度的分散输水布置，可显著增大参与消能的水体体积，从而降低单位水体比能。结合本发明配合采用了独特的变断面梯形断面出水支廊道6和等间距变孔宽的出水孔7，保证了支孔出流的均匀性，有效减小了船闸闸室输水过程中水流的纵横向流动。上述措施的共同作用改善了闸室内船舶的停泊条件，不仅提高了船舶过闸的安全性，还因闸室输水效率的提高使船闸通过能力增加。本发明的另一好处是通过采用新型分流口结构，降低了第二分流口5的施工难度，同时避免了因第二分流口5体型过于复杂易出现的空化空蚀问题。

实施案例

本发明一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***已在某大型超高水头船闸(目前世界上闸室尺度最大的超高水头船闸)输水***整体模型上进行了研究，研究表明本发明所述的全闸室输水***充分汲取了四区段等惯性输水***对不同流量适应性强的优点，又通过全闸室分散输水减小了闸室水流纵横向流动，有效降低了主要参与消能水体的比能，闸室流态非常平稳，从实测系缆力来看已远小于规范允许值。本全闸室输水***与之前常规4区段输水***所进行的对比测试结果(参见图6)也清楚的反映出全闸室输水***所具有的明显优势。全闸室输水***全面兼顾了船闸通过能力、船舶停泊安全及输水***自身安全三大船闸运行要素，为适应水头超过40m的超高水头大型船闸的成功的输水***布置型式，因闸室停泊条件好，该型式有望运用于更高水头船闸。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，包括闸室(1)、两侧主廊道(2)、第一分流口(3)、中支廊道(4)、出水支廊道(6)、出水孔(7)、消能盖板(8)，第一分流口(3)位于闸室(1)中部，包括两个分别接两侧主廊道(2)的进口和两个分别接中支廊道(4)的出口，采用立体分流型式，其特征在于：还包括分别设于闸室(1)长度1/4和3/4的部位的第二分流口(5)，每个第二分流口包括一个接中支廊道(4)的进口和四个分别接出水支廊道(6)的出口，第二分流口(5)采用不设分流脊或分流板的自分流型式，第二分流口(5)自身采用两次分流，为大空腔结构，每次分流后的出水支廊道(6)总面积扩大一倍左右，出水支廊道(6)的立面呈梯形，顺充水时的水流流向沿程减小，顶部均匀布置出水孔(7)，出水孔(7)顶部采用消能盖板(8)消能；水流由中支廊道(4)进入第二分流口(5)后先将水流一分为二，第二分流口(5)内的廊道断面面积扩大一倍，水流由第二分流口(5)进入出水支廊道(6)后各自再将水流一分为二，出水支廊道(6)断面面积再扩大一倍。

2.如权利要求1所述的能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，其特征在于：进入闸室(1)内的水流经过第一分流口(3)和第二分流口(5)分流后，形成四个相同面积的出水区段，四个出水区段总面积占闸室(1)总平面面积比可达90％以上，且输水过程中四个区段的惯性始终相等。

3.如权利要求1所述的能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，其特征在于：第一分流口(3)的四边分流隔板端部形状均为1/2椭圆，椭圆的长半轴与短半轴之比为3.0。

4.如权利要求1所述的能适应大规模高水头船闸的全闸室输水***，其特征在于：相邻两个出水孔(7)之间的间距为4.0～5.5m，出水孔(7)的面积从首端至尾端逐渐减小，首端和尾端的两个出水孔(7)面积之比为1.3。