一种超高水头船闸自均衡出流输水系统

1.本发明涉及内河航运工程技术领域，具体是一种超高水头船闸自均衡出流输水系统。


背景技术：

2.随着社会经济的发展，我国通航船舶不断的向大型化发展，船闸规模和水头也不断提高，目前国内外规范推荐的高水头船闸输水系统型式已不能满足超高水头大型船闸安全高效输水要求，存在明显技术瓶颈，亟待突破。
3.衡量过闸船舶安全性的船舶系缆力，主要来源是水面坡降带来的船舶重力g的分力，其次为闸室进流出现的水流紊动力、流速力(见图6)，因此提高输水系统闸室内出流均匀性与分散性，降低输水过程中闸室水面坡降、减小闸室水体紊动，一直是船闸输水系统布置优化方向。
4.从提高出流均匀性的目的出发，研究者提出了等惯性输水原理，等惯性输水原理是通过输水廊道布置力求使输水过程中从上游至闸室各出水支孔具有相同的阻力和惯性，从而保证非恒定水流条件下闸室各出水支孔出流的均匀性。1935年比利时马斯河上的伊伏兹
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拉梅的600t级船闸(闸室全长55m)即采用了等惯性输水原理布置输水系统(见图7)，但该布置型式出流分散程度不够，出流集中，无法解决大闸室尺度高水头船闸的闸室内船舶停泊安全问题。
5.对于大型高水头船闸，为了降低单支孔出流能量减少闸室水体紊动，需要在闸室内尽量分散布置众多的出水孔，若仍采用图7所示水流流至各出口的输水线路完全等惯性的方式保障众多出水孔出流均匀性，则输水廊道布置会非常复杂，甚至无法实现，为此美国研究人员在对下花岗岩船闸(闸室尺度为206m
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26.2m、最大水头为30.8m、t＝8.3min)输水系统研究中，对等惯性要求进行了降阶处理，获得了更适用于工程建设的等惯性输水系统布置型式(见图8)。
6.这种降阶了的等惯性输水系统因输水效率高、闸室内船舶停泊条件好而被后续高水头船闸广泛采用，在美国，下花岗岩船闸之后的高水头船闸均采用了这种等惯性输水系统，这种等惯性输水系统成为经典被各国船闸输水系统设计规范收录。我国的葛州坝船闸、三峡连续5级船闸等大型高水头船闸均采用了图8所示的经典等惯性输水系统。
7.但是，由于经典等惯性输水系统仅保证了分流口终端节点的等惯性，牺牲了闸底各出水区段出水支廊道上出流多支孔的等惯性，因此出水廊道上布置的多支孔出流并不均匀，且对船闸输水非恒定流适应性差。各区段出水支廊道多支孔出流的分散性和均匀性是等惯性输水系统能否取得良好效果的关键因素，因此国内外研究者对出水支廊道以及出水多支孔布置以及对出流均匀性的影响进行了大量研究。
8.图9为葛州坝船闸输水系统物模研究成果，研究表明，出水廊道上的多支孔出流流速在空间上分布不均匀，且出水廊道越长，孔越多，多支孔的出流流速差异越大。多支孔出流不仅在空间上分布不均匀，在时间上亦出现差异。因此多支孔不论是等面积等间距布置，
还是不等面积等间距布置，要得到船闸输水全过程各孔口流量完全相等是不大可能的，实际上只能尽量减小这种差别。
9.张瑞凯、须清华的数模计算指出，输水初始，近进流端的上游支孔开始出水，且出流量随支孔离出水支廊道进口距离的变大而减小，在一个很短的时间(8s左右)后各支孔出流达到均衡，其后变为远离进口的下游支孔出流量变大，靠近下游支孔出流开始多于上游支孔。此后下游支孔出流量与上游支孔出流量的比值随输水历时t的增加而越来越大，直至充水结束。研究表明充水全过程中，支孔流量分配比例始终是变化的，经典等惯性输水系统出水廊道多支孔出流的均匀出流较难达到。须清华、张瑞凯的研究还指出，即使阀门相对开启时间很长，输水系统仍会较迅速地进入下游支孔出流较多的状况。
