海船閘氣幕防咸設(shè)計

翟建國，劉慶茶，黃筱云，胡勇虎，伍炳坤

（1.中交武漢港灣工程設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.長沙理工大學(xué) 水利工程學(xué)院，湖南 長沙 410114）

引 言

在入海河口地區(qū)，特別是徑流量小的河流，潮水上溯造成河道咸化。若存在海船閘，海水也會在船舶通過時向上游入侵。為避免這種問題，海船閘會布置多種防咸措施，如淡水沖洗法、氣幕法、水幕法、咸淡水置換法等。對于已建成的海船閘，氣幕法或水幕法通常為優(yōu)先防咸措施。

海船閘的氣幕防咸效果與供氣量有關(guān)?，F(xiàn)有供氣量計算的Abraham[1-2]理論忽略了氣幕羽流的特性，簡化了氣幕羽流作用下咸水入侵機(jī)制，造成計算結(jié)果偏保守。本文在Keetels 試驗數(shù)據(jù)[3]的基礎(chǔ)上，修正Abraham 理論公式，以獲得更加準(zhǔn)確的氣幕供氣量計算結(jié)果。

1 海水入侵機(jī)理

船閘開啟時，海水會在重力作用下向淡水入侵。船閘尺度越大、過往船舶越密集，海水侵入量就越多。海水入侵量取決于閘室與外部港口之間水體密度差異、水位、水深、船閘尺寸和閘門開啟時間。

海水入侵的方式有兩種。第一種方式出現(xiàn)在海平面高于閘室水位時，海水侵入量等于閘室投影面積乘以水位差；第二種方式更為常見，海水因密度較大，會向下侵入淡水底部，形成咸淡水交換，如果船閘開啟時間足夠長，閘室內(nèi)淡水會完全被海水置換。

一般采用相對交換率S 作為第二種海水入侵的評估指標(biāo)：

式中： ρΔ 為咸淡水密度差；ρ 為淡水密度；h為水深。

單位寬度海水入侵通量：

2 氣幕防咸機(jī)理

氣泡帷幕是一種向上運(yùn)動的氣泡羽流，該羽流會在水面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成水平流動，并在氣幕兩側(cè)形成環(huán)流。當(dāng)海水以異重流形式向淡水入侵時，淡水則位于咸水之上，向外運(yùn)動。氣幕阻礙了淡水向外運(yùn)動，從而導(dǎo)致海水置換速度變慢，海水入侵量減少。

一般采用咸水透過系數(shù)N 來量化氣幕簾隔離效果，N 定義為有無氣幕時海水入侵量的比值。氣泡帷幕作用下，相對交換率：

3 氣泡防咸帷幕設(shè)計

3.1 Abraham 方法[1-2]

氣泡羽流向上速度以開孔管為中心向兩側(cè)呈高斯分布，即：

式中：k 為常數(shù)，一般取32；cw 為氣泡羽流中心速度。若氣泡相對上升速度遠(yuǎn)小于羽流速度，則：

其中，0q 為相同壓力下單位時間內(nèi)自由出流的氣量。

因此，氣幕羽流沿程通量為：

若0h 為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓水柱高度，根據(jù)Bulson[4]試驗結(jié)果，表層水流厚度為：

Abraham 通過現(xiàn)場試驗，觀測到10 m 水深下氣幕產(chǎn)生的水平流厚度約為水深的1/4，即：

水平流以下，氣幕羽流通量沿程變化率ξ 可認(rèn)為是常數(shù)，即：

閘門開啟后，表面水平流動層以下、海水一側(cè)的水流速度為：

而淡水一側(cè)的水流速度為：

其中，au 和bu 的方向均以指向氣幕為正， hΔ 為閘門開啟前淡咸水水位差：

單位時間內(nèi)海水透過氣幕的量為：

定義咸水透過系數(shù)：

定義無量綱氣幕羽流強(qiáng)度φ：

該參數(shù)表示征氣幕羽流強(qiáng)度與異重流速度的比值。兩者之間的關(guān)系為：

3.2 Keetels 方法[3]

Keetels 認(rèn)為氣幕咸水透過系數(shù)N 與氣幕羽流產(chǎn)生的環(huán)量相關(guān)。定義無量綱環(huán)量C 表示為：

式中：Γ 為氣幕羽流兩側(cè)渦旋環(huán)量；E 為單位

Keetels 等收集不同氣幕、水幕防咸試驗的數(shù)據(jù)以分析無量綱環(huán)量與咸水透過系數(shù)的關(guān)系。表1 給出這些試驗的相關(guān)信息。

表1 Keetels 所采用的數(shù)據(jù)[3]

3.3 討論

將式(26)代入到式(17)中，繪制不同水深下N ～ 1C關(guān)系曲線（如圖1 所示）。從圖1 可以看出，Abraham 公式結(jié)果與Keetels 數(shù)據(jù)相比偏保守。這是由于Abraham 方法未考慮氣幕羽流的特性，即羽流寬度隨水深減小而增大。根據(jù)Keetels 數(shù)據(jù)，本文?。?/p>

將式(27)代入式(17)，得：

圖1 Keetels 所述試驗的N 與C 值以及根據(jù)式(26) 獲得的不同水深下 1N C～ 關(guān)系曲線

4 結(jié) 語

1）水下氣幕能夠有效減少船閘內(nèi)海水入侵；

2）水下氣幕防咸效果與氣幕羽流強(qiáng)度有關(guān)；

3）經(jīng)典Abraham 方法的結(jié)果偏保守，本文提出的半經(jīng)驗公式與實際結(jié)果更吻合；

4）新的半經(jīng)驗公式可為船閘氣幕防咸設(shè)計提供參考。