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多级船闸省水率计算方法

2020-01-03 10:07:30 中国水运 2020年12期

董思远 王乔 张楠 何良德

摘 要:船舶过闸方式影响船闸通过能力和用水量。本文基于一次过闸时间的灌泄水时间项分析,导出了多级船闸一次过闸用水量计算公式;基于船闸省水原理,提出了双线多级互通船闸、多级带省水池船闸省水率的计算方法。研究表明,船舶到闸量较小时,互通船闸可能只需要一线非省水运行,单级互通船闸省水率小于50%。多级船闸应分别计算闸室水头分担率、互灌互泄或带省水池的闸室耗水率、运行方式影响系数,三者乘积为船闸耗水率,最终可得船闸省水率。

关键词:多级船闸;一次过闸用水量;省水池;互灌互泄;省水率

1引言

采用低坝渠化、双线互通船闸、带省水池船闸、多级船闸以及带中间闸门等型式或措施,可以节省船闸运行时的用水量。德国内卡河27个梯级船闸,其中23个梯级采用双线互通船闸[1],美因-多瑙运河16个梯级船闸,其中13座采用带省水池船闸[2]。巴拿马运河第一、第二线[3]为双线三级互通船闸,闸室带中间闸门,第三线[4]为带省水池的三级船闸。我国省水船闸相对较少,仅有长洲三线、四线[5]、飞来峡二、三线[6]两座双线互通大型,首批小清河带省水池船闸[7]正在建设中。

目前,对多级船闸、互通船闸、省水池船闸的省水率分别给出了定义和计算方法[8],尚未明确多级互通船闸或多级带省水池船闸省水率计算方法。本文通过一次过闸时间[9]的灌泄水时间项,导出多级船闸一次过闸用水量计算公式,可以考虑船闸运行方式对用水量的影响。分别提出了闸室和船闸省水率的计算思路,针对双线互通船闸联动的运行特点,考虑了单线运行概率及其对省水率的影响。给出了多级双线互通船闸、多级带省水池船闸的省水率计算方法和实例分析。

2普通多级船闸省水率

2.1过闸时间

2.2闸次用水量

过闸用水量是船闸耗水量主要组成部分,是指船舶过闸时,闸室灌泄水所耗用的水量。

2.3船闸省水率

耗水率Fm、省水率Em与船闸总级数以及过闸方式等因素有关。九里沟单线二级船闸m=2,设成批过闸比αm=0.5,nH、nB不影响耗水率,Fm=50%,Em=50%。三峡双线五级船闸m=5,单向运行,αm=0,Fm=20%,Em=80%。

多级船闸主要是通过降低闸室分担水头ξH,减小泄水棱体V0,达到省水效果的。在闸室分担水头一定的条件下,可以采用带省水池船闸或互灌互泄船闸,减小直接泄向下游的水体,到达节省船闸用水的目的。

3互灌互泄双线船闸省水率

3.1互灌互泄船闸省水原理

双线相互输水运行方式,先通过连通廊道进行相互输水,待两线闸室水头差减小到一定的剩余水头e后,关闭连通廊道阀门,同时开启各自的充(泄)水阀门以完成剩余的输水过程。互灌互泄的闸室不能降低连通阀门的工作水头,而且要求其能够承受双向水头。工作原理如图1所示,闸室分担水头Hc,省水高度为t,用水高度为tF。

3.2船闸省水率

互灌互泄的运行方式使得双线船闸产生了关联。双线连续多级船闸一般采用单向过闸,因此可能有双线对向、双线同向、单线单向等三种组合方式,其中αm=0。互灌互泄时,对向行驶的船舶可同时停泊在相邻闸室中,同向行驶的船舶则需要错开一个闸室。

双线船闸的相应操作同步性要求高,造成延误的可能性大。船闸连续级数越多,运行可靠度越低,对通过能力的影响甚于单级船闸。这也是巴拿马一线、二线多级船闸现在很少使用互灌互泄省水方式的原因。

