相互灌泄水船闸水力学特性研究

'分类号U641.6单位代码10618密级学号2120093005硕士学位论文相互灌泄水船闸水力学特性研究研究生姓名：随娟娟导师姓名及职称：张绪进研究员申请学位类别工学硕士学位授予单位重庆交通大学一级学科名称水利工程论文提交日期2015年4月20日二级学科名称水工结构工程论文答辩日期2015年6月8日2015年6月8日 StudyonHydraulicCharacteristicsofMutualIrrigationShiplockADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：SuiJuanjuanSupervisor：ZhangXujin(Pro.)ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing,China 摘要摘要我国内河航运事业的发展，对物流等的需求日益增加，现有船闸通过能力远不能满足货运量的需求，因此，近年来国内大量新、扩建二线、三线、四线船闸。但对于枯水季节缺水的内河河流，航运、发电、灌溉用水三者之间的矛盾较为突出，如何节省船闸耗水量和提高其通过能力是新、扩建船闸迫切解决的问题。国内以往双线相互灌、泄水省水船闸的研究主要针对其本身的具体布置进行，而未对其运行方式、双线运行下船闸通过能力、省水量与省水发电效益之间关系等方面进行系列研究；国外并无此类省水船闸先例，国内此类输水型式暂无工程运行实践经验，因此对其研究是十分必要的。本课题以广东北江飞来峡二、三线船闸为研究背景，针对双线船闸相互灌、泄水输水过程中关键技术问题，通过数值模拟计算和物理模型试验手段，研究了单、双线船闸运行方式、输水特性、闸室船舶停泊条件、廊道压力和双线船闸船闸通过能力、省水量与省水发电效益之间关系。主要研究成果和结论如下：1、对不同阀门开启方式下的输水特性进行了观测，船闸双线省水运行时，主廊道输水阀门以tv1=5min均匀开启，连通廊道阀门以tv2=3min均匀开启，两闸室水位差在0.4m~5m之间开启主廊道输水阀门时，考虑模型缩尺影响，船闸输水时间T<15min。2、两种输水运行方式下，采用数值模拟计算和物理模型试验得出的闸室输水水力特性曲线吻合度较好，且具有一定的规律性。闸室水位过程线均为上升或下降型曲线，且单线普通运行的水位上升或下降速率大于双线省水运行工况；单线普通运行闸室流量过程线为单峰型曲线，双线省水运行时为双峰型曲线，且前者峰值大于后者。3、在推荐的阀门启闭方式下，单线普通运行时，闸室内设计船舶最大纵向力为7.68kN，最大横向力10.10kN；充水阀门后廊道顶部最低压力约为2.6m水柱，泄水阀门最低压力约为1.5m水柱。双线省水运行时条件优于单线普通运行工况，船闸单线普通运行工况起控制作用。4、船闸双线省水运行时，船闸通过能力与两闸室间水头差成正比，省水率与两闸室间水头差成反比。当近期货运量不大时，按连通阀门关闭时两闸室水位差为0.4m运行，省水率为48.6%；当远期货运量增大时，按两闸室水位差为4.0m运行，其省水率为38.5%；省水所得发电效益为每年264.0万元。关键词：双线船闸，相互灌泄水，输水系统，水力特性，省水率I ABSTRACTABSTRACTThedevelopmentoftheinlandrivershippingdemandforlogisticsisincreasingdaybydayandtheexistinglockfreightvolumeisfarfrommeettheneedsoftheability.Therefore,inrecentyears,therehavebeenalargenumberofnewconstructionsandexpansionofsecond-line,three-lineandfour-lineshiplockinourcountry.Butfortheinlandriverwithwatershortageindryseason,thecontradictionamongtheshipping,powergenerationandirrigationwaterismoreprominent.Howtosavetheshiplockwaterconsumptionandincreaseitscarryingcapacityistheurgentproblemofthenewconstructionandexpansionshiplock.Previousdomesticstudiesondoublelinemutualirrigationwatersavinglockmainlyaimsatthespecificarrangementofitsown,butnotontheoperationmode,lockcapacityunderdoublerunning,therelationshipbetweentheefficiencyofpowergenerationwaterquantityandwatersavingetc.Thereisnosuchlockfirstlistedabroadandnoengineeringpracticeexperienceofthistypewaterconveyanceinthedomestic.Sothestudyonthisfieldisverynecessary.ThisprojectputtheFeilaixiasecondandthirdlinelocksinBeijiangriverofGuangdongastheresearchbackground,accordingthedoublelockkeytechnicalproblemsintheprocessofmutualirrigation,throughthenumericalsimulationandphysicalmodeltestmethod,studythevalveoperationmode,thehydrauliccharacteristics,shipberthingconditionsandcorridorpressure,therelationshipbetweenwatersavingandpoweretc.Themainresearchresultsandconclusionsareasfollows:1.Thecharacteristicsofwaterunderdifferentvalveopeningwereobserved.Underthedoublelockwaterrunning,themainculvertvalvehasalwaysbeentoevenopenastv1=5min,andtheconnectingcorridorvalvestoevenopenastv2=3minandopenthemainwaterwhentheleveldifferenceintherangeof0.4m~5m,Consideringthemodelscaleeffect,lockfillingandemptyingtimeoftwokindsofoperationmodecanmeetthedesignrequirementsfor15minter.2.Underthetwokindsofwateroperationmode,thehydrauliccharacteristicscurvegotbynumericalsimulationcalculationandphysicalmodelexperimentfitswell,andhasacertainregularity.Thewaterlevellinesarerisingorfalingtypecurves,andtherisingorfalingrateundersinglenormaloperationisfasterthandouble.Thechamberflowprocesslineundersinglenormaloperationisasinglepeakcurve,andtheII ABSTRACTdoublewaterrunningintodoublepeaks.Andthepeakvalueislargerthanthelatter.3.Intherecommendedvalveopeningandclosingmode，underthesinglenormaloperation,thelockchamberdesignofshiplongitudinalforceis7.68kN,themaximumlateralforce10.10kN.Afterthewaterfillinganddrainagevalveatthetopofthecorridor,theminimumpressureofabout2.6mand1.5mofwater.Doublewaterrunningconditionsisbetterthanthesinglenormaloperatingconditions,andthesinglenormaloperatingconditionsplayacontrol.4.Underthedoublelockwatersavingoperation,thelockcapacityisproportionaltothelockheadbetweenthetwochamber,andtherateofwatersavingisinverselyproportionaltoit.Whenthenearfuturescurrencyvolumeissmall,thevalveisclosedwhenthetwochamberwaterleveldifferenceof0m,watersavingrateof48.6%.Whenthefreightvolumeincreases,thetwochamberwaterleveldifferencefor4.0moperation,andthewatersavingrateis38.5%.Thepowergenerationbenefitofwateris2640000Yuanperyear.5.TheresultsofthestudynotonlysolvedthekeytechnologyproblemofshiplockhydraulicsforFeilaixiatwoandthreelinesshiplockindesignandconstruction,improvingourcountryinthefieldforresearch,designandconstruction,butalsoprovidedthetechnicalbasisforthedesignandmanagementofwatersavinglock.Therefore,theresearchresultscanprovidereferenceforothersimilarmultilinewatersavinglocksonnavigableriverfordevelopmentandconstruction;theresearchresultshaveverybroadapplicationprospects.KEYWORDS：doublelock,interactionofwaterfilling,waterconveyancesystem,hydrauliccharacteristics,rateofwatersavingIII 目录目录第一章绪论............................................11.1研究背景....................................................11.2研究的目的和意义............................................41.2.1解决相互灌泄水船闸输水系统布置和研究水力学特性的需要...41.2.2为飞来峡二、三线船闸的设计和管理提供依据...............51.2.3促进船闸水力学学科的发展..............................51.3研究的动态和发展现状........................................61.3.1船闸输水系统及水力学的发展............................61.3.2省水船闸的研究发展....................................91.4研究的内容和方法...........................................141.4.1研究内容.............................................141.4.2研究方法和技术路线...................................15第二章飞来峡二、三线船闸输水系统布置研究...............162.1船闸建设规模...............................................162.2输水系统类型选择...........................................172.3输水系统各部位尺寸确定.....................................192.4输水系统消能工布置.........................................282.5输水系统工作原理...........................................292.6本章小结...................................................30第三章输水系统水力学特性数值计算研究...................313.1基本计算方程...............................................313.2数值计算方法...............................................323.3基本水力参数估算...........................................333.3.1阀门启闭时间和速度...................................333.3.2阻力系数和流量系数...................................353.3.3输水系统廊道换算长度.................................373.3.4闸室水面超高和超降...................................383.4验证计算...................................................383.5单线普通运行水力计算分析...................................403.6双线省水运行水力计算分析...................................423.7单线普通运行与双线省水运行计算结果对比分析..................483.8本章小结...................................................48IV 目录第四章输水系统物理模型试验研究........................504.1模型设计与制作.............................................504.1.1物理模型理论基础.....................................504.1.2模型比尺及其相似性...................................514.1.3模型制作及其整体布置.................................514.2实验仪器及设备.............................................524.3试验工况分析...............................................534.4单线船闸模型试验成果及分析.................................544.4.1闸室输水时间.........................................544.4.2闸室灌泄水水力特性...................................554.4.3闸室停泊条件.........................................574.4.4输水廊道压力.........................................634.5双线船闸模型试验成果及分析.................................674.5.1闸室输水时间.........................................674.5.2闸室灌泄水水力特性...................................704.5.3闸室停泊条件.........................................754.5.4连通廊道压力.........................................794.6单线普通运行与双线省水运行试验结果对比分析..................834.7本章小结...................................................84第五章双线省水运行数学模型与物理模型水力特性对比研究....85第六章省水特性及通过能力研究..........................896.1船闸省水量估算.............................................896.2船闸通过能力计算...........................................916.3发电效益计算...............................................916.4本章小结...................................................93第七章主要结论和研究展望..............................947.1主要结论...................................................947.2研究展望...................................................95致谢......................................................96参考文献..............................................97在校期间发表的论文和取得的学术成果.....................100V 第一章绪论第一章绪论1.1研究背景我国国民经济的不断发展，对大宗货物运输提出了越来越高的要求。水路运输作为一种兴起最早、历史最长的运输方式至今仍是世界上许多国家最重要的交通运输方式之一，具有载重量大、成本低、投资省的特点，较适用于担负大宗、低值、笨重和各种散装货物的中长距离运输。我国境内分布着的大量山川河流，为了防洪、发电、航运、灌溉等需要而兴建了一大批大型水利、航运枢纽，在我国北方，沿黄河梯级分布有龙羊峡、李家峡、公伯峡、小浪底等大型水利枢纽；[1]在长江流域一带，湖北、广西、四川、重庆、云南等地建设的水电基地，如长江三峡、葛洲坝工程、澜沧江景洪、广西红水河龙滩、乌江彭水、右江百色等，为水路运输的发展提供了得天独厚的条件。在航电枢纽中，船闸是主要的通航建筑物之一，是用以保证船舶顺利通过枢纽的箱型水工建筑物。经过长期发展，船闸以其技术相对成熟，运行稳定可靠，建设、运行和维护成本低廉等优点，成为过坝通航建筑物的主要型式而得到广泛应用。