船閘泄水的非恒定流特性及通航安全措施

申霞，謝瑞，姬昌輝，王永平

船閘泄水的非恒定流特性及通航安全措施

申霞，謝瑞，姬昌輝，王永平

（南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029）

閘室泄水將導(dǎo)致引航道內(nèi)生成復(fù)雜的水流流態(tài)，給船舶?？考昂叫性斐砂踩[患。通過1∶40正態(tài)物理模型，研究船閘泄水過程及泄水結(jié)束后，引航道內(nèi)泄水波運(yùn)動(dòng)特征、水面比降、流速分布、回流強(qiáng)度等。結(jié)果顯示：在引航道設(shè)計(jì)方案下，上下游水頭差7.13m、閥門開啟時(shí)間5min時(shí)，人字門處反向水頭為0.39m，系船停泊區(qū)縱向流速為0.56 m/s，超過規(guī)范要求，會(huì)對(duì)引航道內(nèi)船舶、人字門以及引航道護(hù)岸產(chǎn)生不利影響。延長(zhǎng)泄水閥門開啟時(shí)間可降低泄流過程中的流量峰值，使得引航道內(nèi)最大水面比降、最大流速、水面波動(dòng)幅度有所減?。恢参镒o(hù)坡能夠有效削減泄水波、船行波能量；空箱結(jié)構(gòu)護(hù)岸可以有效降低水流對(duì)岸壁的沖擊力、削減水波動(dòng)能，保護(hù)航道護(hù)岸及人字門；空箱護(hù)岸長(zhǎng)度越長(zhǎng)，水流改善效果越明顯。

船閘；物理模型；非恒定流；泄水長(zhǎng)波；護(hù)岸結(jié)構(gòu)

船閘灌泄水過程中，在引航道內(nèi)產(chǎn)生非恒定流，引起水面波動(dòng)和流速、流態(tài)變化，不僅會(huì)影響船舶安全過閘，也可能對(duì)船閘自身運(yùn)行和安全造成不利影響。船閘灌泄水過程中引航道內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)特性的研究方法主要包括理論分析[1]、水流數(shù)學(xué)模型[2-4]、概化物理模型試驗(yàn)[5-6]等。當(dāng)船閘灌泄水產(chǎn)生的波高、坡降、流速不能滿足要求時(shí)，應(yīng)采取有效措施[5-7]改善引航道內(nèi)的水流條件，包括：延長(zhǎng)輸水時(shí)間；加大引航道過水?dāng)嗝?；改進(jìn)引航道中的輸水系統(tǒng)布置；利用波動(dòng)傳播過程中的變形、反射特點(diǎn)，不使其相疊加并抵消波動(dòng)。

本研究采用1∶40正態(tài)物理模型對(duì)船閘輸水廊道以及下游引航道內(nèi)水流進(jìn)行模擬，模型的直觀性強(qiáng)，能夠真實(shí)反應(yīng)岸壁邊界及復(fù)雜流態(tài)，工程結(jié)構(gòu)近區(qū)模擬準(zhǔn)確性高。試驗(yàn)內(nèi)容包括水流流態(tài)、泄水波運(yùn)動(dòng)特征、水面比降、流速分布、水位壅高、回流強(qiáng)度等，分析水流運(yùn)動(dòng)對(duì)引航道內(nèi)船舶的影響，以及對(duì)船閘本身（人字門）及引航道護(hù)岸等的影響。從延長(zhǎng)泄水時(shí)間、植物型護(hù)岸、優(yōu)化護(hù)岸結(jié)構(gòu)型式、拓寬引航道等角度研究改善引航道水流條件的工程和非工程措施，為船閘工程的設(shè)計(jì)施工以及運(yùn)營(yíng)管理提供技術(shù)支撐。

1　模型設(shè)計(jì)

