焦港船閘開通閘適航水力條件研究

丁堅(jiān)，宋荔欽

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

焦港船閘開通閘適航水力條件研究

丁堅(jiān)1，2，宋荔欽2

（1.河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098；2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098）

為提高船舶通過船閘能力，有效制訂焦港船閘開通閘運(yùn)行管理方案，建立整體物理模型試驗(yàn)針對(duì)船閘開通閘運(yùn)行時(shí)引航道的水流流速流態(tài)和啟閉機(jī)受力進(jìn)行定量、定性分析。模型試驗(yàn)研究了不同水力條件下開通閘時(shí)水流的規(guī)律和啟閉機(jī)受力情況，為船舶適航情況作出準(zhǔn)確判斷，改善開通閘的安全狀況，可作為南通航道處各口門船閘開通閘運(yùn)行的參照。

適航；引航道；水力條件；焦港船閘

長江感潮河段各內(nèi)河入江口門的船閘下游引航道受長江潮汐漲落的影響，與上游內(nèi)河水位差是動(dòng)態(tài)變化的，在不同水位季節(jié)，船閘上下游將出現(xiàn)零水位差情況，并隨潮位變化過程逐漸增減，在該過程中可利用上下游平水時(shí)段將上下閘門同時(shí)開啟，船舶直接通行，可顯著提高船閘通過能力水運(yùn)工程［1-2］。

我國已有數(shù)例開通閘運(yùn)行的成功經(jīng)驗(yàn)，如江陰船閘、南通船閘等，但大多停留在經(jīng)驗(yàn)管理的水平上，容易受人員變動(dòng)，氣候、水文條件等因素影響，安全性不穩(wěn)定。焦港船閘位于連申線南通段，連申線是在建的Ⅲ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)航道，可通行千噸級(jí)駁船船隊(duì)，是江蘇省規(guī)劃高等級(jí)航道“兩縱四橫”的縱向通道，與京杭大運(yùn)河平行，承擔(dān)連云港與上海大港間集疏運(yùn)的重任。焦港是入長江的口門，船閘尺度23 m×230 m×4 m，年設(shè)計(jì)物流量達(dá)2 000～3 000萬t，若要開通閘，其安全保證十分重要，因它而斷航其損失將不可估量。該船閘尺度較大，口門寬達(dá)23 m，出閘檻后引航道寬達(dá)90 m，開通閘時(shí)水流呈三維非恒定流狀態(tài)，過水流量大、水面寬且將會(huì)產(chǎn)生橫流、回流等，對(duì)船行不利。同時(shí)，當(dāng)上下游水位差過大時(shí)，閘門啟閉機(jī)所承受的推力或者拉力也會(huì)逐漸增大，甚至?xí)茐膯㈤]機(jī)的正常運(yùn)行，導(dǎo)致閘門不能正常開關(guān)，進(jìn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。為保證焦港船閘開通閘的順利運(yùn)行，提高安全度，本文預(yù)采用物理模型實(shí)驗(yàn)對(duì)焦港船閘開通閘的水力條件進(jìn)行研究，提供開閘水頭差與流速、流向、流態(tài)的關(guān)系以及啟閉機(jī)的受力情況［1，3-5］。

1 模型設(shè)計(jì)

1.1 模型范圍及比尺

焦港船閘模型可見圖1，模型范圍為焦港船閘上游引航道至下游引航道河段，按正態(tài)重力相似準(zhǔn)則設(shè)計(jì)模型，模型幾何比尺λL=λH=25，流速比尺時(shí)間比尺糙率比尺受力比尺

圖1 焦港船閘模型示意圖Fig.1Sketch of ship lock model in Jiaogang port

1.2 船閘口門外潮位

根據(jù)適用于該河段的二維潮流數(shù)學(xué)模型，模擬了焦港船閘不同上下游邊界條件下口門外潮位過程。通過分析本次模型試驗(yàn)上游采用3.71 m和0.96 m兩組水位（85國家基準(zhǔn)面），下游采用典型潮位過程線如圖2和圖3所示。