中国是世界上建造船闸最早的国家，目前已建造船闸800多座，其中长江三峡工程双线五级船闸是目前世界上规模最大的船闸。然而，随着沿江腹地经济的发展，货运量迅猛增加，为了提高通航能力，大多数航电枢纽选择在已有船闸的基础上兴建二线、三线或四线船闸。多线船闸的发展必然造成用水量激增，在水资源日益匮乏的今天，上游来水量一定的情况下，船闸耗水容易与枢纽发电、灌溉等用水产生矛盾。特别是在天然流量不足、水资源短缺的地区，节约和合理利用水资源已经成为实现可持续发展的一个必须解决的问题。如何节省船闸耗水量和提高其通过能力是新、扩建船闸迫切解决的问题；国内以往仅对设调节池、双线相互灌、泄水省水船闸本身的具体布置进行研究，未对其运行方式、双线省水运行下船闸通过能力、省水量与省水发电效益之间关系等方面进行系列研究；国外并无双线相互灌、泄水省水船闸先例，国内此输水型式暂无工程运行实践经验，因此对相互灌、泄水省水船闸水力学特性研究是十分必要的。每一次通航都会消耗大量水资源，特别是一些大尺度的船闸。省水船闸主要解决两个方面的问题：第一，在水源贫乏河段以及农业、发电和航运等用水发生矛盾，要求节约航运用水以及提高发电、灌溉等效益，而又必须解决过船问题时，则需建省水船闸及其他通航设施。第二，当船闸工作水头过高时，省水船闸在灌、泄水时成倍的降低阀门工作水头，从而可以大大简化船闸输水系统设计，[2]~[3]减少船闸的运行维护费用，最终解决普通高水头船闸中所出现的一些问题。[4]本文以广东省飞来峡水利枢纽二、三线船闸工程为依托，对相互灌泄水船1 重庆交通大学硕士毕业论文闸的水力学特性进行了研究。广东省内港湾众多，河流纵横交错，主要分布在珠江水系、韩江水系和榕江水系，是全国水运资源条件优越、水运发达的省份之一。北江是珠江水系第二大河流，韶关市以上为北江上游，韶关至清远为北江中游，清远至三水河口为北江下游。北江水路运输历史悠久，是广东省北部主要运输通道之一。目前，北江干流从上至下已建蒙洲坝、蒙浬、白石窑、飞来峡和清远五座水利水电枢纽，飞来峡为自上而下的第四座水利水电枢纽，图1-1为北江地理位置示意图。近年来，随着广东省沿海产业结构调整，北江流域经济得到较快发展，物资运输量快速增加，但由于北江航道等级低，通航船舶吨位小，受来流量影响，一些航道水深小，船闸通航时间短，这些因素严重影响北江水运事业发展，也制约了沿江地区的经济发展。北江流域各区县强烈呼吁将北江航道升级为Ⅲ级，满足1000t船舶常年通行要求，为流域的经济持续发展创造条件。在此[5]背景下，广东省政府及主管单位经充分论证，决定对北江航道进行升级。根据可研报告货运量预测，北江航道升级后2020、2030、2040年单向水路货运通过量将分别达到1642万吨、2741万吨、3530~4110万吨。因此，飞来峡枢纽至少需同时新建两座船闸才能满足预测的过坝货运量要求。考虑枯水期北江来流量较小，同时新建两座大尺度的船闸后每一次过闸都会消耗大量水资源，为缓解农业灌溉、发电和航运等用水的矛盾，飞来峡二、三线船闸采用平行并列布置，船闸输水系统采用两闸室相互灌泄水、中间设置连通廊道省水型式。飞来峡枢纽布置从左至右为非溢流挡水坝、船闸、非溢流挡水坝、发电站、溢流坝、连接坝段、右岸土坝，现有一线船闸布置在左岸，有效尺度为[4]190m×16m×3m，设计为Ⅳ级船闸，通航500t船舶。根据枢纽现有建筑物布置格局、工程区地形环境及地质条件，二、三线船闸采取与枢纽分开的布置方式，并列布置于右岸相对较低洼的山坳处，见图1-2。二、三线船闸按1000t级船闸（Ⅲ级船闸）建设，船闸有效尺度220m×34m×4.5m（闸室有效长×宽×门槛水深，下同），两座船闸单向通过能力合计为4332万吨/年，可满足预测的2040年单向水路货运通过量3530~4110万吨的需求。船闸上游最高通航水位为24.81m（枢纽正常蓄水位），最低通航水位18.81m；下游最高通航水位22.26m，最低通航水位10.37m。船闸最大设计水头14.44m。由于飞来峡二、三线船闸采用平行并列、共用引航道布置，可在两闸室中间设置连通廊道，为两线船闸互相灌泄水提供便利条件。通过对飞来峡水利枢纽整体布置研究，并结合地形地质条件，双线船闸方案能充分利用地形条件，共用引航道，具备修建双线相互灌泄水省水船闸的必要性和可能性。2 第一章绪论图1-1广东省航道地理位置图图1-2飞来峡水利枢纽总体布置图本文以飞来峡水利枢纽二、三线船闸工程为依托，采用数值模拟计算和物理模型试验手段，通过测定船闸单线普通运行和双线省水运行两种方式的灌泄水水力指标，确定工作阀门和连通阀门的运行方式，进而研究省水特性及通过能力、3 重庆交通大学硕士毕业论文闸室船舶停泊条件、输水廊道压力特性等，提出船闸在设计、运行、维护等方面亟待解决的问题，其研究成果对正在改扩建、新建的多线省水船闸输水系统设计具有指导意义。1.2研究的目的和意义1.2.1解决相互灌泄水船闸输水系统布置和研究水力学特性的需要相互灌、泄水船闸属于省水船闸的特例，并排布置的两闸室互为蓄水池，不另设蓄水池，通过布置在闸室中间的连通廊道由一闸室向另一闸室注水，待两闸室有一水位差或水位齐平后，再各自开启上、下阀门充（泄）水，达到设计水[6]位，使省水率高达30%-50%。目前国内外水运工程中，具有省水功能的通航建筑物船闸以带有调节水池的省水船闸居多。显然，带有连通廊道的省水船闸具有输水系统布置简单、工程量小、节省水资源及工程投资、操作运行相对方便等优点。拟建的飞来峡二、三线船闸平面尺度较大，设计要求的充泄水时间短、瞬时流量大、强度高，需要选择合理的输水系统布置型式。输水系统设计选择及设计水平，将直接影响到船闸的通过能力、过闸船舶及船闸的安全。输水系统的设计主要应满足下列基本要求：（1）闸室灌水和泄水时间满足船闸设计通过能力所规定的基本时间；（2）船舶（队）在闸室及上、下游引航道内具有良好的停泊条件，承受的系缆力小于规范允许值；（3）输水系统各部位不应因水流冲刷和空蚀等造成破坏；（4）结构简单，施工及维修方便，工程投资少。但是对于船闸输水系统来说，要使输水时间缩短，就必须增大灌、泄水的流量并加大流量的增率，而流量和流量的增率越大，过闸船舶的条件就越差。要同时满足停泊条件和缩短灌泄水的时间要求，常需采用较复杂的输水系统型式，导致阀门及输水系统结构复杂工程费用增加。但是，只要对不同工程的具体条件认真分析并妥善布置，就能达到矛盾的统一，使输水系统水力性能良好而又合理。双线船闸相互灌、泄水进行省水的输水系统设计及研究，国内刚刚起步，其研究工作及工程实践经验甚少，对其关键技术、输水特性了解不够深入。因此，针对飞来峡双线船闸相互灌、泄水输水系统布置及运行过程中存在的问题，需对其运行方式、省水量及通过能力进行深入研究，并提出减小双线船闸运行的相互干扰、改善水力特性、提高省水效率的双线船闸相互灌、泄水运行方式。对正在改建、扩建多线省水船闸的输水系统设计具有指导意义，推广应用双线船闸相互灌泄水省水运行成果的前景十分广阔。因此，开展本课题研究是十分必要的。4 第一章绪论1.2.2为飞来峡二、三线船闸的设计和管理提供依据飞来峡水利枢纽船闸工程是北江整治工程中的重要节点工程之一，是北江内河航运的咽喉，为自上而下的第四个水利水电枢纽，其通过能力将直接影响北江航运的规模，建设飞来峡枢纽二、三线船闸工程是打造“北江黄金水道”的关键，其通航地位十分显赫。随着广东省沿海产业结构调整，北江流域经济得到较快发展，物资运输量快速增加，但由于北江航道等级低，通航船舶吨位小，受来流影响，一些航道水深小，船闸通航时间短，这些因素严重影响北江水运事业发展，也制约了沿江地区的经济发展。经过各方面充分论证，决定对北江航道进行升级，飞来峡枢纽至少需新建两座船闸才能满足预测通过量要求，需新建二、三线船闸。拟建的飞来峡二、三线船闸均按1000t级船闸（Ⅲ级船闸）设计，闸室有效尺度为220m×34m×4.5m（闸室有效长×宽×门槛水深，下同），设计采用的输水系统均较为简单，其船闸水头已超过了美国WES的相关规定，船闸起始水深又达不到美国WES对该类输水型式要求。因此，满足设计要求的充泄水时间和船舶停泊条件有一定难度。且船闸采用相互灌泄水设计，船闸省水运行时，连通阀门的启闭速度直接取决于省水效果及船闸的通过能力。通过对相互灌、泄水船闸的输水系统布置、运行方式、水力特性、省水效率等方面的研究和比较分析，选择合适的闸室消能工布置型式，使停于闸室内的船舶系缆力符合设计规范，为船闸设计提供依据，使建成的飞来峡二、三线船闸能够高效、节能、安全运行。因此，开展本课题的研究是十分必要的。1.2.3促进船闸水力学学科的发展飞来峡二、三线船闸所采用的双线船闸相互灌、泄水运行是我国首创一种省水运行方式，与带有调节水池的省水船闸相比，双线相互灌、泄水船闸主要解决了以下四个问题：一、合理确定工作阀门及互通阀门的开启速度，保证设计要求的充泄水时间、船闸通过能力及最大节水量；二、该运行工况下，保证闸室内船舶停泊及阀门后的工作条件安全；三、双线船闸共用一个上、下引航道水域，确定合理的引航墙及消能工布置；四、解决双线船闸相互灌、泄水出现超出规范要求的纵横向流速、回流流速、水位波幅、人字门反向作用水头过大等问题。分别从输水系统水力学、输水阀门水力学和引航道水力学三个方面对相互灌、泄水船闸水力学进行了全面的分析和研究。国内外对相互灌、泄水的工程实践和理论研究都比较少，因此，开展本课题的研究是十分必要的。随着我国水力资源的不断开发，船闸事业的发展趋势是增大船闸尺度，同时发展双线和高水头船闸，势必会对船舶安全过闸提出更高的要求。加深对船闸水力学学科的研究，促进船闸建设中关键技术的发展，能有效的提高船舶过闸速5 重庆交通大学硕士毕业论文度，减少干扰，从而缩短船舶一次过闸时间，提高通过能力。特别是双线相互灌泄水船闸，如果将来与高水头船闸相结合，不仅能节约过闸耗水量，而且能有效降低工作水头，减少梯级，提高船舶过闸的安全性，发展前景十分广阔。1.3研究的动态和发展现状1.3.1船闸输水系统及水力学的发展船闸输水系统经历了几百年的发展历史，最初的输水系统型式十分简陋，仅能适应很低水头和尺度较小的船闸，从19世纪开始，船闸上开始应用圬工结构及钢结构，开始采用闸门直接输水、门上开孔口输水和短廊道集中输水系统型式，但适用的工作水头也仅几米，闸室尺寸也不大。到20世纪，随着近代工业和水工模型试验理论的日趋成熟，船闸的输水系统快速发展。在这一时期，各种集中输水系统的型式不断出现，能适应的船闸尺度和工作水头也逐渐增大。尤其从20世纪50年代以后，输水系统的发展进入了一个新的阶段，出现了长廊道分[7-8]散输水系统以及适应高水头、大型船闸的等惯性输水系统，使输水系统的设计逐步完善。船闸输水系统发展至今，其型式众多，概括起来可以分为两大类：集中输水系统和分散输水系统。分散输水系统又分为简单式、较复杂式和复杂式三种，其中，较复杂式这类分散输水系统的布置型式较多，它针对简单式存在的特点，采用便于水流在闸室内均匀分布、阀门单边开启影响较小的闸底廊道短支孔出水。其闸底廊道可以纵向或横向布置，输水支孔可以设在廊道顶部，也可以设在廊道两侧。前者的支孔或顶缝出口上采用盖板消能，后者常采用明沟消能。在布置上，较复杂输水系统型式仍采用与简单式相同的单区段供水或者简单的等惯性供水，因而单个支孔的水流分布仍将受到水流惯性的影响，存在不均匀性，船舶仍受到一定的波浪力。随着船闸建设的不断发展，针对船闸输水的特点，国内外学者进行了一系列的水力学研究，取得了大量的科研成果，在工程水力学的基础上，发展成了船闸[9-10][11]水力学这门学科。前苏联学者Ε．Д．卡洽诺夫斯基的“船闸水力学”和比[12]利时列日大学教授N．M．德乌斯的“通航船闸”，通过对比进行了较为全面的闸述；美国WES也编制了有关船闸水力学设计准则。船闸输水系统型式的选择标准是船闸输水系统整体水力学研究的一个重要方面，美国、前苏联与中国的制定标准的出发点各不相同。美国将船闸的水头划分为极低水头(0m~3.5m)、低水头(3.5m~12.2m)、高水头(12.2m~30.5m)、极高水头(30.5m以上)四个级别：极低水头条件下采用集中输水系统；低水头条件下采用闸墙廊道短支管或闸底横支廊道输水系统；高水头条件下采用闸底纵支廊道等惯性6 第一章绪论输水系统；极高水头超出了陆军工程兵团的经验范围，初步设计可采用高水头船闸的设计，并需进一步进行试验研究。前苏联着重从工程投资的角度进行考虑，认为在水头低于15m条件下，集中输水系统较分散输水系统的工程造价可降低10％~60％，建议当L×H<2000及H/hk(L—闸室长度，H一船闸的设计水头，hk一闸室槛上水深)时无需论证就采用集中输水系统，当水头超过18m、20m时，才考[13-15]虑采用分散输水系统。我国在船闸输水系统的选型标准上综合考虑了船闸设计水头和输水时间两大因素，通过计算判别系数m值(m=T/√H，H为设计水头，T为闸室灌水时间)进行初步选定。根据《船闸输水系统设计规范》[16](JTJ306．2001)的规定，m>3.5时，采用集中输水系统；m<2.5时，采用分散输水系统；m为2.5~3.5时，应进行技术经济论证。在船闸输水系统型式确定之后，需根据船闸输水系统的基本尺寸、廊道高程和布置细节等进一步进行输水系统水力学计算。美国陆军工程兵团水道试验站(WES)1975年提出了预测校正法，并依此开发出了H5320、H5321和H5322水力计算程序。荷兰Delft水利实验室的JongR.J.研究并建立了闸门上开小孔的集中输水系统，研究在输水时闸室内船舶所受纵向力的数学及水力学模型。巴西[17-21]Mr.C.E.Almedia等在研究土库鲁伊船闸时，采用的SEEECl数学模型等。南[22-24]京水利科学研究院开发了多种船闸输水系统非恒定流数学模型，如单级船闸输水系统水力分析及数据库软件系统、船闸输水水力分析专家系统、连续多级船闸补溢水数学模型、带调节水池船闸水力计算数学模型、考虑水弹性影响的输水系统非恒定流数学模型、复杂分散输水系统数学模型和船闸人字门动水阻力数学模型等，在船闸工程中得到了广泛应用。我国在二十世纪七十年代末、八十年代初，编制了适合我国国情的船闸规范，并出版了一些专著、总结和文献。自80年代以来，随着我国一些高水头船，如三峡双线五级船闸、葛洲坝1、2号船闸，福建沙溪口和水口船闸，湖南[25-30]五强溪、江西万安船闸的建成，我国船闸水力学的研究水平已步入世界前列。研究船闸输水系统水力学特性的手段主要有：物理模型试验、数学模型模拟和原型观测三种。在船闸设计与研究阶段，物理模型试验和数学模型计算的结果是指导船闸设计方案选择的主要依据，其中物理模型试验的结果占有重要地位。船闸输水系统物理模型试验的研究内容一般包括：闸室灌(泄)水水力特性曲线、船舶系缆力、输水廊道压力、闸室灌(泄)水时间及水面升降速度、闸室灌(泄)水末期闸室水位惯性超高和超降特性等。船舶系缆力是衡量闸室内水流停泊条件的主要指标。试验测得的船舶系缆力能否准确模拟船闸建成后闸室内的船舶系缆力，取决于船模与船舶原型之间几何相似、重力相似、运动相似、水动力学相似等相7 重庆交通大学硕士毕业论文[31-33]似条件的满足程度。闸底长廊道短支孔出水、闸底长廊道分区段出水和闸墙长廊道横支廊道出水都属于分散输水系统型式。其输水性能的好坏直接影响到船闸的通过能力，以及过闸船舶、船闸及其附属结构物的安全。选择具体的输水系统型式时，还应考虑到船闸的规模(航道的级别)、船闸在枢纽中的位置和地质条件、闸首和闸室的结[34-35]构型式以及工程造价等诸多因素。较合理的输水系统应该是：闸室的灌、泄水时间较短，能满足船闸通过能力的要求，船舶在闸室及引航道内具有良好的停泊条件和航行条件，同时船闸运行费用和工程造价均较低。国外较早采用闸底长廊道输水系统的船闸有尼日利亚的康杰船闸及美国1934[36]年建成的老邦纳维尔船闸。其中康杰船闸采用侧支孔出水明沟消能布置型式，而老邦纳维尔船闸采用顶支孔出水，但由于其出水孔上方未设消能盖板，且输水阀门采用了正向弧形门，输水时有大量空气由阀门井进入闸室，为了改善水流条件不得不延长输水时间以保证闸室停泊条件，1986年又重建新船闸代替老船闸。我国对闸底长廊道输水的试验研究始于60年代中期，首先投入运转的是浙[37]江富春江七里垅船闸，它采用闸室中段顶支孔加消能盖板布置型式，共布置15个出水支孔，出水段长度56m，占闸室长度的55%，支孔宽度不等，自上游至下游方向分5组，分别为0.30m、0.25m、0.20m、0.15m及0.10m。总出水支孔面积与主廊道面积以及阀门面积的比值分别为1.28及2.19。2012年又实施了富春江船[38]闸改扩建工程，新建船闸规模较大，水头较高，经试验研究确定，采用闸底长廊道侧支孔出水输水系统布置型式。重庆西南水运工程研究所通过闸底长廊道顶[39-40]缝输水系统和闸底长廊道侧向短支孔输水系统的对比试验，研究了两种输水系统所具有的不同水力特性。2011年通过嘉陵江新政船闸闸底长廊道侧支孔出水[41]输水系统模型试验，研究出水支孔的型式、管径与排列，消能沟设置盖板等对改善闸室水流条件的影响。闸底长廊道侧支孔输水系统应用比较广泛，至今我国采用这种输水系统型式的船闸有七里泷、沙溪口、五强溪、飞来峡一线、桂平二线、长洲三、四线等，其中大部分进行了模型试验研究，部分还进行了原型观测，见表1.1。8 第一章绪论表1.1国内部分采用闸底长廊道输水系统型式的船闸船闸尺寸最大水起始水输水时T序号船闸名称（长×宽）头深m间（min）H（m）（m）（m）1七里垅船闸100×14.419.02.511.362.602沙溪口船闸130×1224.22.511.672.373东西关船闸120×1624.553.012.372.504王甫洲船闸120×1210.02.57.922.50*5五强溪船闸135×1642.53.39.411.446飞来峡一线船闸190×1614.493.08.832.327红花船闸180×1817.713.012.623.008桥巩船闸120×1224.653.012.02.429桂平二线船闸280×3410.55.68.92.7510峡江船闸180×2315.73.89.52.40长洲三线四线船11340×3417.285.812.22.86闸12金盘子120×1219.042.511.152.5613富金坝船闸120×1214.02.510.12.671.3.2省水船闸的研究发展省水船闸是一种经济、快捷且符合生态要求的通航建筑物型式，省水船闸具有降低工作水头、减少船闸耗水量的特点，适合我国落差大、枯水季节缺水的内河河流。省水船闸应用在高落差的河流中优点突出，可成倍降低阀门工作水头并且能有效解决在水源贫乏河段农业、发电、航运三者之间的矛盾。传统意义上的带调节水池船闸和省水船闸输水系统是在船闸的上、下游与闸室之间布置中间水池，灌泄水时水体经过中间水池交换，改变了左右水头的水头差，以达到消减船闸工作水头的目的。其中，前者布置的中间水池主要用于船闸水头分级及降低阀门工作水头，后者不但可降低水头，通过设置的水池数量和体积，还可不同程度的节约船闸耗水量。由于船闸用水量较大，运行中容易与枢纽发电产生用水矛[42]盾，因而在小河流域的枢纽上，建设省水船闸具有明显的优越性。目前水运工程中，具有省水功能的通航建筑物船闸，其主要型式有：带调节水池的省水船闸、不待航船闸、灌(泄)水共用互补的双线船闸、具有中间渠道的[4]船闸等。1、带调节水池的船闸带调节水池的省水船闸工作原理如图1-3所示。一般在船闸边上设几级蓄水池，当船闸泄水时，不是直接泄向下游，而是先泄向蓄水池。泄水的顺序是：先泄向高处的蓄水池，再依次泄向低处的蓄水池，多余部分泄向下游。船闸充水时，先从蓄水池向闸室充水。充水的顺序恰好同泄水顺序相反，首先从低处的蓄9 重庆交通大学硕士毕业论文水池向闸室充水，然后再依次到高处的蓄水池。同样，蓄水池的水不足部分由上游补充。图1-3带调节水池的省水船闸工作原理1）灌水过程灌水初期，当闸室水深为0m（不含起始水深，以下同），A、B和C省水池装满（如图1-3-b）:(1)先由A池向闸室灌水，A池泄空即闸室第a区域灌满，关闭A池阀门，同时打开B池阀门。此时，闸室水深1/6h左右；(2)B池继续向闸室灌水，B池泄空即闸室第b区域灌满，关闭B池阀门，同时打开C池阀门。此时,闸室水深为1/3h左右；(3)C池继续向闸室灌水，C池泄空即闸室第c区域灌满，关闭C池阀门，同时打开上游廊道阀门。此时,闸室水深为1/2h左右；(4)闸室剩余水体(第d区和第e、f区)由d、e、f池通过廊道将闸室灌满；采用此运行方式，A、B、C及上游阀门的最大工作水头均在1/6h左右，即将总水头减少了80%。