船閘引航道最不利流態(tài)水力參數(shù)的確定方法

奚 斌，袁興安，朱慶華，劉 松，周濟人

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州225127；2.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶163318；3.揚州市航道管理處，江蘇 揚州225003；4.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州225009；5.淮安市水利局，江蘇 淮安223200）

船閘引航道最不利流態(tài)水力參數(shù)的確定方法

奚 斌1，2*，袁興安3，朱慶華4，劉 松5，周濟人1

（1.揚州大學水利與能源動力工程學院，江蘇 揚州225127；2.東北石油大學提高油氣采收率教育部重點實驗室，黑龍江 大慶163318；3.揚州市航道管理處，江蘇 揚州225003；4.江蘇省水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州225009；5.淮安市水利局，江蘇 淮安223200）

結合鹽邵船閘采用規(guī)范中的公式計算、模型試驗、原型現(xiàn)場實測3種方式，分別得到引航道最不利流態(tài)時的泄流量及對應的閘室水位和輸水廊道閘門開啟時間等參數(shù)，對比分析了各方法所得參數(shù)的差異及成因.結果發(fā)現(xiàn)：數(shù)學模型常用規(guī)范中公式計算得出的引航道最不利流態(tài)出現(xiàn)時的閘室泄流量偏小，閘室水位偏低，輸水廊道閘門開啟時間偏長.在此基礎上提出了改進公式的計算方法.

船閘；輸水廊道；泄流；引航道；流態(tài)

船閘引航道口門區(qū)水域的流態(tài)直接影響航道的通暢及進出船舶的航行安全，因此，需要對船閘引航道的流態(tài)進行分析，而研究該問題必須先確定輸水廊道泄流過程中引航道內何時流態(tài)最不利，即各泄流參數(shù)隨時間的變化關系.目前的研究主要集中在如何防止口門區(qū)淤積［1-3］、流態(tài)的數(shù)值計算方法［4-7］、水流條件的改善方法［8-9］、引航道布置尺度形式［10］等方面.對引航道最不利流態(tài)水力參數(shù)的確定方法鮮見報道.引航道水力參數(shù)的確定方法主要有規(guī)范［11-12］中的公式計算（數(shù)值計算中常用）、模型試驗、原型現(xiàn)場實測等.為了探討各方法之間的差異，本文結合鹽邵船閘下游引航道流態(tài)的研究，從3個方面對船閘引航道最不利流態(tài)水力參數(shù)的確定方法進行了對比分析.

1　規(guī)范中公式計算得到的閘室水位與泄流量的關系

船閘下游引航道的最不利流態(tài)是在船閘泄流量最大時產(chǎn)生的，此時引航道內流速大，斜向水流強度較強，產(chǎn)生回流和橫向流速分量也較大.輸水廊道閘門的開啟時間是可變的，不同的開啟速度會產(chǎn)生不同的引航道流態(tài)，但大多數(shù)船閘都有一個相對固定的輸水廊道閘門開啟時間；因此，在船閘上、下游最大通航水位差下，確定閘室泄流過程下游輸水廊道通過的最大流量及此時閘室水位等是研究問題的關鍵.根據(jù)鹽邵船閘運行資料，閘室水位為8.5m，下游河道水位為1.0m.由于閘室泄流水位變化還與輸水廊道閘門開啟速度有關，結合鹽邵船閘的實際運行開啟時間，確定輸水廊道閘門一個開啟過程為360s.

1.1閘室水位與時間的關系曲線

根據(jù)JTJ306—2001《船閘輸水系統(tǒng)設計規(guī)范》［11］（以下簡稱規(guī)范）閘室水位與時間的關系曲線分2種情況進行計算.

1）當忽略閘門開啟過程慣性水頭的影響時，閘門開啟過程中任一時段末的水頭由規(guī)范［11］45附錄C.0.2-1公式計算如下：

式中hi+1為計算時段末的水頭；hi為計算時段開始的水頭；Δt為計算時段，取6.6 s；ω為輸水閥門處廊道斷面面積，取14.20 m2；C為計算閘室水域面積，對單級船閘取2 665.32 m2；g為重力加速度（m·s-2）；μmt為計算時段的平均流量系數(shù).μt為時刻t 的輸水系統(tǒng)流量系數(shù)，可由規(guī)范［11］42附錄A.0.6公式推求：

式中ξvn為時刻t閥門開啟時的閥門局部阻力系數(shù)；ξ′為閥門井或門槽的損失系數(shù)，平面閥門取0.10，反弧形閥門取0；ξc為閥門全開后輸水系統(tǒng)總阻力系數(shù)，包括進口、出口、攔污柵、轉彎、擴大、收縮等局部阻力系數(shù)，以及沿程摩阻損失的阻力系數(shù).以上各阻力系數(shù)均應乘以閥門處廊道斷面面積與各段廊道面積比值的平方，換算為閥門處廊道斷面的阻力系數(shù).

