內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)輸水過程優(yōu)化研究

朱增偉 儲偉杰

摘 要：本文在梳理內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)水動力學(xué)分析物理模型試驗研究和原型觀測研究的基礎(chǔ)上，建立了輸水過程優(yōu)化模型，對其設(shè)計變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件等進(jìn)行深入探討，最終完成了內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)布置及其運(yùn)行方式研討，旨在為我國內(nèi)河船閘航運(yùn)體系中集中輸水系統(tǒng)輸水能力優(yōu)化與提升帶來更多參考和啟迪。

關(guān)鍵詞：船閘集中輸水系統(tǒng);輸水過程;優(yōu)化

中圖分類號：U641.1? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2020）10-0134-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的快速發(fā)展和科技水平的不斷提升，水利工程建筑施工規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，投資額度不斷增加，船閘作為我國現(xiàn)當(dāng)代內(nèi)河航運(yùn)建設(shè)中通用的建筑物結(jié)構(gòu)形式，其集中輸水系統(tǒng)效能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個水利過程效率的高低，因此，對內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)出水過程的優(yōu)化研究有其重要理論意義和現(xiàn)實價值。

1船閘集中輸水系統(tǒng)概述

船閘是近年來我國內(nèi)河航運(yùn)建設(shè)和船舶通行采用模式最廣的通航建筑物形式，船閘集中輸水系統(tǒng)更是我國船閘工程建設(shè)最廣泛的輸水系統(tǒng)模式，主要應(yīng)用于10米以下水深的船舶通航。由于內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)的設(shè)計不僅直接關(guān)系到船閘的實際通航能力，關(guān)系到船閘工程及其附屬結(jié)構(gòu)物的經(jīng)濟(jì)效益，更關(guān)系到內(nèi)河過閘船舶的航運(yùn)安全。因此，內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)相關(guān)問題的探討與研究一直以來都是船閘工程建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。一般而言，船閘輸水系統(tǒng)主要包括閘壩、船閘和電站三部分，船閘往往布設(shè)在岸邊。實際深度與內(nèi)河通航船舶要求相適應(yīng)，船閘上游最低通航水位與最高通航水位與當(dāng)?shù)貧夂驐l件相呼應(yīng)，更需考慮水庫正常蓄水狀態(tài)、新修船閘過渡時期下游最低通航水位等諸多要素。在內(nèi)河船閘通航輸水系統(tǒng)設(shè)計過程中，閘室墻可采用塢市結(jié)構(gòu)，最大限度保證船閘閘室底板結(jié)構(gòu)安全，并在閘室底板上鋪設(shè)鋼筋混凝土蓋板，以出水孔方式保證水流能從閘室底板流出閘室出水孔。為進(jìn)一步對船閘集中輸水系統(tǒng)的輸水過程進(jìn)行優(yōu)化，本文建立了船閘模型，以重力相似基本原則涵蓋了船閘、上下游引航道、進(jìn)出水口、輸水廊道甚至消能工等諸多重要部分，將上游引航道長度與下游引航道長度直接與現(xiàn)實相協(xié)調(diào)，上下游水位借助溢流式平水槽調(diào)節(jié)控制，以閥門開啟和關(guān)閉點擊驅(qū)動方式實現(xiàn)船閘輸水系統(tǒng)的自動開啟與關(guān)閉。圖1即為船閘輸水系統(tǒng)模型布置圖。

2輸水過程優(yōu)化模型的建立

2.1設(shè)計變量

一般而言，內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計時，主要考慮輸水系統(tǒng)閥門勻速開啟狀態(tài)下的輸水流量過程線，該過程線如圖2所示。由圖可知，在內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)閥門開啟階段，其輸水流量過程主要呈現(xiàn)拋物線狀態(tài)分布，tv為船閘輸水系統(tǒng)閥門開啟所需時間。當(dāng)閥門開啟完畢后，內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)輸水流量過程線呈現(xiàn)直線分布狀態(tài)，其斜率為定值題，T則為整個內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)的過水時間。由該水流量過程線分布可知，內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)初始階段的實際流量增率和波浪率較大，而中期階段的流量力、局部力和流速力也較大，整個內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)的輸水時間較長。

在此基礎(chǔ)上，想要對內(nèi)河船閘輸水過程進(jìn)行優(yōu)化改良，只能對閥門開啟階段進(jìn)行不斷優(yōu)化，使優(yōu)化后的tv與船閘閥門均勻開啟時的tv值有所變化，圖3即為船閘輸水系統(tǒng)優(yōu)化輸水流量過程示意圖。在閥門開啟階段，其船閘輸水系統(tǒng)輸水流量分為v時段，將各時段記為δti，內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)輸水流量為Qi。

2.2目標(biāo)函數(shù)

內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)的輸水過程優(yōu)化是針對于船閘閥門均勻開啟階段，對其整個開啟時間進(jìn)行優(yōu)化改良，保證船閘集中輸水系統(tǒng)整體輸水時間最短，從而得出其目標(biāo)函數(shù)：