2）泄水泄水前，闸室水深h，A、B、C省水池无水。泄水过程与灌水过程恰恰相反。在蓄水池级数相同的条件下，蓄水池占地面积越大，省水率越高。同样，在相同占地面积的条件下，蓄水池级数越多，则省水率越高。增加蓄水池级数的省水效果比增加蓄水池面积明显得多，但超过三级以后，省水效果明显下降。这是德国的省水船闸一般是蓄水池面积等于闸室面积，且只设三级蓄水池的原因之一。无论灌水还是泄水，都相当于把工作水头分成几级进行，从而降低了船闸工作水头，解决了一系列与工作水头相关的难题。10 第一章绪论图1-4省水船闸典型横剖面示意图2、不待航船闸不待航船闸是将一般船闸的集中水头划分为多级,形成一连续多级低水头船闸。划分水级大小,以能使船舶过闸时与船闸的灌(泄)水、闸阀门启闭同时进行,闸室就是航道的本身。船舶的航行速度与闸室长度、输水时间、闸阀门启闭时间有关,它们之间要相互协调配合,使船舶能不停顿过闸。不待航船闸节约航运用水，当船舶每过一次它的耗水量仅为单级船闸的1/4。3、灌(泄)水共用互补的双线船闸目前我国一些船闸为复线船闸，为节省用水，在增添复线船闸以及在设计双线船闸时，可采用灌(泄)水共用互补的双线船闸型式。即在并列的两个闸室之间,用输水廊道沟通,并设置阀门加以控制。4、具有中级渠道的船闸在两个船闸之间，用中间渠道联接，则在船舶过闸过程中,每闸次耗水量为单级船闸，但具有中间渠道的船闸输水时，在中间渠道中产生特殊的水力学问题较为复杂，如灌(泄)水非恒定流在中间渠道内长波运动，产生波的反射、叠加等。省水船闸不仅节约水资源，还可利用每次船舶过闸，放水和注水，通过发电机组回收电能，接入电网。回水泵由电网直接供电工作，把水部分回抽到上游水库，从而达到兼顾省水和发电的目的。由此可见，在进行耗水量较大的船闸设计中，如能在满足船舶安全过闸基础上采用省水式船闸，将会产生可观的经济效益和社会效益。11 重庆交通大学硕士毕业论文图1-5省水船闸利用发电示意图国外第一个试探性采用特色方法节省船闸耗水量的是法国人卡莱利尔，他曾为法国罗亚尔河上的乌博埃船闸作了省水船闸试验。德国在19世纪80年代就开始兴建省水船闸，是研究和实践省水船闸最多的国家。经过一个多世纪的不断实[43-46]践，其输水系统、船闸运行方式及输水水力特性上达到了较高的水平。同时，德国也是建造省水船闸数量最多的国家，如在莱茵河~多瑙河运河上，从莱茵河的班蓓尔到多瑙河的凯尔海姆全长171km，水位差高达243m，共建造了19座船闸，其中13座为省水船闸。在一些具有分隔水域的河渠上，当不得不用泵从下游河段抽水时，节水就显得特别重要，中德意志运河、易北河连接运河以及最大的跨国水道莱茵-美茵-多瑙河上的许多通航船闸都采用了分层蓄水池。通过一个多世纪的不断实践，德国省水船闸输水系统布置、船闸运行方式以及输水水[47]力特性等研究及运用均达到了较高的水平。表1.2德国已建部分船闸水力参数省水池每个闸室水船闸尺寸（m）面积与省水时水头闸室省水率位平均船闸名称闸室面间（m）的省（%）上升积（min）水池2（m）宽度长度（m）格雷森6.378.672.54/20.948.010.00.64（小船闸）明斯特6.208.672.54/21.5354.75.01.24（1号）明斯特6.2010.0171.04/21.0850.912.00.52（2号）尼德芬诺8.9310.068.06/31.060.06.01.49格雷森6.3710.0172.04/21.252.020.00.32（大船闸）哈芬船闸7.6510.083.02/21.052.020.00.3812 第一章绪论省水池每个闸室水船闸尺寸（m）面积与省水时水头闸室省水率位平均船闸名称闸室面间（m）的省（%）上升积（min）水池2（m）宽度长度（m）明登井式船闸12.7010.085.016/41.066.77.01.81贝沃根8.1010.0173.44/21.2752.820.00.41亨利兴堡13.5010.0100.010/51.071.430.00.45（1号）明斯特6.2012.0234.52/21.0450.517.00.37（3号）明登下游船闸6.4012.585.02/21.050.015.00.31安德藤14.7012.0225.050/51.071.418.00.62博尔楚姆8.0012.082.52/21.554.515.00.53叙尔费尔德9.0012.0226.26/31.060.016.00.56梅彭7.5012.0173.52/21.050.012.00.63（大船闸）梅彭7.5012.0105.202/21.050.08.00.94（小船闸）班贝格10.9512.0200.893/31.058.412.40.88施特伦多夫7.4112.0200.061/11.8237.67.90.64豪森12.012.0200.102/21.048.812.10.99埃尔朗根18.3012.0200.833/31.059.016.21.13克里根布隆18.3012.0200.833/31.059.016.21.13纽伦堡9.4012.0200.831/11.032.39.21.02于尔岑23.0012.0190.003/31.2860.012.01.94埃尔巴赫19.4912.0199.633/31.059.115.51.26利尔施泰藤24.6712.0199.633/31.059.315.01.64埃克米伦24.6712.0200.073/31.059.315.21.62希尔波尔特24.6712.0200.073/31.059.315.21.62施泰因24.6712.0200.073/31.059.315.21.62迪特富特17.012.0199.743/31.058.915.01.13巴赫豪森17.012.0200.093/31.058.915.01.13贝兴17.012.0200.093/31.058.915.01.13在我国，省水船闸虽然应用极少，但是多年以前就进行过设计和研究。如1959~1960年间，天津大学在长江三峡船闸研究中就省水船闸方案设计报告及三峡船闸省水问题的分析；1977~1979年间，南京水利科学研究所受安徽省交通局[48]港航工程处委托，进行了郑家岗省水船闸模型试验；1981年天津水运工程科学研究所结合南水北调中穿越黄河的平交方案，作了国内省水船闸有关问题的总[49-结；进入21世纪以后，重庆交通大学进行了乌江银盘省水船闸水动力学研究50]；山西水利水电勘测设计研究院进行了桂林市春天湖双线双向省水船闸运行研[51]究；南京水运工程科学研究院进行了西江航运干线长洲水利枢纽三线、四线船[52]闸输水系统研究。这些研究为省水船闸的应用打下了基础。13 重庆交通大学硕士毕业论文作为我国第一座完全按近代省水船闸原理设计和运行控制的船闸输水系统整体模型，乌江银盘36.5m高水头枢纽工程提出了带两级省水池的船闸方案，带有省水池的船闸降低阀门工作水头是解决高水头船闸技术难题的一种尝试，试验结[53]果表明，通过合理拟定阀门开启方式和控制省水池水位变幅，将总水头降低一半左右和减少船舶每次过闸耗水量45%以上的设想是可行的，并且闸室的灌泄水时间、船舶系缆力等技术指标均满足规范和设计要求。其成果不但可供银盘船闸设计参考，且可成为我国今后省水船闸及高水头船闸设计及研究提供宝贵的借鉴。带有连通阀门的相互灌泄水船闸至今在国外尚无系统研究，我国首次且比较系统的尝试是对广西西江长洲三、四线船闸的研究。2011年南京水利科学研究院[54]进行了长洲水利枢纽三、四线船闸输水系统水力学模型试验研究，其通过在两闸室主廊道间设有连通廊道相互灌泄水，船闸在双线双向省水运行时，并排布置的两闸室互为蓄水池，通过连通廊道由一闸室向另一闸室注水待两闸室水位齐平后，再各自充（泄）水，达到设计水位，使省水率高达48%，是船闸史上的省水之最，且不用另设蓄水池。其主要研究灌泄水阀门及连通阀门的开启速度、连通阀门关闭时两船闸闸室的水位差等，其结构布置和运行方式都有明显的特点，双线双向省水运行时，省水效率之高在国内也未见先例。航运发展与水利水电建设相结合对水资源综合开发利用，水运节能减排具有重要的意义，船闸的耗水量较大。发展省水船闸及其通航设施能有效解决枯水期水资源贫乏河段农业、发电、航运三者之间的矛盾，对于充分利用和保护水资源具有重要的意义。省水船闸已被广泛应用于德国的运河天然河流工程中，在德国的航运建设中起着举足轻重的作用。目前，省水船闸在我国还处于起步阶段，随着国家提出的交通航运可持续发展战略和对节能减排工作的推进，必将进一步推进我国省水船闸的建设与发展。1.4研究的内容和方法1.4.1研究内容（1）飞来峡二、三线船闸输水系统的布置①根据船闸建设规模，确定输水系统总体布置，包括输水系统型式、主廊道、阀门段廊道尺寸、出水段长度、支孔尺寸、高程、间距和阀门型式的合理布置；②确定闸室消能明沟的型式、尺寸、高程、间距；③相互灌泄水输水系统工作原理。（2）输水系统水力学特性计算14 第一章绪论①根据连续方程，推导出能描述船闸输水过程的非恒定流方程组，并给出数值计算方法；②利用数值分析方法，对基本水力参数进行估算，并验证所建数学模型是否合理；③对两种运行方式：单线普通运行和双线省水运行，进行水力特性计算；④对两种运行方式下的数值计算结果进行分析。（3）输水系统物理模型试验研究①建立物理模型，并对两种运行方式下的试验工况进行分析；②利用物理模型试验，分别在两种运行方式下，测定闸室灌泄水时间、水力特性曲线、停泊条件和廊道压力；③对单线普通运行和双线省水运行试验成果进行对比分析，并推荐两种运行方式下合理的运行工况。（4）相互灌泄水省水特性及通过能力①分析计算相互灌泄水船闸的省水量；②分析计算船闸通过能力。1.4.2研究方法和技术路线（1）本研究采用船闸输水过程仿真数学模型和整体物理模型试验相结合的方式研究相互灌泄水船闸水力学特性。通过查阅国内外有关资料，经过整理、分析、归纳和总结已有的国内外有关省水船闸水力特性的研究成果，借鉴有益的方法和经验，为本项目提供基础的研究资料。（2）通过经验公式选择合适的输水系统布置类型，确定船闸各部位尺寸并进行验证，利用数学模型对确定尺寸的船闸进行水力特性计算。（3）建立比尺为1:30的物理模型，研究船闸闸首阀门及连通廊道阀门的各调度组合，并确定最佳的组合方式，测定输水系统各项水力性能、参数，过闸船舶（队）在闸室内的停泊条件和廊道压力，并对试验成果进行对比分析，提出改进措施及建议。（4）研究相互灌泄水船闸省水效率及通过能力，并计算船闸省水量为枢纽带来的发电效益。根据输水系统水力学特性计算和物理模型试验成果提出船闸输水系统布置、各部位的尺寸设计及船闸运行管理的建议。15 重庆交通大学硕士毕业论文第二章飞来峡二、三线船闸输水系统布置研究2.1船闸建设规模飞来峡水利枢纽坝址位于北江干流中游飞来峡区黄洞村旁弯曲河段，下距清[4]远城区33km，上距英德城区50km，为自上而下的第四座水利水电枢纽。该工程于1999年10月全部建成投入试运行。工程任务以解决北江下游广州、佛山地区的防洪为主，兼顾航运、发电、水产养殖和旅游。枢纽渠化北江干支流116km，与上游白石窑、蒙里、孟州坝三座梯级衔接，实现飞来峡至韶关165km的渠化，航道等级提高，通航船舶从50t~100t提升到300t~500t。二、三线双线船闸布置在右岸软基段土坝末端与1#副坝之间山头处，二线船闸中心线桩号（按枢纽坝轴线原起点）为2+715.86，三线船闸中心线桩号为2+801.86，上闸首前沿大致与现有坝顶公路延伸段中心线重合，船闸主体建筑物全部位于山体中开挖而建。双线船闸采用平行并列、共用引航道布置，引航道宽度为120m，船闸闸室净宽34m，二、三线船闸中心线距离为86m。飞来峡新建船闸轴线位置示意图见图2-1。图2-1飞来峡新建船闸轴线位置示意图16 第二章飞来峡二、三线船闸输水系统布置研究飞来峡二、三线船闸上游引航道距上闸首234.5m起向左偏转转弯，进入右岸河槽，弯曲半径400m，圆心角16°，然后再接一个弯曲段与上游库区航道衔接，口门区宽度150m。下游引航道距下闸首222.5m起向左偏转转弯，航道宽度在弯曲段从120m扩宽至150m，停泊段布置在弯曲段后直线段，然后，穿过S377省道、黄洞防洪堤支堤，从高田河河口处穿出，靠右侧偏转与下游航道衔接。飞来峡二、三线船闸总体布置效果图见图2-2.图2-2飞来峡二、三线船闸总体布置效果图确定新建的二、三线船闸并列布置于枢纽右岸，按1000t级船闸（Ⅲ级船闸）建设，船闸有效尺度220m×34m×4.5m（闸室有效长×宽×门槛水深，下同），两座船闸单向通过能力合计为4332万吨/年，可满足预测的2040年单向水路货运通过量3530~4110万吨的需求。船闸上游最高通航水位为24.81m（枢纽正常蓄水位），最低通航水位18.81m；下游最高通航水位22.26m，最低通航水位10.37m。船闸最大设计水头14.44m。2.2输水系统类型选择船闸输水系统分为集中输水系统和分散输水系统两大类型。集中输水系统是指船闸的灌、泄水系统分别布置在上、下闸首，因此，这种输水系统也称闸首集中输水系统。分散输水系统对闸室的充、泄水是通过分别设在闸室底部或闸墙内的长廊道和一系列出水口进行的，故水流条件较好，但水工结构较为复杂，造价17 重庆交通大学硕士毕业论文较高，国外称这种结构型式为纵向廊道输水系统。这两种输水系统型式的水力特征和结构布置要求差异极大。目前对于输水系统的选型，我国船闸设计规范推荐根据船闸水头H(m)与输水时间T(min)来初选输水系统型式：Tm(2.1)H当m3.5，采用集中输水系统；m2.5，采用分散输水系统；m2.5~3.5，应进行技术经济论证，参照类似工程选定。根据《船闸输水系统设计规范》（JTJ306~2001）输水系统类型的选择公式计算所得飞来峡二、三线船闸m值为2.11～2.63，考虑到本船闸的闸室尺度较大，且对运行效率要求较高，单边开启输水时闸室出流均匀情况，并参考类似工程，推荐飞来峡二、三线船闸采用第二类分散输水系统。这一类输水系统的布置型式主要有以下几种：（1）闸底长廊道短支孔（管）出水。这种型式是将主廊道设置在闸室底板上，为单区段侧明沟消能多支孔输水，出流的横向分布和消能条件较好，可大大减少局部水流作用力。特别是对阀门开启不同步开启或单边阀门开启的适应性较好。（2）闸底长廊道分区段出水。这种布置在闸底设有多根纵向长廊道，每一根对称的长廊道只向闸室的一个区段输水。这种型式的优点是可以在简单的闸底纵向长廊道的基础上，实现多区段出水的要求。由于各区段出流量基本相同，闸室内水流纵横向分布较均匀，可以减小阀门开启初期的波浪力。（3）闸墙长廊道闸室横支廊道出水。这种型式是在闸墙长廊道短支孔出水基础上，将短支孔出水改成闸底横支廊道出水，即在闸底长廊道闸室中段布置横支廊道。横支廊道通常采用交错布置，以抵消横支廊道出流的不均匀。（4）闸墙长廊道闸室中心进口水平分流、闸底纵支廊道二区段出水。这种布置为二区段等惯性输水，水流自闸墙廊道至闸室中部通过分流口进入前后半个闸室。其分流口采用的是较为简单的、用垂直隔墩分配水流的水平分流型式，分流稍不稳定。通过对以上几种输水系统布置型式的比较研究，以及参考类似船闸输水系统布置经验，发现闸底长廊道侧支孔出水具有优良的水力特性，主要集中于以下几点：①由于不需要在闸墙内布置主廊道，闸室输水时，水流直接由布置在闸室底部长廊道上的支孔流入（出）闸室，不加大船闸闸墙结构尺寸，适用于断面尺寸18 第二章飞来峡二、三线船闸输水系统布置研究较小的衬砌式闸墙和整体式结构船闸，可节省闸墙工程量；②输水时水流由廊道侧面通过支孔进入闸室，淹没水深较大，水流消能条件较好；③由于中间廊道连通，可较好地适应阀门单边或不同步开启的工况；④由于输水廊道布置于闸室中部，支孔较容易出流于闸室两侧，因此，通过消力梁（槛）位置、透空孔口高度等布置来调整水流横向分配显得尤为重要。研究结果表明，只有消力梁（槛）位置、透空孔口高度等布置合理，才能够获得较满意的闸室水流条件。由此，国内的船闸设计规范把此类输水系统归结为“较复杂式”。据上述对国内外现状的分析可知，闸底廊道侧支孔输水系统可以应用于中高水头、尺度大、通航要求较高的船闸上。因此，飞来峡二、三线船闸采用闸底长廊道侧支孔出水的输水系统布置形式。2.3输水系统各部位尺寸确定分散输水系统在布置时应该遵循以下布置原则：（1）闸室出水段中心宜与闸室面积的中心重合；（2）输水系统的进出口应布置为流线型，以提高输水效率；（3）中高水头船闸的上、中闸首帷墙立面宜做成斜面，以避免当闸室水面上升至帷墙顶面平台时，水域面积有较大突变，从而恶化船舶的停泊条件；（4）分散输水系统的阀门段前后应有一段长度的直线段，以使水流均匀地通过。同时阀门段及以后的廊道顶部高程必须布置在下游最低通航水位以下，并有一定淹没水深，不容许参入大量空气而恶化船舶的停泊条件。（5）阀门段高程应满足阀门工作条件，门后廊道型式应根据工作条件选择，有不扩大、向上扩大和突然扩大三种型式，其布置应通过模型试验确定。（6）阀门后廊道压力较低时，上中闸首的下游检修门与工作门的距离宜大于廊道高度的3倍，必要时需在检修门井内做防止掺气的封闭措施。（7）输水系统的主廊道断面一般可大于输水阀门处廊道断面，以增大输水系统的流量系数。飞来峡二、三线船闸闸底长廊道支孔输水系统的具体布置，可参考国内外已有的研究成果，确定输水系统各部分的尺寸。（1）输水阀门处廊道断面尺寸根据船闸输水系统设计规范，二、三线船闸输水阀门处廊道断面面积可按以下公式进行计算：2(CHdd)T2g11kv（2.2）19 重庆交通大学硕士毕业论文22式中：ω为输水阀门处廊道断面面积（m）；C为计算闸室水域面积（m）；H为设计水头（m）；μ为阀门全开时输水系统的流量系数，可取0.70；T为闸室2充水时间（s）；α和kv为系数（可查表）；g为重力加速度（m/s）。2根据新建飞来峡二、三线船闸的基本资料可知：C＝250×34＝8500m，H＝14.44m，T＝8～10min；取d＝0.40m，μ＝0.70，α＝0.56，kv＝0.5。计算结果表2明，输水阀门处廊道断面面积需38～47m，考虑船闸输水要求高，取较大值。现2取输水阀门尺寸ω＝2～5.0×4.5（宽×高）＝45m。（2）连通廊道输水阀门处断面尺寸考虑到双线船闸布置的特点，将两线船闸闸底出水段廊道在闸室中间位置通过两根连通廊道相连，并设置阀门以控制两线船闸间的输水，连通廊道阀门段面2积为：2～5.0m×4.5m（宽×高）=45.0m，与输水阀门段廊道一致。连通廊道平面布置图和连通廊道断面布置图见图2-3和2-4.图2-3连通廊道平面布置图图2-4连通廊道断面布置图（3）主廊道及出水支孔断面面积阀门处廊道断面尺寸确定后，在选择主廊道断面与出水支孔的断面尺寸面积时，以下几个比值必须加以注意：20 第二章飞来峡二、三线船闸输水系统布置研究主廊道断面面积出水支孔断面面积出水支孔断面面积阀门处廊道断面面积、主廊道断面面积、阀门处廊道断面面积一般来讲，α值愈大，输水主廊道各段的损失愈小；β值愈小，各出水支孔之间出流越均匀，但出水孔段阻力相应增大；γ值愈大，出水孔段阻力损失愈小，表2.1给出了部分船闸α、β、γ的统计值。表2.1部分闸底长廊道支孔出水输水系统特征统计表阀门处廊出水支孔出水孔出水孔段长序主廊道面γ船闸名称道面积2总面积段长度度/闸室长α值β值号2积(m)2值(m)(m)(m)度(m)沙溪口船110.015.018.075.00.541.501.201.80闸长洲1#船1.37224.033.030.48114.00.600.921.27闸5王甫洲船38.08.011.0872.00.601.001.381.38闸五强溪船418.024.031.9660.00.501.331.331.77闸飞来峡船5闸（一18.024.024.3115.00.601.331.011.35线）七里垅船68.7515.019.256.00.551.711.282.19闸7康杰船闸24.4530.023.7696.10.491.230.790.978红花船闸16.6419.2018.4897.750.541.150.961.119桥巩船闸11.013.4411.7665.00.541.220.881.07通过分析表2.1可知，所有船闸的α值均大于1.0，而β值在0.79～1.38之间变化，γ在0.97～2.19范围。根据实际船闸运行情况和试验研究经验，经分析比22较确定，阀门处廊道断面面积为45m，闸室主廊道断面面积为60.5m，断面尺寸取为2～5.5m×5.5m（宽×高）。