非恒定水流作用下升船機對接安全預警措施研究

李中華，胡亞安

(1.水利部 交通運輸部 國家能源局南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029；2.通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029)

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非恒定水流作用下升船機對接安全預警措施研究

李中華1,2，胡亞安1,2

(1.水利部 交通運輸部 國家能源局南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029；2.通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029)

通過數學模型計算分析了不同下游水位、不同波動幅值和波動周期條件下，三峽升船機船下游引航道承船廂位置附近與口門區之間水面波動的傳遞規律，建立了三峽升船機下游引航道口門區與承船廂位置的水位波動變化關系；提出了利用口門區水位波動監測資料進行船廂對接實時預警的新方法，降低了樞紐非恒定水流變化引起的升船機船廂運行對接安全風險。

航道工程；升船機；船廂對接；引航道；安全預警

三峽升船機下游引航道長度達到2 700 m，在距離船閘下閘首1 100 km處與船閘引航道匯合后共用同一引航道進入長江主河道(圖1)。船閘部分引航道底寬160～200 m，引航道底高程為56.5 m，而升船機引航道底寬僅80～90 m，高程也提升到58.0 m，到承船廂附近寬度進一步縮小18 m，水深僅有3.5 m，引航道的“盲腸”效應十分顯著。口門區較小的水位波動傳遞到升船機承船廂內將引起很大的水面波動，樞紐特殊工況下，船廂處水位最大波動可達±0.5 m。三峽升船機引航道水位波動大小受大壩調洪方式，船閘泄水及出水口的位置、引航道水深、電站調峰及葛洲壩反調方式等諸多因素影響，波動變化非常復雜，因此三峽升船機承船廂對接過程中引航道水位波動引起的安全問題一直是業界較為關注問題[1-2]。

圖1 三峽升船機引航道平面布置

1 研究方法

三峽工程樞紐運行工況復雜，樞紐運行產生的各種非恒定流在引航道內相互作用疊加影響十分復雜，采用數學模型或物理模型準確模擬升船機引航道內的實際水面波動難度很大[3-7]。為此，筆者采用新的思路解決三峽樞紐運行產生的非恒定流對升船機運行對接安全問題，即采用數學模型在引航道口門區人工模擬不同幅值、周期的長波，建立口門區長波水面波動與引航道船廂位置附近的水面變化規律。

利用三峽升船機引航道口門區到船廂位置的距離較長，長波傳遞時間在10 min以上的特點，在口門區設置水位波動觀測點，根據口門區與船廂位置水位波動關系，預測升船機船廂位置的水面波動，利用長波從口門區傳遞到船廂的時間差，對影響船廂運行安全水面波動進行預警，以保障船廂運行安全。

1.1 數學模型

沿水深平均的平面二維水流數學模型，其基本方程由連續方程和動量方程組成，其形式為：

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

1.2 計算范圍

計算范圍包括從口門至升船機與船閘共用引航道分叉部位約1 800m、船閘下游引航道、分叉部分往上游至升船機下閘首約2 600m及升船機承船廂、下閘首等部分，總長約4 600m。計算區域及相應網格布置見圖2。

圖2 計算區域及相應網格布置

1.3 模型驗證

利用三峽樞紐整體模型下游引航道水位63.0 m，船閘輸水閥門2 min開啟泄水運行過程下游引航道口門區的最大水位波動與升船機承船廂及交匯區的水位波動模型實測值對數學模型計算結果進行驗證[8]，由表1可見計算結果與實測結果吻合較好。

表1 物理模型與數學模型典型水面波動值對比

2 引航道水面波動傳遞規律

三峽升船機設計的下游通航水位為62.0～73.8 m[6]，利用二維數學模型，在下游初始水位62.0,67.0，73.8 m條件下，分別計算模擬口門區產生波幅為0.03,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3，0.4 m的水位變化條件下，在引航道沿程及升船機船廂內引起的水面波動變化特性。

