三峡永久船闸输水系统输水特性研究

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1、第30卷第4期2002年7月Vol.30No.4Jd.2002河海大学学报(自然科学版)JOURNALOFHOHAIUNTVERSITY(NATURALSCIENCES)三峡永久船闸输水系统输水特性研究王玲玲，髙飞(河海大学水利水电工程学院，江苏南京210098)摘要：利用等时段的特征线法数值模拟三峡永久船闸输水系统不补水工况下的输水特性，得出了输水管道沿程各节点水头及流量的变化规律•计算结果与物模成果吻合良好，充分证明了该方法在船闸输水特性的模拟中具有较高的精度和可靠性.成果可作为制定船闸运行方案的依据.关键词:三峡水利工程；永久船闸；输水系统;特征线法中图分类号:U641.3

2、*2文献标识码：A文章编号:1000-1980(2002)04-0096・04长江三峡工程永久双线五级船闸的总水头113叫年通过能力5000万t,是当今世界上闸室及闸、阀门数量最多、水头最高、线路最长、运行情况最复杂、规模最大的船闸工程.同时，各级船闸的组台运行工况极为复杂•因此，必须对三峡永久船闸工程输水系统在不同应用条件下的水力特性进行全面的模拟研究，为运行方案的制定提供依据.1输水管道一维水力学数值模拟三峡船闸输水系统的流体运动可简化为一维非恒定有压管流.1.1非恒定有压管流的控制方程av(1)a.运动方程：avdi式中：H——水头；V——管道断而平均流速；D——管径;一达

3、西■维斯巴哈摩擦系数；St——空间坐标和时间坐标.gdxdxdt(2)管道与水平线的b.连续方程:式中：a——管道内水击波的传播速度，对不同管道取值大约在1()00~1200m/s范围夹角，当中心线高程沿距离x增加时为正.1.2数值离散方法——特征线法控制方程(1).(2)组成的偏微分方程组，可采用特征线法数值求解，详见文献[1]・应用该方法巌终可得岀时间-空间域上的显式迭代格式：C+"-Vr*曽-Hr)+^-VKsina(tp-(r)+丨％丨(tp-4)=0Xp-=(Vr七a)(tp—Ir)Vp-Vs■f(Hp-H$)■"^V$sina(tp—is)+丨％I(S-%)=0KX:

4、Xp—Xs=(V5—a)(tp—^5)式中C♦和C■分别表示图1中的RP和SP线，下标A,B,C表示上一时间段即c时刻的节点，其水头和流速值均为已知；R,S点水力参数值可由A,B,C点内插得，P节点为C节点下一时段即t+/时刻的值.故管道任意内部节点的水头和流速都可由方程(3)和(4)联立求解得到.收稿日期：2001-05-22作者简介：王玲玲(1966—),女•江苏射阳人•博士■副教授，主要从事水力学及河流动力学研究.1.3边界条件a.管道进口（或岀口）边界：管道进、出口通常作为水位已知边界，利用式（4）町求得该边界流速（量）值,用式（3）可求下游边界流速（量）值.图1特征线法

5、计算简图Fig.1Calculationschemeofcharacteristiclinemethodb.管径变化处：设在第i根管的第几个节点与第i+1根管的第1个节点之间，管径发生变化，则根据两相邻节点间的水量连续性条件并不计局部水头损失，可求得两相邻节点的水头与流量.c.多管交叉连接点：略去局部水头损失，根据连续性条件即进、出该节点的流量平衡，可推求各交叉管道邻近交叉点的节点水头及流：ft值.d.阀门井：将阀门井分解为一个井和一个阀门分别处理.在计算过程中，将该门井视为主廊道上的一个竖直的交叉管道进行计算.2计算管段与节点的剖分三峡永久船闸任意一级输水系统的不补水运行方式均

6、可概化为图2.由于船闸的输水管道首、末级与中间各级的长度及管径变化情况均有较大差别，将五级船闸的1、2级输水管道（管长分别为412m及528m）,剖分成10个管段即11个节点，中间各级管道管长533m,剖分为12个管段，末级管长1603m,剖分为22个管段•各级管道剖分中沿程第5节点均为门井节点，第6节点均为阀门节点，两者相距2.0m.为采用等时段特征线法，通过试算即微调管道中的波速山（初值取为1100m/s）,在保证各管段都采用相同的时间步长的条件下，对剖分后的各级管段利用F式试算其上所应布置的计算节点数M・输水管道沿程阻力系数参考有关文献①中所提供的数值.~（匕+a）Ni式中

7、厶为各管段的管长.选择表1所示的计算工况进行模拟计算，部分计算结果见图3.表1上游175.00m.下游62.00mX况各闸室运行条件/；,Table1Operationschemeofeachgatechamber泄水闸主（上刚室）▼门井1_亠~闸家编号最高水位/m最低水位/m1175.0152.4―1充水闸室2152.4129.8输水阀门1（卜1列至）3129.8107.24107.284.6图2三峽船闸不补水运行槪化图584.662.0Fig.2Schematicdiagra