CN102359085A - 改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构 - Google Patents

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黄岳
宣国祥
李云
李君�
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Abstract

本发明公开改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，包括分支廊道和设置在所述分支廊道内的闸室出水孔，在相邻两个所述分支廊道的首尾相接处各设有一个辅助出水廊道，所述辅助出水廊道呈U形或矩形；所述廊道顶部的最小淹没水深不小于船闸的槛水深；所述辅助出水廊道侧壁设有若干出水孔。本项发明有效地提高了闸室内出流的均匀性，同时还可防止泥沙沉积，而且结构简单、施工方便，显著节约了运行和维护成本，具有很好的应用前景。

Description

改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构
技术领域
本发明涉及一种能够改善多沙通航河流船闸多区段分散输水系统闸室水流条件和泥沙沉积状况的工程结构，具体的说是一种改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构。
背景技术
船闸是克服河流上建坝（或天然）形成的集中水位差的一种过船建筑物，它是由上下闸首、闸门、闸室等组成。输水系统是完成闸室充、泄水过程从而使船舶克服集中水位差达到过坝目的的关键设施。根据不同的船闸水头、闸室规模及通过能力的要求，输水系统可分为集中输水系统和分散输水系统，其中分散输水系统根据闸室出水段输水廊道的布置又可分为单区段、两区段及多区段分散输水系统。一般来说，船闸水头越高、闸室规模越大，闸室内出水廊道所需布置的区段就越多，以保证闸室内水面的均匀上升（下降），从而避免由于水面倾斜所造成的闸室内停泊船舶断缆、船舶间及船舶与闸门间碰撞等危险事故的发生。例如，国内葛洲坝3号船闸的水头27.0m、大化船闸的水头29.0m、乐滩船闸的水头29.1m、银盘船闸的水头35.12m均采用了两区段分散输水系统、葛洲坝2号船闸（水头27.0m）采用了三区段分散输水系统，葛洲坝1号船闸（水头27.0m）和三峡船闸（中间级水头45.2m）则采用了四区段分散输水系统，而前苏联曾经研究过应用于70m水头船闸的最为复杂的八区段分散输水系统。
由于闸室结构和输水廊道空间布置的限制，闸室内出水段廊道一般无法覆盖到整个闸室，出水段廊道的长度一般为整个闸室长度的50%～80%之间，因此，闸室可分为出水区域和非出水区域。在闸室充、泄水过程中，由于非出水区域的存在，从出水区域进入闸室内的水流将向非出水区域流动，并在封闭边界或下一个出水区段处发生反射，从而在闸室内产生沿闸室长度方向的纵向水流以及往复波动，并且闸室内出水区段越多，闸室内水流条件就越复杂，从而会直接影响到闸室内停泊船舶的安全。
此外，我国的通航河流中大多数为多沙河流，鉴于葛洲坝三座船闸的运行经验，影响船闸运行除水力学问题外，还有闸室泥沙沉积问题。葛洲坝三座船闸设计水头为27.0m，2号和3号船闸位于三江航道，1号船闸位于大江航道，三座船闸建成后闸室均存在不同程度的泥沙沉积，尤以1号船闸较为明显。闸室泥沙沉积主要集中在非出水区域，即船闸的上、下闸首、第一和第二分流口（分流口在两个出水区段之间）等五个部位，最大泥沙沉积厚度达3m左右，因而减少了闸室最小通航水深，影响了船舶航行，同时也将增大维护工作量，延长检修时间。
因而，如何改善多区段分散输水系统闸室内的水流条件及泥沙沉积问题，已成为建设、设计和科研人员非常关注的一个问题，而国内外在此方面鲜有成功案例可供借鉴。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对以上现有技术存在缺点，提出一种能够改善多区段分散输水系统闸室内的水沙条件，同时又可降低施工难度，方便检修，节约工程投资，降低运行成本的有效工程结构。
本发明解决以上技术问题的技术方案是：提供一种改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，包括分支廊道和设置在所述分支廊道内的闸室出水孔，在相邻两个所述分支廊道的首尾相接处各设有一个辅助出水廊道，所述辅助出水廊道呈U形或矩形；所述辅助出水廊道顶部的最小淹没水深不小于船闸的槛水深；所述辅助出水廊道侧壁设有若干出水孔，利用辅助出水廊道达到分散水流及冲沙的目的。
本发明进一步限定的技术方案是：前述的改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，所述辅助出水廊宽度小于等于所述分支廊道的宽度，在结构允许的情况下应尽可能覆盖整个非出水区域。
前述的改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，所述出水孔为方形，单个出水孔的面积不超过原有闸室的单个出水孔面积的1/20，所述辅助出水廊道上的出水孔总面积为原有单个闸室出水孔面积的1～1.35倍，在分支廊道首尾端的剩余压力差大于1mH2O的前提下，以及所设置的一定数量的出水小孔，保证了出水孔出流流速大于泥沙的起动流速，达到了防止泥沙沉积的目的。
