多線船閘下游引航道通航水流條件及改善方案研究

東培華，馬洪亮，尤 薇，董 佳

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京210000）

多線船閘下游引航道通航水流條件及改善方案研究

東培華，馬洪亮，尤 薇，董 佳

（江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，南京210000）

多線船閘下游引航道內(nèi)反向水頭過大引起的船閘安全問題引人關(guān)注。以江蘇劉老澗三線船閘為例，建立了非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格下的平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，計(jì)算了下游引航道在二、三線船閘不同泄水條件下的水流流態(tài)及一線船閘閘門處的反向水頭。采用開挖隔堤的工程措施以緩解反向水頭過大的問題，計(jì)算分析了不同下閘首至開口段長度、開口段長度和開口段底高程下的最大反向水頭及最大橫向流速特征值變化規(guī)律，為改善多線船閘下游引航道水流流態(tài)提供參考。

多線船閘；引航道；水流條件；數(shù)學(xué)模型

隨著經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，內(nèi)河船舶數(shù)量持續(xù)增長，對船閘的通過能力提出了新的要求，各地在原有單線船閘的基礎(chǔ)上紛紛興建雙線或多線船閘。由于多線船閘下游河道斷面在引航道之后迅速縮窄，導(dǎo)致引航道內(nèi)水流前進(jìn)波發(fā)生反射并在船閘閘門處產(chǎn)生較大的反向水頭，過大的反向水頭對建成時(shí)間長、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)低的船閘閘門造成了很大的威脅，通常采用相應(yīng)的工程措施加以緩解，但是，如果工程措施不當(dāng)，反而會(huì)惡化下游引航道內(nèi)水流條件，直接影響進(jìn)出船閘的船舶通航安全。因此，認(rèn)識影響引航道內(nèi)水流條件的機(jī)理，計(jì)算分析不同工程措施方案下的水力特征值變化規(guī)律，是有現(xiàn)實(shí)意義的。不少學(xué)者對船閘通航水流條件作了很多工作［1-6］，但研究多線船閘不同泄水條件下游引航道水流流態(tài)的還不多見，本文以江蘇省劉老澗船閘為例，復(fù)演了二、三線船閘泄水時(shí)一線船閘較高的反向水頭，計(jì)算了對隔堤不同開挖方案實(shí)施后關(guān)心水域的流態(tài)，在此基礎(chǔ)上分析總結(jié)了各開挖方案對水流特征值的影響規(guī)律，為改善多線船閘下游引航道通航條件提供一些參考。

1 衡量通航水流條件的標(biāo)準(zhǔn)

按照《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］及《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》［8］（下稱《規(guī)范》），船閘閘室、口門區(qū)及引航道水流限制條件如下：

（1）當(dāng)船閘閘室灌泄水時(shí)，閘室水面的最大慣性超高、超降值，在采取提前關(guān)閉輸水閥門及水面齊平時(shí)開啟閘門等措施后，不宜大于0.25m，人字門允許的反向水頭應(yīng)小于0.25m。

（2）引航道口門區(qū)流速。在口門區(qū)的有效水域范圍內(nèi)：縱向流速不應(yīng)大于2.0m/s，橫向流速不應(yīng)大于0.3 m/s，回流流速不應(yīng)大于0.4m/s。另外在引航道口門區(qū)宜避免出現(xiàn)如泡漩、亂流等不良流態(tài)。

（3）引航道內(nèi)流速。引航道導(dǎo)航段和調(diào)順段內(nèi)宜為靜水區(qū)，制動(dòng)段和停泊段的水面最大流速縱向不應(yīng)大于0.5 m/s，橫向不應(yīng)大于0.15m/s。

（4）口門區(qū)與主航道之間的連接段水流條件，參照口門區(qū)通航水流條件的基本要求，判別連接段水流條件的優(yōu)劣。

2 劉老澗船閘簡介

劉老澗船閘始建于1934年，老船閘于1984年報(bào)廢拆除［9］。目前，劉老澗船閘為三線船閘，其中一線船閘1978年建成并交付使用，船閘尺度230m×20 m×4 m，設(shè)計(jì)年通過量2 100萬t。上下游引航道底寬均70 m，水深4 m，長均800 m；復(fù)線船閘于1987年建成并交付使用，船閘尺度230 m×23 m×5 m，設(shè)計(jì)年通過量2 100萬t。復(fù)線船閘閘位選在原老船閘上游引航道內(nèi)，充分利用老船閘河槽，保留分隔堤；三線船閘建在復(fù)線船閘以南80m，于2008年建成并交付使用，閘室有效尺度260m×23m×5m，上下游引航道直線段長均為800m，設(shè)計(jì)年通過量為4 000萬t左右。三座船閘均采用短廊道對沖消能式輸水系統(tǒng)，鋼質(zhì)人字閘門，平板直升閥門。二、三線閘閥門啟閉采用液壓啟閉機(jī)，一線閘閥門啟閉由原來四連桿液壓啟閉機(jī)通過2009年10月大修技術(shù)改造為現(xiàn)在的滾珠絲桿式啟閉機(jī)。

