船閘集中輸水系統(tǒng)復(fù)合模型研究與應(yīng)用

劉本芹，宣國祥，李中華

(南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029)

船閘是我國內(nèi)河航運(yùn)建設(shè)中采用最多的通航建筑物型式，集中輸水系統(tǒng)又是我國船閘采用最廣泛的一種輸水系統(tǒng)型式，主要應(yīng)用于10.0 m以下水頭的船閘.輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，不僅影響到船閘的通過能力，還關(guān)系到船閘及其附屬結(jié)構(gòu)物以及過閘船舶的安全.船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)問題是船閘工程建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題:一方面，輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足輸水時(shí)間的要求，以保證船閘的通過能力和營運(yùn)效率;另一方面，在船閘充、泄水過程中，隨著閘室內(nèi)水面的上升或下降，停泊在閘室內(nèi)的船舶受到因閘室內(nèi)非恒定水流形成的水面坡降力、水流運(yùn)動的流速力以及各種局部流態(tài)如回流、漩渦等沖擊產(chǎn)生的局部力的影響，輸水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需保證這些作用在船舶上的力滿足相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，否則作用力過大將導(dǎo)致固定船舶的纜繩斷裂，或船舶搖擺幅度過大致使船舶發(fā)生碰撞、傾覆等不安全現(xiàn)象.

近幾年通過大量的物理模型試驗(yàn)和原型觀測研究，計(jì)算集中輸水系統(tǒng)船閘輸水水力特性及船舶受力的方法已較為成熟，但尚無法直觀地模擬輸水系統(tǒng)進(jìn)出口水流流態(tài)等局部水力現(xiàn)象;而對于采用集中輸水系統(tǒng)的低水頭船閘而言，也無必要全部進(jìn)行輸水系統(tǒng)整體物理模型試驗(yàn)研究.因此，為了總結(jié)已有研究經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步提高成果的準(zhǔn)確性，并盡可能節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用以滿足工程需要，提出了局部物理模型和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的船閘集中輸水系統(tǒng)復(fù)合模型研究方法［1］.

1 復(fù)合模型概述

船閘集中輸水系統(tǒng)復(fù)合模型研究的具體實(shí)施過程為:(1)以依托工程為研究對象，建立船閘閘首和集中輸水系統(tǒng)(包含部分閘室)的局部物理模型，通過局部物理模型試驗(yàn)測定恒定流狀態(tài)下的船閘充、泄水阻力系數(shù)及流量系數(shù)，作為數(shù)學(xué)模型計(jì)算的基本參數(shù);(2)建立船閘輸水?dāng)?shù)學(xué)模型，采用實(shí)測阻力系數(shù)及流量系數(shù)計(jì)算輸水水力特性及充水時(shí)閘室內(nèi)停泊船舶的系纜力，并依據(jù)設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范要求確定合適的充、泄水閥門開啟方式;(3)針對確定的閥門運(yùn)行方式，依據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算的水力特性值，在局部物理模型中調(diào)試研究工況，觀測局部水流流態(tài)，測定閘室不同斷面的流速分布，并優(yōu)化消能工布置;(4)復(fù)核相關(guān)調(diào)整是否影響充、泄水流量系數(shù)，如產(chǎn)生影響則返回第(2)步;(5)根據(jù)局部物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型最終計(jì)算結(jié)果，提出相應(yīng)的研究成果及結(jié)論.

本文選取2座具有完整物理模型試驗(yàn)研究資料的船閘為研究依托工程［2－3］，采用物理模型試驗(yàn)研究成果來驗(yàn)證復(fù)合模型的可靠性.2座船閘的基本特性見表1.

表1 依托工程基本特性Tab.1 Basic characteristics of the backing projects

2 數(shù)學(xué)模型

船閘輸水基本原理以及單級船閘輸水過程非恒定流方程和計(jì)算方法可查閱相關(guān)文獻(xiàn)［4－6］，據(jù)此計(jì)算出船閘輸水基本水力特性.而船舶系纜力計(jì)算的目的是檢驗(yàn)船舶的纜繩受力是否超過其容許受力，或根據(jù)容許受力確定合適的閥門開啟速度.對于集中輸水系統(tǒng)來說，由于閘室充、泄水的水流都是集中在閘室的一端進(jìn)入或流出，因此閘室內(nèi)的各種水力現(xiàn)象要遠(yuǎn)比分散輸水系統(tǒng)船閘強(qiáng)烈.