1.1工程概況

運(yùn)東船閘建于20世紀(jì)80年代，位于江蘇省高郵市境內(nèi)高郵湖東側(cè)，與京杭運(yùn)河相連，為江蘇省干線航道網(wǎng)通揚(yáng)線的起點(diǎn)。近年來過閘船只數(shù)量激增以及部分構(gòu)筑物破損，擬將原船閘拆除在原址重建。建設(shè)規(guī)模230 m×23 m×4 m，為III級(jí)通航建筑物，船閘上下游正常水頭差5.5~7.0 m，最大水頭差7.13 m。下游引航道平面布置采用不對(duì)稱式（圖1），寬度約70 m，直線段長(zhǎng)度410 m，下游布置有遠(yuǎn)調(diào)碼頭和停泊錨地。船閘下閘首門檻頂高程-3.3m（85國(guó)家高程，下同），引航道設(shè)計(jì)底高程-3.3 m。下閘首輸水系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單消能工的水平環(huán)繞對(duì)沖消能的平底板短廊道集中輸水系統(tǒng)。下游引航道護(hù)岸設(shè)計(jì)方案為：左岸采用重力式護(hù)岸結(jié)構(gòu)，右岸采用鋼板樁護(hù)岸結(jié)構(gòu)。

圖1　運(yùn)東船閘下游引航道形態(tài)及測(cè)點(diǎn)布置Fig.1 Plane layoutof lower app roach channeland measure section location of Yundong ship lock

1.2研究方法

1.2.1物理模型設(shè)計(jì)與制作

采用1∶40正態(tài)物理模型研究船閘泄水過程中，下游引航道內(nèi)的水流運(yùn)動(dòng)特性。模型范圍為下閘首及其下游2 km的航段。根據(jù)航道設(shè)計(jì)斷面采用斷面控制法制作引航道模型，閘室下閘首與輸水廊道采用塑料板制成一個(gè)整體，兩側(cè)輸水廊道各接1個(gè)直徑為50 mm的管道，模擬船閘泄水。下游采用翻板尾門控制水位。

1.2.2試驗(yàn)設(shè)備與量測(cè)儀器

船閘泄流過程采用南京水利科學(xué)研究院研制的電動(dòng)閥門自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行控制，閘閥上游安置電磁流量計(jì)。將給定的各工況泄流曲線輸入計(jì)算機(jī)，通過流量與閥門開度的擬合曲線，控制電動(dòng)閥門的啟閉速度，同時(shí)將所需流量與電磁流量計(jì)的讀數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校驗(yàn)并調(diào)整偏差。電動(dòng)閥門下游設(shè)置三通管，將水流分成兩股進(jìn)入兩側(cè)輸水廊道，模型中流量誤差控制在0.1 m3/h以內(nèi)。水位采用數(shù)字編碼跟蹤式水位儀。流速采用激光旋漿式流速儀測(cè)量，測(cè)點(diǎn)保持在0.6 m水深處。采用自動(dòng)波高儀采集泄水波的傳播，模型中波高采樣間隔為0.05 s。

1.2.3模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證以阻力相似為主，即求證河槽的糙率。由于通揚(yáng)運(yùn)河高郵段河道水位比降較小，流速亦很小，即使進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)也難以求得糙率系數(shù)n，而且工程后船閘下游引航道岸坡將進(jìn)行人工護(hù)砌，因此河道的天然糙率對(duì)模型試驗(yàn)的意義不大。運(yùn)東船閘下游引航道斷面規(guī)則，兩側(cè)護(hù)坡采用漿砌塊石、袋裝碎石、模袋混凝土、鋼板樁等，糙率系數(shù)約為0.024~0.025。根據(jù)相似條件，模型的糙率系數(shù)為0.013。引航道模型采用水泥砂漿適當(dāng)抹光，能夠滿足模型試驗(yàn)的要求。

2　非恒定流特性

2.1試驗(yàn)工況

模型試驗(yàn)的上游泄水流量過程采用最不利設(shè)計(jì)工況，即水頭差為7.13 m，閥門開啟時(shí)間為5 min。隨著泄水閥的開啟，下泄流量逐漸增大；最大流量（141.53 m3/s）約出現(xiàn)在泄水過程的中間時(shí)刻；隨后水頭差逐漸降低，流量由峰值逐漸回落；當(dāng)閘室內(nèi)外無水頭差時(shí)，流量歸為0。

2.2水面波動(dòng)

