一种两级分散梯级船闸输水布置及储水渠道水位控制方法

本发明涉及船闸通航，具体为一种两级分散梯级船闸输水布置及储水渠道水位控制方法。

背景技术：

1、随着国家水运交通网络的不断拓展与深化，特别是在诸如金沙江上游等流域的梯级水电开发进程中，通航能力的建设日益成为关键议题。当前，在金沙江上除了向家坝梯级已配备了通航建筑物以保障航运畅通，溪洛渡枢纽仅预留通航设施位置外，多数梯级因设计之初未充分考虑通航需求，既未建设也未预留通航设施空间，这极大地限制了区域水运资源的综合利用与流域经济的均衡发展。

2、针对这一现状，传统解决方案之一是对泄洪闸洞直接改造，牺牲部分泄洪功能以构建通航设施。然而，此方案不仅影响大坝的主体结构稳定性和安全性，且其适用性局限于坝体较为厚重的混凝土重力坝类型，对于结构更为精巧、坝体相对较薄的拱坝而言，实施风险显著增加，可能危及大坝的整体安全。

3、为克服上述局限，业界探索出另一种创新思路——结合通航建筑物与中间渠道(长距离隧洞)的建设方案。该方案通过空间上的灵活布局，实现了通航设施远离坝址建设，有效规避了对大坝主体结构的直接干扰，保障了大坝安全，如三峡新通道。然而，分散两级船闸的输水方案存在几方面难题：

4、(1)第一级船闸泄水过程，如果将船闸水体泄入中级渠道，由于泄水流量大，将恶化中间渠道内水体的水流条件，导致中间渠道内流速、波动超标，同时大体积水体直接进入中间渠道内还会引起中间渠道的水位变幅过大，而当分散两级船闸的中间渠道采用隧洞时，为满足通航净空要求，船舶净空高度、船舶吃水、中间渠道富裕水深以及中间渠道内的水位涨幅等参数一起决定了隧洞的尺度，当水位涨幅过大时将引起隧洞建设成本过高，施工难度过大。

5、(2)第一级船闸泄水过程，如果将船闸水体直接泄入下游河道，第一级船闸泄水时船闸水头过高，过高的水头会引起一系列高水头船闸问题如阀门空化振动问题、输水系统布置复杂带来的投资成本问题、过高水头船闸在事故工况需快速启闭时产生的水锤问题等，而当前已建成的最高水头船闸为大藤峡船闸，水头为40.25m，超过该水头后的船闸尚无实际工程经验指导，技术上无保障。同时将第一级船闸水体直接泄入下游河道将导致船闸的大量耗水，与当今社会提出的低碳环保理念不相符。

6、(3)第二级船闸充水过程，如果船闸直接从中间渠道内取水与(1)相对应也会产生中间渠道内水流条件恶化、中间渠道内水位变幅过大等问题，同时还可能造成船舶触底引起安全问题。

7、(4)第二级船闸充水过程，如果船闸直接从上游库区取水与(2)相对应，将导致船闸充水过程水头过高、耗水量大等问题。

8、(5)由于枢纽上下游存在水位变化，当第一级船闸泄水进入中间渠道与第二级船闸在中间渠道内取水量不相等时还存在中间渠道内累积水位的影响，可能导致船舶触底或净空高度不足，当船闸泄水和取水不与中间渠道发生关系时，中间渠道内水体长期为死水，将导致中间渠道内水体生态环境恶化。

9、因此，急需一种解决分散两级船闸输水困难的输水方案。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种两级分散梯级船闸输水布置及储水渠道水位控制方法，在两级分散梯级船闸系统中，降低运行水头并减少水位波动，以实现水资源的高效利用和中间渠道水位的稳定控制。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种两级分散梯级船闸输水系统，包括连接上游水库的第一级船闸、连接下游河道的第二级船闸、以及连接第一级船闸和第二级船闸的中间渠道，其特征在于，所述输水布置包括：