3.3计算实例

巴拿马运河是连接太平洋和大西洋的重要航运通道,全长81km,1914年同时建成通航的双线船闸,包括连接大西洋的加通连续三级船闸(水头25.9m),连接太平洋的佩德罗·米格尔一级船闸(水头9.5m)、米拉弗洛雷斯连续二级船闸(水头13~20m)。

一线、二线为互灌互泄双线孪生船闸,基本尺度304.8×33.53×12.8m。双线船闸采用分散输水系统,共设三个长廊道,边墙各设一个,中墙共用一个,横支廊道互相交错布置,顶部各有5个出水孔(如图1所示)。

设e=0m,Fd=50%,Ed=50%,β=80%,Fs=60%、Es=40%,大西洋侧加通三级船闸单向运行,ξ=1/3,Fm=20%,Em=80%。

4带省水池船闸省水率

4.1带省水池船闸省水原理

以1级省水池为例,工作原理如图2所示。闸室分担的水头差Hc,闸室泄水时水体V1泄向省水池,剩余的水体VF泄向下游;闸室灌水顺序与泄水相反,将省水池内的水体V1灌入闸室,最后不足的水体VF由上游补充。

4.2 船闸省水率

根据带省水池船闸工作原理,可得闸室在一个灌泄水循环过程的用水高度tF

4.3计算实例

巴拿马运河第三线船闸于2016年竣工,在大西洋側的阿瓜克拉拉船闸、太平洋侧的可可里船闸,均为连续三级船闸,每个闸室设置3个省水池(如图3所示),基本尺度426.72m×54.86m×18.29m。闸室创新性采用了闸墙侧边两区段动态平衡系统,提高了闸墙出流的纵向均匀性。省水池的两组一对廊道分别在闸底1/4中心处水平分流,连接两侧支廊道,使得省水池灌泄水为四区段运行。

省水池面积比χ=1,n=3,不考虑剩余水头影响,闸室耗水率Fb=40%,省水率Eb=60%。巴拿马运河共有三线船闸,闸室水头分担率ξ=1/3,可采用单向过闸方式,km=1.0,船闸耗水率Fm=13.3%,省水率 Em=86.7%。

5结论

(1)船舶到闸量较小时,互通船闸可能只需要一线非省水运行。互通船闸省水率应考虑互灌互泄运行闸次比率的影响,单级互通船闸省水率小于50%。

(2)互通船闸级数越多,过闸同步操作要求越高,发生延误可能性越大,运行可靠度越低,对通过能力影响远甚于单级互通船闸。这也是巴拿马一线、二线多级船闸现在很少使用互灌互泄省水方式的原因。

(3)多级船闸应分别计算水头分担率、互灌互泄或带省水池的闸室耗水率、运行方式影响系数,三者之积为船闸耗水率,最终可得船闸省水率。

参考文献:

[1]闵朝斌. 西德的内河航道(上) [J]. 水运工程, 1986(3): 53-58.

[2]闵朝斌. 西德内河航道(下) [J]. 水运工程, 1986(4): 50-57.

[3]Lieut. Col., H. F. Hodges. The Panama Canal[R]. Washington DC: Society of American Military Engineers, 1909.

[4]Rüdiger Spengler, Jesús Imedio, Rafael Pérez, et al. Panama Canal expansion project–description third set of locks project[A]. In: IABSE Symposium Report, Vol. 102[C].37th IABSE Symposium, Madrid, 2014:783-790.

[5]吴澎, 曹凤帅. 西江长洲水利枢纽3号和4号船闸总体设计[J].港工技术, 2014, 51(5): 4-9.

[6]陈亮,王晓青. 飞来峡二、三线相互灌泄水船闸省水特性及效益分析[J]. 水运工程, 2015(6): 106-110.

[7]佘然,夏高响. 金家堰枢纽平面布置方案比选研究[J]. 中国水运, 2018,18(9): 147-148.

[8]G.N. Willems. Final Report of the International Commission for the Study of Locks [R]. Brussels: PIANC, 1986.

[9] JTJ305-2001, 船闸总体设计规范[S].