導(dǎo)流墩改善口門區(qū)水流條件機(jī)理研究

李君濤，張公略，馮小香

（1.交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州 310006）

0 引言

船閘引航道的進(jìn)出口稱為口門區(qū)，即船閘引航道與河流相連接的區(qū)域，是船舶（隊(duì)）進(jìn)出船閘的必經(jīng)之路，該區(qū)域?yàn)楹恿鲃?dòng)水與引航道靜水交界的水域，河道水流在該區(qū)域受特殊邊界條件影響，形成斜向水流、橫流和回流，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)泡漩等不良流態(tài)。當(dāng)船舶航經(jīng)該水域時(shí)，受不良流態(tài)影響產(chǎn)生橫漂和扭轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)失控，以致發(fā)生事故。為保證船舶航行的安全，這種水流的作用和影響必須控制在一定的范圍內(nèi)。因此，口門區(qū)水流條件的改善研究是通航建筑物建設(shè)中的重要技術(shù)問題，且具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

國(guó)內(nèi)外工程技術(shù)研究人員已經(jīng)過大量試驗(yàn)研究，對(duì)船閘口門區(qū)水流條件提出了一些改善措施，如調(diào)整導(dǎo)航堤（墻）長(zhǎng)短、優(yōu)化導(dǎo)流堤堤頭形式、堤身開孔、浮式導(dǎo)流堤等。上述措施對(duì)改善某一特定工程口門區(qū)水流條件可能是行之有效的，但都有一定局限性[1]。

導(dǎo)流墩是近年來國(guó)內(nèi)航電樞紐建設(shè)中應(yīng)用較為廣泛的改善船閘口門區(qū)水流條件的導(dǎo)流措施，研究表明導(dǎo)流墩能有效削弱引航道口門區(qū)的斜流及回流，改善水流條件效果顯著。目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用導(dǎo)流墩的樞紐工程有湘江大源渡航電樞紐、湘江株洲航電樞紐、湘江長(zhǎng)沙綜合樞紐、松花江大頂子山航電樞紐、依蘭航電樞紐和右江魚梁航電樞紐等[2-7]。

近年來關(guān)于導(dǎo)流墩改善船閘口門區(qū)水流條件的研究也較為多見，但均是通過模型試驗(yàn)對(duì)特定的樞紐工程提出滿足要求的導(dǎo)流墩尺寸及布置形式等，而對(duì)導(dǎo)流墩改善口門區(qū)水流條件的基礎(chǔ)理論研究較少。本文主要從理論的角度，分析口門區(qū)內(nèi)斜流和回流對(duì)船舶航行的影響，同時(shí)著重研究導(dǎo)流墩削弱口門區(qū)斜流和回流，改善水流條件的機(jī)理。

1 口門區(qū)斜流對(duì)船舶航行影響

當(dāng)船舶（隊(duì)）以一定的航速駛?cè)肟陂T區(qū)時(shí)，如果航向與水流有一定夾角，則將產(chǎn)生斜向水流對(duì)船舶的作用，稱之為斜流效應(yīng)。口門區(qū)內(nèi)的斜向水流可以分解成平行于航線的縱向流速和垂直于航線的橫向流速。橫向流速和縱向流速對(duì)船舶航行影響較大，國(guó)內(nèi)外均十分重視其研究，尤其是船閘引航道口門區(qū)的橫向流速和縱向流速問題，有些國(guó)家對(duì)部分指標(biāo)已制定了相應(yīng)的規(guī)范，我國(guó)對(duì)引航道口門區(qū)內(nèi)橫、縱及回流的最大流速在船閘設(shè)計(jì)規(guī)范中進(jìn)行了限制性規(guī)定，但對(duì)于水流對(duì)船舶航行影響的其它指標(biāo)目前尚無規(guī)范可依，需進(jìn)行水工模型和船模航行試驗(yàn)加以研究。為了分析口門區(qū)水流與船舶航行之間的關(guān)系，可建立水流流速與船舶受力的關(guān)系式。

設(shè)口門區(qū)內(nèi)的斜流流速為V，斜流與航線的夾角為α，斜流分解成平行于航線的縱向流速為Vy，垂直于航線的橫向流速為Vx。則有：

其中沿航線方向上縱向流速Vy，不僅影響船舶（隊(duì)）的航行推力或阻力，同時(shí)也影響船舶的舵效。一般而言，要求船舶（隊(duì)）的航速大于斜向水流沿航線方向的流速分量即縱向流速Vy。

垂直于航線方向上的橫向流速Vx，可以使船舶產(chǎn)生橫向漂移，如果作用于船體的Vx是非均勻的，將對(duì)船舶產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)力矩，使其轉(zhuǎn)動(dòng)。

橫向流速Vx對(duì)船舶（隊(duì)）產(chǎn)生橫向推力Fx，即

式中：ξ為系數(shù)；γ為水的密度；S為受橫流作用的船舶面積；g為重力加速度。

船舶（隊(duì)）受到的橫向推力Fx與船舶（隊(duì)）受橫流作用的面積有關(guān)，當(dāng)S一定時(shí)，F(xiàn)x與橫向流速Vx的平方成正比，受橫向力的作用，船舶（隊(duì)）將發(fā)生側(cè)向漂移，偏離航線。