船閘充水時(shí)，閘室內(nèi)停泊船舶將受到波浪運(yùn)動、縱向流速及局部水流所產(chǎn)生的動水作用力.這3個(gè)力的最大值并不發(fā)生在同一時(shí)間，波浪力的最大值發(fā)生在閥門開啟初期，此時(shí)流速力和局部力幾乎為零，而流速力和局部力最大值發(fā)生在閘室縱向流速最大的時(shí)候.此外，閘室縱向流速一般不會超過1.0 m/s，流速力不會很大，而局部力又是可以通過調(diào)整消能措施予以降低的.通過以往大量船閘工程的計(jì)算分析、模型試驗(yàn)及原型觀測可知，充水時(shí)初始波浪力值較大，在充水初期閘室內(nèi)還未見明顯水流運(yùn)動時(shí)，停泊船舶的纜繩就受到很大的作用力，往往成為船舶安全過閘的制約因素，而且這個(gè)力與輸水系統(tǒng)的消能無關(guān)，因此集中輸水系統(tǒng)船閘充水時(shí)，過閘船舶的停泊條件主要由初始波浪力控制.同時(shí)借鑒文獻(xiàn)［7］對停泊在引航道內(nèi)的船舶系纜力計(jì)算方法及應(yīng)用條件的探討結(jié)果，本文計(jì)算時(shí)認(rèn)為閘室內(nèi)的船舶停泊在閘室軸線上，沒有水平位移，船舶豎向位移不影響纜繩的水平受力.根據(jù)相關(guān)規(guī)范［8］，經(jīng)推導(dǎo)得到船閘充水初期最大波浪力的計(jì)算式如下:

式中:P為波浪力(kN);kr為系數(shù)，對銳緣平面閥門可取0.725;ω為閥門處廊道斷面面積(m2);D為波浪力系數(shù);W為船舶(隊(duì))排水量(t);H為設(shè)計(jì)水頭(m);tv為輸水閥門開啟時(shí)間(s);ωc為閘室過水橫斷面面積(m2);χ為船舶浸水橫斷面面積(m2).

3 復(fù)合模型驗(yàn)證

3.1 阻力系數(shù)及流量系數(shù)

模型采用的基本參數(shù)由物理模型試驗(yàn)測定得到，2座依托工程的物理模型比尺均為1∶30，設(shè)計(jì)的物理模型與原型保持幾何相似、水流運(yùn)動相似和動力相似，遵循重力相似準(zhǔn)則，滿足《通航建筑物水力學(xué)模擬技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T 235－2003)［9］的相關(guān)要求，因此可以保證參數(shù)的正確性.試驗(yàn)測得1#船閘充水過程閥門全開后的阻力系數(shù)及流量系數(shù)分別為1.66和0.78，泄水過程閥門全開后的阻力系數(shù)及流量系數(shù)分別為1.88和0.73;2#船閘充水過程閥門全開后的阻力系數(shù)及流量系數(shù)分別為2.46和0.64，泄水過程閥門全開后的阻力系數(shù)及流量系數(shù)分別為 1.49 和 0.82［2－3］.

3.2 模型驗(yàn)證

采用復(fù)合模型計(jì)算了2座船閘的輸水水力特性及船舶系纜力，計(jì)算值及驗(yàn)證結(jié)果見表2.相同船閘運(yùn)行條件下，復(fù)合模型研究得出的輸水水力特征值與物理模型試驗(yàn)結(jié)果相比，最大誤差為3.73%，最小誤差幾乎為0，說明復(fù)合模型對輸水水力特征值的計(jì)算較為準(zhǔn)確.典型輸水水力特性過程線比較見圖1，2種方法得到的輸水水力特性變化曲線吻合較好，僅流量變化曲線在最大流量時(shí)刻略有偏后，原因在于數(shù)學(xué)模型中平面閥門不同開度的局部阻力系數(shù)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算的，與模型不同時(shí)刻的實(shí)際阻力系數(shù)略有差異，但對輸水水力特征沒有太大影響.閘室內(nèi)船舶最大縱向系纜力的計(jì)算誤差不超過5.0%，產(chǎn)生差別的主要原因有兩方面:一是計(jì)算值為理想狀態(tài)下的初始波浪力;二是模型試驗(yàn)所用船舶與設(shè)計(jì)船型尺寸有差別和試驗(yàn)量測存在誤差，但并不影響以此作為確定閥門開啟方式的依據(jù)之一.驗(yàn)證結(jié)果表明，采用該復(fù)合模型研究集中輸水系統(tǒng)船閘相關(guān)水力學(xué)問題是準(zhǔn)確可靠的，誤差滿足《通航建筑物水力學(xué)模擬技術(shù)規(guī)程》(JTJ/T 235－2003)［9］的規(guī)定.

