CN103397624A - 船闸集中输水系统倒k型消能工及其布置方法 - Google Patents

船闸集中输水系统倒k型消能工及其布置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船闸集中输水系统的倒K型消能工及其布置方法，属于船闸输水系统水力学技术领域。该消能工全部布置在带格栅消能室的船闸短廊道输水系统的格栅消能室内，由消力槛、消力梁及消力挡板组成；两道纵向消力槛对称布设在输水系统的左右廊道出水口前方，若干纵向消力梁按阶梯式隔孔对称布设在消能室内，若干纵向消力挡板布设在消能室每个顶面格栅孔的下方，所述消力槛、消力梁及消力挡板在闸室横断面上组合成倒K型消能工。本发明提供的消能工能够显著增加闸室断面流速分布均匀程度和降低闸室水面的紊动，以有效地改善闸室船舶的停泊条件。

Description

船闸集中输水系统倒K型消能工及其布置方法
技术领域
本发明属于船闸输水系统水力学技术领域，涉及一种船闸集中输水系统的倒K型消能工及其布置方法。
背景技术
带格栅消能室的短廊道输水型式在船闸集中输水系统中应用较为广泛，如我国的连江、高砂、丹竹、芒稻、兴隆等船闸均采用了该类输水型式。在船闸灌水过程中，常常因格栅消能室内消能工的布置不尽合理，在闸室内容易产生紊动较为强烈的水流和不均匀的流场。这种不均匀分布不外乎两种情况：一种是横向分布不均匀，另一种是竖向分布不均匀。横向分布不均匀将产生竖轴漩涡，使停泊船舶的两侧因压力不同而受到较大的横向作用力；竖向分布不均匀，如表面流速过大，则会对船舶产生较大的推力并造成水面波动及船舶颠簸较大，如底部流速过大则会产生表面横轴漩涡，水面局部降低，使船舶受到较大的向前吸力。由此可知，产生的不均匀水流不利于闸室船舶靠泊，从而危及航运安全。因此，研究带格栅消能室的船闸短廊道输水系统的消能工方案具有重要意义。
对于集中输水系统消能工型式和布置方式的研究，早在二十世纪三四十年代，前苏联的水工实验室针对短廊道中的简单消能工及复杂消能工方案进行了大量的试验研究。荷兰Delft的水工实验室在二十世纪七十年代，针对闸门上开小门的输水型式，通过物理模型试验，提出了相应的消能措施。在我国，周华兴根据船闸水力学试验研究成果，探讨了船闸具有垂直竖井输水系统封闭式消能设施的设计，并提出了相关的水力学计算公式。宗慕伟通过对船闸集中输水系统主要水力指标的探讨，提出了以闸室断面最大平均流速作为消能型式的选择依据。同时他还指出在短廊道布置中，应使廊道出口扩大并设隔墩，在帷墙消能室内应使廊道进口位于闸首前端，并设隔墙以引导水流流至消能室出口处等。邹炳生等根据短廊道输水消能机理，结合工程经验及输水模型试验，探讨了短廊道输水双层格栅消能室及其消能工设计中的问题。吴英卓等针对兴隆船闸采用的短廊道格栅消能室的输水系统，通过物模试验分析了该方案的合理性并对消能室出口处的局部消力设施进行了研究。总体而言，目前对船闸集中输水系统中消能工方案的研究以模型试验为主，且关于格栅消能室消能工方案的研究成果相对较少。
若在格栅消能室中不采取任何消能工的布设时，靠近上闸首一定水域内的闸室断面上将出现横向和竖向流速分布不均匀以及消能室上方水流汹涌等不利的水力现象。出现此等现象的根源主要在于消能室顶面格栅孔的出流较为强烈以及格栅孔的出流流量分布不均匀所致。为有效改善不利的水流条件，传统的做法是选取消力槛和盖板布置于消能室内外，用以进一步消耗水流能量和调整水流的出流方向。但研究发现，传统的消能工及其布置方法并不能达到明显的改善效果，因此便提出了采用消力槛、消力梁和消力挡板组合式的倒K消能工及其布置方案。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种船闸集中输水系统的倒K型消能工及其布置方法，该消能工由消力槛、消力梁及消力挡板组成，在闸室横断面上呈倒K型排列，能够显著增加闸室断面流速分布均匀程度和降低闸室水面的紊动，以有效地改善闸室船舶的停泊条件。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种船闸集中输水系统的倒K型消能工，该消能工全部布置在带格栅消能室的船闸短廊道输水系统的格栅消能室内，由消力槛、消力梁及消力挡板组成；两道纵向消力槛对称布设在输水系统的左右廊道出水口前方，若干纵向消力梁按阶梯式隔孔对称布设在消能室内，若干纵向消力挡板布设在消能室每个顶面格栅孔的下方，所述消力槛、消力梁及消力挡板在闸室横断面上组合成倒K型消能工。