3 平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型

基于三維不可壓縮雷諾（Reynolds）平均Navier-Stokes淺水方程建立水動(dòng)力模型，對連續(xù)方程和動(dòng)量方程進(jìn)行沿水深積分后可得到下列二維沿深度平均的淺水方程

式中：t為時(shí)間；x、y為笛卡爾坐標(biāo)；h為水深；u、v為x、y方向沿水深平均流速；g為重力加速度分別為x、y方向的地形坡度，zb為河床高程分別為x、y方向的阻力系數(shù)為Manning糙率系數(shù)。

為使邊界不影響研究水域的計(jì)算結(jié)果，下游引航道通航水流條件計(jì)算范圍為船閘下閘首至下游航道約7.2 km的區(qū)域，計(jì)算域采用三角形網(wǎng)格剖分，最小邊長10 m，以更好的貼合水工建筑物和岸線，其中網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)7 011個(gè)，單元12 615個(gè)，模型范圍及網(wǎng)格布置見圖1～圖2。

為定量分析不同工況下的水位波動(dòng)情況，在各線船閘下閘首、系船墩及航道處共布置14個(gè)采樣點(diǎn)（圖3），為定量分析不同工況下的最大橫流流速值，在隔堤兩側(cè)的一、二線船閘航道處共布置20個(gè)采樣點(diǎn)（圖4）。

4 現(xiàn)狀水流流態(tài)復(fù)演

自2010年以來，一線船閘共發(fā)生近十次人字門安全銷斷裂事故，選取事故發(fā)生時(shí)的最不利水位，模擬復(fù)演一線船閘閘門處的反向水頭，計(jì)算工況見表1。

3種工況下閘首、下游引航道系船墩附近、下游航道縮窄處典型測點(diǎn)的最大水位波動(dòng)匯總于表2，其中正值表示水位壅高，負(fù)值表示水位降低。

由表2可見：（1）船閘泄水過程產(chǎn)生非恒定流，在下游引航道內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的非恒定水波運(yùn)動(dòng)，下游引航道內(nèi)水位隨水波的傳遞周期性上升或下降；（2）對于同一種工況，下閘首處水位波動(dòng)幅度最大，其后系船墩、下游航道的水位波動(dòng)幅度依次減小，水位的最大平均上升幅度一般略大于下降平均幅度；（3）對于不同工況，船閘泄水量越大，反向水頭也相應(yīng)越大。

由于劉老澗船閘下游引航道口門區(qū)水域比較開闊，但在口門之后較短范圍內(nèi)河道劇烈收縮，船閘泄水時(shí)的非恒定流在此產(chǎn)生較強(qiáng)的反射波，泄水結(jié)束后，仍有部分回流流向船閘下閘首，產(chǎn)生較大的反向水頭。在二、三線同時(shí)泄水時(shí)，由于一線船閘與二、三線船閘間有較長的隔堤，由泄水產(chǎn)生的推進(jìn)波會(huì)繞過隔堤傳遞到一線船閘下閘首，從而進(jìn)一步加劇了一線船閘下閘首處的反向水頭。

5 工程改善措施方案研究

從二、三線船閘下泄的大量水體遭遇下游河道邊界收縮而不能得到及時(shí)宣泄，引起水位壅高并產(chǎn)生反射波，同時(shí)由于一線船閘與二、三線船閘間隔堤的存在，壅高的水位產(chǎn)生的勢能不能在較廣的水域中消散，導(dǎo)致河道收縮處與一線船閘下游產(chǎn)生水位差，進(jìn)而引發(fā)水體倒灌回流并產(chǎn)生反向水頭。由此可得，在引航道下游收縮的河道地形不能輕易改變的前提下，緩解反向水頭的主要措施之一是擴(kuò)大壅高水體的平復(fù)空間。針對一線船閘與二、三線船閘之間的隔堤采取工程措施，考慮不同下閘首至開口段長度、開口段長度以及開口段底高程情況下的水流改善情況，研究各方案實(shí)施后的水動(dòng)力特征，為相應(yīng)工程措施提供依據(jù)。表3為各工程方案一覽表，工程方案總計(jì)3×3×2個(gè)，其中，垂直于挖除段的開挖寬度范圍為隔堤左右各20 m。