文獻(xiàn)[8]中提出船舶（隊(duì)）受橫向力作用，產(chǎn)生的橫漂距離ΔLx的計(jì)算式為：

式中：A，B為系數(shù)；t為水流作用于船體的時(shí)間；V*為船舶（隊(duì)）受水流Vx作用而產(chǎn)生x方向的位移速度；VS為船舶（隊(duì)）的靜水航速；為計(jì)算段內(nèi)各測(cè)點(diǎn)Vx的平均值；l為船舶（隊(duì)）航行距離。

涂啟明[9]提出了船（舶）隊(duì)橫向漂移速度V*與橫向流速的關(guān)系：

式中：c為系數(shù)，頂推船隊(duì)一般取0.09；拖帶船隊(duì)一般取0.07。

陳永奎[10]提出的船舶受到橫流作用后重心所產(chǎn)生的橫向漂流速度Vx*和橫漂距離ΔLx的計(jì)算公式：

式中：t為時(shí)間；A，B為與船舶的質(zhì)量、船體的附加質(zhì)量及作用在船舶的質(zhì)量、船體的附加質(zhì)量上流體的質(zhì)量及三者的質(zhì)量有關(guān)的系數(shù)；當(dāng)Vx為常量，且Vx＝時(shí)，A=B=1.0 s-1。

船舶在非均勻流場(chǎng)航行時(shí)，由于船體兩側(cè)動(dòng)水壓力差的作用點(diǎn)不在船舶的重心，橫流還將對(duì)船舶產(chǎn)生力矩作用。如果簡(jiǎn)化為Vx按線性分布，則從能量定理可以得到力矩M與Vx的關(guān)系，即

式中：K為系數(shù)，與水流作用長(zhǎng)度、作用深度、作用點(diǎn)偏心率、船舶（隊(duì)）自身及周邊幾何形狀、水流繞船體運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力等因素有關(guān)。

由此可見，口門區(qū)的斜向水流沿航向的縱向流速對(duì)船舶（隊(duì)）起加速和減速的作用；垂直航向的橫向流速使船舶產(chǎn)生漂移，且當(dāng)橫向流速非均勻分布時(shí)，船舶受不均勻流側(cè)壓影響發(fā)生回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使船舶偏離航向，船舶為保持航向需操縱舵角，如果這種運(yùn)動(dòng)超出了船舶正常操作能力即舵力所允許的范圍內(nèi)，就會(huì)出現(xiàn)失控，造成駕引失控，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生船舶不能進(jìn)入引航道或船舶沖撞翻船事故。

2 口門區(qū)回流對(duì)船舶航行影響

眾所周知，在船閘引航道口門區(qū)，受斜向水流的作用，河流動(dòng)水帶動(dòng)引航道靜水，形成旋轉(zhuǎn)水流，俗稱漩流，美國(guó)工程界習(xí)慣稱渦流，我國(guó)通稱為回流?；亓魇且环N大量存在于工程實(shí)際中的主要副流，其產(chǎn)生的機(jī)理為：水流發(fā)生局部變形（收縮或擴(kuò)散等）時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生水流分離的現(xiàn)象，在水流的分離面上出現(xiàn)摩擦力，在摩擦力的作用下，分離面附近的水體將隨著主流一起向下游運(yùn)動(dòng)，為了填補(bǔ)留下來的空隙，邊壁附近的水體必將流進(jìn)來補(bǔ)充，這樣就形成了一個(gè)封閉的水流系統(tǒng)[11]。

船閘引航道口門區(qū)處在水流局部變形的區(qū)域，為回流的產(chǎn)生提供了條件，因此回流和斜向水流成為船閘引航道口門區(qū)的主要水流結(jié)構(gòu)?；亓鲗?duì)船舶（隊(duì)）航行的影響主要是橢圓形旋轉(zhuǎn)水流兩端產(chǎn)生的方向相反，且基本與航線垂直的水流對(duì)船舶（隊(duì)）的影響。當(dāng)船舶（隊(duì)）穿越回流區(qū)時(shí)，船首、船尾受到方向相反的水流作用，使得船舶產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，同時(shí)回流范圍內(nèi)因流速分布不均和流向不一致所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，也會(huì)影響舵效作用的發(fā)揮，極大影響船舶（隊(duì)）安全進(jìn)出口門。