闸室主廊道中间设厚1.0m隔墙，50％左右的面积互通，以保证单边输水时出流均匀。为了减小闸室底板厚度，采用侧支孔出水，闸底主廊道出水段每侧设24个出水孔，分为3组，上游至下游孔口尺寸（宽×高）分别为0.90m×1.50m2（8孔）、0.80m×1.50m（8孔）及0.70m×1.50m（8孔），总面积为57.6m，这样α、β及γ值分别为1.34、0.95及1.28。支孔布置于闸底主廊道中部，为减少损失，支孔进出口应两侧面修圆，修圆半径为0.30m。为保证出水支孔水流平顺并减小出水支孔的形状阻力，出水支孔应有一定长度，这里考虑长度L为2倍左右的支孔最大宽度，取L＝1.5m。出水段支孔采用21 重庆交通大学硕士毕业论文分组、等间距布置，结合船闸结构分缝布置，确定出水支孔间距为6.0m，这样出水孔段总长为23×6.0m=138.0m，占闸室有效长度62.7%。（4）上闸首输水廊道和进水口布置上闸首廊道进水口采用导墙垂直多支孔布置，支孔喉部面积顺水流方向逐渐缩小，进水口顶高程12.31m，按最低通航水位计算，淹没水深6.5m，大于规范的0.4倍设计水头5.78m的要求；进水口面积按分散输水系统进口流速≤2.5m/s的要求设计。经以下公式初步估算：8CHQmax33T(2k)kvv（2.3）3二、三线船闸最大充水流量均为364m/s，考虑其喉口面积的缩小，进口总2面积不应小于150m。每侧导墙设5个尺寸为4.0m×5.5m（宽×高）的进水孔，总2面积为220m，其平均流速为1.65m/s。进水口通过鹅颈弯管与上闸首廊道相连接，工作阀门布置在二次转弯以下，而充水阀门后渐扩廊道直接与闸底主廊道相连接。工作阀门处廊道断面尺寸为4.5×5.0m（宽×高），廊道顶高程3.47m，淹没水深6.9m；上游检修阀门井与工作阀门井相距24.0m，下游检修阀门井与工作阀门井的距离根据规范要求取大于3倍廊道高度，取18.0m。工作阀门后的廊道采取逐渐向上扩大的型式，廊道高度由4.5m增加至5.5m，其扩大比为1：10。进水口平面布置图见图2-5，上闸首输水系统布置图见图2-6。图2-5进水口平面布置图22 第二章飞来峡二、三线船闸输水系统布置研究图2-6上闸首输水系统布置图（5）下闸首输水廊道和出水口布置下闸首工作阀门处廊道顶高程为3.47m，淹没水深6.9m，廊道断面尺寸为5.0m×4.5m（宽×高），工作阀门井与上游检修阀门井相距7.5m，与下游检修阀门井相距18.0m。为避免下引航道流速过大，下游廊道出水口采用格栅型式布置，出水口顶高程5.87m，淹没水深4.5m，大于规范1.5m淹没水深的要求。每侧导墙设2个尺寸分别为宽5.0m和4.5m（中间设隔墙）、高5.5m的出水孔，下闸首2出水口的廊道断面面积为104.5m，是主廊道面积的1.78倍。下闸首泄水廊道采用对称设计，全部泄于下引航道内。为了下游阀门后廊道出口水流均匀，考虑水流的惯性影响，下闸首廊道出口布置成不等宽断面：即内侧大，外侧小；每侧阀23 重庆交通大学硕士毕业论文门后的主廊道水平转弯逐步扩大为至下闸首出水口的2～(5.0+4.5)×5.5m（宽×高，下同）廊道断面，出口及消力塘均设中间导墙，考虑到下引航墙是非对称布置，因此，消力塘内设置了两根不等高非对称的消能梁，这样，保证使下引航道内水流扩散均匀。两侧廊道水流在下闸首消力塘内对冲消能，再经上面、侧面设有的格栅消能均匀水流后，进入下引航道。格栅出口的总面积与两侧出口泄水廊道面积比为2.5～3.0。下闸首输水系统布置图见图2-7，输水系统各主要尺寸见表2.2，输水系统整体布置图见图2-8。24 第二章飞来峡二、三线船闸输水系统布置研究图2-7下闸首输水系统布置图25 重庆交通大学硕士毕业论文表2.2输水系统特征尺寸2与阀门序号部位描述面积（m）面积比导墙上垂直6支孔进水口，喉部高度不1进水口2-5×4.0×5.5=2204.89变、宽度分级收缩上闸首工作阀2廊道顶高程3.47m，淹没水深6.9m2-5.0×4.5=451.0门段廊道上闸首充水主工作阀门后廊道高度由4.5m向上扩大至32-5.0×5.5=551.22廊道5.5m4闸室主廊道采用闸底长廊道，共2条2-5.5×5.5=60.51.34每侧共布置24个出水支孔，分为3组，2-由上游至下游支孔喉部断面尺寸（宽×（0.9×8+0.8×8+0.7×5闸室出水支孔1.28高）分别为0.9m×1.5m，0.8m×1.5m，8）0.7m×1.5m，：×1.5=57.6下闸首工作阀6廊道顶高程3.47m，淹没水深6.9m2-4.5×5.5=451.00门段廊道下闸首泄水主7工作阀门后廊道高度为5.5m2-5.0×5.5=551.22廊道采用格栅型式出水口，出水口顶高程2-（5.0+4.5）8出水口2.325.87m×5.5=104.526 第二章输水系统布置图2-8输水系统整体布置图27 重庆交通大学硕士毕业论文2.4输水系统消能工布置设置消能措施的目的，就是使船闸灌泄水时，消耗尽可能多水流的剩余能量，使闸室水面平稳，流速分布均匀，常见的消能工型式主要有廊道顶部盖板和廊道侧消能明沟两种。（1）盖板消能：在廊道顶部设盖板，能使支孔射流有效地在盖板固体边壁进行碰撞消能，其消能方式为出水支孔的突缩、突扩以及消能盖板阻挡水流所形成的水流扩散和漩涡，使盖板四周流场分布均匀，减小水流紊动，改善船舶停泊条件。但该消能工布置会增加闸室开挖工程量，相对明沟消能工而言，工程投资偏高。（2）明沟消能：对于船闸长廊道闸室明沟消能工布置，主要有单明沟和双明沟两种型式。试验研究表明，单明沟水流横向分配有一定的不均匀性，闸室中部水流较多，而两侧较少，中线附近水面有一定的雍高，设计船舶的横向系缆力不能满足要求。因此将单明沟消能调整为双明沟，使得水流在横向上能得到均匀的分配。由于消能明沟对水流的消能及二次调整作用十分显著，实际工程设计中，可根据明沟布置原则和船闸尺度调整明沟各部位尺寸，使明沟消能工达到最[53]佳的消能效果。国内闸底或侧墙廊道双明沟布置研究比较成熟，工程应用相对较广泛，为使闸室流态达到最佳效果，本次模型试验采用双明沟消能布置型式。支孔出口消能明沟对水流消能及二次调整的作用十分显著，根据规范要求，消能明沟宽度B宜大于支孔宽度的5倍，若取支孔平均宽度，即b=0.80m，这样有B≥4.0m。明沟挡槛高度D应大于出水支孔出流扩散后的高度，根据规范应满足D≥d0+0.24B，式中d0为出水支孔的高度，d0=1.5m，因此有D≥2.44m。最后，根据闸室宽度34.0m设置两道明沟，确定第一道消能明沟宽度B=4.0m，明沟深D=3.5m，第二道明沟底高程与第一道明布置为等高程，宽3.5m。同时，为使水流导向闸室中部，两道明沟间设有消力梁，其中消力梁透水孔高度为0.50m，孔宽为11m，孔距明沟底1.3m，两个透水孔间设1m厚的隔墩。闸室内流态可在模型中进行观察，闸室消能工布置图如图2-9所示。图2-9a剖面图28 第二章输水系统布置图2-9b平面图图2-9闸室消能工布置图2.5输水系统工作原理相互灌泄水船闸除节省船闸用水量、保护珍贵的水资源外，还具有降低船闸工作水头，降低阀门工作条件的技术难度以及简化阀门工作系统，改善上、下游引航道及闸室停泊条件的优点，但是其缺点是工程量较大，运行程序较复杂。飞来峡二、三线船闸有两种运行方式，即单线普通运行和双线省水运行。单线普通运行方式即每一线船闸按单线船闸运行，互不干扰。双线省水运行方式即两线船闸间通过连通廊道进行相互灌泄水，二线和三线船闸分别进行上行和下行过闸过程。双线省水运行时输水系统运行原理如下：一、当连通阀门完全关闭后再开启闸首阀门二线船闸向三线船闸灌水（或三线船闸向二线船闸灌水）灌水初期，三线船闸闸室内水深为0m（不含起始水深，以下同），二线闸室水深为14.44m，与上引航道水位齐平，两线船闸闸首输水阀门关闭。（1）开启连通廊道阀门，二线船闸向三线船闸灌水，直到两闸室水位齐平，此时水深皆为7.22m.（2）关闭连通廊道阀门，两线船闸闸室内水头各减小一半。（3）开启三线船闸上游输水阀门，由上引航道向闸室内灌水；同时开启二线船闸下游输水阀门，使闸室内的水泄向下引航道。（4）待三线船闸灌水、二线船闸泄水完成后，关闭输水阀门，此时，二线闸室内水深为0m，三线闸室内水深为14.44m。二、当两闸室间有一定水头差时关闭连通阀门二线船闸向三线船闸灌水（或三线船闸向二线船闸灌水）灌水初期，三线船闸闸室内水深为0m，二线闸室水深为14.44m，与上引航道水位齐平，两线船闸闸首输水阀门关闭。29 重庆交通大学硕士毕业论文（1）开启连通廊道阀门，二线船闸向三线船闸灌水，两闸室见水头差逐渐减小；（2）当两闸室间形成一定水头差时，关闭连通廊道阀门，同时开启三线船闸上游输水阀门由上引航道向闸室内灌水；开启二线船闸下游输水阀门；使闸室内的水泄向下引航道；（3）待三线船闸灌水、二线船闸泄水完成后，关闭输水阀门，此时，二线闸室内水深为0m，三线闸室内水深为14.44m。通过分析双线省水运行时输水系统工作原理可知，第一种运行方式，即连通廊道完全关闭后再开启闸首阀门，其操作程序较为简单，省水量最大，但是过闸时间太长，影响船闸的通过能力。第二种运行方式，即当两闸室间有一定水头差时关闭连通阀门，其操作程序较为复杂，需要同时操作的阀门较多，省水量较第一种运行方式减小，但是过闸时间缩短，从而提高通过能力。当上、下游船闸船舶再次过闸时，可按照相同的步骤依次进行，两线船闸灌泄水顺序正好相反。2.6本章小结本章内容根据飞来峡二、三线船闸的建设规模和双线船闸的布置特点，确定了船闸输水系统的类型，并且根据分散输水系统的布置原则和国内外已有的研究成果，确定了输水系统各部位的尺寸以及消能工布置型式。主要内容包括以下几个方面：（1）根据船闸设计规范计算的m值为2.11～2.63，推荐飞来峡二、三线船闸采用第二类分散输水系统；通过比较研究几种输水系统布置型式的，以及参考类似船闸输水系统布置经验，发现闸底长廊道侧支孔出水具有优良的水力特性，因此选择的输水系统类型为闸底长廊道侧支孔出水。（2）确定的输水系统各部位尺寸为，包括输水阀门处廊道断面尺寸；连通廊道输水阀门处断面尺寸；主廊道及出水支孔断面面积；上闸首输水廊道和进水口布置；下闸首输水廊道和出水口布置。（3）通过对比盖板和明沟两种消能工型式，确定输水采用双明沟消能工型式。（4）本次研究的船闸运行方式有两种，即单线普通运行和双线省水运行。针对较为复杂的双线省水运行方式的工作原理进行分析，为以后研究各工况下的水力学特性做准备。30 第三章输水系统水力学特性数值计算研究第三章输水系统水力学特性数值计算研究输水系统水力指标是船闸能否正常运行的关键。在船闸整体布置设计基本完成后，应根据闸室输水时间、船舶停泊条件及船闸安全运行的条件要求进行水力计算，并反复验算设计的科学性和合理性。3.1基本计算方程船闸灌泄水过程中，受水位差、阀门开度及阻力系数等影响，闸室水位、输水流量、能量等参数均随时间变化，输水廊道中的水流为非恒定流。廊道中流量从灌泄水初期为零逐渐上升至最大，最后又逐渐下降到零，在闸室和引航道内都将发生非恒定的水流运动，并引起所谓的长波运动。由于非恒定长波运动的波幅相对于水深总是很小的，因而在建立船闸灌泄水基本方程式时，一般都假定引航道水面是固定不变的，闸室水面是以水平面升降的。[56]船闸输水过程仿真数学模型按不同的处理方法可分为两类：即总流法和分流法。前者将船闸出水孔段概化为单孔情况进行分析计算，用于研究确定船闸输水过程中的总流量、闸室水位、输水时间等水力特征值；后者则直接考虑出水孔段各支孔的流量分配规律。根据Bernoulli方程，可以写出描述船闸输水过程的非恒定流方程组。22Q1Q2L1dQ1L2dQ2h1h2(1v1)2(2v2)2（3.1）2gA12gA2gA1dtgA2dtQQ200Q2L0dQ0L2dQ2h0h202(2v2)2（3.2）2gA02gA2gA0dtgA2dtdh1(t)Q1(t)S1（3.3）dtdh0(t)Q0(t)S0（3.4）dtdh2(t)Q2(t)S2（3.5）dtQ2(t)Q0(t)Q1(t)（3.6）式中，h为各闸室水位；A为各廊道计算断面面积；S为各闸室水域面积；Q为各廊道段的流量；为各廊道段阻力系数；v为各阀门阻力系数；L为廊道换算长度；g为重力加速度。船闸输水过程概化图如图3-1所示。31 重庆交通大学硕士毕业论文h1（t），S1H0（t），So补水水域补水阀门泄水水域0A0LH2（t），S2，t），输水阀门ζ0（0Q充水水域ζ2，L2，Q2（t），A2ζ1，L1，Q1（t），A1图3-1船闸输水过程概化图方程（3.1）～（3.6）是描述船闸输水过程的通用基本方程，对其进行适当的变化就可应用于单级和多级船闸的不同输水过程，如：(a)单级灌水运行：令v1，S0；(b)多级不补水运行：令v1；(c)单级泄水运行：令v1,S2；(d)多级补水运行（补水水域为上游水库）：S1。3.2数值计算方法对于方程组（3.1）～（3.6），可以采用差分法进行求解，写出差分格式22Q1(tt)Q2(tt)h1(tt)h2(tt)(1v1(tt)2[2v2(tt)]22gA12gA2L1Q1(tt)Q1(t)L2Q2(tt)Q2(t)gA1tgA2t（3.7）Q(tt)Q(tt)200Q2(tt)h0(tt)h2(tt)02(2v2(tt))22gA02gA2L0Q0(tt)Q0(t)L2Q2(tt)Q2(t)gA0tgA2t（3.8）h1(tt)h1(t)Q1(tt)S1（3.9）th0(tt)h0(t)Q0(tt)S0（3.10）th2(tt)h2(t)Q2(tt)S2（3.11）tQ2(tt)Q0(tt)Q1(tt)（3.12）32 第三章输水系统水力学特性数值计算研究用迭代法求解上述方程组，就可得到船闸输水过程的水力特征曲线，如流量过程线、水位过程线等。3.3基本水力参数估算输水系统布置完成后即可进行输水系统基本水力参数的计算。分散输水系统的基本水力参数主要包括：阀门开启速度、阀门全开后输水系统的阻力系数及流量系数、输水系统换算长度和闸室超高及超降。3.3.1阀门启闭时间和速度船闸灌泄水是船舶过闸的一个主要操作程序，输水系统的设计必须满足通航对灌泄水时间的要求。灌泄水时间的决定性因素就是阀门的启闭时间，所以确定合理的阀门启闭时间对缩短灌泄水时间、提高船闸的通过能力和加快水运经济发展都有着极其重要的意义。在阀门高度确定的情况下，只要确定了阀门的启闭时间，阀门的启闭速度也随之确定了。（一）阀门启闭方式研究阀门是封闭闸首通航孔口和输水廊道的挡水设施，当船舶过闸时，输水廊道和输水阀门构成的输水系统向闸室内灌水，使闸室水位上升；闸室向外泄水，闸室水位下降。停靠在闸室里的船舶靠浮力，随闸室水位的升降，与上游或下游水面齐平，达到克服水位差的目的。船闸的输水阀门在船闸运行过程中担负着齐平闸室与上游或下游水位的重任，是船闸运行过程中最重要也是最关键的设备。由于输水阀门的开启方式与闸室及上、下游引航道的长波运动、输水廊道内流量的变化以及阀门的工作条件等密切相关，因此研究阀门的开启方式是船闸设计及模型试验中必须进行的重要内容。一个好的阀门运行方式既可以保证船闸运行时输水系统各部位及闸室和引航道内船舶停泊和航行的安全，又可有效地缩短输水时间，从而提高船闸的航运效益。更为重要的是，调整阀门的运行方式是解决已建工程发生未曾预计到的各类水力学问题最经济、最快捷的有效措施。相互灌泄水船闸的特点是阀门多，启闭繁琐复杂，经常出现多个输水阀门同时开启工作的情况。当连通阀门在一定水头差下工作时，连同闸首阀门，一共有六个输水阀门同时工作，启闭时按照一定程序，一环扣一环，不能间歇。因此，确定一个合理的阀门启闭程序是船闸安全经济运行的重要条件。输水阀门的启闭方式是船闸运行过程中用以调控船闸各类水力学问题的有效手段。常用的阀门启闭方式有以下3种：（1）匀速启闭，即阀门以不变的速度进行启闭；（2）变速启闭，即阀门在启闭过程中，速度是变化的。变速启闭目前采用33 重庆交通大学硕士毕业论文的均为2次变速，即阀门以先慢后快或先快后慢的2种不同速度开启；（3）间歇启闭，即阀门启闭速度不变，但开启过程中有停留。第一种启闭方式的最大优点是控制系统简单，这对前期模型试验能够迅速地开展有着重要的作用。但是，阀门匀速启闭时，将出现短暂最大流量，造成闸室水流紊动，产生最大局部水流作用力。为了减少局部力，需改善输水系统布置和加设复杂的消能措施。而这种输水系统和消能措施，只能在短暂的时间里发挥作用，故影响停泊条件和工程造价。其次在阀门处产生空穴水流，造成气蚀破坏及声振等，与阀门后廊道收缩断面的流速有关，在断面积、水头及开度不变的情况下，只与流量有关。第二种和第三种启闭方式是利用阀门的操作方式来改变廊道输水的水力特性或闸室的停泊条件，使其满足船闸输水时的水力技术指标的要求。由于采用这两种操作方式不需要改变原有的结构型式及布置，因此，对于已建船闸，利用变速开启方式来改善输水特性则尤其方便和适用。经过上面的分析，再结合一些普通船闸的阀门启闭方式，本文采取了匀速的阀门启闭方式，并通过模型试验论证了这种启闭方式具有在保证闸室船舶停泊安全的条件下，缩短闸室灌泄水时间的优点。此外，由于相互灌泄水船闸的阀门数量比普通船闸多，所以相互灌泄水船闸的自动控制系统也相对比较复杂，而这种匀速的阀门启闭方式可以简化阀门的自动控制系统，减少阀门的检修时间，从而提高船闸运行的经济效益，保证船闸连续地运行。（二）主廊道阀门的启闭时间和速度确定主廊道内阀门的启闭时间和速度需要考虑几个方面的因素：（1）闸室内船舶停泊条件：充水时阀门开启速度由闸室内船舶所受的初始波浪力所决定，在充水流量最大时还应考虑局部水流作用力，其中前者可用公式估算，而后者只能由试验或与现有工程水力特性值比较分析确定。对于分散输水系统，可以不考虑闸室内船舶停泊条件对泄水阀门开启速度的影响。满足闸室内船KrωDW2gHtv舶所受的初始波浪力的输水阀门开启时间为：PL（ωcχ）式中，Kr为系数，ω为输水阀门段廊道断面面积；D为波浪力系数；W为船舶排水量；H为最大水头；PL为船舶允许纵向系缆力；ωc为初始水位闸室横断面面积；x为船舶浸水横断面面积；计算得tv＝180s～300s。（2）引航道停泊条件：阀门充水时应考虑上游引航道内船舶的停泊与航行条件，泄水时则要考虑下游引航道内船舶的停泊与航行条件。（3）阀门工作条件：阀门工作条件与输水阀门开启速度也密切相关，对于34 第三章输水系统水力学特性数值计算研究开敞式阀门应计算阀门后的水跃情况，对密封式阀门应计算阀门后的最低压力。综合以上因素以及相关设计规范对输水时间的要求，考虑阀门开启速度不能太快，采用初步计算的充泄水阀门开启时间为tv＝3min~6min，在下一步模型试验中可根据试验情况进行调整。（三）连通廊道阀门的启闭时间和速度连通廊道阀门的启闭时间是相互灌泄水时间的主要组成部分，阀门启闭时间确定的合理与否，对相互灌泄水船闸的整体设计和实际运用都是至关重要的。相互灌泄水运行方式下，由于每线船闸的输水过程被分了两个阶段，每个阶段的输水流量相比单线输水方式下将有一定程度的下降，各项水力指标也将相应降低，其闸室及引航道水流条件将优于单线运行方式，而其输水时间成为控制因素。因此，试验中考虑采用较快的连通阀门开启速度（2~4min）以缩短输水时间，而闸首的输水阀门则采用与单线运行方式下相同的开启方式（5min）以便于管理。此外，若待输水过程第一阶段完成后（即两线船闸闸室水位齐平）再进行第二阶段的输水，则整体输水时间将超出设计时间较多，因此，需采用在输水过程第一阶段末期在两线船闸间还存在一定水位差的时候开启充（泄）水阀门的运行方式，与此同时，关闭连通阀门以防止出现两线船闸间反向输水的现象。不同的连通阀门关闭速度及阀门关闭时两线船闸间的水位差都对整体输水时间有一定的影响。3.3.2阻力系数和流量系数流量系数是指在单位时间内、在测定条件中管道保持恒定的压力，水流流经阀门的体积流量，即阀门的最大流通能力，流量系数的大小跟阻力系数有关。对于闸门上开小孔输水、闸门门下输水以及三角门门缝输水的流量系数均认为是不变的，而输水孔口面积是变化的。对于廊道输水则认为在阀门全开以后的流量系数是不变的，而在阀门开启过程中，随着阀门开度的变化而变化，其计算公式为:1（3.13）tvnc式中——瞬时t，输水系统流量系数；tvn——与时间t相当的阀门开度为n时的阀门局部阻力系数；——阀门井或门槽的阻力系数，对平面阀门=0.25，对反弧形阀门=0；——阀门全开后除了阀门段以外的廊道阻力系数，包括进口、拦污栅、转c35 重庆交通大学硕士毕业论文弯、扩大、收缩等局部阻力系数以及沿程摩阻损失的阻力系数。