開(kāi)通閘條件下船閘安全運(yùn)行試驗(yàn)

朱瑞虎,吳 騰,丁 堅(jiān)

(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,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

開(kāi)通閘條件下船閘安全運(yùn)行試驗(yàn)

朱瑞虎1,2,吳 騰1,2,丁 堅(jiān)1,2

(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,江蘇 南京 210098;2.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院,江蘇 南京 210098)

采用物理模型試驗(yàn)對(duì)船閘開(kāi)通閘的安全運(yùn)行條件進(jìn)行研究,給出不同上下游潮位差條件下閘室及引航道區(qū)域的水流流態(tài)、流速和啟閉機(jī)受力規(guī)律,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果建立不同潮位差與最大縱向流速的關(guān)系式,提出開(kāi)通閘安全運(yùn)行條件的確定方法。該方法以上下游潮位差為控制條件,以流態(tài)、最大橫向流速、最大縱向流速、最大啟閉機(jī)受力作為船閘開(kāi)通閘安全運(yùn)行的判別指標(biāo),綜合確定開(kāi)通閘安全運(yùn)行的潮位差條件;焦港船閘的實(shí)例應(yīng)用表明,其開(kāi)通閘運(yùn)行安全條件為上下游潮位差處于-0.37～0.39 m之間。

船閘;開(kāi)通閘;物理模型試驗(yàn);流態(tài);閘門(mén)啟閉力;流速;焦港船閘

船閘是抬高潮位、改善航道通航條件的重要工程,其運(yùn)行原理是通過(guò)控制上下游閘門(mén)的開(kāi)關(guān)時(shí)間,改變閘室的潮位,使閘室潮位與上游或下游相同,進(jìn)而船舶能通過(guò)閘室進(jìn)入上游或下游。通常船閘在運(yùn)行過(guò)程中,上下游閘門(mén)僅開(kāi)啟一座。在此狀態(tài)下船閘上下游水體不連通,水體不會(huì)直接流向下游,閘室和引航道的流速也較小。在船閘的常規(guī)運(yùn)行過(guò)程中,閘室的灌水、泄水、閘門(mén)的開(kāi)啟、關(guān)閉均需要較長(zhǎng)時(shí)間,導(dǎo)致船舶通過(guò)船閘的總時(shí)間較長(zhǎng),降低了船閘的效率。對(duì)于感潮河段,河道潮位受漲落潮影響,具有周期性變化規(guī)律,感潮河段的船閘上下游潮位可能呈現(xiàn)相平的情況。由船閘的運(yùn)行原理可知,當(dāng)這種狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),可以同時(shí)開(kāi)啟上下游閘門(mén),使船舶直接從上游運(yùn)行到下游,或者從下游運(yùn)行到上游[1-3],這種上下游閘門(mén)全開(kāi)的狀態(tài)稱(chēng)之為開(kāi)通閘。船閘開(kāi)通閘時(shí),船舶可以直接通航,極大降低了船舶的過(guò)閘時(shí)間,提高了船舶的過(guò)閘效率。但開(kāi)通閘也會(huì)存在一定的風(fēng)險(xiǎn),如:當(dāng)下游潮位變化較為迅速時(shí),開(kāi)通閘過(guò)程中下游潮位下降較多,使閘室和引航道縱向流速和回流過(guò)大,導(dǎo)致船舶事故發(fā)生[4];當(dāng)上下游潮位差較大時(shí),閘門(mén)也有可能存在難以關(guān)閉的危險(xiǎn)。許多學(xué)者對(duì)開(kāi)通閘安全運(yùn)行條件進(jìn)行了研究[5-6],給出了開(kāi)通閘安全運(yùn)行的條件,但并未系統(tǒng)給出開(kāi)通閘安全運(yùn)行條件的確定方法,也未涉及橫向流速。筆者以焦港船閘為原型對(duì)開(kāi)通閘過(guò)程中的安全條件進(jìn)行定量分析,提出開(kāi)通閘安全運(yùn)行條件的確定方法,并以焦港船閘為例研究三角門(mén)船閘開(kāi)通閘安全運(yùn)行的臨界條件。

