大藤峡水利枢纽船闸水力学关键技术研究与实践

大藤峡船闸是目前国内外水头最高的大型单级船闸，其闸室输水功率、阀门水力条件、闸门结构尺寸等多项指标均居世界之最，代表了当今世界船闸建设的最高水平。围绕大藤峡大型船闸安全高效输水、高水头输水阀门空化振动、巨型人字门安全运行等水力学关键技术难题，历经10多年研究和实践，在大型船闸输水系统布置、高水头阀门防空化技术、巨型人字门设计、现场调试技术等方面取得了大量创新成果，成功解决了40 m单级船闸设计、建设和运行难题，在基础理论和核心技术上实现新的突破。总结梳理了大藤峡船闸水力学关键技术研究成果，以期为类似高水头船闸设计研究提供参考。     

大藤峡船闸关键水力学问题研究

大藤峡船闸闸室有效尺寸为280 m×34 m,最高通航水头为40.25 m,是世界上首个水头超过40 m的大型超高水头单级船闸。单级船闸的特性以及闸室规模、工作水头和输水时间要求决定了其单次输水水体、输水最大流量以及进入闸室的能量,超过闸室尺度相近的三峡多级船闸,借鉴三峡船闸输水系统体型的初设方案闸室内船舶停泊条件问题突出。为此开展了1∶30比尺船闸整体模型试验,结合减压及局部模型试验与数模计算,通过输水系统体型创新、输水系统阻力及阻力分配调整和阀门运行方式优选,解决了大藤峡船闸闸室内船舶停泊条件及输水系统水流空化等关键水力学问题。研究获得的新型自分流全闸室出水输水系统布置型式,很好地解决了闸室高效输水和船舶停泊安全问题,显著拓展了等惯性输水系统对水头的适应性,其成果可供超高水头大型船闸设计借鉴。     

大藤峡船闸输水系统设计布置

大藤峡水利枢纽工程的船闸是目前国内外实际运行水头最高的单级船闸,输水系统采用闸墙长廊道经闸室中心进口垂直分流、闸底四区段八分支廊道出水、盖板消能的型式.本文着重对船闸输水系统的型式选择及设计布置进行了论述.经过设计、研究和不断优化,并创造性地运用了自分流体型,解决了大尺度高水头船闸输水系统的一系列重大技术难题,输水系统各项水力指标均能较好地满足设计及规范要求,对大尺度高水头船闸输水系统设计布置有着很好的参考价值.     

大型超高水头船闸输水系统型式研究与展望

高水头船闸输水水流携带巨大能量,可能对船闸输水系统运行安全及闸室内船舶停泊安全产生危害,选择合理的输水系统型式对保障工程安全至关重要。随着大型超高水头单级船闸——大藤峡船闸的开工建设,研究发现目前已成功运行的输水系统型式不能满足该工程需要,亟需消能效果更好的输水系统。结合大藤峡船闸工程相关研究,参考国内外已建高水头船闸输水系统布置的成功经验,总结了高水头船闸不同输水系统型式与船闸运行水头和闸室尺度规模的匹配关系,介绍了适应大藤峡船闸工程特点的自分流全闸室出水4区段等惯性输水系统型式,提出了消能效果更好的带内消能工的输水系统新体型,可供类似超高水头大型船闸的设计和研究借鉴。     

大藤峡船闸第一分流口压力特性试验研究

大藤峡船闸是目前世界上单级水头最高的大型船闸,其闸室单次充、泄水体远超已建船闸的最高水平,对船闸输水系统设计和运行带来了极大的挑战。以大藤峡船闸输水系统为研究背景,采用1∶20水工实体模型,分两种试验方案(无导流背和增设导流背)探究了大藤峡船闸第一分流口压力特性。试验成果可为船闸设计和运行提供参考。     

兴隆船闸关键水力学问题研究

兴隆船闸采用短廊道输水系统,属集中输水系统布置中的中高水头船闸.船闸规模及一次充泄水水体大,输水时间短,水力指标要求高.对于输水系统出口设置在闸首的船闸,其充、泄水系统出口布置型式以及输水阀门的运行方式直接影响过闸船舶安全.通过1∶30兴隆船闸整体模型,对过闸船舶停泊条件等关键水力学问题进行了专题研究.通过研究提出了能够满足充泄水时间和停泊条件要求的输水阀门运行方式及输水系统布置型式,为兴隆船闸设计提供了科学依据,并可作为其他短廊道输水系统船闸设计参考.     