3 導(dǎo)流墩改善口門區(qū)水流條件的機(jī)理

3.1 導(dǎo)流墩消弱回流機(jī)理

根據(jù)回流產(chǎn)生的機(jī)理，船閘口門區(qū)恰處在水面寬度突然收縮和擴(kuò)大的條件下，上游來流在慣性力的作用下繼續(xù)前進(jìn)，導(dǎo)流堤堤頭附近的水體在切應(yīng)力作用下隨主流向前運(yùn)動(dòng)，稱為摩擦流。摩擦流向邊壁流動(dòng)，使水位抬高，從而產(chǎn)生了正向壓力差，使得邊壁內(nèi)側(cè)的水體開始向逆水流方向運(yùn)動(dòng)，形成口門區(qū)回流的重力補(bǔ)償流，以維持口門區(qū)回流得以持續(xù)恒定地運(yùn)動(dòng)。摩擦流一般流帶較窄，流速大；補(bǔ)償流則相反，流帶寬，流速小。摩擦流強(qiáng)度越大，相應(yīng)回流的強(qiáng)度越大。以上表明口門區(qū)內(nèi)回流產(chǎn)生的主動(dòng)力就是河道主流施加在交界面上的側(cè)向摩擦力，根據(jù)動(dòng)量定律，摩擦流與主動(dòng)力的關(guān)系為：

式中：F為主流作用于界面的力；t為力的作用時(shí)間；M為摩擦流質(zhì)量；u為摩擦流斷面平均流速。

式（1）中主流作用于交界面上的力F，可用下式表示：

式中：α為主動(dòng)力占總作用力的比例系數(shù)；τ為界面?zhèn)认蚯袘?yīng)力；h0為交界面處水深；l為作用長(zhǎng)度。其中界面?zhèn)认蚯袘?yīng)力τ可用下式計(jì)算：

式中：ρ為水流密度；f為主流側(cè)面阻力系數(shù)；u0為主流在界面處的平均流速。

式（1）中摩擦流質(zhì)量M可用下式表示：

式中：h為回流區(qū)水深；br為摩擦流平均寬度。

將上述各式聯(lián)立可得：

式（5）揭示了影響回流強(qiáng)度的主要因素，即：來流流速u0、引航道口門區(qū)水深h、水流主動(dòng)力的作用長(zhǎng)度l。由此可以通過減小上述各項(xiàng)來尋求削弱回流的途徑。

在引航道口門區(qū)設(shè)置導(dǎo)流墩即是通過減小主動(dòng)力長(zhǎng)度來削弱回流強(qiáng)度。沿導(dǎo)流堤在口門區(qū)外側(cè)布置若干連續(xù)的導(dǎo)流墩，可以把口門區(qū)內(nèi)大范圍的回流區(qū)分解成若干不連續(xù)的小回流區(qū)，由于主動(dòng)力作用長(zhǎng)度減小，口門區(qū)內(nèi)的回流強(qiáng)度得到減弱；另一方面由于相鄰導(dǎo)流墩間隔處有動(dòng)量交換可使主流流速沿程降低，回流強(qiáng)度也將依次減弱。

3.2 導(dǎo)流墩削弱斜流的機(jī)理

在船閘引航道口門區(qū)無導(dǎo)流墩布置情況下，上游來流的單寬動(dòng)量沿?cái)嗝娣植冀凭鶆?。上游水流過導(dǎo)流堤堤頭后，由于斜流夾角較大，其在垂直航線方向上的水流動(dòng)量分量也大，對(duì)船舶安全航行不利。增加導(dǎo)流墩后，由于導(dǎo)流墩的阻流作用，進(jìn)入口門區(qū)的動(dòng)量減小，即使是斜流夾角較大，但垂直航線方向上的水流動(dòng)量分量也不大，船舶受力作用較小。導(dǎo)流墩末端的斜向水流是由過最末一個(gè)導(dǎo)流墩后擴(kuò)散進(jìn)入口門區(qū)的水流（斜向流）和從導(dǎo)墩間隙進(jìn)入口門區(qū)的水流（調(diào)順流）合成。由于導(dǎo)墩間隙進(jìn)入口門區(qū)的水流對(duì)擴(kuò)散水流的調(diào)順作用，使得導(dǎo)流墩末端的斜向水流夾角和橫向流速均減小，因此設(shè)置導(dǎo)流墩也就達(dá)到了削弱斜流的目的。

導(dǎo)流墩還有一個(gè)重要作用是導(dǎo)引一部分水流進(jìn)入引航道，改變?cè)陂T區(qū)回流的水流結(jié)構(gòu)，一方面壓縮回流區(qū)域，減小回流流速；另一方面是把原來的回流區(qū)大部分變成順流區(qū)。

4 結(jié)語

1）口門區(qū)內(nèi)的橫向流速以及橫向流速的非均勻分布是造成船舶偏離航向，駕引失控的主要原因。

2）導(dǎo)流墩的阻流作用，使得進(jìn)入口門區(qū)的水流動(dòng)量減小，同時(shí)導(dǎo)流墩致使水流主動(dòng)力作用長(zhǎng)度減小，是導(dǎo)流墩改善口門區(qū)內(nèi)斜流和回流的主要機(jī)理。

3）導(dǎo)流墩是削弱斜流和回流，改善口門區(qū)水流條件的新型改善措施，導(dǎo)流墩或?qū)Я鞫蘸推渌こ檀胧┑慕Y(jié)合應(yīng)用將是今后改善口門區(qū)水流條件的一個(gè)主要措施。

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