进一步，所述纵向消力梁与纵向消力槛的几何尺寸一致。
进一步，所述纵向消力挡板采用横截面为T型的纵向消力挡板。
进一步，每块纵向消力挡板的翼缘与格栅孔等宽。
本发明还提供了一种船闸集中输水系统倒K型消能工的布置方法，本方法用消力槛、消力梁及消力挡板构成组合式消能工并全部布置在船闸集中输水系统的格栅消能室内，且消力槛、消力梁及消力挡板在闸室横断面上组合成倒K型；在船闸集中输水系统的左右廊道出水口前方对称布设两道纵向消力槛，在消能室内按阶梯式隔孔对称布设若干纵向消力梁，在消能室每个顶面格栅孔的下方布设若干纵向消力挡板。
进一步，所述纵向消力梁与纵向消力槛的几何尺寸一致。
进一步，所述纵向消力挡板采用横截面为T型的纵向消力挡板。
进一步，每块纵向消力挡板的翼缘与格栅孔等宽。
本发明的有益效果在于：与传统消能工及其布置方案相比，本发明的有益效果如下：（1）格栅消能室内的水流出流方向得到了有效调整，显著提高了消能室正面格栅孔的出流流量分布均匀程度，从而增加了闸室水平断面上的流速分布均匀度。（2）消能室的顶面与正面格栅出流流量的差值得到了有效控制，从而减小了闸室表面流速场，均匀化了水深方向上的流速分布。（3）降低了闸室水面的紊动剧烈程度，从而起到了稳定闸室水面振荡的作用。（4）由于本发明显著改善了闸室水流条件，尤其是镇静段的水流条件，因此可实现缩短镇静段长度以节省工程量的目的，同时，降低了船舶受水流作用力的大小，提升了船闸的运行效率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明所述消能工的立体图；
图2为本发明所述消能工的剖面图；
图3为传统消能工的立体图；
图4为带格栅消能室的短廊道集中输水系统。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本发明所述的消能工及其布置方法适用于船闸集中输水系统，带格栅消能室的短廊道集中输水系统如图4所示，带格栅消能室的环绕短廊道集中输水系统是由两侧廊道进水口、两侧输水短廊道、两侧廊道出水口、格栅消能室组成。在本实施例中该船闸的闸室有效尺寸为140m×14m×2.5m（长×宽×槛上最小水深）；上引航道底高程为36.00m，闸室底高程为32.50m；上游最高通航水位为45.00m，上游最低通航水位为40.50m，下游最高通航水位为43.37m，下游最低通航水位为36.00m，因此其正常工作水头为9m。工作阀门采用平板阀门，阀门控制断面取为2×2.20×2.70＝11.8m2。格栅消能室的体积为315m3（14m×5m×4.5m（长×宽×高）），按闸室全断面参与消能，出水口放大至阀门控制断面的2倍，中间加设0.6m隔墩，且格栅孔按中间小两头大的原则对称布设，正面布置12个格栅孔，从右至左编号为1号孔～12号孔；顶面布置两排格栅孔，共24个，从右至左上排编号为13号孔～24号孔，下排为25号孔～36号孔。则正面格栅孔面积为(0.7+0.55+0.4)×4×3.8＝25.8m2，顶面格栅孔面积为(0.7+0.55+0.4)×8×2.2＝29.04m2。
为减少闸室断面上出现横向和竖向流速分布不均匀以及消能室上方水流汹涌等不利的水力现象，传统形式的消能工设置是在消能室顶部格栅上方加设两块横向消能盖板，以削弱闸室水面泡涌现象；为增加消能室正面的两侧边孔流量和进一步提高消能作用，根据左右两侧廊道的对称布置，在消能室内相对应地对称布设三道纵向消力槛，并在消能室正面格栅孔前方布设第四道横向消力槛，如图3所示。
图1为本发明所述消能工的立体图，如图所示，在本方案中，采用消力槛、消力梁及消力挡板的组合布设方式，并且将消能工全部布置在消能室内。因为出现闸室水平面上的流速分布不均的主要原因是消能室正面的水流集中在中间格栅孔流出，为削减流量峰值使得流量分布趋于均匀化，在本方案中，通过在左右廊道出水口的前方对称布设两道纵向消力槛；纵向消力梁按阶梯式隔孔对称布设，其几何尺寸与消力槛一致；针对消能室上方水流汹涌现象，在水流未到达顶面格栅孔前，采用横截面为“T”形的纵向消力挡板布设在每个顶面格栅孔的下方，且每块挡板的翼缘与格栅孔等宽。通过该布置方案，便在闸室横断面上形成了消力槛、消力梁及消力挡板的组合式倒K型消能工。图2为本发明所述消能工的剖面图。