表2 閘室輸水水力特征值比較Tab.2 Hydraulic characteristics comparison between the composite model and physical model

圖1 典型輸水水力特性過程線比較Fig.1 Comparison of typical hydraulic characteristic curves

3.3 對比分析

復(fù)合模型研究方法采用局部物理模型試驗(yàn)測定的基本水力參數(shù)，計(jì)算船閘輸水水力特性及閘室內(nèi)船舶縱向系纜力;同時(shí)，由于集中輸水系統(tǒng)出水段主要集中在上閘首附近，可通過局部物理模型試驗(yàn)觀測出水口水流流態(tài)及出水均勻性，并根據(jù)需要優(yōu)化調(diào)整消能工布置，使出水水流均勻，這樣雖然目前無法計(jì)算閘室內(nèi)船舶橫向系纜力值，但可通過在局部模型中保證閘室出水段出流均勻來降低船舶所受橫向水流作用力.因此，復(fù)合模型研究比純數(shù)學(xué)模型計(jì)算的結(jié)果更為準(zhǔn)確和全面，又比純物理模型試驗(yàn)節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用.

4 應(yīng)用實(shí)例研究

工程實(shí)例船閘通航標(biāo)準(zhǔn)為雙列1+2×1 000 t級船隊(duì)，尺度(長×寬×吃水)為160 m×10.8 m×2.2 m;船閘規(guī)模(長×寬×檻上水深)為230 m×23 m×4.0 m，設(shè)計(jì)正、反向最大水頭分別為5.6和5.4 m，對應(yīng)水位組合12.10～6.50 m和4.60～10.00 m，反向最大水頭對應(yīng)閘室初始水深4.0 m，輸水時(shí)間要求8～10 min.

其輸水系統(tǒng)型式采用短廊道和三角門門縫聯(lián)合輸水的組合式輸水系統(tǒng)［10］，上閘首由短廊道側(cè)面進(jìn)、出水，出水口外設(shè)消力檻，下閘首采用反向布置以充分利用門庫進(jìn)行消能，其短廊道也由側(cè)面進(jìn)、出水，出水口外設(shè)消力檻.水力計(jì)算得到閥門處廊道斷面尺寸(高×寬)為3.0 m×3.5 m，雙側(cè)總面積為21.0 m2.采用復(fù)合模型研究方法，對該船閘進(jìn)行完整的輸水系統(tǒng)水力學(xué)研究.

4.1 輸水水力特性及船舶系纜力

按1∶25的模型比尺，建立了該船閘閘首、部分閘室和引航道的局部物理模型.該船閘具有雙向水頭，設(shè)計(jì)的上、下閘首采用對稱布置，輸水系統(tǒng)布置差別不大，對輸水系統(tǒng)基本水力參數(shù)的影響很小，可認(rèn)為上、下閘首輸水系統(tǒng)的流量系數(shù)相同，局部物理模型試驗(yàn)測定的充、泄水流量系數(shù)分別為0.73和0.76.計(jì)算了滿足波浪力要求的閥門開啟速度，從便于船閘運(yùn)營管理的角度考慮，確定上閘首閥門充水和泄水均采用一種開啟方式，即閥門勻速全開時(shí)間t=330 s，下閘首閥門根據(jù)正向最大水頭泄水和反向最大水頭充水而分別采用t=300 s和540 s的開啟速度，相應(yīng)地不同運(yùn)行工況最大水力特征值見表3，各指標(biāo)滿足規(guī)范要求［11］.

