嘉陵江草街船閘上游引航道水力學問題研究

胡亞安，全強，嚴秀俊，張志崇，蔣筱民

(1.南京水利科學研究院 水文資源與水利工程科學國家重點實驗室，通航建筑物建設技術交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029;2.長江勘測規(guī)劃設計研究院，湖北 武漢 430010)

由于船閘灌泄水取自或泄向引航道，可能在引航道內形成較大的水面波動，對引航道內船舶航行及停泊條件產(chǎn)生不利影響，國內外學者對此進行了大量研究［1-5］.嘉陵江草街船閘施工期通航上游水位192.0m，此時其上游引航道水深僅為2.9 m.這一工況在前期模型試驗階段并未涉及［6］，為此本文首先利用數(shù)學模型快速有效的計算出引航道內存在的水面波動問題及引航道內水流流速，然后通過調節(jié)閥門運行方式以控制流量，有效解決了草街船閘施工期通航引航道水力學問題，確保了船舶通航安全，為草街船閘順利完成施工期通航奠定了基礎.

1 數(shù)值計算方法

船閘灌泄水與引航道內水體的運動或波動是相互影響的，由于灌泄水過程引航道內水位也發(fā)生波動，故利用河道及引航道內非恒定流數(shù)值計算，結合船閘灌泄水水力數(shù)值計算來研究引航道內水位變化情況.

1.1 基本方程與邊界條件

沿水深的平面二維水流數(shù)學模型基本方程由連續(xù)方程和動量方程組成［7］，其形式為:連續(xù)方程:

動量方程:

式中:H，Z分別為水深和水位(m);u，v分別為x及y向水流速度(m/s);γt為紊動黏性系數(shù)(m2/s);C為謝才系數(shù);n為河床糙率，R為水力半徑(m).

考慮慣性影響和船閘灌泄水過程的水力計算基本方程［8］為:

閘室內水位變化過程:

式中:H為引航道水位;Z為閘室水位;V為廊道計算斷面平均流速;μ為流量系數(shù);Ln為輸水廊道慣性換算長度;w為輸水廊道計算斷面面積;Ω為閘室水域面積.

初始條件:假設整個計算域內

1.2 計算結果分析

圖1 船閘灌水輸水特性曲線Fig.1 Characteristic curves of water filling into ship lock

表1 引航道內水體運動特性統(tǒng)計Tab.1 Characteristic statistics of water mo tion in the approach channel

圖2 距進水口3.27m處水位及流速過程線Fig.2 Water-level and velocity hydrograph at 3.27m away from inlet

在上游引航道水位192.0m，閘室水位176.3m，水頭15.7m情況下灌水流量過程線如圖1，灌水過程最大流量222.15m3/s.船閘灌水初期，水流由進水口進入閘室，引航道內水位下降，約140 s左右引航道水位下降到最低，縱向流速同時達到最大.數(shù)模分別計算了進水口前3.27，30.14，86.89和145.75m處的縱向最大流速及水面降幅(見表1).進水口前3.27m處水面降幅及縱向流速變化過程線見圖2.數(shù)學模型計算表明:在水位及縱向流速達到最大值后上游水體沒能及時補充到引航道內，導致測點水位在140 s后持續(xù)保持在1.67m低水位.上游引航道最大縱向流速達4.8 m/s(最窄斷面)，而且在高流速情況下持續(xù)一段時間，這樣對引航道內停泊的船只存在很大的威脅.對應的最大水位降幅達1.5m，此時測點處水深僅1.4 m，低于進水口的高度1.8 m，所以進水口露空，會出現(xiàn)貫穿性漩渦，進水口大量進氣又將惡化閘室流態(tài)從而危及船舶停泊安全［9］，同時引航道流態(tài)極有可能出現(xiàn)急流流態(tài)甚至水躍(紅水河大化船閘調試中中間渠道曾經(jīng)發(fā)生該流態(tài)［10］)，不僅嚴重影響引航道口門區(qū)船舶安全，而且對上游人字門運行將產(chǎn)生嚴重影響.為確保草街船閘施工期通航安全，須通過調整閥門開啟方式降低輸水系統(tǒng)流量的方法，解決施工期通航因上游水深較淺所帶來的引航道非恒定流水力學問題.