下面在本实施例中，通过将本方案与传统的消能工方案进行对比分析，来说明本方案的有益效果。具体来说，在本实施例中：
（1）按传统方案布置
对于消能室上方水流紊乱且偏汹涌问题，在消能室顶部格栅上方加设两块横向消能盖板，以削弱水面泡涌现象；为增加消能室正面的两侧边孔流量和进一步提高消能作用，根据左右两侧廊道的对称布置，在消能室内相对应地对称布设三道纵向消力槛，左右两道消力槛高度为1m，中间的消力槛高度为2.2m。在廊道出水口前方布设消力槛的另一个作用还体现在船闸单边开启时，有利于避免因水流的极为不对称而导致的闸室水面横向坡降过大。此外，除了在消能室内部布设消力槛外，在消能室正面格栅孔前方1.75m处布设了第四道横向消力槛，槛高为1.2m，其布设的目的在于消刹进入闸室的水流能量。
（2）按倒“K”型方案布置
为削减流量峰值使得流量分布趋于均匀化，通过在左右廊道出水口的前方对称布设两道纵向消力槛，槛高为0.5m；纵向消力梁按阶梯式隔孔对称布设，共9根，其几何尺寸与消力槛一致；针对消能室上方水流汹涌现象，在水流未到达顶面格栅孔前，采用横截面为“T”形的纵向消力挡板布设在每个顶面格栅孔的下方0.5m处，共6块，且每块挡板的翼缘与格栅孔等宽。
为对比不同消能工布置的非恒定水力特性，采用船闸输水过程三维水流流动的动态仿真方法，按船闸正常运行工况（双边工作阀门匀速开启，开启时间tv＝7min，阀门工作水头H＝9m）进行计算。
闸室断面流速分布比较：通过数值计算，采用消力槛和阶梯式的消力梁的布设方式，可有效改变从左右两侧流入消能室的水流方向。通过消力槛和消力梁组合型式，一则起到阻流作用，另一则可将底流挑起，从而使得水流分别从各个格栅孔中分流而出，以实现消能室正面格栅孔出流趋于均匀化的效果。而在传统方案中仅布设三道消力槛，并不能到达预期作用。
闸室自由水面紊动能比较：经过数值计算表明，通过在消能室外部设置横向的消能盖板不如在消能室内部布置消力挡板理想，因为采用本发明提供的消能方式，可在各格栅孔出流前实现全断面的阻流、绕流，以达到较为充分的消能效果。而在传统方案中，不仅阻流面积相对较小，而且盖板是设置在格栅孔上方，各格栅孔的水流先得到一定的扩散后再与盖板接触，如此则实现的阻流和绕流强度相对减小，进而影响消能效果的充分性。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.一种船闸集中输水系统的倒K型消能工，其特征在于：所述消能工全部布置在带格栅消能室的船闸短廊道输水系统的格栅消能室内，由消力槛、消力梁及消力挡板组成；两道纵向消力槛对称布设在输水系统的左右廊道出水口前方，若干纵向消力梁按阶梯式隔孔对称布设在消能室内，若干纵向消力挡板布设在消能室每个顶面格栅孔的下方，所述消力槛、消力梁及消力挡板在闸室横断面上组合成倒K型消能工。
2.根据权利要求1所述的一种船闸集中输水系统的倒K型消能工，其特征在于：所述纵向消力梁与纵向消力槛的几何尺寸一致。
3.根据权利要求1所述的一种船闸集中输水系统的倒K型消能工，其特征在于：所述纵向消力挡板采用横截面为T型的纵向消力挡板。
4.根据权利要求3所述的一种船闸集中输水系统的倒K型消能工，其特征在于：每块纵向消力挡板的翼缘与格栅孔等宽。
5.一种船闸集中输水系统倒K型消能工的布置方法，其特征在于：本方法用消力槛、消力梁及消力挡板构成组合式消能工并全部布置在船闸集中输水系统的格栅消能室内，且消力槛、消力梁及消力挡板在闸室横断面上组合成倒K型；在船闸集中输水系统的左右廊道出水口前方对称布设两道纵向消力槛，在消能室内按阶梯式隔孔对称布设若干纵向消力梁，在消能室每个顶面格栅孔的下方布设若干纵向消力挡板。
6.根据权利要求5所述的一种船闸集中输水系统倒K型消能工的布置方法，其特征在于：所述纵向消力梁与纵向消力槛的几何尺寸一致。
7.根据权利要求5所述的一种船闸集中输水系统倒K型消能工的布置方法，其特征在于：所述纵向消力挡板采用横截面为T型的纵向消力挡板。
8.根据权利要求7所述的一种船闸集中输水系统倒K型消能工的布置方法，其特征在于：每块纵向消力挡板的翼缘与格栅孔等宽。
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