1.3 模型設(shè)計(jì)與制作

模型檢測平面誤差小于1.0 cm；高程精度控制在0.1 mm之內(nèi)；船閘三線閘室采用塑料板粘制成整體，船閘的上、下閘用有機(jī)玻璃制成整體安裝，原型輸水廊道用鋼筋混凝土制成；下閘首的閘門和閥門中各門配備一套伺服電機(jī)、齒輪傳動(dòng)設(shè)備，用計(jì)算機(jī)按給定程序自動(dòng)控制。為精確控制水位，采用河海大學(xué)研制的自動(dòng)集中控制設(shè)備及軟件，可實(shí)時(shí)監(jiān)測船閘及尾門處水位以及重點(diǎn)區(qū)域的流速和閘門的受力。模型全程安裝6臺(tái)自動(dòng)水位跟蹤儀，測定下閘首三角門內(nèi)外的水位變化，并通過計(jì)算機(jī)集中采集；為控制上下游水位，在上閘首以上閘室中設(shè)一臺(tái)自動(dòng)水位儀自動(dòng)控制翻板門溢流。下游則在模型尾門上游附近安裝一臺(tái)自動(dòng)水位儀控制水位。各點(diǎn)的流速采用螺旋槳式的小流速儀測定，在低流速狀態(tài)下，依靠流標(biāo)跟蹤及錄象，延時(shí)拍照等方法解決［6-8］。

圖2 洪水年洪水大潮潮位過程線Fig.2Hydrograph of spring tide of flood in flood years

圖3 洪水年中水大潮潮位過程線Fig.3Hydrograph of middle tide of flood in flood years

圖4 模型設(shè)計(jì)與布置Fig.4Model design and layout

圖5 流速、流向驗(yàn)證點(diǎn)Fig.5Verification of flow velocity and direction

1.4 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證采用的現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)主要有閘室上下游水位、斷面流速、開關(guān)閘門時(shí)啟閉機(jī)推桿的受力情況，其中流速測點(diǎn)處于閘室中線，閘室內(nèi)測點(diǎn)距下閘首35 m，下游喇叭口處測點(diǎn)距下閘首45 m。

分別在下游水位高時(shí)和下游水位低時(shí)的開、關(guān)閘門情況下，選定下閘首上、下游兩個(gè)固定點(diǎn)的流速、流向和啟閉機(jī)的受力變化進(jìn)行驗(yàn)證。圖5和圖6為靜水條件下1#測點(diǎn)水位2.4 m，2#測點(diǎn)水位2.7 m時(shí)下流速和啟閉機(jī)受力驗(yàn)證圖。驗(yàn)證結(jié)果表明，試驗(yàn)值與理論分析一致，模型試驗(yàn)值與實(shí)測值符合較好，能滿足模擬精度要求，驗(yàn)證結(jié)果符合規(guī)范要求，模型與原型相似，可以進(jìn)行工程方案試驗(yàn)。

2 開通閘水情及設(shè)備受力試驗(yàn)

2.1 引航道流態(tài)

物理模型試驗(yàn)分別模擬了上游水位3.71 m和0.96 m在下游不同水位組合下開關(guān)閘門時(shí)的引航道流態(tài)。由試驗(yàn)可知：上游水位3.71 m，洪水年洪水期大潮漲潮條件下，水位差1.0 m和0.8 m時(shí)，主流波動(dòng)較大，且存在明顯回流，不利于開通閘；水位差為0.5 m時(shí)，主流波動(dòng)較小，但也存在局部回流區(qū)。開關(guān)門時(shí)，落潮流態(tài)與漲潮流態(tài)較為相似，水位差為0.5 m時(shí)流態(tài)較好；上游水位0.96 m，洪水大潮漲落潮時(shí)，下游水位均大于上游水位，水流由下游流向上游，水流較為平順。洪水年長江中水大潮漲落潮時(shí)，上游水位大于下游水位條件下，均出現(xiàn)回流，有時(shí)主流也產(chǎn)生波動(dòng)。

2.2 閘室和引航道最大流速

圖7為試驗(yàn)流速測點(diǎn)布置圖，本次試驗(yàn)中共布置2個(gè)典型流速測點(diǎn)和3條橫向測流斷面，其中1#測點(diǎn)位于閘室中，2#測點(diǎn)位于下游喇叭口附近，3#、4#測點(diǎn)分別位于下引航道測流斷面1和測流斷面2的中點(diǎn)。由試驗(yàn)可知：上游水位3.71 m，洪水年洪水期大潮漲、落潮時(shí)，水頭差±0.5 m、±0.8 m、±1.0 m時(shí)1#測點(diǎn)開關(guān)門時(shí)的流速最大。由于開通閘運(yùn)行主要考慮最不利的影響，本文主要介紹1#測點(diǎn)的流速變化。水位差為1 m時(shí)，1#測點(diǎn)開門時(shí)最大流速為2.12 m/s，關(guān)門時(shí)為2.37 m/s；水位差為-1 m關(guān)門時(shí)1#測點(diǎn)最大流速為2.44 m/s，其余測點(diǎn)流速均小于2 m/s；上游水位1.64 m，洪水年長江洪季大潮漲潮時(shí)，水位差為0.8 m、-0.6 m、-1.2 m時(shí)1#測點(diǎn)流速大于2 m/s；洪水大潮落潮時(shí)，水位差-0.6 m、-1.2 m時(shí)1#測點(diǎn)流速大于2 m/s；洪水年長江中水大潮漲潮時(shí)，水位差1 m時(shí)1#測流點(diǎn)開門時(shí)流速為2.14 m/s；上游水位0.96m，洪水年洪水期、中水期時(shí)，水位差為-1 m時(shí)1#測點(diǎn)開關(guān)門最大流速均大于2 m/s；水位差為±0.3 m、±0.4 m、±0.5 m時(shí)測點(diǎn)最大流速均小于2 m/s。在開通閘運(yùn)行時(shí)，船舶均為閘門開啟后才進(jìn)行運(yùn)行，故雖然開門時(shí)流速較大，但對(duì)船舶運(yùn)行影響不大，只需考慮閘門完全開啟后的流速滿足要求即可。