1 模型建立與驗(yàn)證

1.1工程概況

焦港船閘位于南通市境內(nèi),船閘節(jié)制閘以下航道屬感潮河段。受長(zhǎng)江潮汐影響,潮位具有明顯的潮位特征,潮型為不規(guī)則半日潮,根據(jù)閘下水文站1950—2006年潮位資料統(tǒng)計(jì),年最高潮位4.3 m(1965年7月30日),年最低潮位-0.78 m(1963年1月20日)[7]。

1.2模型設(shè)計(jì)

為保證上下游不同潮位差條件下船閘閘室和引航道水流流態(tài)相似,采用正態(tài)物理模型進(jìn)行模擬。根據(jù)物理模型試驗(yàn)的試驗(yàn)場(chǎng)地條件、最小水深以及水流雷諾數(shù)約束條件,綜合選取水平比尺為25[8-9]。根據(jù)模型相似律,可以得到其他的比尺條件。垂向比尺λH=25，流速比尺λu=5，糙率比尺λ=1.71，流量比尺λQ=3 125，時(shí)間比尺λt=5，受力比尺λF=15 625。

1.3模型范圍與測(cè)點(diǎn)布置

圖1 流速測(cè)點(diǎn)分布Fig.1 Measuring points distribution of flow velocity

試驗(yàn)?zāi)Ｐ头秶鸀樯弦降馈⑸祥l首、閘室、下閘首和下引航道,模型長(zhǎng)30 m。試驗(yàn)布置2個(gè)閘門(mén)啟閉機(jī)力測(cè)試點(diǎn),1號(hào)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)分別位于下閘首左、右閘門(mén)啟閉機(jī)推拉桿上,采用應(yīng)變式力學(xué)傳感器連接動(dòng)態(tài)采集儀進(jìn)行測(cè)試。圖1為試驗(yàn)流速測(cè)點(diǎn)布置,試驗(yàn)布置2個(gè)測(cè)流點(diǎn)、3個(gè)測(cè)流斷面:1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于閘室中,2號(hào)測(cè)點(diǎn)位于下游喇叭口附近,1～3號(hào)測(cè)流斷面位于下引航道,每個(gè)測(cè)流斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),各點(diǎn)流速采用旋槳式流速儀測(cè)定[10-12];在極低流速狀態(tài)下,在水面放置流標(biāo),分別記錄流標(biāo)運(yùn)行的距離與時(shí)間,通過(guò)計(jì)算得到流速。上下游潮位采用尾門(mén)控制,自動(dòng)跟蹤上下游潮位,沿程布置自動(dòng)潮位測(cè)針。試驗(yàn)過(guò)程中上閘門(mén)始終保持開(kāi)啟,進(jìn)行下閘門(mén)的啟閉試驗(yàn),模擬下閘門(mén)開(kāi)啟過(guò)程和關(guān)閉過(guò)程中啟閉機(jī)的受力、閘室和引航道的流速和流態(tài)。

圖2 開(kāi)閘門(mén)時(shí)流速驗(yàn)證Fig.2 Verification of flow velocity at the time of opening ship lock

1.4模型驗(yàn)證

為了保證模型流速與原形相似,開(kāi)展開(kāi)、關(guān)閘門(mén)時(shí)的水流驗(yàn)證試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證不同條件下閘室的1號(hào)測(cè)點(diǎn)和下閘首喇叭口處2號(hào)測(cè)點(diǎn)的流速。

1.4.1 開(kāi)閘門(mén)時(shí)流速驗(yàn)證

驗(yàn)證條件:閘室潮位2.4 m,下游潮位2.7 m,逐漸開(kāi)啟下游閘門(mén),測(cè)量開(kāi)閘門(mén)過(guò)程1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)流速隨時(shí)間的變化,驗(yàn)證結(jié)果如圖2所示。由圖2可知,初始階段開(kāi)閘門(mén)時(shí),由于閘門(mén)開(kāi)度較小,進(jìn)入到閘室內(nèi)的流量較小,故上下游的流速均較小;隨著閘門(mén)開(kāi)度的逐漸增大,通過(guò)閘門(mén)的流量也逐漸增大,故1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)的流速逐漸增大,在流速-時(shí)間曲線上表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)。圖2中的模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近,說(shuō)明該模型能模擬閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)的水流變化規(guī)律。

圖3 關(guān)閘門(mén)時(shí)流速驗(yàn)證Fig.3 Verification of flow velocity at the time of closing ship lock