引航道內(nèi)布置9個(gè)波高測(cè)點(diǎn)，分別位于8個(gè)測(cè)流斷面以及下閘首人字門處（圖1），波高測(cè)點(diǎn)均位于航道中心線上。采用波高儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)船閘泄水全過程以及泄水結(jié)束后共約60 min內(nèi)水面的波動(dòng)，將測(cè)得的波高值與初始水位疊加，即得到各點(diǎn)水位隨時(shí)間的變化過程。人字門、系船墩（斷面III）及遠(yuǎn)調(diào)碼頭（斷面VII）水位過程見圖2，由圖可知，試驗(yàn)前的穩(wěn)水過程持續(xù)約5min，隨著泄水閥門的打開，下游引航道內(nèi)產(chǎn)生相應(yīng)的非恒定流波浪運(yùn)動(dòng)：緊鄰出水口的人字門處水位迅速升高，在泄水全程的7.65 min內(nèi)水位先增加至最大隨后降低，人字門處水位超高0.39 m，超過JTJ 306—2001《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的0.25 m；泄水結(jié)束后，受波動(dòng)的反向傳播作用，人字門處水位出現(xiàn)回升；閘門的阻擋導(dǎo)致水位迅速爬升，0.5 min內(nèi)由0.58 m增至1.01 m；隨后人字門的反射作用導(dǎo)致波浪折向下游傳播，水位隨之下降，第二個(gè)波動(dòng)周期約11 min。對(duì)比人字門、系船墩及遠(yuǎn)調(diào)碼頭3個(gè)測(cè)點(diǎn)的水位波動(dòng)過程可知，泄水波的傳播導(dǎo)致下游各點(diǎn)波動(dòng)過程有所延遲。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的距離及波動(dòng)出現(xiàn)時(shí)間，推算出泄水波前沿前進(jìn)速度約為6.0m/s。泄水過程中系船墩和遠(yuǎn)調(diào)碼頭處最大波高分別為36 cm和23 cm。泄水結(jié)束后，由于波動(dòng)延續(xù)性以及波浪的反向傳播，水位仍出現(xiàn)波動(dòng)，加上不規(guī)則岸線及不同結(jié)構(gòu)岸壁的反射作用，各點(diǎn)水面波動(dòng)呈現(xiàn)來回振蕩、波幅緩慢衰減的趨勢(shì)。

圖2　船閘泄水過程及結(jié)束后引航道內(nèi)各點(diǎn)水位變化過程Fig.2 Water levelvariation over time during lock emptying and afterward

2.3水位變率及比降

1號(hào)~6號(hào)水位測(cè)點(diǎn)在泄水過程各時(shí)段內(nèi)的水位變化速率見表1，可見各點(diǎn)水位變率出現(xiàn)正負(fù)交替，表明水位并不是呈現(xiàn)單調(diào)升高或降低，而是出現(xiàn)波動(dòng)，水位上升最快處位于1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)測(cè)點(diǎn)，約25 cm/min。究其原因是其距離泄水口較近，水位變化較敏感，而2號(hào)測(cè)點(diǎn)的水位變率較這3個(gè)測(cè)點(diǎn)小，可能是由于其位于航道拓寬突變處，水面變寬，水流變緩，加上對(duì)岸系船墩對(duì)水流波動(dòng)的削減作用，使得水位變率較周圍測(cè)點(diǎn)小。對(duì)比1號(hào)~6號(hào)測(cè)點(diǎn)數(shù)值可知，水位變率最大值出現(xiàn)時(shí)刻隨著與閘室的距離增加而延遲。從每個(gè)測(cè)點(diǎn)各個(gè)時(shí)刻值看，水位升高的速度遠(yuǎn)大于水位回落的速度。

表1　船閘泄水過程各時(shí)段1號(hào)~6號(hào)測(cè)點(diǎn)水位變率Table1 W ater levelvariation ratesof1-6 pointsat different tim e during lock em p tying

泄水過程中各時(shí)刻引航道縱向水面線見圖3，最大正比降出現(xiàn)在76 s、152 s、228 s三個(gè)時(shí)刻，約為0.1%，此時(shí)全航段水面坡降差異較大，比降較大的航段長(zhǎng)度僅500 m，其余河段水面較平緩。隨著下泄水量增加以及水質(zhì)點(diǎn)逐漸下移，全航段水位逐漸抬高，坡度放緩。在泄水過程后期，水體繼續(xù)向下游移動(dòng)，而閘室泄流量逐漸減少并趨于0，上游的水體補(bǔ)給少于流向下游的水量，航段水面呈現(xiàn)倒坡，水面倒比降最大為0.09%，發(fā)生在船閘泄水結(jié)束時(shí)。最大正負(fù)比降均處于船閘下游100 m范圍內(nèi)，水面比降值能夠滿足航行要求[8]。