正确计算船闸输水系统的流量系数较为困难，进行模型试验之前，采用公式计算及与已有试验研究成果相比较的方法予以确定。依据船闸设计规范的规定，计算结果见表3.1及表3.2。表3.3列出了几座与飞来峡二、三线船闸同类输水系统船闸的分段阻力系数和廊道尺寸特征值。表3.1建议输水系统布置的计算充水阻力系数及流量系数序号部位说明系数1进口段含进口损失及水平转弯损失0.3062阀门段含渐扩廊道段0.201出水孔与主廊道面积比0.94，3闸室出水孔段1.800主廊道与阀门面积比1.204总阻力系数2.3075流量系数0.658表3.2建议输水系统布置的计算泄水阻力系数及流量系数序号部位说明系数1闸室出水孔段闸室～出水段末端1.7612阀门段含突扩突扩廊道体0.1803出口段含扩大、出口及水平转弯损失0.5374总阻力系数2.4785流量系数0.63536 第三章输水系统水力学特性数值计算研究表3.3几座船闸输水系统充、泄水的分段阻力系数输水系1船闸名称桂平二线红花桥巩金盘子统充水阀门前0.1340.3470.6390.750阀门段0.3070.3210.3220.147闸室出水孔段充水1.9391.8002.0511.574（转弯段）充水廊道总阻力2.3792.1473.0072.471流量系数0.6480.6820.5770.639闸室出水孔段1.7611.0241.4631.920（转弯段）阀门段0.0930.180.7910.164泄水出口段0.8951.0280.5370.670泄水廊道总阻力2.7492.2322.7912.754流量系数0.6030.6690.5990.603由表可见，四个典型船闸的充泄水总阻力系数在2.15～3.01之间，流量系数在0.58～0.68之间。本船闸输水系统尺寸与上述船闸比较接近，所取的充泄水总阻力系数及流量系数与类似船闸相差不大。因此，所确定的输水系统布置及尺寸是合适的。泄水流量系数略偏小，但由于泄水时闸室水流条件十分平稳，下游引航道停泊段距下闸首距离又较远，泄水水力特性可调整余地较大，不是设计的控制条件。因此，在进行水力特性计算时均可取计算的流量系数值。估算的流量系数和布置输水系统时采用的流量系数值有一定的差异，如采用现估算的流量系数计算输水阀门面积，则计算值与输水系统设计的阀门面积有一定差别，但相差不大，因此不作进一步调整。3.3.3输水系统廊道换算长度在分散输水系统中，对于具有出水支孔段的输水廊道，由于出水支孔出流的影响，沿出水支孔段廊道的流量是变化的，廊道换算长度可按下式计算：nnvilnplili（3.14）i1vi1i37 重庆交通大学硕士毕业论文式中l——出水支孔段廊道的换算长度（m）;npv——出水支孔廊道第i段的流速（m/s）;iv——出水支孔段前主廊道的流速（m/s）;n——出水支孔数。由于分散输水系统中各支孔出流是不均匀的，而且是非恒定的，因而精确计算出水支孔的换算长度比较困难。在本次模型试验中，出水支孔数n大于15，出l水支孔廊道的换算长度np可取为该廊道长度的一半，即lnp=L/2=69m（L为出水支孔段廊道长度）。3.3.4闸室水面超高和超降对于分散输水系统来说，由于输水系统较复杂，其输水廊道较长，受惯性水头的影响，在船闸输水末期，会产生一定的超高和超降。较大的超高和超降会对船闸的运行产生许多不利的影响，如形成作用在闸门上较大的反向作用水头，而危及闸门及设备的运行安全。在闸门开启时，反向作用水头使水流经闸门孔口冲[57]出，恶化闸室内船舶停泊条件。我国葛洲坝船闸就曾发生此类情况，人字闸门被反向作用水头顶开，闸室内船舶因系缆力过大导致缆绳断裂，故必须对该问题进行研究。在船闸水力学计算中应按下列公式计算闸室超高及超降：2LnpdC（3.15）计算结果充水超高：d=0.40m；泄水超降d=0.32当闸室输水末期超高和超降较大时，应适当采取一定措施进行改善，限制其惯性超高和超降值，如提前关闭阀门，保证船舶停泊及启闭机的安全。3.4验证计算为验证船闸输水数值计算方法（方程3.9～3.12），利用贵港二线类似船闸1：30整体物理模型实测的水力特性曲线进行了验证。贵港航运枢纽坝址位于西江郁江河段贵港市上游6.5km处，是郁江综合利用规划十个梯级中的第九个梯级，是一座以航运为主、结合发电，兼顾其他效益的水资源综合利用工程。拟建的贵港枢纽二线船闸并列布置在现有一线船闸右侧，其尺度为280m×34m×5.8m（长×宽×门槛水深），正常蓄水位为43.10m，最低通航水位28.60m，设计最大水头为14.5m，采用较简单的侧墙长廊道支孔输水系统。二线船闸主要由上游引38 第三章输水系统水力学特性数值计算研究航道、上、下闸首、闸室和下游引航道组成，全长约1987m。船闸输水系统采用侧墙长廊道多支管分散输水形式。上闸首进口布置在两侧引航墙上，各设有6个垂直支孔，均在上引航道内取水。计算结果与模型实测值进行比较见表3.4和图3-2～3-3。表3.4数学模型计算值与模型实测值比较表输水时间（运s）最大流量（m3/s）阀门开启行时间tv情（min）实测计算况误差(%)实测计算误差(%)65755641.914354242.06充水76085893.134063981.9766396202.974724700.42泄水76606580.304454410.91图3-2模型实测与数模计算水力特征曲线比较（充水、tv＝6min）39 重庆交通大学硕士毕业论文图3-3模型实测与数模计算水力特征曲线比较（泄水、tv＝6min）由表3.4可见，数学模型计算的船闸输水时间、最大输水流量与模型实测的最大误差分别仅为3.13%和2.06%。由图3-2和图3-3可见，数学模型计算的闸室水位变化曲线吻合较好，流量变化曲线仅在最大流量出现时刻略有偏后，分析原因主要是数学模型中的平面阀门不同开度的局部阻力系数主要根据经验公式来估算与模型不同时刻的实际阻力系数略有差异，但对输水水力特征没有太大影响。因此，采用该数学模型进行船闸输水水力特性分析是准确、可靠的。3.5单线普通运行水力计算分析根据飞来峡二、三线船闸实际水位组合情况，上游最高通航水位24.81m～下游最低通航水位10.37m，水头14.44m，在进行输水系统普通运行方式水力特性计算分析时，将采用表3.5所列工况进行计算：表3.5单线普通运行水力特性计算工况闸首阀门上游水位下游水位计算工况输水方式开启时间tv1（m）（m）SFD3tv1=3min双边充水24.8110.37SFD6tv1=6minSED3tv1=3min双边泄水24.8110.37SED6tv1=6min注：tv1为闸首阀门启闭时间，其中，SFD3代表在设计水位组合24.81~10.37m下，单线船闸闸首阀门以时间tv1=3min均匀开启，双边充水工况。利用水力计算模型对单线船闸普通运行方式进行水力特性计算，经计算得到的各种运行工况阀门不同开启方式下的输水时间、最大流量以及闸室水位最大上40 第三章输水系统水力学特性数值计算研究升速度等特征值见表3.6，充泄水时对应的闸室水位变化过程线、流量变化过程线等特征曲线见图3-4。表3.6单线普通运行输水系统充、泄水水力特征值HuHdtv1TQmax计算工况3（m）（m）（min）(min)(m/s)SFD324.8110.3739.0451SFD624.8110.37610.0374SED324.8110.3739.6426SED624.8110.37610.5358注：tv1为阀门开启时间，Hu、Hd分别为上下游水位，T为闸室输水时间，Qmax为最大流量。图3-4a计算工况tv1=3min，双边充水图3-4b计算工况tv1=6min，双边充水图3-4c计算工况tv1=3min，双边泄水图3-4d计算工况tv1=6min，双边泄水图3-4单线船闸闸室水位流量过程线通过数值计算得到单线普通运行方式下各工况的闸室水位流量过程线，由这些水力特性曲线可知：（1）闸室充水时水位过程线为上升曲线，闸室泄水时水位过程线为下降曲线，且在充水和泄水中期曲线变化速率最大。（2）水位流量过程线为单峰型曲线，闸室充水时峰值靠前，闸室泄水时峰值靠后。41 重庆交通大学硕士毕业论文3（3）输水阀门分别以3min和6min均匀开启的最大流量为451m/s和333374m/s，最大泄水流量为426m/s和358m/s。由计算结果分析可知，阀门开启速度越大，闸室最大充、泄水流量越大，同时闸室水位上升和下降速度也越大，因此，为了保证输水阀门的安全和较好的闸室停泊条件，应将阀门的开启速度控制在合理范围内。3.6双线省水运行水力计算分析根据飞来峡二、三线船闸实际水位组合情况，上游最高通航水位24.81m～下游最低通航水位组合10.37m，水头14.44m，在进行双线船闸相互灌泄水水力计算分析时，将采用表3.7所列工况进行分析：表3.7双线省水运行水力特性计算工况连通廊道阀门闸首阀门连通廊道阀门开水头工况编号关门时两线船闸输水方式开启时间.tv1启时间tv2（m）间水位差hDF20～DF45tv1=5mintv2=2～4minh=0~5m14.44充水工况DE20～DE45tv1=5mintv2=2～4minh=0~5m14.44泄水工况注：tv1为闸首阀门启闭时间；tv2为连通廊道阀门启闭时间；h为连通廊道开始关闭时两线船闸间的水位差，以下同。其中，DF20代表14.44m水头，充水工况下连通阀门2min均匀开启，两线船闸水头差为0m的工况。在初步估算中，首先分别计算了上述两阶段的输水时间，发现若待第一阶段完成后再进行第二阶段的输水，则整体输水时间将超出设计时间较多，故在后续计算中采用了在第一阶段末期提前开启充（泄）水阀门的运行方式，并通过试算确定了提前开阀时的闸室水位。与物理模型不同，数学模型存在一些固有的缺点，对于输水过程比较复杂的局部区域，如连通阀门处，有时会出现反向水头作用的情况，往往很难较好反映出实际物理现象。一方面，数学模型很难真实模拟实物具有的结构特征，如阻力系数和流量系数，仅用一些经验系数值来代替；另一方面，数学模型在应用中受到很多限制，实际工程的模拟难以达到要求，如输水过程的数值计算就限制了时间步长。因此在工程中应该视实际情况对数学模型进行一些概化处理。由于双线省水运行分为两个阶段，每个输水阶段均可根据连续性方程来计算输水过程。在第一阶段输水时，由于水流由一个闸室流入另一个闸室，两闸室间水头差以较快的速度在减小，当连通阀门关闭时，由于水头差的存在，连通廊道内的流量不为零。因此，在进行数学模型计算时需要做两方面的假设：①在Δt时段内输水时，假设高水头闸室水位是不变的，用Δt时段内平均水位代替；②42 第三章输水系统水力学特性数值计算研究连通阀门关闭时，连通廊道内流量取关门过程中的平均值来代替。根据连通阀门开启时间的不同，分为三种计算工况，分别对闸室相互灌泄水水力特性进行计算分析。工况（一）：阀门启闭时间tv1=5min，tv2=2min，两闸室水头差h=2~5m表3.8工况（一）双线省水运行水力特征值33水头充水最大流量（m/s）泄水最大流量（m/s）水面最大上升工况编号差h第一阶段第二阶段第一阶段第二阶段/下降速度（m）QAQBQAQB（m/min）DF22、23502313502012.30DE22DF23、33502493502162.30DE23DF24、43502513502252.30DE24DF25、53502673502342.30DE25注：工况编号DF22代表双线船闸输水，连通阀门开启时间2min，两闸室水头差2m，闸室充水过程；根据计算结果，绘制闸室水位和流量过程线如图3-5~图3-8所示图3-5a闸室充水图3-5b闸室泄水图3-5闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=2min，h=2m）图3-6a闸室充水图3-6b闸室泄水图3-6闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=2min，h=3m）43 重庆交通大学硕士毕业论文图3-7a闸室充水图3-7b闸室泄水图3-7闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=2min，h=4m）图3-8a闸室充水图3-8b闸室泄水图3-8闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=2min，h=5m）工况（二）：阀门启闭时间tv1=5min，tv2=3min，两闸室水头差h=0~5m表3.9工况（二）双线省水运行水力特征值33水面最大充水最大流量（m/s）泄水最大流量（m/s）水头差h上升/下降工况编号（m）第一阶段第二阶段第一阶段第二阶段速度QAQBQAQB（m/min）DF32、DE3223082403082101.93DF33、DE3333082473082151.93DF34、DE3443082503082251.93DF35、DE3553082613082331.93DF30、DE30连通完全关03082283081951.93闭闸室水位和流量过程线如图3-9~图3-13所示44 第三章输水系统水力学特性数值计算研究图3-9a闸室充水图3-9b闸室泄水图3-9闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=3min，h=0m）图3-10a闸室充水图3-10b闸室泄水图3-10闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=3min，h=2m）图3-11a闸室充水图3-11b闸室泄水图3-11闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=3min，h=3m）45 重庆交通大学硕士毕业论文图3-12a闸室充水图3-12b闸室泄水图3-12闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=3min，h=4m）图3-13a闸室充水图3-13b闸室泄水图3-13闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=3min，h=5m）工况（三）：阀门启闭时间tv1=5min，tv2=4min，两闸室水头差h=2~3m3.10工况（三）双线省水运行水力特性充水最大流量（m3/s）泄水最大流量（m3/s）闸室水面最大水头上升/下降速工况编号差h第一阶段第二阶段第一阶段第二阶段度（m）QAQBQAQB（m/min）DF42、22872472872191.66DE42DF43、32872532872281.66DE43闸室水位和流量过程线如图3-14~图3-15所示46 第三章输水系统水力学特性数值计算研究图3-14a闸室充水图3-14b闸室泄水图3-14闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=4min，h=2m）图3-15a闸室充水图3-15b闸室泄水图3-15闸室水位流量过程线（计算工况tv1=5min，tv2=4min，h=3m）通过数值计算得到双线省水运行方式下各工况的闸室水位、流量过程线，通过这些水力特性曲线可知：（1）输水流量过程曲线为双峰曲线，且第一输水阶段峰值大于第二阶段峰值。（2）闸室水位过程线开启上升（下降）较快，中间阶段平缓，后期上升（下降）速度又加快。（3）当连通阀门分别以2min、3min、4min开启时，闸室输水最大流量分别333是350m/s、308m/s、287m/s，闸室水面最大上升和下降速度分别是2.30m/s、1.93m/s、1.66m/s，且随着阀门开启速度越大，最大输水流量越大，最大水面上升和下降速度也越大。根据数学模型，利用数值分析的方法对相互灌泄水船闸输水过程进行了模拟，发现其具有一定的规律性。从计算结果可以看出，相互灌泄水船闸降低了闸室水头差，使最大流量减小，从而可以改善闸室的水力条件，具体的闸室水力学条件将通过物理模型试验做进一步的研究。47 重庆交通大学硕士毕业论文3.7单线普通运行与双线省水运行计算结果对比分析本章上两节利用数学模型计算，得到单线普通运行和双线省水运行方式下水力特性曲线，对闸室灌泄水水位和流量过程进行比较分析：（1）两种运行方式下闸室灌、泄水时间均与输水阀门开启速度有关，阀门开启速度越快，闸室灌、泄水时间越短；反之，闸室灌、泄水时间越长。除此之外，双线省水运行方式下，闸室充、泄水时间还跟阀门关闭时两闸室水头差有关，水头差越小，闸室灌、泄水时间越长。（2）两种运行方式下闸室灌水水位流量过程线均为上升型曲线，单线普通运行方式的上升速率大于双线省水运行方式；相应地，闸室泄水水位流量过程线均为下降型曲线，单线普通运行方式的下降速率大于省水运行方式。因此可以得出，单线普通运行方式下，闸室水面上升和下降速度大于双线省水运行。（3）闸室内水面上升和下降速度均与阀门开启速度有关，闸首输水阀门或联通阀门开启速度越快，闸室水面上升和下降速度越大，相应地，闸室内最大流量也越大。（4）两种运行方式下闸室流量过程曲线差别较大，其中，单线普通运行得到的闸室流量特性曲线为单峰型曲线，由于双线省水运行分两个阶段，得到的闸室流量特性曲线为双峰型曲线。单线普通运行的闸室最大流量大于双线省水运行的闸室最大流量，两种相差20%左右。（5）通过数值计算结果可知，双线省水运行较单线普通运行的输水条件优越，在单线输水水力指标起控制作用。因此，双线省水运行方式下的各项水力指标一般不作为验证船闸是否满足规范条件的参考依据。3.8本章小结本章的主要内容是利用数学模型，对船闸输水系统进行水力学特性计算，通过建立以连续性方程为基础的船闸输水过程的非恒定流方程组，利用差分法对方程进行数值分析计算。主要的水力计算成果概括为以下几点：（1）基本水力参数估算：输水阀门启闭时间为tv1＝3min~6min、tv2=2min~4min；输水系统水力计算得到的灌、泄水阻力系数为2.307和2.478，流量系数为0.658和0.635；输水系统廊道换算长度取出水支孔段廊道长度的一半，lnp=69m；闸室充水超高d=0.40m，泄水超降d=0.32，当闸室输水末期超高和超降较大时，可以采取提前关闭阀门和闸室平水打开人字门措施进行改善，保证船舶停泊及启闭机的安全。（2）采用贵港二线船闸1：30船闸整体物理模型实测的充泄水力特性曲线48 第三章输水系统水力学特性数值计算研究对数学模型进行了验证。验证结果表明，数学模型计算的船闸输水时间、最大输水流量与模型实测的最大误差分别仅为3.13%和2.06%，采用该数学模型进行船闸输水水力特性分析是准确、可靠的。（3）单线普通运行方式阀门启闭时间为tv1=3min、6min工况下，闸室最大33充、泄水流量为451m/s和426m/s.（4）双线省水运行方式计算选取的阀门启闭时间为tv1=5min、tv2=2~4min，连通阀门关闭时两闸室水头差在0m~5m之间。当连通阀门分别以2min、3min、3334min开启时，闸室输水最大流量分别是350m/s、308m/s、287m/s，闸室水面最大上升和下降速度分别是2.30m/s、1.93m/s、1.66m/s。（5）通过单线和双线两种运行方式的水力指标对比分析可知，双线省水运行时的水力学条件得到很大改善。单线普通运行方式水力学指标起控制作用。49 重庆交通大学硕士毕业论文第四章输水系统物理模型试验研究4.1模型设计与制作4.1.1物理模型理论基础模型试验就是仿照原体实物，按照相似准则将原型缩制成模型进行试验研究。如果想了解原体的实际现象和性质，或检查其水力安全性，就可以用模型重演与原体相似的自然情况进行观测和分析研究，然后按照一定的相似准则引申到原型，从而做出判断。因此，运用水工及河工模型实验的方法，不仅可以论证模型试验的安全性和合理性，而且可以预见原型可能发生的现象，同时对设计时所依据的理论和技术前提进行验证。因此，在现阶段，人们仍不得不凭借模型试验手段来解决某些实际问题，特别是在重大工程中，模型试验研究被认为是不可缺少的环节。水工及河工模型试验的主要目的在于通过模型试验尽可能推广应用于原型。模型试验所研究的问题是非常复杂的，要达到上述目的，就必须解决模型设计和试验应满足哪些具体相似条件、试验应采集哪些物理量、试验成果如何整理和推广应用的一系列问题。和其他领域的模型试验一样，水工及河工模型试验的基础是相似理论。