10.易新华、邓廷哲的研究表明，出水支廊道在50m内对保证多支孔出流均匀有利，出水支廊道过长、孔过多，其上的多支孔出流将更加不均匀，这也是世界各国采用4区段8纵支廊道出水经典等惯性输水系统的大型船闸闸室内出水区域仅占闸室总面积的60％～65％的原因(如美国的下花岗岩船闸、我国的葛洲坝1#船闸、三峡船闸)。对于40m级的大型超高水头船闸而言因输水能量巨大，这个分散度下闸室内单个出水孔出流强度大，参与出流消能的水体不够，闸室进流出现的紊动力、流速力大，再加上多支孔出流均匀性随着输水能量加大而降低，输水过程中水面坡降加大，造成闸室内船舶停泊条件较差。
11.从更加分散出流降低单个出水孔的出流强度、相应拓展消能空间，减少闸室水体紊动的角度，长江水利委员会长江科学院研究获得2种适应大型超高水头船闸的输水系统，“一种能适应大规模高水头船闸的全闸室输水系统(zl201510500655.x)”和“一种闸底纵向贯通式出水的船闸双层输水系统(zl 202010824517.8)”分别于2015年、2020年获颁国家发明专利，并成功应用于最大水头40.25m的大藤峡船闸，与中间级最大水头45.2m的三峡水运新通道连续5级船闸(项目可研阶段设计方案)。研究表明，对于40m级超高水头船闸，通过加长出水廊道更加分散出流，同时优化出水廊道体型和出水孔面积尽量调整加长出水廊道多支孔出流均匀性，可以解决船舶停泊安全问题，但国家重点研发课题(2016yfc0402001)对60m级超高水头船闸研究发现，水头提高至60m输水能量大幅上升后，上述输水系统长出水廊道多支孔出流均匀性进一步变差，且难以纠正。
12.因此，如何在更加分散出流前提下更加均匀出流，在增加出水支廊道长度，降低单个出水孔的出流强度、相应拓展消能空间的同时，提高多支孔出流均匀性和对船闸输水非恒定流的适应性，以解决更高水头超高水头船闸输水巨大能量下船舶停泊安全问题，是摆在科研工作者面前的又一难题。


技术实现要素：

13.针对现有技术的上述不足，本发明提供一种超高水头船闸自均衡出流输水系统，该输水系统为4区段16纵支廊道出水等惯性输水系统，可以改善闸室内船舶的停泊条件，不仅提高了船舶过闸的安全性，还可增加船闸的通过能力。
14.本发明采用的技术方案如下：
15.一种超高水头船闸自均衡出流输水系统，包括闸室、位于闸室两侧的主廊道、位于闸室中部的第一分流口、分别位于闸室长度1/4和3/4处的第二分流口，第一分流口的出口通过中支廊道与第二分流口连通，第二分流口与出水支廊道连通；出水支廊道的立面呈矩
形，中部用隔板分为独立的上层出水支廊道与下层出水支廊道，上层出水支廊道的进水口位于第二分流口端，上层出水支廊道顶部均匀布置顶部出水孔，顶部出水孔上部加消能盖板消能；下层出水支廊道的进水口位于远离第二分流口的另一端，与第二分流口采用衔接廊道衔接，下层出水支廊道两侧壁均匀布置侧壁出水孔，水流出侧壁出水孔后采用消能明沟消能。
16.进一步的，进入闸室内的水流经过第一分流口和第二分流口分流后，形成四个相同面积的出水区段，四个出水区段总面积占闸室总平面面积比达85％。
17.进一步的，所述第一分流口包括两个分别接左右侧主廊道的进口和两个分别接上下游中支廊道的出口；第二分流口包括一个接中支廊道的进口和八个分别接上层出水支廊道与衔接廊道的出口。
18.进一步的，所述第一分流口采用立体分流型式，位于进口和出口的分流隔板端部体型均为半椭圆。
19.进一步的，所述第二分流口采用带导流脊的自分流型式，为大空腔结构，充水时水流由中支廊道进入第二分流口后通过三次分流进入各支出水支廊道。
20.进一步的，闸室充水时出中支廊道水流，进入第二分流口后，顺闸室中心线处导流脊先一分为二，分别转向左右两侧，然后每侧水流自分流一分为二，转向各区段出水廊道轴线方向，其中转向1/4区段或4/4区段的水流再次自分流分为2份，分别进入上层出水廊道和下层衔接廊道，转向2/4区段或3/4区段的水流同样再次分为2份，分别进入上层出水支廊道和下层衔接廊道，形成4区段16纵支廊道出水输水系统布置格局。