圖4 啟閉機(jī)受力驗(yàn)證Fig.4 Verification of the hoist force

1.4.2 關(guān)閘門(mén)時(shí)流速驗(yàn)證

閘室潮位2.48 m,下游潮位2.59 m,關(guān)閉下游閘門(mén),測(cè)量定點(diǎn)流速,驗(yàn)證結(jié)果如圖3所示。由于下游潮位高,水流由下游流向閘室。初始狀態(tài)為閘門(mén)全開(kāi),在該水頭差下流量最大,故測(cè)點(diǎn)的流速達(dá)到最大;關(guān)門(mén)時(shí),相當(dāng)于減小了進(jìn)口口門(mén)寬度,流速減小,故流量也隨之減小,到閘門(mén)關(guān)閉時(shí)流速已趨近于零，模擬值與實(shí)測(cè)值較為接近,能滿(mǎn)足模擬精度。

1.4.3 啟閉機(jī)受力驗(yàn)證

圖4為開(kāi)閘門(mén)和關(guān)閘門(mén)條件下啟閉機(jī)受力的驗(yàn)證,可看出啟閉機(jī)受力實(shí)測(cè)值和模擬值較為接近,因此本文建立的物理模型能滿(mǎn)足啟閉機(jī)的受力相似[13-16]。

2 開(kāi)通閘安全運(yùn)行試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)條件

為研究開(kāi)通閘的水流條件,上游分別選定高(3.71 m)、中(1.64 m)、低(0.96 m)3 `組潮位,下游選取典型的洪水年潮位過(guò)程作為試驗(yàn)條件。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的資料,1999年為典型的洪水年,該年中最高潮位在洪季7月3日(洪水年洪水期大潮),為3.59 m;最低潮位在中水期4月6日(洪水年洪水期中潮),為-0.88 m。將上述兩天的潮位過(guò)程作為下游的控制條件。

2.2引航道流態(tài)與最大橫向流速

流態(tài)是判別航道通航條件的重要指標(biāo)。為分析下游漲落潮過(guò)程對(duì)開(kāi)通閘的影響,開(kāi)展不同條件下的流態(tài)試驗(yàn)研究,表1為典型條件下閘室和引航道流態(tài)。由表1可以看出,不同潮位條件下開(kāi)閘門(mén)、關(guān)閘門(mén)時(shí)流態(tài)基本相同,開(kāi)門(mén)過(guò)程和關(guān)門(mén)過(guò)程對(duì)流態(tài)影響不大。相對(duì)而言,上下游的潮位差對(duì)閘室和引航道的流態(tài)影響較大(上下游潮位差用Δz表示,為上游潮位減去下游潮位)。當(dāng)上游潮位小于下游潮位時(shí),Δz為負(fù)值,水流由下引航道流向閘室,此時(shí)引航道和閘室內(nèi)的流態(tài)均較為穩(wěn)定,無(wú)回流產(chǎn)生,利于船舶通航。當(dāng)上游潮位大于下游潮位時(shí),Δz為正值,水流由閘室流向下引航道,在喇叭口附近均會(huì)產(chǎn)生回流,不利于船舶通航,僅在Δz小于0.4 m時(shí)流態(tài)較為平順。

2.3閘室和引航道最大流速

a. 上游高潮位時(shí)閘室和引航道最大流速。上游潮位3.71 m時(shí),各測(cè)點(diǎn)中1號(hào)測(cè)點(diǎn)開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)流速最大。Δz=1 m時(shí),1號(hào)測(cè)點(diǎn)開(kāi)門(mén)時(shí)最大流速為2.12 m/s,關(guān)門(mén)時(shí)最大流速為2.37 m/s;Δz=-1 m時(shí), 1號(hào)測(cè)點(diǎn)關(guān)門(mén)時(shí)最大流速為2.44 m/s,其他測(cè)點(diǎn)流速均小于2 m/s。

b. 上游中潮位時(shí)閘室和引航道最大流速。上游潮位1.64 m時(shí),1～3號(hào)測(cè)流斷面流速呈逐漸減小趨勢(shì),其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)流速最大。洪水年洪水期大潮漲潮時(shí),Δz為0.8 m、-0.6 m、-1.2 m時(shí)1號(hào)測(cè)點(diǎn)流速大于2 m/s;洪水期大潮落潮時(shí),潮差-0.6 m、-1.2 m時(shí)1號(hào)測(cè)點(diǎn)流速大于2 m/s;洪水年中水大潮漲潮時(shí),Δz=1 m時(shí)1號(hào)測(cè)點(diǎn)開(kāi)門(mén)時(shí)流速為2.14 m/s,超過(guò)2 m/s,不利于船舶的運(yùn)行。