2.3約束條件

在內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)出水過程的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)設(shè)置完成后，對整個輸水過程進(jìn)行約束條件設(shè)置，首先是輸水體積約束條件，優(yōu)化后的輸水流量過程線和橫坐標(biāo)所包含的幾何圖形面積應(yīng)與內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)船舶通航所需輸水體積完全相等。其次，就輸水系統(tǒng)流量系數(shù)約束問題而言，在內(nèi)河船閘集中輸水過程中，輸水量大小由于受到輸水系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)輸能力的限制，其流量系數(shù)不能超過船閘集中輸水系統(tǒng)閥門完全開啟后的流量系數(shù)。就內(nèi)河船舶的停泊約束問題而言，由于船閘集中輸水系統(tǒng)輸水流量過程滿足船閘過閘的停泊條件，影響船閘停泊條件因素主要通過船閘所受纜繩大小衡量，因此，在內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)輸水過程優(yōu)化時，船舶所受纜繩拉力必須小于允許的纜繩拉力值。

3輸水系統(tǒng)布置及運(yùn)行方式

內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)布置及運(yùn)行方式主要包括輸水系統(tǒng)布置、船閘運(yùn)行方式以及水光模擬試驗三大部分。就輸水系統(tǒng)布置問題而言，主要包括船閘灌水系統(tǒng)和船閘泄水系統(tǒng)兩大方面內(nèi)容。灌水系統(tǒng)上閘首進(jìn)水口往往采用擋洪平板鋼閘門，進(jìn)水口利用圍墻頂層?xùn)趴p進(jìn)水，在經(jīng)過圍墻后豎井分流至兩邊船閘底部水平環(huán)繞廊道，分別進(jìn)入左右的道口下，形成由兩側(cè)部分分流的變化，以此調(diào)整船閘集中輸水系統(tǒng)的過水孔面積及其橫向變化，保證水流均勻分散并得到充分利用。

就內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)的泄水系統(tǒng)設(shè)置問題而言，由于集中輸水系統(tǒng)的首次卸水時間大致為十分鐘左右，而泄水系統(tǒng)的閘首結(jié)構(gòu)和上閘首結(jié)構(gòu)同屬鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)。因此，需在內(nèi)河船閘輸水系統(tǒng)一面設(shè)置擋水鋼板，一面設(shè)置平板檢修門，確保船閘集中輸水系統(tǒng)檢修達(dá)成相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)后啟動排架柱，用抬車將其放置到標(biāo)準(zhǔn)位置。同時，考慮到內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)可能存在淤積問題導(dǎo)致的船舶吃水深度降低，進(jìn)一步設(shè)置了船閘集中輸水系統(tǒng)的下閘首最低通航位置和通航水位條件。就船閘實際運(yùn)行方式而言，通常情況下的船閘運(yùn)輸方式為單向過閘，而單向過閘時間大致為40分鐘左右。在內(nèi)河船閘下游一字門打開且船舶進(jìn)入閘室后，關(guān)閉下游一字門及其泄水工作設(shè)備，保證上游輸水廊道工作門打開，使船閘處于水源充足狀態(tài)。待閘內(nèi)水位與上游水位齊平后開啟上游平板工作門，使船閘進(jìn)入上游引航道，完成單向過閘程序。

為進(jìn)一步強(qiáng)化內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)輸水過程優(yōu)化模型的實際應(yīng)用，本文對船閘整體水工室模型進(jìn)行試驗，測量了船閘上游、下游口門區(qū)的實際流速分布，分析了船閘上下游通航條件，表1即為內(nèi)河船閘上下門區(qū)的最大流速統(tǒng)計表。由表可知，當(dāng)上下游航道門區(qū)的實際通航條件滿足安全運(yùn)行規(guī)范及國家相關(guān)要求，即在保證縱向流速小于1.5米每秒、橫向流速小于0.25米每秒、回流流速小于0.4每秒的狀態(tài)下，船閘集中輸水系統(tǒng)的整個輸水過程便能得到強(qiáng)有力優(yōu)化。

4結(jié)論

整個內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)輸水過程的優(yōu)化模型計算表明，在使用優(yōu)化方案后，在船閘閥門的均勻開啟過程中，能有效減少船閘集中輸水系統(tǒng)輸水時間，不斷提高船閘實際通航能力。也就是說，在原有船閘實際出水時間相同的情況下，能大幅度改善船閘過閘船舶的實際停泊條件，在實施優(yōu)化方案后能縮減20%左右的輸水時間，能保證船閘集中輸水過程中產(chǎn)生的能量值達(dá)到整個內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)閥門開啟狀況下的最大者，能夠?qū)崿F(xiàn)船閘集中輸水過程的最大流量、最大能量和最大比能值。因此，在后續(xù)對內(nèi)河船閘集中輸水系統(tǒng)輸水時間優(yōu)化時，可不斷強(qiáng)化約束條件控制值取值精確度，進(jìn)一步完善船閘集中輸水系統(tǒng)輸水過程優(yōu)化模型，擴(kuò)大船閘集中輸水過程優(yōu)化模型實際應(yīng)用范圍，為不斷挖掘船閘集中輸水過程優(yōu)化潛力和提高船閘通行能力提供更大支持。

參考文獻(xiàn)：

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