2.3 閘門啟閉機(jī)受力分析

上游水位3.71 m，洪水年洪水期水頭差為1.0 m、0.8 m條件下，閘門開門時(shí)啟閉機(jī)受力不大，關(guān)門時(shí)啟閉機(jī)最大受力均超過300 kN；水頭差0.5 m時(shí)，開關(guān)門啟閉機(jī)最大受力均未超過300 kN，漲潮時(shí)最大受力為235 kN，落潮時(shí)最大受力為266 kN；上游水位控制1.64 m，洪水年洪水期漲、落潮時(shí)，水頭差為±0.3 m、±0.4 m時(shí)啟閉機(jī)受力均能滿足受力要求，水位差為±0.8 m、±1.2 m時(shí)啟閉機(jī)最大受力超過設(shè)計(jì)最大值，不宜進(jìn)行開關(guān)門；中水期漲潮時(shí)，水位差為1.0 m、0.8 m關(guān)門時(shí)啟閉機(jī)最大受力超過300 kN，水位差0.6 m、0.4 m時(shí)受力均超過200 kN；落潮時(shí)，水位差0.8 m時(shí)關(guān)門最大受力為325 kN，超過最大設(shè)計(jì)值，其余工況均能滿足要求，但水位差為0.6 m時(shí)，關(guān)門啟閉機(jī)最大受力為295 kN，十分接近設(shè)計(jì)值，故該條件也不宜開門關(guān)門；上游水位控制0.96 m，洪水年洪水期漲落潮水頭差-0.7 m開門時(shí)啟閉機(jī)最大受力分別為311 kN和380 kN，其余開關(guān)門工況閘門啟閉機(jī)受力均小于300 kN；洪水年中水期大潮漲潮水位差為-0.6 m開門時(shí)啟閉機(jī)受力為312 kN，超過設(shè)計(jì)值，水位差為0.1 m、±0.3 m、±0.4 m時(shí)最大受力均滿足要求。落潮期間，水位差為0.6 m關(guān)門和-0.6 m開門時(shí)啟閉機(jī)受力超過最大值，其余工況滿足要求。

圖7 試驗(yàn)流速測點(diǎn)布置圖Fig.7Layout of velocity measuring points in the test

3 開通閘運(yùn)行臨界條件分析

三角門閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)受力需小于300 kN，安全系數(shù)取為1.2，則安全值Fmax為250 kN。其中，順流開門和逆流關(guān)門時(shí)啟閉機(jī)受力較為安全，安全系數(shù)為1，最大臨界受力仍為300 kN。根據(jù)內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)，Ⅰ～Ⅳ級(jí)引航道、口門區(qū)縱向水流表面最大流速限值為0.5 m/s，考慮其他因素的影響，安全系數(shù)取為1.2，最大流速值Umax為0.42 m/s。各工況條件下，船閘開通閘運(yùn)行時(shí)，開關(guān)門啟閉機(jī)受力F和最大流速U與水頭差x之間的關(guān)系以及臨界水頭差情況可見表1～表3所示。表1～表3中，Z1代表上游1#測點(diǎn)水位值，Z2代表下游2#測點(diǎn)水位值。由表可知，上游水位3.71 m洪水年洪水期大潮開通閘運(yùn)行的上下游臨界水位差不能超過0.39 m；上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮時(shí)開通閘運(yùn)行臨界水位差不能超過-0.35 m；上游水位0.96 m洪水年中水期大潮時(shí)開通閘運(yùn)行臨界水位差應(yīng)處于-0.39～0.37 m。由于本文試驗(yàn)采用的是極端條件下的數(shù)值，故可取其最小范圍作為開通閘的臨界條件，本文試驗(yàn)的結(jié)果為1#和2#測點(diǎn)間的靜止水位差處于-0.35～0.37 m時(shí)可以進(jìn)行開通閘運(yùn)行，同時(shí)，上下游的水位均應(yīng)在0.96～3.71 m，若超出該范圍禁止通航。