由上述公式計算得到鹽邵船閘下閘首輸水廊道閥門開啟過程中任一時段末的水位，詳見表1.

表1　輸水廊道閥門開啟過程中閘室水位與時間的關系Tab.1__Relationship between water level and time during open valve of drainage gallery_

2）輸水廊道閘門完全開啟后任一時段末的水頭由規(guī)范［11］45附錄C.0.2-2公式計算如下：

式中d為閥門全開后慣性水頭（m）；μ為閥門全開后輸水系統(tǒng)的流量系數(shù).

經(jīng)計算得到閘門開啟397.6 s后閘室水位為1.10 m.

1.2泄流量與時間（水位）的關系曲線

1）由規(guī)范［11］46附錄C.0.3-1公式可計算求得流量與水位的關系（規(guī)范中Q表示總流量，q表示單寬流量，因本文對其公式提出改進，流量符號仍用Q，不便改動）：

式中Qt為時刻t的流量（m3·s-1）；μt為時刻t的流量系數(shù)，由流量系數(shù)與時間關系曲線求得；ht為時刻t的水位差（m）；dt為時刻t的慣性水頭（m），對集中輸水系統(tǒng)可忽略不計.

計算流量與時間（水位）對應值，并據(jù)計算的水位流量數(shù)值繪制圖1，得到輸水廊道開啟過程中的最大泄流量為70.75 m3·s-1，對應水位為3.79 m，開啟時間為273.31 s.

圖1　規(guī)范中公式計算的閘室水位與流量的關系曲線Fig.1 Curve of water level of lock chamber with flow rate obtained in the standard calculation

2　模型量測的閘室水位與泄流量的關系

為了進行模型量測研究，筆者按幾何比尺λL=30制作了鹽邵船閘模型（奚斌，康立榮，朱興華，等.鹽邵船閘下游引航道流態(tài)試驗研究報告［R］.揚州：江蘇省水利勘察設計研究院，揚州大學，2013.），相應的流速比尺為，流量比尺為，時間比尺為，糙率比尺為.根據(jù)輸水廊道閘門一個開啟過程為360 s，由時間比尺知模型輸水廊道閘門開啟一次時間約為66 s，在模型可調速輸水廊道閘門啟閉系統(tǒng)上調出對應開啟一次用時.然后控制閘室水位（上、下游輸水廊道閘門全部關閉）以及下游引航道水位，待閘室水位、下游引航道水位調節(jié)穩(wěn)定后，開啟下游輸水廊道閘門（自動電控），同時記錄閘室水位隨時間的變化.為了測得可靠數(shù)據(jù)，減小誤差，重復測量4次，將4次數(shù)據(jù)繪制曲線如圖2所示，據(jù)此得到下游輸水廊道閘室水位與流量之間的關系.通過相關曲線得到下閘首模型泄流過程中最大流量為0.015 6 m3·s-1，對應閘室水位水深為0.214 3 m（閘室底板高程-2 m），輸水廊道閘門開啟時間為39.92 s；即相應的原型中最大泄流量為77.00 m3·s-1，閘室水位為4.43 m，輸水廊道閘門開啟時間為218.65 s，下游引航道水位為1 m時的水位流量組合為引航道最不利流態(tài)的水力參數(shù).

圖2　模型實測閘室水位與流量的關系曲線Fig.2 Curve of water level of lock chamber with flow rate obtained in the model test

3　原型現(xiàn)場實測的閘室水位與泄流量的關系

為了進一步研究閘室水位與輸水廊道泄流量關系，在鹽邵船閘現(xiàn)場進行了原型輸水廊道閘門開啟閘室水位與泄流量關系的量測.原型閘室水位為8.5 m，下游引航道水位為1.0 m，量測時結合船閘維修改造時下游引航道中的圍堰，控制下游水位，同時通過水泵向閘室供水，使閘室水位達到8.5 m.在此水位組合下，測得輸水廊道閘門開啟過程中閘室水位與泄流時間的相關數(shù)據(jù)，由此繪制出原型閘室水位與泄流量關系曲線如圖3.下閘首輸水廊道在此水位組合下的最大泄流量為77.30 m3·s-1，對應水位為4.47 m，閘門開啟時間為216 s.

圖3　原型閘室水位與泄流量的關系曲線Fig.3 Curve of water level of lock chamber with flow rate in the prototype test

4　引航道最不利流態(tài)水力參數(shù)及其確定方法分析

據(jù)上述研究結果，將規(guī)范中公式計算、模型量測、原型量測3種方式獲得的最不利流態(tài)時輸水廊道最大泄流量、對應閘室水位和輸水廊道閘門開啟時間列于表2.