人们对自然界相似现象及规律的认识和研究已有200多年的历史了，一些学者对相似理论进行总结，提出了具有概括性的“相似三定理”，即几何相似、动力相似、运动相似。以相似三定理为总结的相似理论是指导模型试验的基本理论，是规划试验方案、进行模型设计、组织试验、整理试验成果以及将试验结果推广到原型的理论依据。按照相似理论，我们在模型试验中，必须满足定界条件相似，必须使相似准数相等，应当采集相似准数中所包含的各个物理量，并且将试验成果整理成相似准数之间的函数关系式，这样才可以将他们推广到原型中去。水工及河工试验中常用的相似准则有重力相似准则、阻力相似准则、压力相似准则，本次课题研究目的是了解以重力作用为主的运动现象，则应满足重力相似。在原型和模型之间，欲满足重力作用下动力相似，他们的弗劳德数Fr应相等，换言之，若原型和模型中的弗劳德数Fr相等，则所研究的模型必须满足重力相似下的动力相似，这就是重力相似准则。由于惯性力和重力都是决定水流运动最重要的力，因此这个相似定律也是模型试验中最重要的相似律。如波浪、水流的运动机理及它们与水工建筑物作用等的试验研究都是根据重力相似准则来设计模型的。船闸输水系统的设计，除一些基本水力学问题如闸室输水时间计算、输水过程水力特性曲线绘制等可根据理论计算外，其他如输水系统及消能系统的布置和50 第四章输水系统物理模型试验研究设计、过闸船舶所受局部水流作用力、闸门及输水阀门工作条件等均不能完全用理论计算来解决，即使对于一些基本的水力计算，由于灌泄水时水流条件非常复杂，也只能在理论上得到近似的解答。对于大型的重要船闸或水头较高的船闸的输水系统及闸阀门，特别是对于分散输水系统，一般都应通过水力模型试验以核定闸室灌、泄水设施的水流情况及停泊条件。虽然船闸水力学模型试验中模型相似的问题尚未完全解决，建成的工程水力条件较模型试验的成果为差，但模型试验仍然是研究船闸输水系统水力学特性的一项重要手段。4.1.2模型比尺及其相似性船闸输水系统模型应满足几何相似、水流的运动相似和动力相似，遵循弗劳德相似准则，模型中水流应处于阻力平方区，如达不到则需满足稳流流态。根据试验要求及实际试验场地规划，闸底长廊道输水系统方案物理模型按重力相似设计，选择Lr=30的几何比尺，正态。模型模拟原体船闸上、下游引航道长度分别为150m、450m，闸室、闸首长度约为300m，加之上、下游平水设备200m，总计模型模拟原体长度1100m左右，模型与原型各物理量的换算关系如下：1/21/2时间比尺：Tr=(Lr)=(30)=5.48；1/21/2流速比尺：Vr=(Lr)=(30)=5.48;33重量及力比尺：F=(Lr)=(30)=27000；5/25/2流量比尺：Qr=(Lr)=(30)=4929.5；1/61/6糙率比尺；nr=(Lr)=(30)=1.763。按糙率相似准则要求，整体模型原型与模型的糙率比值为1.763，原型混凝土糙率一般为np=0.013~0.014，则模型糙率应为nm=(0.013~0.014)/1.763=0.0074~0.0085。模型采用塑料板及有机玻璃制作，其综合糙率约为0.0080。因此，整体模型的糙率与原型糙率基本相似。4.1.3模型制作及其整体布置本文中物理模型的范围包括原体上游引航道、船闸闸室、输水系统（包括进水口、上闸首、闸室、下闸首）以及下游引航道。闸室边墙采用玻璃钢框架制作，为了便于观察流态及减小输水廊道阻力，使模型糙率尽可能接近与原型达到阻力相似的要求，输水阀门段廊道用有机玻璃制作，其余均采用聚乙稀塑料板制作。闸墙段主廊道、支孔、上下阀门和出口消能格栅由塑料板制作，进、出口分流隔墩、闸室内消力粱由经打蜡抛光处理的木料制作。上下游引航道分别模拟长度150m、450m，能较好的全景模拟船闸上、下闸首灌泄水阀门运行时各部位水流条件，模型整体布置见图4-1。51 重庆交通大学硕士毕业论文图4-1模型整体布置图4.2实验仪器及设备上、下游水位采用溢流式平水槽控制，输水阀门采用可无级调速的步进电机驱动启闭机控制，闸室充、泄水水位和阀门后廊道非恒定流压力均用电阻式点压力传感器测定，船舶（队）系缆力采用全环电阻式测力仪测定，上闸首进口水面降落、波高、下引航道水面波动采用本所研制的UBL-2超声波浪/水位采集分析仪测定（图4-2），闸室灌、充泄水过程非恒定流各参数采用DHDAS5920动态信号采集分析仪进行采集分析处理（图4-3），流速采用ADV及本所研制的DLS-16型光电流速仪（图4-4～4-5）进行测定。图4-2UBL-2超声波水位采集分析仪图4-3DHDAS5920动态信号采集分析仪52 第四章输水系统物理模型试验研究图4-4多普勒流速仪（ADV）图4-5DLS-16型光电流速仪4.3试验工况分析由于飞来峡二、三线船闸采用对称并列、共用上下游引航道的布置方案，并且在两线船闸闸室间设置了连通廊道，因此其运行方式有两种，一种为单线普通运行方式，即单线独立完成灌、泄水过程；另一种则为双线省水运行方式，即双线船闸之间先通过连通廊道进行相互输水，待两闸室水位有一水位差或齐平后，关闭连通廊道输水阀门停止两线船闸间的输水，同时开启各自闸首灌、泄水阀门以完成剩余的输水过程。根据单线船闸水力特性计算结果，进行物理模型试验时，按照表4.1所示的工况，对闸室输水时间、非恒定流水力特性、闸室停泊条件和廊道压力进行试验分析。表4.1单线普通运行方式下水力特性试验工况闸首阀门水头计算工况输水方式阀门开启情况开启时间tv1（m）SFD3~SFD6tv1=3~6min充水双边SED5~SED6tv1=3~6min泄水14.44SFS5~SFS6tv1=5~6min充水单边SES5~SES6tv1=5~6min泄水双线省水运行方式可分为两种情况：（1）输水过程第一阶段完成后（即两线船闸闸室水位齐平）再进行第二阶段的输水；（2）考虑输水效率的提高，试验对第二种输水工况进行了研究，即在输水过程第一阶段末期，两线船闸间还存在一定水位差的时候开启充（泄）水阀门的运行方式，与此同时关闭连通阀门以防止出现两线船闸间反向输水的现象，不同的连通阀门关闭速度及阀门关闭时两线船闸间不同的水位差对整体输水时间有一53 重庆交通大学硕士毕业论文定的影响。双线省水方式时两闸首的输水阀门采用与单线普通运行方式下相同的开启方式tv1=5min，试验中考虑采用较快的连通阀门开启速度tv2=2min～4min，以缩短输水时间。试验结果表明，两闸室间最小水头差为0.4m，而非0m，为防止连通阀门未完全开启时两闸室已达到预定的水头差，所以两闸室间最大水头差取5m.双线省水运行方式下水力特性试验工况见表4.2.表4.2双线省水运行方式下水力特性试验工况连通廊道阀门闸首阀门连通廊道阀门水头工况编号关门时两线船输水方式开启时间.tv1开启时间tv2（m）闸间水位差hDF20～DF45tv1=5mintv2=2～4minh=0.4~5m14.44充水工况DE20～DE45tv1=5mintv2=2～4minh=0.4~5m14.44泄水工况注：1.除水头差1m和未做试验外，其余工况组合全部测定水力特性及充泄水时间；2.tv1为闸首阀门开启时间；tv2为连通廊道阀门启闭时间；h为连通廊道开始关闭时两线船闸间的水位差，以下同。其中，DF20代表14.44m水头，双线省水运行，充水工况下连通阀门2min均匀开启，两线船闸水头差为0m。4.4单线船闸模型试验成果及分析4.4.1闸室输水时间在最不利水位组合（上游最高通航水位24.81m～下游最低通航水位10.37m，水头14.44m）下，闸首阀门以不同开启速度和开启方式对单线普通运行方式进行多次试验，各工况下闸室输水时间见表4.3，闸室输水时间与阀门开启时间的关系见图4-6.表4.3单线普通运行工况输水时间初始工作阀门开启时泄水时间充水时间Tf阀门开启工况编号水头H间TvTe（min）方式（m）（min）（min）SFD3、SED337.559.30SFD4、SED447.929.5714.44双边SFD5、58.4710.28SEDFSFD6、SED669.0811.01SFS5、SES5512.4913.8514.44单边SFS6、SES6613.0314.2254 第四章输水系统物理模型试验研究图4-6单线普通运行工况输水时间与阀门开启时间关系曲线由图表可知，输水阀门以tv1=3min～6min双边匀速开启时，闸室灌、泄水时间分别为7.55min～9.08min和9.30min～11.01min。考虑到船闸输水系统水力学模型试验存在一定的缩尺效应，原型流量系数比模型将有所增大，而输水时间将缩短10%～15%，因此，无论采用上述何种阀门开启时间，原型输水时间均能满足设计不大于10min的要求。阀门单边运行属非正常开启工况，充泄水时间较长。最不利水位组合工况下，充、泄水阀门采用tv1=5min～6min单边匀速开启时，充泄水时间分别为12.49min～13.03min和13.85min～14.22min。4.4.2闸室灌泄水水力特性船闸输水水力特性的研究包括流量系数与时间的关系、闸室水位与时间的关系和流量与时间的关系，并通过水力特性曲线来表示。这些水力特性曲线能清楚地反映输水过程中水力特性的变化，本次模型试验对船闸水力特性进行了多次对比性研究。试验所得各运行工况下输水水力特性见表4.4，典型工况水位、流量过程线见图4-7~图4-9.55 重庆交通大学硕士毕业论文表4.4单线普通运行方式输水水力特性工作水阀门开启最大泄水最大水面上最大灌水流超灌、工况编号头时间tv13流量升/下降速度量（m/s）3泄（m）H（m）（min）（m/s）（m/min）SFD3、34824353.24/3.000.45/0.36SED3SFD4、44263952.88/2.760.45/0.36SED414.44SFD5、53963682.64/2.520.45/0.36SED5SFD6、63653492.52/2.340.45/0.36SED6SFS5、52912722.16/1.98SES514.44SFS6、62862612.10/1.92SES6H~th~th~tQ~tQ~tH~t图4-7a闸室双边充水图4-7b闸室双边泄水图4-7单线普通运行水位流量过程线（试验工况tv1=3min）h~th~tH~tH~tQ~tQ~t图4-8a闸室双边充水图4-7b闸室双边泄水图4-8单线普通运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min）56 第四章输水系统物理模型试验研究h~th~tH~tH~tQ~tQ~t图4-9a闸室双边充水图4-9b闸室双边泄水图4-9单线普通运行水位流量过程线（试验工况tv1=6min）在14.44m水头下，输水阀门采用tv1=3min~6min双边匀速开启时，闸室灌、3333泄水最大流量分别为482m/s～365m/s和435m/s～349m/s；闸室水面最大上升、下降速度分别为3.24m/min~2.52m/min和3.00m/min~2.34m/min。输水廊道各部位的流速指标均满足规范要求，闸室超灌、超泄值分别为0.45m和0.36m，超过规范允许值0.25m。在原型中先按调试规程进行调试，可采用提前关闭输水阀门和水位齐平时打开人字门等措施加以解决，此项措施已在三峡、葛洲坝等多座船闸中得以应用，效果较为显著。4.4.3闸室停泊条件输水系统布置时已考虑了闸室底部长廊道出水口纵向的流量分配，并根据类似船闸工程的研究成果，在支孔出口外布置双明沟进行消能，同时在两道消能明沟间的消力梁上设置了透水孔，对闸室内横向水流分布进行调整，达到改善船舶停泊条件的目的。根据效能工布置情况，试验中对闸室内流态进行观测：船闸输水过程中，部分支孔水流冲于第一道消力梁上后返至闸室中间，部分水流通过消力梁透水孔进入闸室两侧，闸室内水流横向分配较为均匀，无明显的水面比降和局部泡涌。闸室流态见图4-10。图4-10输水系统闸室流态图57 重庆交通大学硕士毕业论文船舶停于左闸墙侧位置，在阀门全开前一段时间内，由于水流从闸室中间涌出，船舶会受到朝向闸墙一侧的水流作用力。阀门全开后，通过消力梁透水孔进入闸室两侧的水流增大，闸室横向水面比降逐渐降低，船舶横向力也逐渐减小。实测的设计船舶系缆力资料表明：在最不利水位组合下，输水阀门以tv1＝3min双边开启时，最大横向系缆力12.84kN，输水阀门以tv1＝3min～6min双边开启时，设计船舶的最大横向系缆力均满足规范要求允许值。各工况下1000t级干货船停于上半闸室和下半闸室时，船舶受到的最大系缆力值见表4.5，典型的系缆力过程线见图4-11。表4.5设计水头运行工况（14.44m）闸室内船舶（队）最大系缆力表试验阀门开启时间船舶（队）纵向力前横向力后横向力阀门开工况（min）停泊位置（kN）（kN）（kN）启方式SFD3A3上半闸室8.6011.7012.57SFD3B3下半闸室10.8812.0612.84SFD4A4上半闸室7.8910.7010.0SFD4B4下半闸室9.249.5511.33阀门双边开启SFD5A5上半闸室7.5510.039.56SFD5B5下半闸室7.689.0210.10SFD6A6上半闸室6.276.508.19SFD6B6下半闸室6.536.727.24SFS5A5上半闸室4.997.188.46SFS5B5下半闸室5.895.537.78阀门单边开启SFS6A6上半闸室4.796.836.83SFS5B6下半闸室4.734.206.8758 第四章输水系统物理模型试验研究图4-11a试验工况tv1=3min，闸室双边充水，闸室停于下半闸室59 重庆交通大学硕士毕业论文图4-11b试验工况tv1=4min，闸室双边充水，闸室停于下半闸室60 第四章输水系统物理模型试验研究图4-11c试验工况tv1=5min，闸室双边充水，闸室停于下半闸室61 重庆交通大学硕士毕业论文图4-11d试验工况tv1=5min，闸室单边充水，闸室停于下半闸室图4-11单线船闸闸室内船舶系缆力过程线最不利水位组合工况下，输水阀门tv1=3min匀速开启工况下，1000t干散货船最大纵向力为10.88kN，最大横向力12.84kN，船舶系缆力均小于规范允许值。当输水阀门以tv1=5min匀速开启时，船舶系缆力均远小于tv1=3min匀速开启工况，与规范允许值比有较大的富余度。62 第四章输水系统物理模型试验研究4.4.4输水廊道压力船闸输水廊道的阀门通常是在压力作用下工作。当阀门局部开启时，水流通过阀门断面后首先产生收缩，然后扩大到整个廊道，这时阀门后的水力条件主要取决于阀门的淹没水深以及阀门后的通气条件。根据阀门的通气条件，可分为开敞式阀门及密封式阀门两种。对于开敞式阀门有足够的空气从输水阀门的门井或检修门井进入廊道中，虽然阀门后的水流收缩断面上的压力会下降，但不可能产生很大的负压，而可能在阀门后发生远驱式水跃。这种远驱式水跃对输水阀门和廊道来说都是不利的，因为相当长的一段廊道内流速过大、水跃的位置不稳，容易碰撞阀门而引起阀门震动。分散输水系统的灌水阀门一般采用密封式阀门，以防止灌水过程中空气进入闸室，恶化船舶停泊条件。本次模型试验采用密封式阀门，对于密封式阀门，在阀门局部开启时，会因水流收缩而产生压力下降，并可能产生负压，若压力过低就可能产生空蚀现象，这会对阀门及阀门后一段廊道产生不利影响，因此需要对阀门后水流收缩断面处廊道顶部的压力进行分析研究，保证廊道内输水安全。工作阀门后廊道顶部共设置了10个压力传感器（测点布置见图4-12），用以测定充、泄水过程工作阀门后廊道顶部的非恒定流压力，针对最不利水位组合，阀门3min～6min双边匀速开启工况，进行了阀门段廊道典型测点非恒定流压力观测，各测点非恒定流压力列于表4.6，典型压力过程线见图4-13。图4-12a充水阀门段测点布置63 重庆交通大学硕士毕业论文图4-12b泄水阀门段测点布置图4-12输水系统非恒定流压力测点布置图表4.6阀门段廊道典型测点非恒定流压力测阀门点充水泄水开启工况方式1#2#3#4#5#6#7#8#9#双边4min3.42.82.63.55.92.42.01.52.2开启5min3.83.22.93.66.52.62.21.82.46min4.03.53.23.97.62.82.52.32.8单边5min-0.2-1.0-0.7-0.3-0.1-1.0-1.5-0.6开启6min0.2-0.5-0.2-0.40.3-0.6-0.8064 第四章输水系统物理模型试验研究65 重庆交通大学硕士毕业论文图4-13单线船闸输水廊道非恒定流压力高程（试验工况tv1=5min，闸室双边充水）66 第四章输水系统物理模型试验研究通过单线船闸输水廊道压力试验结果可知，充水阀门以tv1=4min～6min双边匀速开启时，廊道顶部最低压力约为2.6m～3.2m水柱，廊道侧面5＃测点的最低压力为5.9m～7.6m水柱，tv1=5min开启测得的最低压力为2.9m水柱，发生在3#测点，约1.5倍阀门段廊道高度。充水阀门以tv1=5min～6min单边匀速开启时，测得的廊道顶部最低压力约为-1.0m~-0.50m水柱，均发生在约1倍阀门段廊道高度的2＃测点位置。泄水阀门以tv1=4min～6min双边匀速开启时，廊道顶部最低压力约为1.5m～2.3m水柱，其中tv1=5min开启测得的最低压力为1.8m水柱。阀门以tv1=5min～6min单边匀速开启时，廊道顶部最低压力约为-1.5m～-0.8m水柱，均发生在8＃测点位置。上述各种工况充、泄水阀门后廊道顶、侧面的最低压力均未超出规范允许值。4.5双线船闸模型试验成果及分析4.5.1闸室输水时间对双线省水运行方式下阀门的启闭时间、两闸室间水头差和闸室灌泄水时间进行了一系列的试验，试验方案及试验结果见表4.7.表4.7双线省水运行方式各工况输水时间连通阀连通阀门关充水时泄水时间门启闭门时两线船工况编号间TT备注时间tv2闸水位差h（min）（min）（min）（m）DF22、DE222210.5811.50DF23、DE232310.2111.03DF24、DE24249.8510.94连通阀门未完全开DF25、DE25259.6610.94启水位已经达到DF32、DE323211.0312.22DF33、DE333310.7611.85DF34、DE343410.4811.76DF35、DE353510.3111.39连通阀门完全关闭DF30、DE3030.415.6816.77后再开启闸首阀门DF42、DE424211.5812.95DF43、DE424311.2112.6767 重庆交通大学硕士毕业论文图4-14a试验工况tv1=5min、tv2=2min图4-14b试验工况tv1=5min、tv2=3min图4-14c试验工况tv1=5min、tv2=4min图4-14双线省水运行输水时间与连通阀门关闭时水头差关系68 第四章输水系统物理模型试验研究图4-15a试验工况闸h=0.4m图4-15b试验工况闸h=2m图4-15c试验工况闸h=3m图4-15双线省水运行方式输水时间与连通阀门开启时间关系69 重庆交通大学硕士毕业论文由试验结果可知，在其余参数相同的情况下，输水时间随连通阀门启闭时间的增长而增加，随连通阀门关闭时两线船闸水位差的增加而缩短。考虑到船闸输水系统水力学模型试验存在一定的缩尺效应，原型输水时间将进一步缩短，基本能满足设计小于15min的要求。省水船闸设计时，需要尽可能提高省水率和缩短输水时间。4.5.2闸室灌泄水水力特性在双线省水运行方式下，根据连通廊道阀门启闭时间划分三种工况，当工况下两闸室间水头差不同时，利用DHDAS5920动态信号采集分析仪，得到输水过程的水位、流量过程线，并进行水力特性分析。