4 結(jié)語

本文開展焦港船閘整體物理模型試驗(yàn)，模擬了不同工況下開通閘運(yùn)行時(shí)的水流流態(tài)，通過分析流速、流向、啟閉機(jī)受力等，提供了各工況下能滿足開通閘的臨界水頭差和啟閉機(jī)受力條件，為焦港船閘開通閘運(yùn)行的水力安全狀況提供參考和依據(jù)，可作為南通航道處各口門船閘開通閘運(yùn)行的參照，為今后修訂船閘規(guī)范提供依據(jù)。

表1 上游水位3.71 m洪水年洪水期大潮開通閘運(yùn)行臨界水位差Tab.1Critical water level difference of locks opening in spring tide of flood in flood years（head?water level:3.71 m）

表2 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮時(shí)開通閘運(yùn)行臨界水位差Tab.2Critical water level difference of locks opening in spring tide of flood in flood years（head?water level:0.96 m）

表3 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮時(shí)開通閘運(yùn)行臨界水位差Tab.3Critical water level difference of locks opening in middle tide of flood in flood years（head?water level:0.96 m）

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中國疏浚協(xié)會(huì)技術(shù)專家委員會(huì)成立

本刊從交通運(yùn)輸部獲悉，中國疏浚協(xié)會(huì)技術(shù)專家委員會(huì)目前已得到交通運(yùn)輸部的核準(zhǔn)并備案成立。該技術(shù)專家委員會(huì)由國內(nèi)主要疏浚企業(yè)、業(yè)內(nèi)相關(guān)科研院校、交通運(yùn)輸部疏浚工程定額站等單位的專家組成，還有疏浚協(xié)會(huì)各類會(huì)員單位近百人組成的專家?guī)?。將重點(diǎn)研究疏浚行業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略、政策法規(guī)和疏浚行業(yè)重大技術(shù)課題，為疏浚行業(yè)項(xiàng)目施工、裝備建造、科技發(fā)展、產(chǎn)品開發(fā)、技術(shù)咨詢、學(xué)術(shù)交流及國際合作等提供服務(wù)，并參與疏浚技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)研編制、組織疏浚科技成果的評(píng)審和鑒定，還將引導(dǎo)社會(huì)資源參與疏浚業(yè)的發(fā)展。（殷缶，梅深）

中國水電港航公司簽約世界最大河道整治項(xiàng)目

本刊從中國水電建設(shè)集團(tuán)港航建設(shè)有限公司獲悉，2014年11月10日，孟加拉帕德瑪大橋河道整治項(xiàng)目施工合同簽字儀式在孟加拉首都達(dá)卡市隆重舉行。孟加拉帕德瑪大橋河道整治項(xiàng)目施工內(nèi)容主要包括河道疏浚和河岸防護(hù)，工程疏浚量約近1億m3，河岸防護(hù)段長約13 km，護(hù)岸工程主要工程量包括拋石約110萬m2、沙袋拋填約2 100萬個(gè)、混凝土預(yù)制塊約1 300萬塊。項(xiàng)目工期4年。此次中國電建擊敗美日韓及歐洲眾多專業(yè)疏浚公司，成功中標(biāo)并簽約孟加拉國帕德瑪大橋河道整治工程，一舉躋身到“國際疏浚俱樂部”。（殷缶，梅深）

Study on hydraulic condition of Jiaogang ship lock at the time of locks opening

DING Jian1,2,SONG Li?qin2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098, China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

In order to improve the ship lock capacity and make the effective operation scheme,an integrated physical model test was established in this paper.Flow velocity and pattern of approach channel during the running period of ship lock with different doors opening were analyzed quantitatively and qualitatively.Based on the physi?cal model test,the rule of flow in different hydraulic conditions was studied to determine seaworthiness condition and to improve the security situation.The results can be used as the reference of the ship locks in Nantong Channel Office.

seaworthiness；approach channel；hydraulic condition；Jiaogang ship lock

U 641

A

1005-8443（2014）06-0613-05

2013-07-23；

2013-10-08

丁堅(jiān)（1960-），男，江蘇省人，副研究員，主要從事港口、海岸及近海工程研究。

Biography：DING Jian（1960-），male，associate professor.