21.进一步的，所述上层出水支廊道的顶部出水孔由近向远与下层出水支廊道的侧壁出水孔由远向近一一对应布置在同一闸室横断面上。
22.进一步的，所述上层出水支廊道顶部由近端至远端均匀布置14个顶部出水孔，所述下层出水支廊道两侧壁由近端至远端均匀布置2
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14个侧壁出水孔。
23.本发明通过将2条进流方向相反的出水支廊道进行叠放，利用多支孔出流自身规律，达成上下层支廊道出水孔出流互补，获得全输水过程中全出水区域自动均衡出流的效果，由此降低输水过程中闸室水面坡降，减小船舶系缆力，提高船舶过闸安全性，提高闸室输水效率增加客货运量。
附图说明
24.图1是本发明一种超高水头船闸自均衡出流输水系统的平面结构示意图；
25.图2是本发明一种超高水头船闸自均衡出流输水系统的立面结构示意图；
26.图3是本发明第二分流口的结构示意图，其中(a)为第二分流口平面大样图，(b)为第二分流口剖面图；
27.图4是图2中出水支廊道及出水孔及消能设施结构放大图，其中(a)为消能明沟的结构示意图，(b)为出水支廊道的结构示意图；
28.图5是本发明超高水头船闸自均衡出流输水系统的3d示意图；
29.图6是船闸输水过程中船舶受力示意图；
30.图7是完全等惯性输水系统示意图；
31.图8是闸底4区段8纵支廊道等惯性输水系统示意图；
32.图9是葛州坝船闸输水系统出水支廊道多支孔出流流速变化过程图。
33.图中：1—闸室，2—主廊道，3—第—分流口，4—中支廊道，5—第二分流口，6—上层出水支廊道，7—衔接廊道，8—下层出水支廊道，9—顶部出水孔，10—侧壁出水孔，11—消能盖板，12—消能明沟。
具体实施方式
34.下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
35.请参阅图1-5，本发明实施例提供一种超高水头船闸自均衡出流输水系统，为4区段16纵支出水廊道输水系统，包括闸室1、主廊道2、第一分流口3、中支廊道4、第二分流口5、上层出水支廊道6、衔接廊道7、下层出水支廊道8、顶部出水孔9、侧壁出水孔10、消能盖板11、消能明沟12。
36.请进一步参考图1和图2，所述主廊道2位于闸室1的两侧，所述第一分流口3位于闸室1中部，包括两个分别接左右侧主廊道2的进口和两个分别接上下游中支廊道4的出口，其采用立体分流型式，位于进口和出口的分流隔板端部体型均为半椭圆，根据分流隔板端部压力分布特性及结构施工等要求确定椭圆长短半轴之比。
37.进一步参考图1、图2和图3，第二分流口5有两个，分别位于闸室1长度1/4和3/4处，每个第二分流口5包括一个接中支廊道4的进口和八个分别接上层出水支廊道6与衔接廊道7的出口(如图3中(a)所示)，其采用大空腔自分流结构，充水时水流由中支廊道4进入第二分流口5后通过三次分流进入各支出水支廊道，分流均匀性通过调整分流口后部输水系统阻力经数模计算确定。
38.进一步参考图1和图4，所述上层出水支廊道6与下层出水支廊道8为将经典4区段8纵支廊道等惯性输水系统中的出水支廊道中间加隔板形成，出水支廊道与出水孔特征尺寸均由系列模型试验确定，保证上层出水支廊道6与下层出水支廊道8进流均匀；顶部出水孔9采用消能盖板11消能，侧壁出水孔10采用明沟12消能。