工况（一）：阀门启闭时间tv1=5min，tv2=2min，两闸室水头差h=2~5m表4.8双线相互输水运行工况输水水力特性33充水最大流量（m/s）泄水最大流量（m/s）闸室水面最大水头上升/下降工况编号差h第一阶段第二阶段第一阶段第二阶段速度（m）QAQBQAQB（m/min）DF22、DE2223352303352002.34DF23、DE2333352463352142.34DF24、DE2443352543352212.34DF25、DE2553352613352292.34典型水位流量过程线如图4-16~图4-19.h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-16a闸室充水图4-16b闸室泄水图4-16双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=2min，h=2m）70 第四章输水系统物理模型试验研究h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-17a闸室充水图4-17b闸室泄水图4-17双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=2min，h=3m）h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-18a闸室充水图4-18b闸室泄水图4-18双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=2min，h=4m）h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-19a闸室充水图4-19b闸室泄水图4-19双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=2min，h=5m）工况（二）：阀门启闭时间tv1=5min，tv2=3min，两闸室水头差h=0.4m、2~5m，双线省水运行工况水力特征值见表4.9，典型水位流量过程线见图4-20~图4-24.71 重庆交通大学硕士毕业论文表4.9双线省水运行工况水力特征值33水头充水最大流量（m/s）泄水最大流量（m/s）水面最大上升工况编号差h第一阶段第二阶段第一阶段/下降速度第二阶段QB（m）QAQBQA（m/min）DF32、22952382952091.98DE32DF33、32952442952131.98DE33DF34、42952462952191.98DE34DF35、52952582952261.98DE35DF30、0.42952302952021.98DE30h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-20a闸室充水图4-20b闸室泄水图4-20双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=2m）h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-21a闸室充水图4-21b闸室泄水图4-21双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=3m）72 第四章输水系统物理模型试验研究h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-22a闸室充水图4-22b闸室泄水图4-22双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=4m）h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-23a闸室充水图4-23b闸室泄水图4-23双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=5m）h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-24a闸室充水图4-24b闸室泄水图4-24双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=0.4m）（连通完全关闭后再开启闸首阀门）方案（三）：连通阀门启闭时间tv1=5min，tv2=4min，两闸室水头差h=2~3m表4.10双线相互输水运行工况输水水力特性33水头充水最大流量（m/s）泄水最大流量（m/s）水面最大上工况编号差h第一阶段第二阶段第一阶段第二阶段升/下降速度（m）QAQBQAQB（m/min）DF42、22752522752261.74DE42DF43、32752592752361,74DE4373 重庆交通大学硕士毕业论文典型水位流量过程线见图4-25~图4-26.h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-25a闸室充水图4-25b闸室泄水图4-25双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=4min，h=2m）h~tH~tH~tQ~tQ~th~t图4-26a闸室充水图4-26b闸室泄水图4-26双线省水运行水位流量过程线（试验工况tv1=5min，tv2=4min，h=3m）分析物理模型试验结果，从双线省水运行时最大灌泄水流量、闸室水位、最大水面上升和下降速度等几个方面对三种工况进行分析，可得出如下结论：1、双线省水运行时闸室最大流量与连通阀门的开启速度有关：即连通阀门开门速度越快，相应的灌、泄水流量越大；开启速度越慢，相应的灌、泄水流量越小；2、闸室内最大水面上升和下降速度与连通阀门开启速度有关：即连通阀门开启速度越快，水面上升和下降速度越快；开启速度越慢，水面上升和下降速度越慢；3、在第二阶段输水过程中，双线省水运行时船闸的最大流量与阀门关闭时两闸室水头差有关：即连通阀门开启时间相同，阀门关闭时两闸室水头差越大，相应的灌、泄水流量越大；两闸室水头差越小，相应的灌、泄水流量越小；当两闸室水头差为零，连通阀门完全关闭时，相应的第二阶段灌、泄水流量是最小的；4、第二阶段输水时，闸室灌、泄水流量小于第一阶段输水，流量过程线是双峰型曲线，且前峰值大于后峰值。74 第四章输水系统物理模型试验研究综上所述，从以上三种工况可以看出，工况（一）瞬时流量最大，为3335m/s，水面最大上升和下降速度为2.34m/min，闸室充、泄水所用时间最短；3工况（二）中出现的最大流量为295m/s，水面最大上升和下降速度为1.98m/min；工况（三）中出现的最大流量为275m3/s，水面最大上升和下降速度为1.74m/min，但是闸室充泄水所用时间较长。在单线输水系统模型试验中已经33测得：闸室充、泄水最大流量分别为482m/s～365m3/s和435m3/s～349m/s；水面最大上升和下降速度分别是2.64m/min、2.52m/min。双线省水运行时三种试验工况与单线普通运行相比，最大灌、泄水流量以及水面上升和下降速度均减小。其中工况（二）中阀门开启时间为3min，对于输水程序及阀门运行方式较复杂的3相互灌泄水船闸来说，更利于保障阀门的安全运行，其最大流量仅为295m/s，较单线输水有大幅度降低。4.5.3闸室停泊条件闸室灌、泄水而引起的非恒定流以及局部水流，对船舶停泊将产生动水作用力，使系船缆绳产生拉力。由于影响船舶缆绳拉力大小及变化的因素相当复杂，目前该拉力的确定还不能从理论上分析得到满意的解答，主要借助于水工模型试验。通过水工模型试验和相应的实验仪器和设备，能够很好地测量船舶在闸室内所受到的动水作用力，从而判断出闸室停泊条件的好坏。在14.44m设计水头下，双线省水运行时，阀门启闭时间为tv1=5min、tv2＝3min，两线闸室水头差为0.4m、2m～5m，测量1000t级单船在闸室内受到的系缆力大小，最大系缆力值分别见表4.11表4.11省水运行工况闸室内船舶（队）最大系缆力表试验水头差船舶（队）纵向力前横向力后横向力工况（m）停泊位置（KN）（KN）（KN）DF30A0.46.946.174.81DF32A25.645.834.46上半闸室DF33A36.345.623.66DF34A46.486.034.23DF35A56.325.746.61DF30B06.166.283.84DF32B27.687.244.01DF33B3下半闸室7.26.865.26DF34B47.27.086.43DF35B57.067.025.0275 重庆交通大学硕士毕业论文典型工况下船舶停于下半闸室的系缆力过程线如图4-27。图4-27a试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=0.4m，闸室充水76 第四章输水系统物理模型试验研究c图4-27b试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=3m，闸室充水77 重庆交通大学硕士毕业论文图4-27c试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=4m，闸室充水图4-271000t单船停于下半闸室系缆力过程线通过分析以上模型试验成果可知，当双线船闸闸首阀门tv1=5min启闭、连通阀门tv2=3min启闭、两闸室水位差h=0.4m、2m～5m时，在设计水头14.44m运行工况下，1000t级单船的最大纵向系缆力为7.68KN，最大横向系缆力为7.24KN。最大单船系缆力均小于规范规定的允许值，且纵、横向力较单线运行有78 第四章输水系统物理模型试验研究大幅减小，尤以横向系缆力减小明显。分析其原因是由于两闸室间第一阶段输水过程中的水头成倍减小，在第二阶段输水过程中，起始水深增加很多，水头约为初始水头的一半，因此，船舶纵、横向缆绳受力均较小。总体来说，省水运行工况较单线运行船舶停泊条件好。4.5.4连通廊道压力由于双线相互输水运行工况将船闸的输水过程分为两个阶段，第一阶段为两线船闸相互输水，类似于多级船闸上、下两级船闸间的输水过程，此时连通阀门段廊道为控制断面，其压力最低。但由于连通阀门埋深较闸首输水阀门低4.30m，且此阶段输水流量较单线输水时亦有所降低，因此，连通阀门段廊道压力较单线输水时工作阀门廊道压力大，能满足规范要求；第二阶段则与单线输水运行工况一致，但此时船闸的水头已降低很多，输水流量减小很多，同时闸室充水阀门淹没水深因其闸室水位的上升亦增加，因此，第二阶段中船闸闸首充、泄水阀门工作条件已大大改善，不会出现负压。为了准确测定输水时连通廊道内的压力特点，选择运行工况为：输水阀门开启速度tv1=5min、tv2=3min、两闸室间水头差为4m、3m、0.4m。试验中仅对连通阀门段典型测点压力进行了测试，测点布置见图4-28，压力特性曲线见图4-29~图4-31。图4-28闸底廊道输水系统连通廊道非恒定流压力测点布置79 重庆交通大学硕士毕业论文图4-29闸室连通阀门段廊道非恒定流压力高程（试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=4m）80 第四章输水系统物理模型试验研究图4-30闸室连通阀门段廊道非恒定流压力高程（试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=3m）81 重庆交通大学硕士毕业论文图4-31闸室连通阀门段廊道非恒定流压力高程（试验工况tv1=5min，tv2=3min，h=0m）82 第四章输水系统物理模型试验研究通过分析以上试验结果，由廊道压力图可知，连通阀门匀速开启tv2=3min，门后最低压力发生在连通阀门开启n＝0.3～0.4时段，测得的最低压力约为7.05m水柱（4＃测点），无论连通阀门以何种方式开启，均不会出现负压，双线输水运行工况阀门工作条件将远远优于单线输水运行工况。4.6单线普通运行与双线省水运行试验结果对比分析船闸单线运行时的工作水头为14.44m。，当船闸采用双线省水运行方式时，闸室工作水头成倍衰减，可以有效改善输水系统各项水力条件，除闸室灌泄水时间外，双线相互输水的各项指标较单线均有明显下降，将单线和双线试验结果进行对比分析：（1）闸室灌泄水时间不论船闸单线运行还是双线运行，闸室灌泄水时间均与阀门的开启速度有关，阀门开启速度越快，闸室灌、泄水时间越短；反之，灌、泄水时间则越长。单线运行时，阀门双边tv1=5min匀速开启时，闸室灌泄水时间分别为8.47min和10.28min。双线省水运行时，闸室灌、泄水时间还与连通阀门关闭时两闸室水头差有关，且随两闸室水头差的增加而缩短。当工作阀门以tv1=5min、tv2=3min匀速开启，闸室水头差在0.4~5m之间时，闸室灌泄水时间为11.39min~16.77min。室灌泄水时间双线相互输水运行起控制作用。（2）闸室灌泄水水力特性当船闸在单线普通运行方式下，以tv1=5min双边充水时，闸室最大充水流量3为396m/s，水面最大上升和下降速度为2.64m/min；当船闸在双线省水运行方式3下，以tv1=5min，tv2=3min充水时，闸室最大充水流量295m/s，水面最大上升和下降速度为2.34m/min。双线运行与单线运行相比，流量减小25.5%，水面上升和下降速度减小11.3%。闸室水力指标的下降，能有效改善闸室内水流流态，降低廊道内水流流速，保证输水阀门的安全。各项水力指标以单线输水运行控制。（3）闸室停泊条件同一型号的船舶停于闸室内，阀门以tv1=5min、tv2=3min匀速开启，单线普通运行方式下，船舶在闸室内受到的最大系缆力为：纵向力=7.68KN，前横向力=9.02KN，后横向力=10.10KN。双线省水运行方式下，船舶在闸室内受到的最大系缆力为纵向力=6.18KN，前横向力=6.28KN，后横向力=3.84KN。通过比较可知，双线省水船闸系缆力较单线明显减小，横向力减小幅度更大，闸室停泊条件明显得到改善。（4）廊道压力83 重庆交通大学硕士毕业论文单线普通运行方式下，输水阀门tv1=5min匀速开启，充水阀门后最低压力为2.9m水柱，发生在3#测点，泄水阀门最低压力为1.8m水柱，发生在8号测点。双线省水运行方式下，输水阀门tv1=5min、tv2=3min匀速开启，阀门后最低压力发生在连通阀门开启n＝0.3～0.4时段，测得的最低压力约为7.05m水柱（4＃测点），无论连通阀门以何种方式开启，均不会出现负压。显然，双线输水运行工况阀门工作条件优于单线输水运行工况。综上所述，双线省水运行除闸室灌泄水时间外，其他各项水力指标均低于单线普通运行，其输水系统水力学条件比较理想；但是闸室灌泄水时间较单线普通运行有所增加，会影响船闸的通过能力。两闸室间水头差越小，船闸省水率越高，但闸室灌泄水时间越长，由此可见，省水率和通过能力成反比关系。4.7本章小结本章主要依据对单线普通运行和双线运行两种方式下的工况分析，分别进行物理模型试验，其试验成果如下：（1）在单线普通运行和双线省水运行试验研究中，分别测定了闸室灌泄水时间、水力特性、闸室内船舶系缆力和输水廊道压力等，试验结果表明，输水系统各项水力指标均较优，说明船闸输水系统的设计布置是合理的。两种运行工况比较，双线省水运行时除闸室灌泄水时间外，其他各项水力指标优于单线普通运行方式。（2）单线普通运行方式下，推荐输水阀门启闭时间为tv1=5min；双线省水运行方式下，推荐闸首输水阀门启闭时间为tv1=5min，连通廊道输水阀门启闭时间为tv2=3min。两种运行方式下的闸室灌、泄水时间均能保证船闸通过能力要求。（3）通过单线和双线两种运行方式比较可知，双线省水运行方式下，船闸在节省过闸用水量的同时会使船闸通过能力有所降低，因此，本论文在下面章节中还将对省水船闸的省水特性和通过能力进行研究。84 第五章双线省水运行数学模型与物理模型水力特性对比分析第五章双线省水运行数学模型与物理模型水力特性对比研究通过对数值计算和试验结果分析可知，闸室灌泄水的水力特性具有一定的规律性，为了更好地比较双线省水运行方式下的水力特性，通过闸室水位、流量等水力参数的对比分析，来验证所建数学模型所选用的参数和假设是否合理，其结果与物模实验结果是否吻合，是否满足船闸相互灌泄水的要求。数值计算和物模实测值的对比分析如表5.1~5.3，各水力特性曲线对比结果如图5-1~图5-4.表5.1闸室充水最大流量对比表33连通阀门水头第一阶段QA（m/s）第二阶段QB（m/s）开启时间差h误差误差数值计算物模实测数值计算物模实测（min）（m）（%）（%）23503354.52312300.433503354.52492460.8243503354.52512541.153503354.52672612.323082954.42402380.833082954.42472441.2343082954.42502461.653082954.42612542.70(0.4)3082954.42282300.822872754.32472521.9432872754.32532592.485 重庆交通大学硕士毕业论文表5.2闸室泄水最大流量对比表连通阀第一阶段Q（m3/s）第二阶段Q（m3/s）水头AB门开启差h误差误差时间数值计算物模实测数值计算物模实测（m）（%）（%）（min）23503354.52012000.533503354.52162140.9243503354.52252211.853503354.52342292.123082954.42102090.533082954.42152130.9343082954.42252192.753082954.42332263.00(0.4)3082954.41952023.422872754.32192263.0432872754.32282363.4表5.3闸室水面最大上升和下降速度对比表水面最大上升和下降速度（m/min）连通阀门开启速度（min）误差（%）数值计算物模实测22.302.341.731.931.982.541.661.744.5图5-1a闸室水头差h=2m图5-1b闸室水头差h=4m图5-1闸室充水水位对比过程线（工况tv1=5min，tv2=3min）86 第五章双线省水运行数学模型与物理模型水力特性对比分析图5-2a闸室水头差h=2m图5-2b闸室水头差h=4m图5-2闸室充水流量对比过程线（工况tv1=5min，tv2=3min）图5-3a闸室水头差h=2m图5-3b闸室水头差h=4m图5-3闸室泄水水位对比过程线（工况tv1=5min，tv2=3min）图5-4a闸室水头差h=2m图5-4b闸室水头差h=4m图5-4闸室泄水流量对比过程线（工况tv1=5min，tv2=3min）从上述图表对比资料可以看出，数学模型计算曲线与物理模型试验曲线变化趋势相同，能够基本吻合，两者之间存在微小差异。在进行数值计算时，输水过程的第一个阶段，连通阀门的启闭时间为3min，计算步长Δt=18s；在输水过程的第二个阶段，主廊道的阀门的启闭时间为5min，取计算步长为Δt=30s。在第一阶段输水完成后，需要开启主廊道阀门继续进行输水过程，但是受水头差的影响，此时连通廊道内仍然有流量通过，这一过程只能通过物理模型试验来反映，在数值计算时，则未考虑这一过程。此外，还受到物理模型的制作精度、物理模87 重庆交通大学硕士毕业论文型缩尺影响和数学模型计算参数设定误差等因素的影响，导致数模计算值和物模实测值之间存在一定的差异，但是误差值均控制在5%以内，且水力特征值在整体上保持一定的规律性。连通阀门关闭过程中，由于水头差的作用，连通廊道内仍有部分流量通过，充水闸室内水位上升较快，造成物模试验水位特性曲线高于数模计算水位特性曲线，数学模型计算的闸室充水流量特性曲线滞后于物理模型实测结果。泄水过程与充水过程规律相识。综合以上分析可以得出以下结论：（1）数学模型计算的闸室充、泄水水位、流量过程线，与物理模型实测结果基本吻合，在连通阀门关闭时段水位、流量会出现少量偏差和滞后。（2）连通阀门3min开启时，数学模型计算的最大充泄水流量值为3308m/s，大于物理模型实测结果295m³/s，相差约4.4%；连通阀门3min开启时，闸室水面最大上升和下降速度为1.93m/min，小于物理模型试验结果1.98，相差2.5%，误差均在合理范围内。（3）当根据水力特性曲线计算相互灌泄水船闸的省水量时，宜采用物理模型试验值，计算结果更精确。通过以上结论分析可知，本文中所建立的数学模型是基本合理的，其计算结果与物理模型实测结果吻合性较好。数学模型分析计算结果能较好的反映输水过程中闸室内水位、流量过程和水面上升及下降速度，对以后研究相互灌泄水船闸输水过程具有一定的参考意义。由于在连通阀门关闭时段，输水过程较为复杂，利用数学模型很难真实模拟实际相互灌泄水过程，需要在以后的研究中，对数学模型进行进一步的完善和改进。88 第六章省水特性及通过能力研究第六章省水特性及通过能力研究相互灌泄水船闸最大特点和优势是，不仅能使闸室水头降低一半，改善输水系统的水力学条件，而且能节约大量的水资源。通过研究相互灌泄水船闸对通过能力及发电效益的影响，为以后工程实际的应用提供依据。