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船闸闸室明沟消能工布置及消能机理研究

作　者: 陈亮
导　师: 张绪进
学　校: 重庆交通大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 船闸输水系统单明沟多明沟消能机理
分类号: TV662
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

船闸是世界上最为古老，也是目前我国应用最为广泛的过船建筑物，其输水系统是船闸完成闸室充泄水以实现其过船功能的关键部分。在灌、泄水过程中，闸室内形成复杂水流形态，闸室水力学条件是决定船舶过闸安全性的关键因素。一方面输水系统设计需要满足输水时间的要求，以确保船闸的营运效率及通过能力；另一方面在船闸输水过程中，随着闸室充水过程水面上升或泄水过程中水面下降，停泊在闸室内的船舶受到非恒定水流形成的水面坡降力、水流运动的流速力以及各种局部流态（如局部水流的不规则紊动、漩涡等）产生的局部力等多种作用力，当这些作用力过大时将影响船舶的靠泊安全，可能导致固定于闸室内船舶的缆绳断裂或船舶摇摆幅度过大而发生碰撞、倾覆等不利于船舶停泊安全的问题。因此，在闸室内设置消能工是改善闸室内水流条件的重要措施，船闸输水过程中进入闸室的水流经过消能工充分扩散到闸室内，达到较好的消能效果，避免了局部不良流态，确保闸室内水流平稳上升或下降，从而满足船舶在闸室内安全停泊的条件。本文以贵港二线船闸为背景，通过建立局部物理模型、数学模型对单明沟和多明沟消能效果进行了分析比较，并分析了明沟消能工的消能机理。贵港二线船闸尺度为280×34×5.6m（有效长度×有效宽度×槛上水深），输水系统采用侧墙廊道支孔输水，该输水系统属于简单式分散输水。该输水系统适用于中低水头，且起始水深较深的船闸。该输水系统在美国得到了大量的应用如惠勒沃克斯、瓦里尔船闸等船闸，国内如贵港一线等船闸也采用该输水型式，且运作良好。本研究结果表明：船闸闸室内流场分布的相同点是：三种明沟消能闸室流速场随水位增高流场绝对值亦增大，闸室内不同水位高程的流场分布均较均匀、且不受阀门单双边开启方式而变化的规律是一致的。其不同点是：水流在上升过程中，单明沟在阀门开度n=0.3底部剖面，部分流速方向指向靠闸墙侧，其余测点流速方向指向闸室中间；到n=0.8中部剖面，几乎所有测点流速方向指向闸室中间；且在同一断面的流速出现极大、小值，流速波动较大，分布极不均匀，说明闸室局部有出现不规则的水面紊动；而三明沟布置，有部分测点流速方向仍指向闸墙侧，其余测点的流速方向均匀指向闸室中间。在充水的任一时段，未出现流速大的波动，分布均匀，说明其水面平稳，紊动小。双明沟布置的流速波动及均匀情况介于两者之间。从各剖面流场的均匀程度上看，双明沟较单明沟均匀，三明沟较双明沟更均匀些。单明沟、双明沟和三明沟型式的剩余比能、动能及水面波动特征值均与闸室流速场的规律一致。即三明沟型式各项指标最优，双明沟次之，单明沟稍差。明沟型式的消能机理主要是在出流挡板末端消能，孔口出流的突扩生成大量的旋涡以及水流的相互剧烈掺混，明沟及闸室中部的水体进行质量、动量和能量的交换，由于内外摩擦作用，在水流动能转变为势能的过程中，流场急剧改变，致使水流内部相对运动加剧、碰撞和摩擦作用亦加强，消耗了大部分能量。

船闸闸室明沟消能工布置及消能机理研究

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