长江科学院院报 ›› 2024, Vol. 41 ›› Issue (10): 101-109.DOI: 10.11988/ckyyb.20240663
收稿日期:
2024-06-24
修回日期:
2024-08-23
出版日期:
2024-10-25
发布日期:
2024-10-25
作者简介:
刘运佳(1990-), 男,湖北襄阳人,工程师,硕士,主要从事水利水电工程设计。E-mail:757243976@qq.com
基金资助:
LIU Yun-jia1(), YOU Wan-min1, ZHANG Lei2, PAN Tian-wen1
Received:
2024-06-24
Revised:
2024-08-23
Published:
2024-10-25
Online:
2024-10-25
摘要:
石花控制闸是引江补汉工程的控制枢纽,采用品字型双层闸门布置解决了引江补汉工程高水头、超长有压输水水力控制关键技术难题。为了探究石花控制闸品字型双层闸门水力控制技术,采用数值计算和水工模型试验的方法开展研究:①采用一维、三维耦合数学模型计算控制闸启闭引起的系统水力过渡过程,为工程设计提供边界条件;②采用物理模型试验分析控制闸体型的合理性。结果表明:系统沿线最大、最小压力均满足相关规程要求;控制闸内水流流态、压力分布等指标正常,控制闸体型合理。石花控制闸总体设计方案合理,布置方式和研究方法可为其他类似工程提供参考。
中图分类号:
刘运佳, 游万敏, 张磊, 潘天文. 引江补汉工程控制枢纽品字型双层闸门水力控制技术[J]. 长江科学院院报, 2024, 41(10): 101-109.
LIU Yun-jia, YOU Wan-min, ZHANG Lei, PAN Tian-wen. Hydraulic Control Technology for Double-deck Gate of a Control Sluice for the Yangtze-Hanjiang River Diversion Project[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2024, 41(10): 101-109.
图1 引江补汉工程水力控制纵剖面示意图
Fig.1 Longitudinal profile of hydraulic control for the Water Diversion Project from the Three Gorges Reservoir to the Hanjiang River
管道编号 | 长度/m | 直径/m | 波速/(m·s-1) | 糙率 |
---|---|---|---|---|
0 | 1 440 | 10.8 | 1 200 | 0.012 |
1 | 16 110 | 10.8 | 1 200 | 0.012 |
2 | 12 662 | 10.7 | 1 200 | 0.012 |
3 | 8 139 | 10.7 | 1 200 | 0.012 |
4 | 15 599 | 10.7 | 1 200 | 0.012 |
5 | 15 904 | 10.4 | 1 200 | 0.012 |
6 | 12 617 | 10.4 | 1 200 | 0.012 |
7 | 629 | 10.4 | 1 200 | 0.012 |
8 | 14 250 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
9 | 12 746 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
10 | 2 954 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
11 | 16 273 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
12 | 3 558 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
13 | 13 002 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
14 | 2 167 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
15 | 15 624 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
16 | 48 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
17 | 13 612 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
18 | 12 896 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
19 | 3 285 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
表1 一维水力系统各管道参数
Table 1 Pipeline parameters of one-dimensional hydraulic system
管道编号 | 长度/m | 直径/m | 波速/(m·s-1) | 糙率 |
---|---|---|---|---|
0 | 1 440 | 10.8 | 1 200 | 0.012 |
1 | 16 110 | 10.8 | 1 200 | 0.012 |
2 | 12 662 | 10.7 | 1 200 | 0.012 |
3 | 8 139 | 10.7 | 1 200 | 0.012 |