2 原型調試解決引航道內水力學問題

在明確了灌水閥門不能采用連續(xù)開啟至全開的運行方式后，首先進行了閥門開啟至0.3開度的局部開啟方式.船閘灌水初期，大量水體進入閘室，引航道水位急劇下降，在120 s左右水位下降到最低，引航道內流速達2.6m/s.觀測發(fā)現(xiàn)由于上游水庫不能及時補水到引航道內，導致引航道內水位下降嚴重，上游浮式導航墻斜流及回流強度較大.由于縱向流速過大，停靠在靠船墩邊的船只可能被水流拉斷纜繩，從而危及船舶安全及對人字門形成威脅.人字門前水位波動過程如圖3所示，最大波幅達0.6m，進水口也出現(xiàn)明顯漩渦.因此，此種運行方式下上游引航道水流條件對口門區(qū)船舶航行及停泊存在安全隱患，應進一步減小輸水流量.

原型調試中，分別比較了閥門局部開啟至0.15，0.2開度情況下，上游引航道內水流波動情況和流量變化過程.觀測表明:引航道浮式導航墻及進水口流態(tài)明顯改善，水位波動小，可以滿足通航要求.因此確定的控制流量為110m3/s，相應的停機開度為0.2.如果一直采用0.2開度局部開啟方式，盡管流態(tài)較好，但輸水時間過長，影響通航效率.

圖3 人字門前水位波動過程線Fig.3 Water-level fluctuation hydrograph in front of the miter gate

為縮短輸水時間，進行了間歇開啟方式研究，間歇開啟方式的原則是，第2次開啟閥門后輸水系統(tǒng)流量峰值不能超過第1次的峰值，因此對第2次開啟的時機(即剩余水頭)和停機開度進行了試驗.閥門開啟方式:第1次開至0.15開度停機，當剩余水頭5m時再開至0.6開度，實測的流量過程線如圖4所示，由圖可知第2次開到0.6開度后，流量達到130m3/s，超過了控制值110m3/s，不能滿足要求.

為此重新調整了閥門第2次開啟方式，確定4 m剩余水頭時開至0.4開度，實測的流量過程線如圖5所示.結果表明，第2次開啟后的峰值流量與第1次停機時相當，達到預期要求.同時在這種開啟方式下，測試了上游引航道和人字門前水流流態(tài)，實測的結果如圖5所示:輸水系統(tǒng)最大流量控制在110m3/s以下，引航道測點1水面最大降幅為0.34 m;引航道測點2(人字門庫前)水面最大降幅僅為0.28 m;離船閘最近的隔流堤柱墩斷面流速控制在1.0m/s左右;進水口上方僅僅有旋轉水流，未形成穿心吸氣漩渦.上游引航道的非恒定流問題得到較好解決.

圖4 間歇開啟方式下流量過程線Fig.4 Discharge hydrograph with intermittent open

圖5 閥門開啟方式及對應流量過程線Fig.5 Valve open types and corresponding discharge hydrograph

3 結語

(1)利用二維非恒定流的數(shù)學模型結合船閘灌泄水一維數(shù)學模型聯(lián)合求解，模擬了草街船閘施工期通航下上游引航道水面波動及流速情況，計算結果表明在施工期船閘最大運行水頭為15.7m(上游192.0m，下游為最低通航水位176.3m)條件下，若閥門采用連續(xù)開啟至全開的運行方式，輸水系統(tǒng)最大流量可達222.15m3/s(不考慮進水口出現(xiàn)吸氣漩渦問題);上游引航道最大縱向流速達4.8 m/s(進口前3m處)，引航道流態(tài)極有可能出現(xiàn)急流流態(tài)甚至水躍，不僅嚴重影響引航道口門區(qū)船舶安全，而且對上游人字門運行將產(chǎn)生嚴重影響，同時進水口可能出現(xiàn)貫穿性漩渦，進水口大量進氣又將惡化閘室流態(tài)從而危及船舶停泊安全.根據(jù)相關工程原型調試經(jīng)驗，需要通過改變閥門開啟方式來控制輸水系統(tǒng)流量，解決引航道水力學問題.

(2)在草街船閘原型調試中，改變閥門開啟方式控制輸水系統(tǒng)最大流量，通過多組實測試驗對比分析，以及觀察上游引航道及進水口流態(tài)，最終確定草街船閘施工期通航階段閥門開啟方式:閥門先開啟至0.2開度，待水位差H=4 m時開啟至0.4開度;并且確定該方式可以有效的解決草街船閘施工期通航(上游引航道水深僅2.9 m)上游引航道水力學問題，通過原型調試，確定船閘施工期通航運行參數(shù)，從而保證該船閘的正常安全運行，充分發(fā)揮船閘的航運效益.

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