进一步的，前述的改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，所述辅助出水廊道的出水孔外侧与闸墙之间设置有消力梁，降低了辅助出水廊道出流的紊动，进一步改善了闸室内的水流条件。
本发明的优点是：（1）在每个出水区段每根分支廊道末端加设U字形或矩形辅助出水廊道，显著地减小了闸室内的非出水区域，达到了全闸室基本均匀出水的目的，有效地改善了闸室内的水流条件；（2）分支廊道首尾端的剩余压力差大于1mH2O的前提，以及所设置的一定数量的出水小孔，保证了出水孔出流流速大于泥沙的起动流速，达到了防止泥沙沉积的目的；（3）在辅助出水廊道与闸墙之间设置消力梁等消能设施，降低了辅助出水廊道出流的紊动，进一步改善了闸室内的水流条件；（4）辅助出水廊道的结构简单，施工与维护方便，在保证过闸船舶航行安全的同时，还可大大降低船闸的运行维护成本。 
在船闸输水系统设计中闸室内的水流条件及闸室内的泥沙沉积问题一直是科研和设计人员所关注的焦点。本项发明有效地提高了闸室内出流的均匀性，同时还可防止泥沙沉积，而且结构简单、施工方便，显著节约了运行和维护成本，具有很好的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1的船闸输水系统总体布置示意图。
图2是本发明的辅助出水廊道示意图。
图3是本发明的分支廊道末端压力高程及剩余压力过程线。
图4是本发明未采用辅助出水廊道船舶系缆力受力图。
图5是本发明采用辅助出水廊道船舶系缆力受力图。
具体实施方式
实施例1
本实施例是一种改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，如图1所示，即在每个出水区段每根分支廊道3的首尾两个出水支孔靠近非出水区域一侧加设辅助出水廊道1。本实施例中船闸采用闸墙长廊道、闸室中心水平分流、闸室底部纵向长廊道两区段出水的输水系统型式，靠近闸室中部分流口两个出水区段的原闸室顶部出水孔上方分别设置了一个U字形辅助出水廊道1，辅助出水廊道顶部的最小淹没水深不小于船闸的槛水深；辅助出水廊道侧壁设有若干出水方孔2，利用辅助出水廊道达到分散水流及冲沙的目的。
图2为本发明的辅助出水廊道布置示意图，U字形辅助出水廊道高度为0.3m，其顶部最小淹没水深等于船闸的槛上水深，辅助出水廊道侧壁上设置了24个的长方形出水小孔2，出水孔高度均为0.15m，靠近闸墙一侧的16个出水孔宽度为0.3m，其余8个出水孔宽度为0.25m，出水孔总面积与原单个闸室顶部出水孔面积之比为1.09。上述布置是在船闸整体模型中经过大量的对比试验最终得到的。
图3是本实例中闸室分支廊道靠近闸室中部一端的压力高程和剩余压力过程线，在约290s的时间内分支廊道末端剩余压力是大于1mH2O的，因此可以保证冲沙的要求，这是通过布置在廊道顶部的压力传感器测得的。
图4和图5为模型试验中得到的采用辅助出水廊道前后2×500t船队在闸室内停泊时的系缆力过程对比，这是通过布置在模型船队上全环测力系统测得的，由图中可以看出，在使用本发明后，船体的系缆力受力均匀，受力时间分布均匀，避免突然受力，有效的防止船舶断缆、船舶间及船舶与闸门间碰撞等危险事故的发生。
根据试验和原型观测结果：本发明所采用的每个出水区段每根分支廊道的首尾两个出水支孔靠近非出水区域一侧加设辅助出水廊道的方法较好地解决了船闸多区段分散输水系统闸室水流条件和泥沙沉积的难题，模型试验中观测到的闸室内水流流态较为平稳，船舶停泊条件满足要求并有所改善，泥沙沉积情况有较大改善。并且所采用的辅助出水廊道的结构简单，施工方便，并可大大节约船闸的运行和维护成本。
本发明还可以有其它实施方式，凡采用同等替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (4)

1.改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，包括分支廊道和设置在所述分支廊道内的闸室出水孔，其特征在于：在相邻两个所述分支廊道的首尾相接处各设有一个辅助出水廊道，所述辅助出水廊道呈U形或矩形；所述辅助出水廊道顶部的最小淹没水深不小于船闸的槛水深；所述辅助出水廊道侧壁设有若干出水孔。
2.根据权利要求1所述的改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，其特征在于：所述辅助出水廊宽度小于等于所述分支廊道的宽度。
3.根据权利要求1所述的改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，其特征在于：所述出水孔为方形，单个出水孔的面积不超过原有闸室的单个出水孔面积的1/20，所述辅助出水廊道上的出水孔总面积为原有单个闸室出水孔面积的1～1.35倍。
4.根据权利要求1所述的改善船闸多区段分散输水系统闸室水沙条件的工程结构，其特征在于：所述辅助出水廊道的出水孔外侧与闸墙之间设置有消力梁。
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