4 | 15 599 | 10.7 | 1 200 | 0.012 |
5 | 15 904 | 10.4 | 1 200 | 0.012 |
6 | 12 617 | 10.4 | 1 200 | 0.012 |
7 | 629 | 10.4 | 1 200 | 0.012 |
8 | 14 250 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
9 | 12 746 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
10 | 2 954 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
11 | 16 273 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
12 | 3 558 | 9.7 | 1 200 | 0.012 |
13 | 13 002 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
14 | 2 167 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
15 | 15 624 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
16 | 48 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
17 | 13 612 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
18 | 12 896 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
19 | 3 285 | 10.0 | 1 200 | 0.012 |
调压室编号 | 底部高程/m | 截面面积/m2 | 高度/m |
---|---|---|---|
1 | 137.47 | 942.21 | 47.53 |
3 | 127.35 | 857.66 | 285.15 |
4 | 123.28 | 989.21 | 334.72 |
6 | 120.52 | 801.26 | 364.48 |
7 | 110.01 | 860.52 | 231.99 |
10 | 109.09 | 1019.16 | 232.91 |
12 | 103.07 | 618.65 | 126.93 |
14 | 95.68 | 605.95 | 189.32 |
18 | 65.09 | 975.06 | 67.91 |
19 | 68.40 | 523.87 | 111.60 |
20 | 73.07 | 460.24 | 86.93 |
表2 一维水力系统各调压室参数
Table 2 Parameters of surge chamber in one-dimensional hydraulic system
调压室编号 | 底部高程/m | 截面面积/m2 | 高度/m |
---|---|---|---|
1 | 137.47 | 942.21 | 47.53 |
3 | 127.35 | 857.66 | 285.15 |
4 | 123.28 | 989.21 | 334.72 |
6 | 120.52 | 801.26 | 364.48 |
7 | 110.01 | 860.52 | 231.99 |
10 | 109.09 | 1019.16 | 232.91 |
12 | 103.07 | 618.65 | 126.93 |
14 | 95.68 | 605.95 | 189.32 |
18 | 65.09 | 975.06 | 67.91 |
19 | 68.40 | 523.87 | 111.60 |
20 | 73.07 | 460.24 | 86.93 |
工况 编号 | 闸阀操作 | 进口水 位/m | 出口水 位/m | 备注 |
---|---|---|---|---|
1 | 先10 min关底孔平板门,之后的50 min关中孔弧门 | 173.3 | 86.5 | 最大水头差正常关闭 |
2 | 先50 min开中孔弧门,之后的10 min开底孔平板门 | 143.3 | 86.5 | 进口低水位正常开启 |
3 | 先50 min开中孔弧门,之后的10 min开底孔平板门 | 173.3 | 89.5 | 出口高水位正常开启 |
表3 过渡过程计算工况
Table 3 Working condition of transient process
工况 编号 | 闸阀操作 | 进口水 位/m | 出口水 位/m | 备注 |
---|---|---|---|---|
1 | 先10 min关底孔平板门,之后的50 min关中孔弧门 | 173.3 | 86.5 | 最大水头差正常关闭 |
2 | 先50 min开中孔弧门,之后的10 min开底孔平板门 | 143.3 | 86.5 | 进口低水位正常开启 |
3 | 先50 min开中孔弧门,之后的10 min开底孔平板门 | 173.3 | 89.5 | 出口高水位正常开启 |
图9 工况1闸室进出口断面水头和流量变化过程 注:纯1D表示仅使用了一维模型;1D3D表示使用了一维模型和三维模型,下同。
Fig.9 Changes of water head and flow rate at the entrance and exit sections of lock chamber under working condition 1
工况 | 闸前 | 闸后 | 水位波动稳定 时间/min | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