大藤峡船闸总体设计布置

大藤峡水利枢纽工程是打通西江亿吨黄金水道的关键项目,坝址河段航运要求高,货运量大,通航建筑物船闸的总体设计布置对整个枢纽的布置方案、货运量、运行管理、投资起着至关重要的作用。对于船闸的总体设计,首先根据工程区地形地质条件,结合枢纽布置要求选择船闸位置,在此基础上,对闸首、闸室、输水系统、上下游引航道、口门区及连接段、待闸锚地等进行设计,并根据模型试验成果优化输水系统结构尺寸及口门区整流措施。大藤峡船闸无论是规模、水头还是水位变幅条件和水力指标要求均达到了国内外已建船闸的最高水平,其总体布置可为大尺度、高水头船闸的设计提供一定的参考作用。     

富春江船闸改扩建工程船闸输水系统布置研究

结合富春江船闸改扩建工程具体条件,根据《船闸输水系统设计规范》的相关规定及要求,在对比分析大量资料的基础上,确定了富春江船闸输水系统型式及具体布置,重点研究了进水口布置方案,并进行了1∶30比尺的物理模型试验研究.结果表明,新船闸采用闸底长廊道输水系统布置型式是合适的,通过老船闸上闸首进水口及其闸室共同进水的方式是可行的,研究确定的阀门开启方式,船闸输水时间、船舶停泊条件及进出水口水流条件等水力指标满足设计及规范要求.     

大化水电站船闸工程设计及技术特点

大化水电站是红水河上10座梯级电站的第6级.通航建筑物为单级船闸,设计水头29.0 m,位于国内已建单级船闸前列.该船闸是在原250 t级垂直升船机的基础上改建.结合水工模型试验研究和原型水力学观洲及调试,解决了工程设计的关键技术问题.重点介绍大化船闸的主要技术特征,船闸建筑物总体布置、输水系统、输水阐门、水工结构等方面的设计.特别对大化船闸的主要技术特点进行了概括和总结,为高水头船闸的设计提供参考和借鉴.     

大藤峡水利枢纽船闸输水系统研究

大藤峡水利枢纽船闸闸室有效尺度为280 m×34 m×5.8 m,设计最大水头40.25 m,一次充泄水量42万m3,为目前国内外已建单级船闸之最。船闸充泄水阀门段廊道、第一分流口及第二分流口等输水系统关键部位水力学问题突出。通过深入研究发现并解决了自分流方案第二分流口腔体水流脉动较大的问题;解决了第一分流口T形管处脉动问题;完成了充泄水阀门段体型、第一分流口、第二分流口、泄水箱涵尺寸优化研究。优化后四区段八分支廊道盖板消能(自分流)方案输水系统水力特性、廊道压力特性、船舶停泊条件均满足规范要求,为设计提供技术支撑。     

葛洲坝船闸水力学问题综合分析

对葛洲坝3座船闸在接近设计水头27m条件下运行中出现的水力学现象和原、模型观测资料进行综合分析。内容包括；船闸充泄水时上、下游引航道中的流速、流态、涌浪传播、间室充、泄水水力特性，阀门段水流空化及声振现象，阀门启闭力及阀门振动特性等。对船闸运行和检验中发现的问题及处理改善措施亦作了介绍，葛洲坝3座船闸运行了20a来的经验证明船闸按静水通航动水冲沙的原则指导设计是正确的，船闸输水系统布置型式是成功的。     

高水头船闸第二分流口自分流体型水力特性研究

高水头船闸输水水流能量巨大,水力指标高,对输水系统布置和型式提出了更高要求。大藤峡水利枢纽工程船闸最大设计水头40.25 m,输水系统第二分流口拟采用空腔自分流型式,在国内外尚无先例。通过采用三维数值模拟的技术手段对该分流口型式及输水系统整体分流性能进行系统研究,详细分析在各典型充、泄水时刻第二分流口部位的水动力特性,论证在工程实际应用中的可行性。研究结果表明,在合理布置各分支廊道的出水支孔尺寸后,该分流口型式在充、泄水过程中分流效果较好,但在分流口内部存在典型流速、压力分布区域,特别是在泄水工况下分流口大墩头附近存在较大范围三角低流速紊动区域,可能会对分流口结构造成不利影响。研究成果可为全面掌握该分流口型式的水力特性以及进一步改进优化提供技术参考。     

