船闸输水阀门段廊道顶高程的确定方法与流程

本发明船闸输水阀门段廊道顶高程的确定方法，具体说的是一种通过船闸的工作水头、闸室规模、输水时间、输水阀门空化数等相关参数，确定合理的船闸输水廊道顶高程的方法，属于通航水力学领域。

背景技术：

船闸输水系统是指船闸运转时充水和泄水的主要设施，包括进水口、阀门段、输水廊道、出水口、消能工等，是船闸工程中的重要组成部分。输水系统的设计至关重要，输水系统布置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。

船闸输水系统的水力设计应满足以下要求：(1)船闸的输水系统应保证在设计的输水时间内完成充水或泄水，从而满足船闸通过能力要求。(2)在规定的时间内充水和泄水时，应获得较好的闸室和引航道水流条件，满足过闸船舶的停泊和航行安全。(3)闸室充水和泄水时，船闸的各个构件不得被水流损坏，如闸室底和引航道底的冲刷、输水阀门及廊道的空化、空蚀和振动等。

船闸输水廊道顶高程是船闸输水系统非常重要的设计参数，体现在以下两方面：

(1)直接影响输水阀门空化状态

众所周知，阀门空化问题是高水头船闸设计最为关键的技术难题之一。阀门段空化的危害主要包括：阀门面板、门楣及门后廊道边壁空蚀破坏；空化严重时廊道常出现巨大雷鸣声，发生声振现象；门后廊道压力脉动及阀门启门力脉动增大；阀门及其启闭系统振动加剧，造成液压系统元件损坏；阀门支铰脉动增大，造成支铰固定螺栓振松和破坏等。一般我们用无量纲数——空化数σ来描述空化现象，常见的形式为：：

其中，hp、ha和hv分别为参考点p的压力水柱高(m)、大气压力水柱高(m)和水的饱和蒸汽压力水柱高(m)；vp为参考点p的流速(m/s)，与阀门工作水头有关。hd为下游水位(m)，h0为船闸输水廊道顶高程(m),ζ为泄水阀门至出水口的阻力系数。

定义σi为水流临界空化数，表征水流处于临界空化状态,σ/σi为相对空化数：σ/σi＞1时，表明阀门无空化；σ/σi≤1时，阀门段存在空化。相对空化数越小，空化程度越剧烈，图2给出了不同相对空化数下阀门的底缘空化形态。因此相对空化数是衡量阀门空化程度的重要指标。

从空化数定义可知，船闸输水廊道顶高程h0，是影响输水阀门空化状态的重要参数。在阀门工作水头不变的前提下，通过降低阀门段高程，增大阀门处廊道初始淹水深，可提高阀门工作空化数，提高阀门段抗空化性能。

(2)关系到闸室水流条件

输水阀门段廊道顶高程的确定还需兼顾下游检修门井的高程，确保下游检修门井的淹没水深不少于1m，否则易造成下游检修门井脱空，上部空气顺检修门井被吸入廊道，进入闸室，影响闸室水流条件和船舶的停泊安全。

船闸输水阀门段廊道顶高程是船闸设计的重要参数，若输水阀门段廊道顶高程过高，会导致阀门段发生空化空蚀破坏，或下游检修门井吸入空气形成气囊在闸室涌出，严重威胁船舶安全；若输水阀门段廊道顶高程过低，会导致开挖量和工程投资的增加，因此确定合理的输水阀门段廊道顶高程是船闸输水系统设计的关键。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：针对不同工作水头、规模的船闸，根据采用的防空化措施确定合适的阀门段廊道高程，指导船闸输水系统设计。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

船闸输水阀门段廊道顶高程的确定方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：根据船闸工作水头，通过分级防空化技术初步确定输水阀门防空化措施，防空化技术包括主动防空化技术、被动防空化技术、主动与被动相结合的防空化技术。

其中，主动防空化技术主要有优化阀后廊道体型(采用渐扩、突扩体型)以提高阀后压力、快速开启阀门等；被动防空化技术主要指门楣通气、廊道顶部通气、跌坎通气、升坎通气等各类通气措施。

步骤二：根据步骤一初步确定的防空化措施确定相应的输水阀门相对空化数控制标准：主动防空化技术σ/σi≥1.0；主动与被动相结合的防空化技术σ/σi≥0.5；完全被动防护技术σ/σi≥0.1。

步骤三：根据船闸工作水头、闸室尺寸、设计输水时间，通过《船闸输水系统设计规范》相关公式计算输水阀门处廊道断面面积ω。

式中，ω——输水阀门处廊道断面面积(m²)；c——计算闸室水域面积(m²)；h——工作水头(m)；μ0——阀门全开时的流量系统，根据已有船闸研究成果；t——闸室灌水时间(s)；α——系数，与阀门有关的系数；kv——取kv＝0.7；

步骤四：步骤三计算得出的输水阀门处廊道断面面积ω和船舶设计系缆力，计算输水阀门处廊道断面面积ω、输水阀门开启时间tv。

式中，kr——与阀门门型有关的系数；pl——船舶允许纵向力(kn)；w——船舶(队)排水量(t)；ωc——闸室初始过水横断面面积(m²)；χ——船舶浸水横断面面积(m²)；lc——船舶换算长度(m)；lb船首离上闸首距离(m)；lh—船尾离下闸首距离(m)；a＝lb/lc；b＝lh/lc；