表3 閘室輸水時(shí)最大水力特征值Tab.3 The maximum hydraulic characteristics of lock filling and emptying

經(jīng)計(jì)算，正向最大水頭充水時(shí)，閘室內(nèi)停泊單、雙列2×1 000 t船隊(duì)時(shí)的波浪力系數(shù)分別為1.28和1.53，反向最大水頭充水時(shí)，閘室內(nèi)停泊單、雙列2×1 000 t船隊(duì)時(shí)的波浪力系數(shù)分別為1.40和1.73.由此進(jìn)一步計(jì)算得到不同運(yùn)行工況下的閘室內(nèi)船舶最大縱向系纜力為:正向最大水頭5.6 m充水運(yùn)行時(shí)，單列船隊(duì)的最大系纜力為14.93 kN，雙列船隊(duì)的為22.58 kN;反向最大水頭5.4 m充水運(yùn)行時(shí)，單列船隊(duì)的最大系纜力為16.08 kN，雙列船隊(duì)的為30.44 kN.根據(jù)規(guī)范要求，1 000 t船舶允許最大縱向力為32.0 kN，可見系纜力值滿足規(guī)范要求［11］.

4.2 流速特性及改善措施

原布置閘室充水時(shí)由于水流沿門庫順直通過短廊道，進(jìn)入閘室的水量偏多，出口消能空間狹小，且受閘首高度達(dá)1.90 m的橫檻阻擋，水流需越檻翻入閘室，因此水流壅高和紊動較大，加上在短廊道外進(jìn)入閘室的水流沿墻順流而下，在閘首中軸線處對沖消能后集中進(jìn)入閘室，消能條件較差.觀測水流條件表明，閘室流速分布很不均勻，兩側(cè)小中間大、底部小上部大，這種流速特性說明水流剩余能量較大，且集中在船舶停泊區(qū)域，這將使停泊船舶受到較大的局部水流沖擊力及兩側(cè)水流壓差形成的橫向力，因此需對閘首布置進(jìn)行調(diào)整.結(jié)合相關(guān)研究成果［12－14］，試驗(yàn)中提出了2點(diǎn)改善措施:①在門庫兩側(cè)邊墻設(shè)置豎檻，以便增大消能效果;②取消閘首與閘室聯(lián)接處的橫檻，以增大進(jìn)入閘室的底部流速，從而減小上部流速，并可改善水流流態(tài)，同時(shí)為了增大短廊道出口消力檻的消能效果，將第1道消力檻的高度提高至1.9 m，并將消力檻向廊道出口增寬1.0 m，以改善水流的平面分布.

原布置及優(yōu)化后的閘室斷面流速分布見圖2，調(diào)整消能工布置后的閘室充水水流分布較均勻，僅靠近閘首斷面1中的3#測點(diǎn)(閘室中心線附近)流速略大，沿水深平均的最大流速為0.81 m/s，其余斷面各測點(diǎn)實(shí)測流速值基本均勻，且底部流速略大于上部流速，減小了水流對船舶的作用，獲得了較理想的水流特性，同時(shí)根據(jù)閘室流速分布特性確定鎮(zhèn)靜段長度為6.0 m.根據(jù)試驗(yàn)測定的下游引航道流速特性，提出了增設(shè)長20.0 m、深2.0 m消力池的改善措施.上述局部模型試驗(yàn)是針對下閘首進(jìn)行的，上閘首可采用相同的修改措施.

圖2 閘室斷面流速分布(單位:m·s－1)Fig.2 Velocity distribution in lock chamber(unit:m·s－1)

5 結(jié)語

(1)針對集中輸水系統(tǒng)船閘水力學(xué)相關(guān)問題，提出并建立了局部物理模型和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的復(fù)合模型，闡述了其具體實(shí)施方案，采用2座依托工程船閘的物理模型試驗(yàn)資料驗(yàn)證了復(fù)合模型研究成果的準(zhǔn)確性，結(jié)果表明采用該復(fù)合模型研究船閘集中輸水系統(tǒng)水力學(xué)問題是可靠的.

(2)將復(fù)合模型成功應(yīng)用于工程實(shí)例船閘，研究確定了輸水閥門運(yùn)行方式，得到了相應(yīng)的輸水水力特性、船舶系纜力、閘室及引航道流速特性等水力指標(biāo)，并提出了消能工優(yōu)化布置措施，確定了閘室鎮(zhèn)靜段長度，為工程設(shè)計(jì)提供了技術(shù)依據(jù).

(3)研究表明，提出的船閘集中輸水系統(tǒng)復(fù)合模型可使局部物理模型與數(shù)學(xué)模型相互耦合，既能提高計(jì)算成果的準(zhǔn)確性，又比物理模型試驗(yàn)大大節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，是船閘水力學(xué)領(lǐng)域適合低水頭集中輸水系統(tǒng)船閘較好的一種新型研究方法，具有推廣應(yīng)用價(jià)值.