圖3　泄水過程各時(shí)刻引航道內(nèi)縱向水面線Fig.3 Longitudinal water surface profile at different time during lock emptying in the approach channel

2.4斷面流速

引航道內(nèi)布置8個(gè)測(cè)流斷面，每個(gè)斷面布置3~4個(gè)測(cè)流垂線，最左側(cè)垂線標(biāo)記為1（見圖1）。結(jié)果顯示：引航道內(nèi)流速最大值位于閘室下游100 m范圍內(nèi)（系船停泊區(qū)上游），最大縱向流速達(dá)1.57 m/s；III-4斷面縱向、橫向流速最大值分別為0.56 m/s、0.15 m/s；下游遠(yuǎn)調(diào)碼頭及停泊錨地流速最大為0.37 m/s、0.39m/s，橫向流速小于0.05 m/s。系船停泊區(qū)所在測(cè)流斷面III各垂線流速過程見圖4，在一個(gè)泄水過程中，流速先增大隨后降至0。泄流結(jié)束后，隨著部分水體的回溯，流速值隨之增加并呈現(xiàn)來回反復(fù)。在前兩個(gè)流速波動(dòng)過程中，4根垂線的流速值極值出現(xiàn)時(shí)刻基本一致，而在隨后的兩個(gè)流速波動(dòng)中，各垂線點(diǎn)流速并沒有出現(xiàn)同時(shí)增加或降低的趨勢(shì)，體現(xiàn)出水流往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中的橫向分布不均特性。

圖4　系船停泊區(qū)斷面（III）各垂線流速過程圖Fig.4 Flow velocity processes of different vertical lines at section III

2　.5回流特征

運(yùn)東船閘泄水過程中及泄水結(jié)束后，引航道內(nèi)系船墩處產(chǎn)生回流。泄水過程末端，系船墩上游由于河道斷面變寬、水流能量耗散而出現(xiàn)順時(shí)針回流，面積為70 m×20 m，流速約0.35 m/s，隨著泄水結(jié)束，該回流隨之消失。泄流結(jié)束后傳遞至下游的能量逐漸減少，泄水波產(chǎn)生反向傳播，兩者在系船墩處相遇，由于能量的不均等以及左右側(cè)不對(duì)稱，系船墩處生成一個(gè)順時(shí)針回流（圖5），面積為80 m×75m。

圖5　泄水結(jié)束后引航道內(nèi)回流位置及范圍Fig.5 Rangeand locationsof back flowsafter lock em ptying in the approach channel

水流的黏滯力和慣性導(dǎo)致其上游生成逆時(shí)針回流，直徑約50 m，2個(gè)回流強(qiáng)度約0.20m/s。

3　改善措施及效果分析

3.1延長(zhǎng)泄水時(shí)間

將泄水閥門開啟時(shí)間從原先的5 min（工況E1），延長(zhǎng)至6 min（工況E2）和7 min（工況E3），分析其對(duì)引航道內(nèi)水位、流速、流態(tài)的改善效果。隨著泄水閥門開啟時(shí)間增加，引航道內(nèi)水面比降趨緩，水位變化速率降低，水面波幅也有所減小。人字門處水位超高從0.39m降至0.30 m，水面最大正比降由0.1%降至0.07%，泄水時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)引航道末端波高影響不大。系船停泊區(qū)最大縱向流速由E1工況的0.56 m/s降至E3的0.51 m/s?？梢?，延長(zhǎng)泄水時(shí)間能夠改善船閘泄水時(shí)下游引航道內(nèi)的水流條件。

3.2柔性植物護(hù)岸

擬在引航道彎段兩岸布置柔性植物，左右側(cè)植物護(hù)岸長(zhǎng)度各350 m。模型試驗(yàn)中采用塑料草模擬天然植物，塑料草高2 cm、間距8 cm，每顆草6~8瓣葉片、每瓣葉片長(zhǎng)約4 cm。E3泄水工況條件下，無植物護(hù)坡和有植物護(hù)坡兩種情況人字門處水位變化過程對(duì)比見圖6，水位慣性超高由無植物護(hù)坡的0.30 m降至0.25m。但是，植物護(hù)坡能否經(jīng)受泄水波、船行波的淘刷以及船舶岸邊靠泊的影響，是柔性護(hù)岸能否用于引航道護(hù)岸的關(guān)鍵。