三峡永久船闸现地监控系统设计

三峡永久船闸为双线连续 5级船闸 ,每线船闸由 6个闸首和 5个闸室组成。每一闸首段两侧各设一个液压启闭机房 ,每个液压启闭机房设一个液压站 ,每个液压站设一个现地控制站 (简称子站 )。每线共设 12个液压站 ,两线共设 2 4个子站。每个闸首的 2个子站互为备用 ,且同时投入运行 ,运行时只有一个子站的控制信号输出。各子站必须具备操作功能、控制功能、保护功能和信息采集功能。对三峡永久船闸现地监控系统的设计作了详细介绍。     

中间渠道次生波发育长度数值模拟研究

分散梯级船闸充、泄水会引起船闸中间渠道内水体振荡波动,严重时会增加船舶操控难度,甚至引发安全事故。国内外专家学者针对中间渠道非恒定波流特性的研究主要集中于长波的波动特性,对次生波的关注甚少。针对三峡水运新通道分散梯级船闸布置方案,建立了基于船闸输水基本方程和Boussinesq方程的船闸-中间渠道耦合数学模型,研究船闸充、泄水条件下中间渠道次生波发育长度的分布特性及其对相关水力参数的响应规律。结果表明:上级船闸泄水条件下,次生波发育长度与单宽峰值流量有关;而下级船闸充水时,次生波的发育长度取决于单宽峰值流量和船闸运行水头。基于数值计算结果,给出了船闸不同运行方式下次生波发育长度的预测方法,可为分散梯级船闸的设计和运行调度提供理论指导和技术支撑。     

长洲水利枢纽3-4号船闸平面布置研究

长洲3-4号船闸为我国目前闸室平面尺度最大、采用相互灌泄水的省水船闸,与已建1-2号船闸同岸并列布置.由于受坝线上下游已建或在建桥梁通航桥孔、施工期1-2号船闸正常运行、岸侧居民企业已有建筑物等因素影响,3-4号船闸平面布置成为工程投资及工程运营条件的关键.对3-4号船闸平面布置影响因素和可能的平面布置方案进行了分析研究,对推荐方案进行了总结,阐述了船闸布置的一般要求和长洲3-4号船闸布置的特殊要求.     

三峡永久通航船闸布置方案选择

三峡永久通航船闸设计总水头113米,是目前世界上设计总水头最高的大型船闸。多年来对船闸的水级划分和线路位置进行了多方案研究,经着重对连续式5级船闸和分散式带中间渠道的3级船闸两种布置方案进行专题论证,决定选用连续5级船闸方案.与分散3级船闸相比,该方案的主要优点是,船闸的布置紧凑,运行管理简单,线路长度短,线路位置与枢纽施工场地总布置的矛盾小,工程的施工强度低,枢纽的发电工期少1年,船闸的工程量和造价明显节省,船闸的主要工程技术问题通过较深入的研究已有较落实的解决措施。     

三峡船闸输水系统分流口型式研究

 采用局部模型试验研究方法，对三峡船闸闸室第一及第二分流口的布置型式进行了不同方案比较；对分流口流态、分流比及压力等因素进行综合分析后，提出了较为合理的分流口布置型式，为修改设计提供了依据，并可作为其它高水头船闸设计参考。     

突扩跌坎掺气设施深化研究

高速水流下的空化空蚀和高水头下的闸门止水问题是高水头泄水建筑物运行所遇到的2大问题。为深入研究突扩跌坎掺气设施,进一步了解其水力特性和空化特性,以某水利枢纽孔板泄洪洞中闸室通气系统和突扩跌坎掺气设施为具体研究对象,通过建立比尺 1∶20 的局部水工模型,分析研究了通气孔风速、流态、压力、掺气浓度等水力特征参数,并将试验结果与原型观测结果进行了对比。结果表明:该工程布置的掺气效果良好,试验所得通气管内风速随闸门开度变化的趋势、水流掺气浓度、压力及其脉动在数值上与原型观测结果均一致,说明工程原型观测与模型试验对比验证是成功的。理论研究和实际运用均表明,结合闸门止水和掺气减蚀要求的突扩跌坎布置,是符合实际需求且安全可行的,同时也是解决高水头条件下闸门止水和掺气减蚀的有效措施,具有广泛的推广应用价值。