表2　輸水廊道最大泄流量、對應閘室水位和閘門開啟時間一覽表Tab.2 Maximum flow rate of drainage gallery with water level and time of lock chamber

由表2可以看出，模型與原型量測數(shù)據(jù)相近，而規(guī)范中公式計算得出的輸水廊道最大泄流量與模型和原型測得的數(shù)據(jù)相差近10%，水位相差近17%，時間相差近25%.這3個參數(shù)中對下游引航道流態(tài)影響的關鍵水力要素是輸水廊道最大泄流量和相應閘室水位.由規(guī)范［11］46附錄C.0.3-1公式可以看出，時刻t的流量系數(shù)μt由流量系數(shù)與時間關系曲線求得，而規(guī)范［11］45附錄C.0.1中對此流量系數(shù)的說明是：閘門開啟過程中各時刻的流量系數(shù)與時間關系曲線可按規(guī)范［11］42附錄A.0.6公式計算求得，該式正是閘門開啟過程中計算任一時段末的水頭hi+1及平均流量系數(shù)μmt使用的公式，此公式包含較多的經(jīng)驗系數(shù)，如此在影響引航道流態(tài)的2個關鍵水力要素的計算中重復使用，一方面會產(chǎn)生循環(huán)累積誤差，另一方面直接導致規(guī)范中公式計算的輸水廊道最大泄流量和對應閘室水位等與實際值相比誤差較大，因此引航道最不利流態(tài)的確定不宜采用規(guī)范中公式直接計算相應水力參數(shù).

5　規(guī)范中公式計算方法的修正

為了保證規(guī)范中公式計算出的水力參數(shù)與實際工況相吻合，從避開經(jīng)驗參數(shù)的重復使用提高計算值可靠度出發(fā)，建議改進規(guī)范中流量的計算方法.在據(jù)規(guī)范中公式計算得出閘室水位與時間關系后，采用據(jù)此關系直接計算出流量的方法分析流量與水位的關系，避免計算中循環(huán)累計誤差.修正后的計算公式為

為了分析改進公式計算值的可信度，利用式（5）計算輸水廊道泄流量與時間（水位）對應值，并由此繪制改進公式計算得出的水位—流量關系曲線（見圖4）.由圖4可知：下閘首輸水廊道在此水位組合下最大泄流量為76.83 m3·s-1，對應水位為4.20 m，閘門開啟時間為250 s.由式（5）計算出的下閘首輸水廊道最大泄流量與模型和原型測得的數(shù)據(jù)相差僅0.22%，水位相差5%.可以看出改進公式計算得到的影響引航道流態(tài)的關鍵水力要素與實際工況吻合度大大提高.

圖4　改進公式計算的閘室水位與泄流量的關系曲線Fig.4 Curve of water level of lock chamber with flow rate obtained with improved formula calculation

6　結論與建議

在引航道最不利流態(tài)水力參數(shù)的確定方法中，原型現(xiàn)場實測最可靠，但受實際水位組合和通航等因素的影響，一般難以進行.另一方面船閘設計初期也無法進行研究；模型量測研究由上述分析得出的結果可信，但要注意模型的制作精度和量測方法，建議多次多方法量測，以提高其可靠度；規(guī)范中公式的計算是目前數(shù)學模型和初步設計中常用的，但通過上述分析可以看出，誤差較大，建議采用本文改進的公式進行計算.

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The method for determining the hydraulic parameters of the most unfavorable flow pattern of lock approach

XI Bin1，2*，YUAN Xing’an3，ZHU Qinghua4，LIU Song5，ZHOU Jiren1
（1.Sch of Hydr，Energy&Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China；2.Key Lab of Enhance Oil Recovery of the Minist of Educ，Northeast Univ of Pet，Daqing 163318，China；3.Yangzhou Waterw Adm Off，Yangzhou 225003，China；4.Jiangsu Surv&Des Inst of Water Res Co，Ltd，Yangzhou 225009，China；5.Huaian Water Conserv Bur，Huaian 223200，China）

Combined with the methods used in the specification in Yanshao Ship Lock such as formula computing，model test and field measurement，the most unfavorable flow regime at the time of discharge and the corresponding chamber parameters such as the filling and emptying culvert water level and gate opening time are obtained.The discrepancy of parameters from different methods and its formation mechanism are discussed.The results show that by the mathematical models commonly used in the specification formula calculation the most unfavorable flow appears smaller lock chamber discharge，the lock chamber water level is lower and the culvert gate opening time becomes slightly longer.Therefore the improved formula of calculating method is proposed.

ship lock；drainage gallery；drainage；approach channel；flowpattern

TV135.4；TB126

A

1007-824X（2015）02-0057-04

（責任編輯 賈慧鳴）

2014-11-06.*聯(lián)系人，E-mail：wawjxb@126.com.

國家自然科學基金資助項目（50706041）；“十二五”國家科技支撐項目資助（2102BAD08B03-2）.

奚斌，袁興安，朱慶華，等.船閘引航道最不利流態(tài)水力參數(shù)的確定方法［J］.揚州大學學報：自然科學版，2015，18（2）：57-60，74.