39.上层出水支廊道6的进口位于第二分流口5的一端，下层出水支廊道8的进口位于远离第二分流口5的另一端，下层出水支廊道8与第二分流口5通过无出水孔廊道衔接；上层出水支廊道6顶部由近端至远端(按上层出水支廊道6进流方向)均匀布置14个顶部出水孔9，顶部出水孔9上部加消能盖板11消能，下层出水支廊道8两侧壁由近端至远端(按下层出水支廊道8进流方向)均匀布置2
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14个侧壁出水孔10，水流出侧壁出水孔10后采用消能明沟12消能。
40.出水支廊道的立面呈矩形，中部用隔板分为独立的上下两层，出水支廊道被隔板分成上下两层，可视为上下叠放的两条出水支廊道，上层出水支廊道6与下层出水支廊道8进口分别位于出水支廊道两端，即上层进口端与下层末尾封闭端位于同一闸室横断面上，而下层进口端与上层末尾封闭端位于同一闸室横断面上；上层出水支廊道6的顶部出水孔9由近向远与下层出水支廊道8的侧壁出水孔由远向近一一对应布置在同一闸室横断面上。
41.进入闸室1内的水流经过第一分流口3和第二分流口5分流后，形成四个相同面积的出水区段，四个出水区段总面积占闸室1总平面面积比可达85％。
42.水流由中支廊道4进入第二分流口5后先通过船闸中心线处设置的导流脊将水流一分为二，分别转向左右两侧，然后每侧水流再一分为二，转向各区段出水廊道轴线方向，
其中转向1/4区段(或4/4区段)的水流再次分为2份，分别进入各区段上层出水廊道6和下层出水廊道8，转向2/4区段(或3/4区段)的水流同样再次分为2份，分别进入各区段上层出水支廊道6和下层出水支廊道8，形成4区段16纵支廊道出水输水系统布置格局，第二分流口5为带导流脊大空腔一进八出布置格局，空腔内水流经历三次分流。导流脊体型按泄水时第二分流口直线型空腔形成的低流速区形态确定，大藤峡船闸以及孤山船闸研究发现，泄水时直线型空腔在分流口汇流区边壁出现随机压力陡降，泄水时廊道流速越高陡降越大，根据汇流形成的低流速区形态增设导流脊后，压力陡降消失。
43.本发明改善闸室停泊条件的机理为通过将经典4区段8纵支廊道输水系统中每支出水廊道，通过中间加隔板和反向开口变成2条进流方向相反的上下层出水支廊道，利用多支孔出流自身规律见图9，通过上下层支廊道出水孔出流动态互补，达到全输水过程中全出水区域自动均衡出流的目的，解决了大输水能量下长出水廊道多支孔出流均匀性差的问题。同时将经典4区段8纵支廊道输水系统变成4区段16纵支廊道输水系统后，上下层出水廊道均布置出水孔，使得出水孔个数大为增加，相应降低单个出水孔出流强度，减少出流紊动。全输水过程中全出水区域自动均衡出流与单孔出流能量的降低，优化了超高水头船闸船舶闸室停泊条件。另外，因第二分流口5采用大空腔自分流结构，大大缩小了第二分流口5的平面尺寸，减少了不能布置出水孔的区域，将出水区域的闸室占比由常规布置的60％～65％提高到85％左右，分散输水布置，可显著增大参与消能的水体体积，从而降低单位水体比能。
44.85％的分散布置、全输水过程中全出水区域自动均衡出流与单孔出流能量的降低，有效减小了船闸闸室输水过程中闸室水面坡降与紊动，上述措施的共同作用改善了闸室内船舶的停泊条件，不仅提高了船舶过闸的安全性，还可提高船闸工作水头和通行船舶吨位，相应提高船闸通过能力。
45.前面介绍过以往单层出水廊道研究结论：出水廊道越长，布置的孔越多，多支孔出流的均匀性越差，所以一般将每支出水廊道的出水孔个数控制在12个(顶孔)或12对(侧孔)左右，本发明是通过上下层支廊道出水孔出流动态互补实现自动均衡出流，因此不需考虑控制多支孔个数，则本发明出水支廊道可布置更多的出水孔，进一步降低单个出水孔的出流能量，减少出流紊动，减小船舶系缆力。出水孔个数选择由出流强度与消能水体的匹配关系确定，同时还需兼顾工程造价。
46.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。