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高水头船闸阀门防空化创新技术与实践
日期:2014年08月25日 16:03:59点击数:字号:【

船闸是内河水运中实现河流渠化、沟通不同水系的重要建筑型式,在水运交通中占有十分重要的地位。输水阀门是船闸运行的控制性设备,控制着输水系统的工作,运行频繁。当船闸水头超过20m时,阀门在动水启闭过程中承受非常复杂的水动力荷载,在非恒定高速水流作用下极易发生空化、振动,从而危及船闸安全运行。因此,阀门防空化问题一直是世界高水头船闸设计的重大关键技术难题,阀门工作条件能否满足安全运行要求也是船闸朝更高水头发展的制约因素。

本项研究历时10多年,通过20余座物理模型、阀门段急变流数值模拟以及多座船闸的原型观测与调试,采用现代先进技术,对高水头船闸阀门防空化关键技术进行全面研究。项目紧密围绕十五以来我国一大批高水头船闸的设计和建设,如世界上水头最高、规模最大的三峡双线连续五级船闸,水头居世界单级船闸前10位的红水河大化、乐滩船闸,平面阀门应用水头最高的红水河桥巩船闸,单级水头达36.5m的乌江银盘船闸(世界第4),西南地区规模最大的嘉陵江草街船闸,水头接近40m的大渡河安谷船闸(世界第2)等,开发了具有我国鲜明特色的阀门防空化成套技术,取得了一批重大创新成果;

1、高水头船闸阀门防空化技术理念上的重大突破  我国规范及以往的研究均从主动防护的角度出发,通过采取工程措施避免阀门发生空化。对于高水头甚至超高水头船闸,存在的问题是阀门段廊道布置较复杂,阀门处埋设深度较大,工程投资大。本项研究着重强调被动防护措施,允许阀门发生空化,采用各种通气措施解决阀门空化难题,取得了高水头船闸阀门防空化技术理念的重大突破。新技术最大优点是效果可靠,结构简单,施工方便,工程投资小。

2、发展了我国独创的门楣自然通气技术  针对乐滩、大化、草街、银盘等高水头船闸阀门段廊道埋设较浅的特点,提出了适用于缝隙出口压力较小的门楣体型,增大了门楣通气量,更有利于抑制阀门空化,从而发展了反弧门门楣自然通气技术。结合桥巩、巴江口、红花、那吉等高、中低水头船闸空化问题研究,将门楣自然通气措施首次推广应用于平面阀门,并提出了适合平面阀门的门楣通气型式。

3、首次提出平顶廊道体型+小淹没水深+门楣自然通气+廊道顶自然通气新技术  该创新技术的核心是,阀门段廊道体型设计为最简单的平顶型式,允许阀门底缘出现较强空化,采用通气防护措施减免阀门强空化。根据门楣通气适应范围广及通气效果好的特点,以门楣自然通气作为基本措施,将廊道顶自然通气作为门楣通气措施的补充手段,利用门楣及廊道顶联合通气充分抑制空化。本项技术特别适用于我国船闸水头高、河流水位变幅大的特点,具有阀门段廊道体型简单且廊道埋设深度浅、施工方便、工程量省的显著优点。

4、提出主动防护与被动防护相结合的新型阀门段廊道体型+综合通气措施新技术  该技术的要点是,采用新型阀门段廊道体型,改善阀门底缘空化条件,但不追求完全不出现空化,而是将空化控制在一定程度;对仍存在的阀门底缘空化,利用门楣自然通气解决。吸取顶部突扩增加门后压力和底部突扩改善底缘空化流态的长处,提出了顶部突扩+底部突扩而侧面不扩大的新型廊道体型,并首次提出了升坎通气及跌坎通气措施抑制新型廊道体型自身空化问题。

5、根据工程规模、水头及重要性,提出了解决高水头船闸阀门空化难题各种创新技术的适用范围。

本项研究申请和获得国家专利11项,成果成功地推广应用于三峡、红水河乐滩、大化、桥巩、嘉陵江草街、乌江银盘、右江那吉、桂江巴江口、柳江红花、大渡河安谷等船闸工程,不仅解决了工程相关技术难题,节省工程投资和运行维护费上亿元,取得显著的经济和社会效益,而且也丰富了高水头船闸设计的理论和方法,并将单级船闸应用水头提高到45m,大大突破了船闸使用范围,多项技术已纳入行业规范和规程,有力促进了船闸水力学研究领域的科技进步和水运建设的发展。

成果获2009年度中国航海学会科学技术奖一等奖。

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