最高水 位/m | 最大压强/ (mH2O) | 最小压强/ (mH2O) | 最高水位/ m | 最低水位/ m | 最大压强/ (mH2O) | 最小压强/ (mH2O) | ||
最大水头差正常 关闭工况(工况1) | 196.35 | 121.35 | — | — | 80.21 | — | 2.45 | >200 |
进口低水位正常 开启工况(工况2) | — | — | 2.07 | — | — | — | — | 约100 |
出口高水位正常 开启工况(工况3) | — | — | — | 104.00 | — | 9.45 | — | 约80 |
表4 各工况关键参数计算成果
Table 4 Calculation results of key parameters under various working conditions
工况 | 闸前 | 闸后 | 水位波动稳定 时间/min | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
最高水 位/m | 最大压强/ (mH2O) | 最小压强/ (mH2O) | 最高水位/ m | 最低水位/ m | 最大压强/ (mH2O) | 最小压强/ (mH2O) | ||
最大水头差正常 关闭工况(工况1) | 196.35 | 121.35 | — | — | 80.21 | — | 2.45 | >200 |
进口低水位正常 开启工况(工况2) | — | — | 2.07 | — | — | — | — | 约100 |
出口高水位正常 开启工况(工况3) | — | — | — | 104.00 | — | 9.45 | — | 约80 |
工况 | 闸门运 行条件 | 计算调压 室水位/ m | 消力池 水位/ m | 过流量/ (m3·s-1) | 中孔开 度/m | 底孔开 度/m |
---|---|---|---|---|---|---|
A | 关闭 过程 | 108.42 | 98.49 | 239.89 | 8 | 0 |
B | 113.16 | 96.81 | 227.15 | 4 | 0 | |
C | 148.89 | 87.21 | 121.27 | 1 | 0 | |
D | 开启 过程 | 109.78 | 104.17 | 250.60 | 6 | 0 |
E | 104.22 | 93.90 | 205.85 | 9 | 1 | |
F | 103.79 | 103.75 | 265.00 | 9 | 10 |
表5 闸控方案物理模型试验工况
Table 5 Physical model test conditions
工况 | 闸门运 行条件 | 计算调压 室水位/ m | 消力池 水位/ m | 过流量/ (m3·s-1) | 中孔开 度/m | 底孔开 度/m |
---|---|---|---|---|---|---|
A | 关闭 过程 | 108.42 | 98.49 | 239.89 | 8 | 0 |
B | 113.16 | 96.81 | 227.15 | 4 | 0 | |
C | 148.89 | 87.21 | 121.27 | 1 | 0 | |
D | 开启 过程 | 109.78 | 104.17 | 250.60 | 6 | 0 |
E | 104.22 | 93.90 | 205.85 | 9 | 1 | |
F | 103.79 | 103.75 | 265.00 | 9 | 10 |
工况 | 射流水体 | 稳流池末端水面 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
最大潜 距/m | 最大潜 深/m | 气泡溢 止点/m | 波动幅 度/m | 波动周 期/s | 漩涡状况 | ||
A | 80.0 | 间歇性触底 | 110 | 1.88 | 1.2 | 浅表漩涡 | |
B | 70.0 | 触底 | 110 | 2.00 | 1.2 | 偶见浅表 漩涡 | |
C | 58.5 | 间歇性触底 | 110~149 | 1.60 | 0.7 | 间歇性 吸气漩涡 | |
D | 80.0 | 距底部5 m | 98 | 3.00 | 1.1 | 未见漩涡 | |
E | 70.0 | 间歇性触底 | 90~95 | 1.10 | 1.0 | 未见漩涡 | |
F | 60.0 | 间歇性触底 | 100~118 | 1.00 | 1.3 | 偶见浅表 漩涡 |
表6 各工况消力池流态特征
Table 6 Flow patterns in stilling pool under various working conditions
工况 | 射流水体 | 稳流池末端水面 | |||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
最大潜 距/m | 最大潜 深/m | 气泡溢 止点/m | 波动幅 度/m | 波动周 期/s | 漩涡状况 | ||
A | 80.0 | 间歇性触底 | 110 | 1.88 | 1.2 | 浅表漩涡 | |
B | 70.0 | 触底 | 110 | 2.00 | 1.2 | 偶见浅表 漩涡 | |
C | 58.5 | 间歇性触底 | 110~149 | 1.60 | 0.7 | 间歇性 吸气漩涡 | |
D | 80.0 | 距底部5 m | 98 | 3.00 | 1.1 | 未见漩涡 | |
E | 70.0 | 间歇性触底 | 90~95 | 1.10 | 1.0 | 未见漩涡 | |
F | 60.0 | 间歇性触底 | 100~118 | 1.00 | 1.3 | 偶见浅表 漩涡 |
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