［1］劉本芹，宣國祥.船閘集中輸水系統(tǒng)復(fù)合模型研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2012.(LIU Ben-qin，XUAN Guoxiang.A study of composite model of shiplock's end filling and emptying system［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2012.(in Chinese))

［2］宣國祥，劉本芹.引江濟(jì)漢通航工程進(jìn)口龍洲垸船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2008.(XUAN Guo-xiang，LIU Ben-qin.Hydraulic model experiment study on Longzhouyuan shiplock's filling and emptying system of the water diversion project from Yangtze River to Hanjiang River［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［3］劉本芹，宣國祥，宗慕偉.蕪申運(yùn)河下壩二線船閘輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang，ZONG Mu-wei.Hydraulic model experiment study of the Xiaba second line shiplock's filling and emptying system on Wushen Canal［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［4］德烏斯N.M.通航船閘［M］.陳士蔭，金煜，譯.大連:大連理工大學(xué)出版社，1988.(DEWUSI N M.Navigation lock［M］.CHEN Shi-yin，JIN Yu，translate.Dalian:Dalian University of Technology Press，1988.(in Chinese))

［5］王作高.船閘設(shè)計(jì)［M］.北京:水利電力出版社，1992.(WANG Zuo-gao.Design of shiplocks［M］.Beijing:China Water Power Press，1992.(in Chinese))

［6］劉本芹，宣國祥，李中華.船閘短廊道和三角門門縫聯(lián)合輸水的水力計(jì)算［J］.水道港口，2008(4):278-282.(LIU Benqin，XUAN Guo-xiang，LI Zhong-hua.Hydraulic calculations of the lock short culvert associated with sector gate gap filling and emptying［J］.Journal of Waterway and Harbor，2008(4):278-282.(in Chinese))

［7］周華興，劉清江，鄭寶友，等.船閘引航道船旁系纜力計(jì)算公式應(yīng)用條件的探討［J］.水道港口，2006(5):311-316.(ZHOU Hua-xing，LIU Qing-jiang，ZHENG Bao-you，et al.Discussion on application condition of the formula of ship mooring force of lock approach［J］.Journal of Waterway and Harbor，2006(5):311-316.(in Chinese))

［8］宗慕偉，楊孟藩.船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，1989.(ZONG Mu-wei，YANG Meng-fan.Design of shiplock's filling and emptying system［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，1989.(in Chinese))

［9］JTJ/T 235－2003，通航建筑物水力學(xué)模擬技術(shù)規(guī)程［S］.(JTJ/T 235－2003，Technical regulation of modelling for hydraulics of navigation structures［S］.(in Chinese))

［10］WU Peng，XUAN Guo-Xiang，LIU Ben-qin，et al.A combined system of loop culvert and through gate filling and emptying for navigation locks under heads from either direction［C］∥PIANC MMX Congress Liverpool UK2010，2010.

［11］JTJ 306－2001，船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.(JTJ 306－2001，Design code for filling and emptying system of shiplocks［S］.(in Chinese))

［12］劉本芹，宣國祥.蕪申運(yùn)河楊家灣船閘輸水系統(tǒng)水力計(jì)算及模型試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang.Hydraulic calculations and physical model experiment study of Yangjiawan shiplock's filling and emptying system on Wushen Canal［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［13］劉本芹，宣國祥，宗慕偉.施橋三線船閘輸水系統(tǒng)水力計(jì)算及模型試驗(yàn)研究［R］.南京:南京水利科學(xué)研究院，2008.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang，ZONG Mu-wei.Hydraulic calculations and physical model experiment study of the Shiqiao third line shiplock's filling and emptying system［R］.Nanjing:Nanjing Hydraulic Research Institute，2008.(in Chinese))

［14］劉本芹，宣國祥.泰州引江河高港二線船閘輸水系統(tǒng)布置及水力計(jì)算分析［J］.水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2012(4):65-70.(LIU Ben-qin，XUAN Guo-xiang.Layout and hydraulic analyses of the filling and emptying system of Gaogang second-line shiplock on the Yinjiang River［J］.Hydro-Science and Engineering，2012(4):65-70.(in Chinese))