步骤五：根据bernoulli方程，建立船闸通过输水廊道输水的非恒定流方程组(6)～(9)，用迭代和差分法求解方程组，得到船闸输水过程的流量过程线、水位过程线等；

其中，hu、h、hd分别为上游水位、闸室水位和下游水位(m)；ζ1、ζv分别为输水廊道阻力系数和阀门阻力系数；ω为输水阀门处廊道断面面积(m²)；q为闸室输水流量(m³/s)；c为闸室水域面积(m²)；l为廊道换算长度(m)；下标1、2分别代表充水和泄水。获得输水阀门开启过程中各开度对应的水位及流量；

步骤六：根据步骤二的判断条件、步骤五的水位及流量条件计算得到满足空化条件的输水廊道顶高程；

vp＝q/ω(11)

步骤七：复核下游检修井压力，是否大于+1m；

步骤八：若下游检修门井压力大于+1m，则采用步骤六计算得到的输水廊道顶高程，若不满足，则继续降低输水廊道顶高程，直至满足下游检修井压力大于+1m的要求。

本发明的优点是：

本发明根据输水阀门相对空化数及下游检修门井淹没深度确定船闸输水阀门段廊道顶高程，综合考虑了船闸工作水头、闸室规模、船闸运行效率等相关因素，该方法可为船闸设计提供依据，避免船闸输水阀门发生空化，防止下游检修门井脱空进气形成气囊在闸室涌出，对船舶的停泊条件产生不利影响，保障船闸的安全高效运行。

本发明提出的控制方法在保证船闸安全高效运行的同时在最大程度上减小了工程的开挖量，降低工程投资。

附图说明

图1是船闸阀门段输水廊道及下游检修门布置示意图；其中输水阀门1，阀后廊道顶高程2，下游水位3，下游检修门4，下游检修门井高程5，下游检修门井淹没水深6。

图2船闸闸室双边开启tv＝7min闸室充水水位特性曲线示意图；水位组合：190.00m～163.00m，h为闸室水位，q为流量，n为阀门开度，t为时间；

图3船闸闸室双边开启tv＝7min闸室充水流量特性曲线示意图；水位组合：190.00m～163.00m，h为闸室水位，q为流量，n为阀门开度，t为时间；

图4船闸闸室双边开启tv＝4min泄水水位特性曲线示意图；水位组合：190.00m～163.00m，h为闸室水位，q为流量，n为阀门开度，t为时间；

图5船闸闸室双边开启tv＝4min泄水流量特性曲线示意图；水位组合：190.00m～163.00m，h为闸室水位，q为流量，n为阀门开度，t为时间；

图6本发明方法的技术路线示意图。

具体实施方式

实施例一

某工程为，计算扩建船闸的廊道顶高程，扩建船闸基本设计参数如下：最大过闸船型为500t级货船，远期兼顾1000t级货船，采用单线单级船闸布置。船闸设计最大水头为27.0m，闸室有效尺度为215m×23m×4.0m(长×宽×门槛水深)，设计输水时间为16.5min。上游最高通航水位190.00m，上游最低通航水位186.00m。设计船型、船队尺度(500t单船)：67.5m×10.8m×1.6m(长×宽×设计吃水)；

步骤一：根据船闸工作水头，通过分级防空化技术初步确定输水阀门防空化措施。

洪江新建船闸最大水头达27.0m，且下游水位变幅达5.7m，因而不能采用输水阀门浅埋深、廊道顶部自然通气的方法解决输水阀门的空化问题，只能考虑将输水阀门布置在较低的高程，依靠阀门后较大的压力，减免门后空化的发生，经初步分析，阀门段廊道拟采用“顶渐扩+平底”的体型，以增大门后压力，确保阀门运行安全，并结合门楣自然通气和廊道顶通气等措施减免阀门段廊道空化。即采用主动与被动相结合的防空化技术。

步骤二：根据步骤一初步确定的防空化措施确定相应的输水阀门相对空化数控制标准：σ/σi≥0.5。

步骤三：根据船闸工作水头、闸室尺寸、设计输水时间、船舶设计系缆力，通过《船闸输水系统设计规范》计算公式计算输水阀门处廊道断面面积ω、输水阀门开启时间tv。

对于洪江新建船闸：c＝9×12+50×(12+23)/2+180×23＝5123m²，h＝27.0m，t＝16.5min＝990s，取d＝0.3m，μ取0.7，α为0.46，若令kv＝0.5～0.6，则：

初步考虑输水阀门尺寸为ω＝2×3.0m×4.0m(宽×高)＝24.0m²。

步骤四～五：按重力相似准则，1：25模型比尺建立物理模型，测定充、泄水阀门不同开启时间的闸室水位变化过程线、流量变化过程线、船舶系缆力等。经过多种方案比较，推荐充、泄水阀门开启时间分别为7min和4min，对应的闸室充、泄水时间及系缆力满足设计要求，输水过程线见图3、4、5、6，得到各开度对应的流量及水位。

步骤六～八：根据步骤二的判断条件、步骤五的水位及流量条件计算得到满足空化条件的输水廊道顶高程为150.5m，即阀门段廊道埋深为12.5m，下游检修门井淹没水深大于1m。

本发明还可以有其它实施方案，只要根据输水阀门空化条件和下游检修门井淹没深度提出船闸输水阀门段廊道顶高程方法，均在本发明要求的保护范围内。