表1 洪水年洪水期大潮漲潮時(shí)段引航道流態(tài)

c. 上游低潮位時(shí)閘室和引航道最大流速。上游潮位0.96 m時(shí)測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的最大流速,試驗(yàn)Δz范圍為-1.0～0 m。Δz=-1 m時(shí)1號(hào)測(cè)點(diǎn)開(kāi)關(guān)門(mén)最大流速均大于2 m/s,不利于船舶航行;Δz為-0.3 m、-0.4 m、-0.5 m時(shí)測(cè)點(diǎn)最大流速均小于2 m/s。

2.4啟閉機(jī)最大受力分析

研究對(duì)象啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)最大受力為300 kN,當(dāng)試驗(yàn)得到的啟閉機(jī)受力大于該值時(shí),表明啟閉機(jī)處于不安全狀態(tài)。表2為不同條件下啟閉機(jī)最大受力。由表2可看出，上游潮位為3.71 m、Δz=0.8 m時(shí),漲潮時(shí)段和落潮時(shí)段啟閉機(jī)最大受力均超過(guò)300 kN,不利于開(kāi)通閘;當(dāng)上游潮位比下游潮位高0.5 m時(shí),開(kāi)關(guān)門(mén)啟閉機(jī)最大受力均未超過(guò)300 kN。上游潮位控制1.64 m、Δz=0.4 m時(shí)漲落潮條件下開(kāi)關(guān)門(mén)受力均未超過(guò)極限值,當(dāng)Δz=0.6 m時(shí)關(guān)門(mén)條件下啟閉機(jī)受力大于300 kN,超過(guò)設(shè)計(jì)極限值。上游潮位0.96 m時(shí),洪水年長(zhǎng)江洪水期大潮漲落潮時(shí),Δz=-0.7 m開(kāi)門(mén)時(shí)啟閉機(jī)最大受力分別為311 kN和380 kN,超過(guò)設(shè)計(jì)值,不宜進(jìn)行開(kāi)關(guān)門(mén),Δz=-0.5 m時(shí)閘門(mén)啟閉機(jī)受力均小于300 kN。洪水年中水期大潮漲落潮時(shí)段Δz在-0.4～0.4 m間閘門(mén)啟閉機(jī)受力均小于300 kN。

表2 不同條件下啟閉機(jī)最大受力

3 開(kāi)通閘安全運(yùn)行條件的確定

3.1開(kāi)通閘安全運(yùn)行條件的確定方法

船閘開(kāi)通閘過(guò)程中,船閘功能完全類(lèi)似于航道,故需要滿(mǎn)足一般航道的水流條件:流態(tài)、流速的限制。此外,閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中啟閉機(jī)要滿(mǎn)足最大受力的限制,因此可以采用閘室和引航道流態(tài)條件、流速最大值控制條件以及啟閉機(jī)最大受力控制條件作為確定三角門(mén)船閘開(kāi)通閘安全運(yùn)行的判別條件。綜合3組判別條件的結(jié)果,即可得到開(kāi)通閘的安全運(yùn)行條件。

3.2焦港船閘安全運(yùn)行條件的確定

3.2.1 流態(tài)條件及橫向流速

采用下閘首附近上下游潮位差Δz作為判別焦港船閘的安全運(yùn)行的條件。根據(jù)表1可知:Δz小于0.4 m時(shí)閘室和引航道流態(tài)較為平順,不產(chǎn)生回流。

JTT 305—2001《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[17]要求引航道內(nèi)橫向流速不宜大于0.3 m/s,考慮開(kāi)通閘過(guò)程中其他因素的影響,本文取安全折減系數(shù)η=0.8,則允許的最大橫向流速為

vmax=ηv=0.24 m/s

(1)

式中:v——實(shí)測(cè)橫向流速。

由表1可知,Δz小于0.4 m時(shí)最大橫向流速能滿(mǎn)足通航要求。綜合考慮流態(tài)條件和流速條件:

Δz<0.4 m

(2)