圖6　工況E3有無植物護(hù)岸人字門處水位變化過程Fig.6 Water level process at the miter gate of plants and non-plants revetment scenarios in CASE E3

3.3引航道拓寬及護(hù)岸結(jié)構(gòu)優(yōu)化

方案S1在原護(hù)岸設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上將左岸后退5 m，拓寬段長(zhǎng)度為1.1 km（下閘首以下70 m為起點(diǎn)），后退岸線采用重力式護(hù)岸結(jié)構(gòu)。E3泄水工況人字門處的水位超高為29 cm。

方案S2和S3與方案S1的不同之處在于，其在左岸后退岸線上采用鋼護(hù)木結(jié)構(gòu)護(hù)岸，長(zhǎng)度分別為0.59 km和1.1 km（以航道拓寬的上游起點(diǎn)算）。鋼護(hù)木護(hù)岸結(jié)構(gòu)在每9.98m的岸線上布置4個(gè)鋼護(hù)木，每個(gè)寬0.39 m，形狀為弧形凸出，最大凸出尺寸為0.1 m，鋼護(hù)木所在高程為0.4~3.4 m。E3泄水工況下，方案S2、S3人字門處水位超高為29 cm、28 cm。

方案S4和S5在左岸后退岸線上采用空箱結(jié)構(gòu)護(hù)岸，長(zhǎng)度分別為0.59 km和1.1 km?？障渥o(hù)岸結(jié)構(gòu)的每9.98m岸線為一個(gè)結(jié)構(gòu)單元，每個(gè)單元有6個(gè)立柱，立柱寬0.5m，間隔0.85 m，立柱后方水域連通，深度為1.5 m，空箱所在高程為0.4~3.4 m。E3泄水工況下，方案S4、S5人字門處水位超高為25 cm、22 cm。

4　結(jié)語

延長(zhǎng)泄水閥門開啟時(shí)間可降低泄流過程中的流量峰值，從而使得引航道內(nèi)最大水面比降、最大流速、水面波動(dòng)幅度有所減小，改善通航水流條件。但是泄水時(shí)間的加長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致船閘運(yùn)行效率降低，船閘工程設(shè)計(jì)中應(yīng)尋求兩者間的平衡。在引航道兩岸采用植物護(hù)坡，能夠有效削減泄水波、船行波。但是，布置于近閘航道兩岸的植物，會(huì)受到船舶停靠擦碰的影響，掉落的植物枝葉有可能纏繞船舶螺旋槳，給航行安全帶來隱患?？障浣Y(jié)構(gòu)能夠增加近岸水流摩阻，并在立柱后方形成紊動(dòng)渦漩，削減泄水波能量，保護(hù)航道護(hù)岸及人字門。

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Unsteady flow characteristics during the ship lock emptying and its navigation safety measures

SHEN Xia,XIERui,JI Chang-hui,WANG Yong-ping
（Nanjing Hydraulic Research Institute StateKey Laboratory ofHydrology-Water Resourcesand Hydraulic Engineering, Nanjing,Jiangsu 210029,China）

There should be a complex water flow in lower approach channelwhen the chamber empties.The flow could cause potential safety hazard for ship berthing and navigation.A physicalmodel of 1:40 scale ratio is applied to study long wave movement,water surface slope,velocity distribution,and backflow intensity when the lock empties and afterward.The results show that the reversewater head at themitergate is 0.39m,and the longitudinal velocity atmooring site is 0.56m/s under the designed condition,the value is beyond relevant standards,itwill be harm ful to the ships in approach channel,m iter gate,and the approach channel revetment.Prolonging the long valve opening time can lower the peak value of flow rate,therefore the water surface slope,water wave and water flow could be reduced.Plants revetment can effectively reduce the energy of discharge wave and ship wave.Hollow caisson structure has positive effect on reducing the impact force against the channel walls,reducing the water wave energy,and protecting the channel revetment and miter gate,and the longer of hollow caisson structure revetment,thebettereffectonwater flow improvement.

ship lock;physicalmodel;unsteady flow;discharge long wave;revetment structure

U641.1

A

2095-7874（2016）04-0034-05

10.7640/zggw js201604009

2015-09-10

2015-11-12

江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK20150078）；南京水利科學(xué)研究院院基金資助項(xiàng)目（Y215007）

申霞（1982—），女，江蘇如皋人，博士，高級(jí)工程師，從事水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：xshen@nhri.cn