3、分别设置在第一级船闸和第二级船闸旁的省水池，用于降低船闸运行水头及船闸省水运行；

4、位于中间渠道旁的储水渠道，用于降低船闸与中间渠道水头及船闸进出中间渠道水量，并实现船闸与中间渠道的水头一致，使中间渠道水位恒定；

5、与储水渠道相连的补水池和溢水池，用于调节储水渠道内的水位；

6、设置在储水渠道、补水池和溢水池底部的水位传感器，用于实时监测水位；

7、储水渠道底部设置的廊道，用于水流在储水渠道、补水池和溢水池之间的流动控制。

8、优选的，所述补水池和溢水池的面积满足在不同极端水位条件下的水量需求：

9、补水池面积abs满足公式：

10、

11、其中，ac为储水渠道的横截面积，hss为第一级船闸泄水至省水池后的闸室水位，hsx为第二级船闸省水池向闸室充水后的闸室水位，hz为中间渠道水位，humin为上游最低通航水位，x为储水渠道的初始水位；

12、溢水池面积ays满足公式：

13、

14、其中，y为闸室向储水渠道泄水后储水渠道的水位，hdmax为下游最高通航水位。

15、优选的，所述补水池和溢水池底部分别布置两个水位传感器，以测量补水池和溢水池的实时水位。

16、优选的，所述储水渠道内的水位传感器设置于储水渠道底部并沿渠道纵向布置多个传感器，以测量储水渠道内的平均水位。

17、本发明还提供一种两级分散梯级船闸的储水渠道水位控制方法，包括以下步骤：

18、计算储水渠道的初始目标水位，根据上下游水位差确定目标水位；

19、使用水位传感器实时监测储水渠道当前水位，并将当前水位与目标水位进行比较；

20、当当前水位高于目标水位时，启动溢水池泄水，将多余水量排至下游；

21、当当前水位低于目标水位时，启动补水池补水，从上游补充水量至储水渠道。

22、优选的，所述计算储水渠道的初始目标水位的步骤包括：

23、当满足条件第一级船闸泄水至省水池后的闸室水头与中间渠道水头相等时，即满足公式：

24、hss-hz＝hz-hsx

25、储水渠道处于不补不溢的平衡状态；

26、当满足条件第一级船闸泄水至省水池后的闸室水头大于中间渠道水头时，即满足公式：

27、hss-hz>hz-hsx

28、确定溢水量为：

29、ac(hss+hsx-2hz)

30、当满足条件第一级船闸泄水至省水池后的闸室水头小于中间渠道水头时，即满足公式：

31、hss-hz<hz-hsx

32、确定补水量为：

33、ac(hss+hsx-2hz)

34、其中，hss为第一级船闸泄水至省水池后的闸室水位，hz为中间渠道水位，hsx为第二级船闸省水池向闸室充水后的闸室水位，ac为储水渠道的横截面积。

35、优选的，所述补水操作包括以下步骤：

36、计算初始水位与当前水位的差值，乘以储水渠道面积ac以得到所需补水量；

37、根据补水量确定补水池需下降的水位，开启补水池泄水阀门；

38、当补水池下降水位达到计算值时，关闭补水池泄水阀门。

39、优选的，所述溢水操作包括以下步骤：

40、计算初始水位与当前水位的差值，乘以储水渠道面积ac以得到溢水量；

41、根据溢水量确定溢水池需上升的水位，开启溢水池充水阀门；

42、当溢水池上升水位达到计算值时，关闭溢水池充水阀门。

43、优选的，所述补水操作和溢水操作过程中，通过3个储水渠道水位传感器的平均值作为储水渠道的实时水位，以减少水位波动影响。

44、本发明提供了一种两级分散梯级船闸输水布置及储水渠道水位控制方法。

45、具备以下有益效果：

46、1、本发明通过省水池和储水渠道的布置设计，减少了传统船闸运行中直接排水至下游河道的水量，实现了船闸水资源的重复利用，显著降低了整体耗水量，符合节水和环保的要求。

47、2、本发明通过补水池和溢水池的精确控制，使中间渠道的水位保持稳定，避免了水位波动对船舶通航的影响，保障了船舶的安全通行，提高了通航效率。

48、3、本发明设计了储水渠道水位控制系统，通过设定的水头差和面积比，系统能够应对不同的上下游水位变化，确保在各种水位条件下都能实现平稳的水位调节。

49、4、本发明可有效降低船闸运行水头，减少了水流对船闸及省水池结构的冲击，延长了结构的使用寿命，提升了运行的安全性和稳定性。

50、5、本发明通过省水池和储水渠道的协同作用，将船闸运行水头降至最低，避免了因高水头带来的水流震动和空化现象，确保了船闸结构的安全性和持久性。

51、6、船闸与中间渠道的充泄水过程使中间渠道内水体自然置换，对改善中间渠道水质、维护生态环境具有积极作用。