針對下閘首至開口段長度不同的情況，以開口段長100 m，開口段底高程14 m為例，表4列出了三種下閘首至開口段長度下二三線同時(shí)泄水后一線船閘閘門處的反向水頭以及橫流流速。由表4可知，下閘首至開口段長度越長，則一線船閘處的反向水頭越大，但閘門處的橫流流速越小。

針對開口段長度不同的情況，以下閘首至開口段長150m，開口段底高程14m為例，表5列出了三種開口段長度下二三線同時(shí)泄水后一線船閘閘門處的反向水頭以及橫流流速。由表5可知，開口段長度越長，則一線船閘處的反向水頭越大，但開挖段附近的橫流流速越小。

針對開口段底高程不同的情況，以下閘首至開口段長150 m，開口段長100m為例，表6列出了兩種開挖段底高程下二三線同時(shí)泄水后一線船閘閘門處的反向水頭以及橫流流速。由表6可知，開口段底高程越高，則一線船閘反向水頭越小，但開挖段附近橫流流速越大。

由表4～表6可得，堤根預(yù)留段長度及開挖長度與反向水頭呈正相關(guān)關(guān)系，與橫流流速呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；隔堤開挖高程與反向水頭呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與橫流流速呈正相關(guān)關(guān)系。由此可知，反向水頭與橫流流速共生共存，采取工程措施無法消弭兩方面的不利因素，因此在確定工程措施時(shí)需找到平衡點(diǎn)，將不利影響減小到最低程度。依據(jù)《規(guī)范》規(guī)定的船閘下游引航道各區(qū)段的流速限制，結(jié)合數(shù)學(xué)模型計(jì)算得到的不同方案下的水流流態(tài)，最終推薦堤根預(yù)留150 m，開挖150m，開挖底高程14m以及堤根預(yù)留200m，開挖150m，開挖底高程14m兩種方案。圖5為兩種推薦方案下的流場圖。

6 結(jié)語

過大的反向水頭對閘門施加超出設(shè)計(jì)荷載的壓力，經(jīng)常造成啟閉連接機(jī)構(gòu)的損壞，威脅船閘運(yùn)行安全。以劉老澗三線船閘為例，基于平面二維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，復(fù)演了二三線船閘同時(shí)泄水時(shí)引起一線船閘處的反向水頭。針對一線船閘與二、三線船閘之間的隔堤采取工程措施，分別計(jì)算了不同堤根預(yù)留長度、隔堤開挖長度及開挖底高程情況下的反向水頭和橫流流速。

隔堤開挖能減小閘下反向水頭，但可能會(huì)增大下游引航道內(nèi)水流橫流流速。計(jì)算結(jié)果表明，下閘首至開口段長度越長，開口段長度越長，則反向水頭越大，但橫向流速越??；隔堤開口段底高程越高，則反向水頭越小，但橫向流速越大。

［1］周華興,鄭寶友,王化仁.船閘灌泄水引航道內(nèi)波幅與比降研究［J］.水道港口,2005,26（2）:103-108. ZHOU H X,ZHENG B Y,WANG H R.Test on Wave Amplitude and Slope During Lock Filling and Emptying in Approach Channel［J］.Journal of Waterway and Harbor,2005,26（2）:103-108.

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［8］JTJ305-2001,船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［9］尤薇,曲紅玲,董佳,等.江蘇劉老澗船閘下游引航道非恒定流及改善措施研究［R］.江蘇:江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院,2012.

Study on navigation flow condition and improvement measures of downstream approach channel in multi-line ship lock

DONG Pei-hua,M A Hong-liang,YOUW ei,DONG Jia
(Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China)

The ship lock security problem caused by high reversal water head in downstream approach channel is attractive.Taking the third line of Liulaojian ship lock in Jiangsu Province as an example,a 2D hydrodynamic mathematical model with unstructured grid was established in this paper.According to different discharge of the second line and the third line ship lock,the flow pattern was simulated,and reversal water head near the gate of the first line was also calculated.Excavation of diversion dike was used to decrease the high reversal water head.According to the reserved length of dike root,excavated length of dike and bottom elevation, the variation law of the maximum reversal water head and characteristics of the maximum velocity of cross flow were analyzed to give reference for improving downstream flow pattern of multi-line ship lock.

multi-line ship lock;approach channel;flow condition;mathematical model

U 617；U 641.1

A

1005-8443（2013）05-0420-05

2012-12-20；

2013-01-18

東培華（1976-），男，江蘇省海門人，工程師，主要從事港口規(guī)劃、設(shè)計(jì)和研究工作。

Biography：DONG Pei-hua(1987-）,male,engineer