6.1船闸省水量估算船闸的耗水量是船闸一项重要的经济技术指标。船闸的耗水量包括船舶过闸用水量和闸、阀门漏水量两部分。过闸用水是指船舶过闸时，闸室灌泄水所耗用的水量，与船闸水头、船闸尺度、过闸船舶排水量、过闸方式等因素有关。闸阀门漏水是指船闸闸、阀门止水不密实，从上游向下游流失的水量，与水头大小、止水构造及其安装质量、使用年限、维护保养等情况有关。对于大型船闸来说，研究船闸的省水特性，需要通过增设蓄水池或在两船闸间设置连通廊道，减少每次船舶的过闸用水量来实现省水的目的。与其他型式的省水船闸相比，相互灌泄水船闸具有结构简单、工程量省的优势。在本次课题研究中，可以通过控制船闸运行方式和改变过闸方式来进行省水特性分析。单级船闸单向一次过闸的用水量采用的计算公式：VCH（6.1）0式中3V0——单级船闸单向一次过闸的用水量（m）；2C——闸室水域面积（m）；H——计算水头（m）,一般采用设计水头。单级船闸双向一次过闸时，用水量为单向一次过闸用水量的一般：1VV（6.2）002在单向船闸和双线船闸机会均等的情况下，一次过闸用水量采用单、双向过闸用水量的平均值：1V(VV)0.75V（6.3）00002物理模型试验确定了双线船闸省水运行方式，即连通阀门采用3min匀速启闭，连通阀门关闭时两线船闸水位差为0.4m、2m～5m工况，针对此工况进行省水分析。当船闸初始水位差14.44m，两线船闸水位差为0.4m时完全关闭连通阀门，再分别开启两线船闸的充、泄水阀门，模型实测的充泄水时间分别为15.68min和16.77min。考虑到船闸输水系统水力学模型试验存在一定的缩尺效89 重庆交通大学硕士毕业论文应，原型输水时间将缩短为15分钟以内，能够满足设计要求。在这种工况下，连通阀门趋向于在静水中关闭，安全性高，运行过程中，一次过闸理论上的省水率约为48.6％。根据试验结果，计算出连通阀门3min开启时，各工况下省水率如表6.1，省水率与水头差关系曲线见图6-1。表6.1双线相互输水运行工况省水率计算0.4（连通完两线船闸水位差h（m）全关闭后开0.42345备注闸首）省水率（％）48.6048.3645.5242.0038.4834.92注：0.4m*为连通阀门完全关闭时在开启闸首阀门，0.4m~5m为连通阀门关闭时同时开启两线闸首阀门。单线船闸一次过闸耗水量3122740m图6-1水头差与省水率关系曲线经试验分析认为，两线船闸若只考虑在相互灌泄水过程中的省水率，按模型拟定的连通阀门在关闭时，两线船闸水头差为0.4m~5.0m工况运行，船闸省水率可达48.60~34.92%，省水率和省水量均是随着两线船闸水位差的增大而减小。且不受联合运行次数影响。若双线船闸多次联合运行，在连通阀门关闭时闸室水头差4m工况下，按日平均24闸，年通航天数270天计算，省水率可达38.48%，最大省水量为306053万m。若按闸室水头差0.4m，连通阀门完全关闭后再开启闸首阀门方式运行，3最大省水率可达48.60%，最大省水量为59652万m。其余0.4m~4m工况省水量在这两种工况之间。如果将这些节约水量用于发电，则可创造可观的发电效益。90 第六章省水特性及通过能力研究6.2船闸通过能力计算船闸通过能力系指单位时间内船闸能通过的货物总吨数（过货能力）或船舶总数（过船能力），也是船闸的一项重要经济指标。一般情况下，船闸通过能力应计算设计水平年内近期、中期、远期通过货运量能力和船舶总吨位能力，并以年单向通过能力表示。根据飞来峡二、三线船闸运量预测计算成果，两座船闸单向货运量至2020年、2030年、2040年分别为642万吨、2741万吨、3530~4110万吨。如两线船闸采用双线省水运行，试验结果表明，当设计水头为14.44m，连通阀门采用3min匀速启闭，连通阀门关闭时两线船闸水位差为4m时的运行工况，模型实测的充泄水时间分别为10.48min和11.76min。即使两线船闸水位差为0.4m时关闭连通阀门，模型实测的充泄水时间分别为15.68min和16.77min。考虑到船闸输水系统水力学模型试验存在一定的缩尺效应，原型输水时间将缩短为15min以内，与单线船闸闸室充泄水时间10min相比，双线相互输水闸室充、泄水时间延长了2～7min左右。经计算，在双线省水运行方式下，船闸通过能力较单线普通运行运行均有所下降，各联合运行工况下两船闸通过能力见表6.2.表6.2省水运行各工况下通过能力表水头差0.4m*0.4m2m3m4m5m运行方式单独运行（万吨）433243324332433243324332省水运行（万吨）374540844140417141794212省水运行减小通过能力13.545.724.443.703.522.78（%）注：0.4m*为连通阀门完全关闭时在开启闸首阀门，0.4m~5m为连通阀门关闭时同时开启两线闸首阀门上述资料表明：采用双线相互输水省水模式时，当连通阀门完全关闭时再开启闸首阀门工况，通过能力减小了13.54%，两船闸通过能力为3745万吨。当关闭连通阀门时两闸室水头差为4m工况时，通过能力减小了3.52%，两船闸通过能力为4179万吨。考虑采用省水模式运行时，需要两线船闸运行同步，进出船闸船舶需相互等待，船舶过闸时间增长，预测省水模式下通过能力还将会减少3%。6.3发电效益计算设计相互灌泄水船闸的最终目的是节约过闸用水量，其节省的水资源为枢纽发电使用，从而创造更多的发电效益。根据《船闸总体设计规范》（JTJ305—2001），船闸一天内平均耗水量按下式91 重庆交通大学硕士毕业论文计算："nVoQq86400（6.3）qeu（6.4）式中3Q——一天内平均耗水量（m/s）；"3V——一次过闸用水量（m）；0n——日平均过闸次数（次）；3q——闸、阀门渗漏损失（m/s）；3e——止水线每米上的渗漏损失（m/s.m），当水头＜10m时取0.015~0.0020；当水头＞10m时取0.020~0.0030；u——闸门、阀门止水线总长度（m）。过闸用水量："VLBHcco（6.5）式中"Lc——闸室水域长度（m）；Bc——闸室有效宽度（m）；Ho——船闸计算水头（m）；根据上下游水位历时，选用接近于平均值的水头。V0.75V单级船闸双向一次过闸平均值为00，按省水模式运行24闸次，n=24；3经计算Q=28.05m/s。根据水能计算公式，可得出年发电效益。电站的保证出力N9.81QHE87609.81QH3式中，E—水流能量，Kwh；—出力效率；Q—平均流量m/s；H—水头落差，m；N—电站的保证出力，KW按0.4m为连通阀门完全关闭再开上下闸首阀门，每日省水运行每日过闸24次，省水量48.6%计算，发电天数按300天计算，省水船闸节约的水能为：6E=0.8×7200×9.81×（28.05×0.486）×7.33=6.6×10Kw.h=0.066亿度92 第六章省水特性及通过能力研究按上网电价每度电0.40元计算，发电效益为每年264.0万元。根据专家统计:每节约l度(千瓦时)电，就相应节约了0.4千克标准煤，同时减排0.272千克碳粉尘、0.997千克二氧化碳、0.03千克二氧化硫、0.015千克氮氧化物。为此可推算出以下公式:节约1度电=减排0.997千克“二氧化碳”=减排0.272千克“碳”。故省水船闸运行后相当于每年减排6580.2吨二氧化碳。省水船闸的修建，充分利用了水能这种清洁能源，可多创造发电效益，达到节能减排的效果。6.4本章小结本章内容主要研究了相互灌泄水船闸的省水特性和通过能力，研究表明，省水率和省水量均是随着两线船闸水位差的增大而减小，即省水量与两闸室间水头差成反比，通过能力与两闸室间水头差成正比。与设调节池的船闸相比，相互灌泄水船闸具有结构布置简单、工程量小、省水率高、运行管理方便等优点，节省的水量能有效解决枯水期水资源贫乏河段农业、发电、航运三者之间的矛盾，这对于充分利用和保护水资源、实现经济的可持续发展具有重要的意义。93 重庆交通大学硕士毕业论文第七章主要结论和研究展望7.1主要结论随着近年来我国航运枢纽事业的不断发展，为了最大限度节约船闸的耗水量，缓解发电用水和通航的矛盾，节约水资源，建设省水船闸并研究其运行方式和水力学特性是非常必要的。飞来峡二、三线船闸是我国内河规模较大的船闸，设计水头较高，输水系统布置相对比较简单，由于两线船闸并列对称布置，可以在两闸室间设置连通廊道，采用双线船闸相互输水的省水运行方式。本文主要研究了这种带有连通廊道的省水船闸型式，在选择合理的输水系统布置类型并确定各部位尺寸的基础上，采用数学模型计算和物理模型试验两种方法，对单线普通运行和双线省水运行两种方式下的阀门启闭方式、闸室灌泄水时间、输水特性、闸室停泊条件和廊道内压力等进行了研究，可得出以下结论：1、利用贵港二线类似船闸物理模型实测的充、泄水力特性曲线资料，对建立的数学模型进行验证，验证结果表明，数学模型计算的船闸输水时间、最大输水流量与模型实测结果基本吻合，说明该数学模型进行船闸输水水力特性分析是准确、可靠的。2、单线普通运行方式下，船闸输水过程最大流量和闸室水面上升（下降）速度与输水阀门开启的速度成正比关系，即输水阀门开启速度越快，闸室最大流量和闸室水面上升（下降）速度均越大。3、双线省水运行方式下，船闸灌、泄水时间与连通阀门开启时间成正比，和阀门关闭时两闸室水头差成反比；输水过程中的最大流量与连通阀门开启时间和阀门关闭时两闸室水头差均成正比。4、数学模型计算的闸室充、泄水水位、流量过程线，与物理模型实测结果基本吻合，由于两种方法采用的时间步长不同，导致在连通阀门关闭时段水位、流量会出现少量偏差和滞后。5、单线普通运行方式下，输水阀门以tv1=5min均匀开启，闸室内1000T单船受到的最大纵向系缆力为7.68kN，最大横向系缆力为10.10kN。充水阀门后最低压力为2.9m水柱，发生在3#测点，泄水阀门最低压力为1.8m水柱，发生在8号测点，均满足规范要求。6、省水率和省水量均是随着两线船闸水位差的增大而减小，若按阀门关闭时两闸室水头差0.4m，再开启闸首阀门运行方式，最大省水率可达48.6%，最大3省水量为59652万m。由此计算节约的水能为0.066亿度，发电效益为每年264.0万元；船闸的通过能力与省水量成反比关系。94 第七章主要结论和研究展望7.2研究展望1、限于时间关系，本文仅对相互灌泄水船闸单线普通运行和双线省水运行两种方式输水系统水力学特性进行了研究，从理论上分析了船闸省水特性和通过能力。与其他型式（设调节池）的省水船闸相比，其优越性是凸显的；省水船闸能有效解决枯水期水资源贫乏河段农业、发电、航运三者之间的矛盾，对于充分利用和保护水资源具有重要意义。因此，下一阶段除了对相互灌泄水船闸的省水特性和通过能力在理论上进一步研究外，同时，需与不同型式的省水船闸水力特性比较，提出各自的优缺点和适用范围等。2、本文采用数学模型是建立在船闸单线输水方程假设的基础上完成的，只能近似模拟相互灌泄水输水过程，需要在以后的研究中进一步完善该数学模型。3、本文以北江飞来峡水利枢纽二、三线船闸工程为研究对象，其连通廊道的位置设定是根据其输水系统的布置特点而定的，有它的特殊性。今后可进一步研究不同输水系统型式连通廊道的位置设定和其他参数设计，其研究成果对于推广应用省水船闸输水型式具有重大意义。同时可直接为该类输水系统设计和管理提供技术依据，为通航河流上类似的多线省水船闸开发建设提供借鉴，因此，该类输水系统应用具有十分广阔的前景。95 重庆交通大学硕士毕业论文致谢本论文是在导师老师张绪进研究员的悉心指导下完成的，张老师严谨的治学态度和开阔的思维让我对整篇论文的思路有了总体的把握，刘平昌老师、彭永琴老师和陈亮师兄对我的论文提出了很多建设性的意见，衷心感谢你们对我学业上的精心培养和生活上的关心鼓励。走进西科所并且成为张绪进老师的一名研究生使我感觉非常荣幸，我不仅可以从老师那里学到书本上的理论知识，而且还可以参与到科研实践中去，在浓厚的学术氛围中体会到了严谨的科学态度和精益求精的工作作风，使我受益匪浅。除了扎实的专业知识，张老师还教会了我们许多接人待物和为人处事的道理，令人如沐春风、倍感温馨。我相信，我在西科所学到的这些知识和道理会让我受用终生。特别感谢刘平昌老师和陈亮师兄，是你们带领我走进了船闸水力学这一研究领域，尽心竭力地给我讲解专业知识并耐心地帮我解决了许多实际问题。在我撰写论文期间，你们不断给我提供学习资料，对论文提出改进意见，使我少走很多弯路，得到很大收获。感谢我的同门好友田震、胡真真、李骞、吴陈陈等，一路上一直都有你们的支持和相伴。感谢我的师弟师妹们和西科所所有的同窗们，因为有你们在，我的学习生活才这么多姿多彩。衷心感谢评审论文的各位专家老师，祝你们身体健康，阖家欢乐！毕业论文的完成代表另一个学习阶段又要开始，在以后的生活中，我一定会加倍努力，积极工作，决不辜负老师对我的栽培和期望。96 参考文献参考文献[1]李云，胡亚安，宣国祥．通航船闸水力学研究进展[J]．水动力学研究与进展，1999，14（2）：232-239[2]周玉华，刘峰．省水船闸初探[J]．水运工程，2006[3]陈明栋．带调解水池船闸水力学问题初探[J]．重庆交通学院报，1994，13（4）：61-67[4]飞来峡枢纽二、三线船闸输水系统水力学模型试验研究报告[R]．重庆西南水运工程科学研究所，2014[5]广东省航道系统船闸工程节能减排综合应用技术研究报告[J]．重庆西南水运工程科学科学研究所，2014[6]宣国祥，李君.长洲水利枢纽三线四线船闸工程初步设计阶段船闸输水系统模型试验，南京水利科学研究院.2011[7]王军，杨斌，陈明栋，等.高水头船闸输水系统研究综述[J]．重庆交通大学学报（自然资源版），2007(5):125—128[8]宗幕伟，扬子藩．船闸输水系统设计．南京：南京水利科学研究院[9]周华兴，郑宝友.船闸水力学研究的回顾与展望[J]．水道港口，2004（3）:42-47[10]须清华，张瑞凯．船闸水力学研究的新成就[J]．南京水利科学研究院水利水运科学研究，1995（3）：234-245[11]Б.Д.卡洽诺夫斯基．船闸水力学．北京：水利出版社，1957[12]N.M.德乌斯．通航船闸．大连：大连工学院出版社，1988[13]SchilichtingH.Laminare.1993.Strahlenausbreitung.ZAMM.[14]BickleyW.Thelanejet.1939.Phil.Mag.Ser.7[15]AndradeEN,TsienLC.1937.Velocitydistributioninaliquidtoliquidjet.Proc.Phys.Soc[16]JTJ306—2001船闸输水系统设计规范［S］[17]ForthmannE.1934.IngenieurArchiv.1,NACATM789[18]ReinhardtH.1942.GesetzmassigkeitenderferineTurbulenz.VDI-Forschungsheft[19]BollingerEHMS.1950.Thesis,Univ.ofIllinois[20]专题情报资料，国外过船建筑物（第三辑）[R].交通部水运规划设计院，交通部科学技术情报所，1973年10月[21]西德运河交通工程考擦报告[R].交通部赴西德运河交流工程考擦小组.1978年12月[22]宣国祥，张瑞凯，宗慕伟．单级船闸输水系统分析及水力计算软件包[J]．水利水运科学研究，1994（12）：61-69[23]宣国祥，张瑞凯.船闸输水系统分析专家.水利学报[J]，1995（11）:8-1697 重庆交通大学硕士毕业论文[24]长江三峡两坝间通航水流技术标准试验研究报告，重庆西南水运工程科学研究所，1990.12[25]闵宇翔．三峡船闸水力学问题综述[J]．中国水运，2000[26]董红燕，郭红民，杨伟．三峡水利枢纽连续五级船闸模型试验控制及数据采集系统的应用[J]．长江科学院宜昌科学研究所[27]沙溪口船闸输水系统水力学模型试验研究[R].南京水利科学研究院，1989[28]五强溪船闸输水系统水力学模型研究试验[R].南京水利科学研究院，1993[29]刘亚辉．澜沧江景洪电站下引航道口门区通航水流条件试验．重庆建筑大学学报，2006.4[30]陈明.船闸输水系统水动力学研究综述[J]．重庆交通大学学报，2013（1）:157-168[31]杨国录.河流数学模型[M].北京：海洋出版社，1993[32]谭维炎，胡四一，王银堂，等.长江中游洞庭湖防洪系统水流模拟——建模思路与基本算法[J].水科学进展，1996（12）：336-334[33]须清华．分散输水系统船闸出水孔段廊道的水工模型缩尺影响[J]．水利水运科学研究，2000[34]康立荣，张娟．中等水头船闸输水系统选型分析探讨[J].水运工程，2013（2）:107-122[35]黎贤访.船闸闸墙廊道侧支孔输水系统水力学研究[D].南京水利科学研究院[36]卢文蕾，陈作强．闸底长廊道短支孔（管）分散输水系统布置[J]．水运工程，2007（12）：234-24[37]金国强，宣国祥.富春江七里泷航道第二通道工程船闸输水系统布置[J]．水利水运工程学报，2007(1):47-52[38]金国强，刘本芹.富春江船闸该扩建工程船闸输水系统布置研究[J]．水利水运工程学报，2012（8）:60-64[39]张绪进．贵港航运枢纽二线船闸输水系统水力学试验研究[J]．水利水运工程学报，2012（8）：34-38[40]宣国祥，黄岳，李君.桂平二线船闸闸底长廊道输水系统布置研究[J]．水运工程，2009（3）:105-119[41]刘平昌等，渠江金盘子船闸输水系统水力学原型观测研究[J]．重庆交通大学学报，2011（6）:1396-1399[42]王晓清，刘畅．省水船闸发展及研究现状[J]．重庆建筑，2013，12（10）：52-54[43]CorrsinS.1944.Nat.Adv.Comm.Aero.WartimeRep.No.W-90[44]AlbertsonML,DaiYB,JensenRA.1950.Diffusionofsubmergedjets.TransactionASCE98 参考文献[45]（俄）戈洛夫科等.带有蓄水池的船闸充水系统的水利计算[J]．水利水电快报，1999（8）:1-4[46]周华兴，王永成.省水船闸输水系统设计若干问题综述[J]．河海科技进展，1994，14（17）:56-62[47]胡苏萍.省水船闸输水系统的水力学问题［A］.泄水工程与高速水流论文集，P116-122[48]杨裔轩．郑家岗省水船闸输水系统水力学试验[J]．水利水运科学研究，1995，14（2）：234-245[49]蒋筱民，童迪，吴英卓.乌江银盘船闸输水系统设计与试验研究[J].人民长江，2008（4）：77-79[50]吴英卓，何勇，王智娟等.银盘船闸输水系统布置型式研究[J].长江科学院院报，2008（6）：6-9[51]任敏康，南江江．春天湖船闸输水系统的设计[J]．科技情报的开发与经济，2004，14（6）：159-160.[52]张珊，吴澎．长洲水利枢纽3-4号船闸平面布置研究[J]．水利水运工程学报，2012（4）：1-5[53]陈明栋，杨忠超，杨斌．乌江银盘输水系统选型研究[J]．重庆建筑大学学报，2006，28（5）：30-34[54]莫伟弘．长洲水利枢纽1×2000t+1000t船闸总体设计[J]．红水河，2008，27（5）：44-49[55]吕东伟，刘平昌，陈亮，等．船闸闸室明沟效能工消能效果三维数值模拟[J]．水道港口，2013，34（6）：508-512.[56]周雪漪．计算水力学．北京：清华大学出版社，234-24[57]宣国祥，陈泰春，黄岳．船闸输水惯性超高（降）的影响及改善措施研究[J]．水利学报，1998（4）：234-24599 重庆交通大学硕士毕业论文在校期间发表的论文和取得的学术成果一、在校期间发表的论文«飞来峡二、三线船闸闸底长廊道输水系统模型试验研究»，水运工程，中文核心期刊（已录用）。二、参加的研究课题1、贵港二线船闸水力学模型实验，省部级项目，2013年12月至2014年2月，担任实验的操作和数据处理工作。2、飞来峡二、三线船闸水力学模型实验，省部级项目，2014年2月至2014年4月，担任实验的操作和数据处理工作。3、白石窑一、二线船闸水力学模型实验，省部级项目，2014年5月至2014年6月，担任实验的操作和数据处理工作。4、清远二线船闸水力学模型实验，省部级项目，2014年7月至2014年8月，担任实验的操作和数据处理工作。100'