根據數學模型計算，升船機船廂處水面升、降的幅值均隨口門區水位波動幅值增大而增大(圖3)。下游引航道水位62 m時，長波在引航道內的穩定傳遞周期約33.6 min，口門區±0.05 m的水位波動，傳遞到船廂處將產生±0.2 m的水位波動；口門區±0.20 m的水位波動，傳遞到船廂處則將產生-0.67～0.53 m的水位波動。下游引航道水位73.8 m時，長波在引航道內的穩定傳遞周期約19.2 min，口門區±0.05 m的水位波動，傳遞到船廂處也將產生±0.2 m以內的水位波動；口門區±0.10 m的水位波動，傳遞到船廂處則將產生±0.35 m的水位波動。

圖3 口門區與船廂附近水面波動關系

相同條件下，口門區水位波動周期與引航道內波傳遞周期越接近，在船廂內引起的水面波動幅值越大，且口門區水位波動幅值越大，口門區水位變化周期對船廂內水位波動幅值的影響越顯著。

由圖4可見，口門區相同的水位波動條件下，隨著下游水位的增加，船廂內的水位波動幅值也隨之增加。口門區±0.1 cm的水位波動，下游水位62.0，67.0，73.8 m時對應的船廂水面升降分別為0.28，0.36，0.37 m，因此口門區相同水位波動情況下，引航道水深越深對船廂處的水位波動越不利。

圖4 引航道水深對船廂附近水面波動影響

3 承船廂對接安全預警方法

根據前面計算數據分析，三峽升船機船廂附近的水位波動值與下游引航道水位及口門區水位波動特性(波值、周期)等諸多因素相關。

升船機引航道內水面波動本質上是水流能量在引航道內來回傳遞衰減的過程，根據淺水波的特性，水深越淺波速越慢，根據能量守恒，相應的波高越大，這也就是口門區水面微小波動到升船機船廂附近水面波動會顯著增大的原因。

(4)

式中：ΔHc為承船廂附近波高，m；Hc承船廂水深，m；ΔHk口門區波高，m；hs引航道口門水位，m；hk引航道口門底高程，m。

根據三峽升船機設計標準，船廂附近允許最大波高值為(ΔHc±0.50)m，帶入式(4)，可得口門區允許波高為：

(5)

圖5 引航道口門區E與承船廂水位變化ΔHc關系

根據式(5)可以繪制出三峽升船機下游水位與口門區允許的最大水面波高曲線(圖6)，口門區水面波高值位于該曲線下方，才能保證船廂附近的水面波高小于±0.50 m。由圖6可見，下游水位64 m時，口門區允許的最大波高為±0.19 cm；下游水位73.8 m時，口門區允許的水位波高僅±0.14 cm。

圖6 口門區水位允許波動臨界曲線

4 結 語

針對三峽樞紐運行引航道內非恒定流變化復雜的特點，采用全新的思路解決非恒定流引起的升船機運行對接安全問題，即通過研究口門區水位波動傳遞到升船機船廂的水面變化規律，建立口門區與船廂的水位波動變化關系，通過監測口門區水位變化，利用三峽升船機引航道較長的特點，對引航道內升船機船廂運行對接水位進行實施預警，降低三峽升船機船廂對接安全風險。

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Security Warning Measures of Shiplift Docked with Approach in Unsteady Flow

Li Zhonghua1, 2, Hu Ya’an1, 2

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute of State Energy Bureau, Nanjing 210029, Jiangsu, China;2. Key Laboratory of Navigation Structure Construction Technology, Ministry of Transport, Nanjing 210029, Jiangsu, China)

The water level fluctuation transferring rules of the TGP shiplift downstream channel between approach entrance and chamber were simulated by 2D numerical model in various downstream water level, fluctuation amplitude and cycle. The relation of the TGP shiplift downstream water level fluctuation between approach entrance and ship chamber was established. Based on the water level fluctuation transfer relation, a new security warning measurement was proposed by monitoring approach entrance water level to reduce the risk of the TGP shiplift chamber docked with downstream approach in unsteady flow.

waterway engineering; shiplift; chamber dock; approach channel; security warning

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.16

2014-06-21；

2014-09-15

國家“863計劃”課題項目(2012AA1125)

李中華(1974—)，男，云南鶴慶人，高級工程師，主要從事通航水力學方面的研究。E-mail：zhli@nhri.cn。

U641.3+5

A

1674-0696(2015)04-087-04