[发明专利]船闸输水阀门段廊道顶高程的确定方法

说明书

本发明涉及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。其包括八个步骤。本发明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；减小工程的开挖量、节省工程投资。

技术领域

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，H_p、H_a和H_v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)；v_p为参考点P的流速(m/s)，与阀门工作水头有关。H_d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σ_i为水流临界空化数，表征水流处于临界空化状态,σ/σ_i为相对空化数：σ/σ_i＞1时，表明阀门无空化；σ/σ_i≤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。

发明内容