3.2.2 流速條件

開(kāi)通閘過(guò)程中船舶可直接從下游運(yùn)行到上游,也可直接從上游運(yùn)行到下游,此時(shí)船閘的閘室和引航道體現(xiàn)一般航道的功能,所以最大流速的控制與航道內(nèi)的要求相同,根據(jù)規(guī)范要求,引航道內(nèi)縱向最大流速不宜大于2 m/s。同樣考慮η=0.8,則允許的最大縱向流速為

Umax=ηU=0.8×2=1.6 m/s

(3)

式中:U——實(shí)測(cè)縱向流速。

圖5為上游潮位1.64 m時(shí)洪水年洪水期大潮落潮時(shí)最大縱向流速隨Δz的變化,由圖5可知開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)Δz絕對(duì)值越大則流速越大,最大縱向流速與逆向潮位差、正向潮位差的關(guān)系分別為

Umax=-2.33Δz2-5.01Δz-0.03≤1.6

(4)

Umax=6.33Δz2-2.33Δz+1.19≤1.6

(5)

分別求解式(4)和式(5),可得逆向、正向開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)的臨界潮位差。

圖5 上游潮位1.64 m時(shí)洪水年洪水期大潮落潮最大流速Fig.5 The maximum flow velocity of the spring tide ebb during flood period in flood year at a headwater level of 1.64 m

同理,可以得到其他條件下Δz與流速的關(guān)系式。綜合試驗(yàn)結(jié)果,可以得到焦港船閘開(kāi)通閘的安全條件為-0.37 m<Δz<0.39 m。

3.2.3 啟閉機(jī)受力條件

由表2可知不同條件下,漲落潮時(shí)段潮差在-0.4～0.4 m間閘門(mén)啟閉機(jī)受力均小于300 kN,則由受力限制指標(biāo)得到的臨界潮位條件為-0.4 m<Δz<0.4 m。

綜上,可以得到焦港船閘開(kāi)通閘運(yùn)行安全條件為-0.37 m<Δz<0.39 m。

4 結(jié) 論

a. 船閘開(kāi)通閘安全運(yùn)行條件研究宜采用正態(tài)物理模型試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注閘門(mén)附近的水流流態(tài)、最大縱向流速和閘門(mén)啟閉機(jī)受力。

b. 可采用物理模型試驗(yàn)的結(jié)果建立潮位差與最大縱向流速的關(guān)系,并根據(jù)規(guī)范中最大流速的要求,求解得到滿(mǎn)足水流要求的安全運(yùn)行條件。

c. 采用流態(tài)條件、流速最大值控制條件以及啟閉機(jī)受力最大值控制條件作為確定船閘開(kāi)通閘安全運(yùn)行條件的方法是合理的。

d. 焦港船閘的安全運(yùn)行條件為上下游潮位差處于-0.37～0.39 m之間。

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Experimentalstudyonthesafeoperationofshiplockrunningasanopenchannel

ZHURuihu1,2,WUTeng1,2,DINGJian1,2

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence，MinistryofEducation，HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2．CollegeofHarbour，CoastalandOffshoreEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098,China)

In this paper, physical modelling tests are performed to study the safe operation of the ship lock running as an open channel, in which the flow regime, flow velocity and hoist force at different tide levels of the upstream and downstream are modelled for the lock chamber and approach channel region. Based on the test results, the relationship between tide level difference and the maximum longitudinal velocity is established. Moreover, a method is proposed to determine the safe operation conditions of the open ship lock, in which the tide level difference between the upstream and downstream is taken as the control condition, and the flow regime, the maximum transverse flow velocity, the maximum longitudinal flow velocity and the maximum hoist force are taken as judging indexes. The tide level difference is thus determined for the safe operation of the ship lock by combining all these judging indexes. The case study for the Jiaogang ship lock shows that, a tide level difference of -0.37 m to 0.39 m between upstream and downstream is requested to ensure its safe operation.

ship lock; ship lock running as an open channel; physical model test; flow regime; hoist force of the lock gate; flow velocity; Jiaogang ship lock

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.011

2016-04-14

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0402506);國(guó)家自然科學(xué)基金(51409080)

朱瑞虎(1983—),男,河北衡水人,實(shí)驗(yàn)師,博士研究生,主要從事港航工程試驗(yàn)研究。E-mail:85562314@qq.com

U641.1

A

1000-1980(2017)05-0445-06