基于數(shù)據(jù)模擬水工結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉君健 陳浩 譚宇靜

摘 要：在水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，計算船閘通過能力的關(guān)鍵在于確定一次過閘平均噸位和一次過閘平均時間，其準(zhǔn)確性直接影響到設(shè)計結(jié)果。本文以江西某航電樞紐工程實踐作為案例，基于計算機模擬技術(shù)，通過構(gòu)建船舶過閘排擋模型，設(shè)計船閘設(shè)計通過能力計算方法。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu)設(shè)計 數(shù)據(jù)模擬 航電樞紐

1.項目概況

本工程位于江西省，所在河段屬于Ⅲ級航道標(biāo)準(zhǔn)，航道尺度為：航寬60m，水深2.2m，轉(zhuǎn)彎半徑480m。工程中涉及兩個船閘的設(shè)計內(nèi)容，其建設(shè)規(guī)模均為Ⅲ級。根據(jù)根據(jù)工程所在河道的《流域綜合規(guī)劃修編報告》，2020 年，規(guī)劃該河段中有 244km長度為Ⅲ級航道。要求通過千噸級船舶。本樞紐屬于低水頭閘壩工程，過壩建筑物采用船閘。

2.主要技術(shù)路線

在計算船閘通過能力時，一次過閘平均噸位和一次過閘平均時間是兩個非常重要的計算參數(shù)。對于“一次過閘平均噸位”的計算，我國現(xiàn)行《船閘總體設(shè)計規(guī)范》（JTJ305-2001）規(guī)定：一般需設(shè)計人員手工排擋，設(shè)計人員的經(jīng)驗是否充足會影響結(jié)果準(zhǔn)確性。對于“一次過閘平均時間”的計算，模型在滿足輸入的船型和比例的前提下，充分考慮了過閘來船在尺度和載重噸等方面的動態(tài)性、隨機性。根據(jù)《船閘設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定計算船閘年通過能力，從而對船閘建設(shè)規(guī)模進行論證，能有效減輕設(shè)計人員的工作量，減少錯誤。

2.1過閘船型分析與預(yù)測

結(jié)合江西省內(nèi)河船型標(biāo)準(zhǔn)化文件，推薦過閘船型主要有四種（絕大部分為單船運輸）：300t、500t、1000t、2000t，其中主要設(shè)計船型為500t和1000t為主，2000t船型作為兼顧船型。基于計算機數(shù)據(jù)模型，對該樞紐內(nèi)分船型船舶過閘在2020年、2030年和2050年的艘次比例進行預(yù)測，過閘比例最高的船型為500t和1000t，在不同時期占比之和通常超過八成，而300t和2000t的船型過閘比例很低。

2.2船舶過閘排擋模擬試驗

（1）試驗工況

該樞紐有兩線船閘，分別位于東大河和西大河，二者均為單級雙向運行。樞紐船閘有效長度180m，有效寬度23m，門檻水深3.5m。同時，對于上述船閘的有效長度，增加兩組對比方案：船閘有效長度為230m和260m。對仿真實驗工況進行總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，2020年、2030年、2050年的閘室有效長度均分別為180m、230m、260m，閘室有效寬度為23m。

（2）排船尺度

考慮船閘運營安全以及實際的運營操作情況，船閘內(nèi)的船隊或船舶不可能占滿閘室有效尺度，而是留有一定的富裕或安全間隔。結(jié)合有關(guān)規(guī)范和船型主尺度系列，合理確定閘室排船尺度：①閘室有效寬度為23m，排船寬度取為22m，最大可供2條“長江水系貨-22”船型的船舶橫向排列；②閘室有效長度為180m，排船長度取為167m，最大可供2條“長江水系貨-34”船型的船舶（船長85m和82m）縱向排列；③閘室有效長度為230m，排船長度取為216m，最大可供2條“長江水系貨-34”船型的船舶（船長88m）和1條40m長船舶縱向排列；④閘室有效長度為260m，排船長度取為244m，最大可供2條“長江水系貨-34”船型的船舶（船長88m）和1條65m長船舶縱向排列。

2.3船閘通過能力

詳見表1。

（1）通過能力分析

根據(jù)預(yù)測的過壩運量，并結(jié)合該河段樞紐同類型船閘設(shè)計經(jīng)驗，擬對船閘閘室長度進行通過能力比較。方案一（閘室有效長度為180m）：本次設(shè)計2020年船閘一次過閘噸位為2886噸，2030年船閘一次過閘噸位為3262噸，2050年船閘一次過閘噸位為3278噸。方案二（閘室有效長度為230m）：2020年為3797噸，2030年為3888噸，2050年為3905噸。方案三（閘室有效長度為260m）：2020年為4334噸，2030年為4736噸，2050年為4583噸。計算結(jié)果詳見表2。船閘近期、中期、及遠(yuǎn)期的通過能力均能滿足過壩運量預(yù)測要求。并有一定的富余量。

（2）方案比較及推薦方案

船閘閘室有效長度為180m、230m、260m時，東西大河兩線船閘總的通過能力在近期、中期、遠(yuǎn)期均能滿足過壩運量預(yù)測要求，并有一定的富余量。因此從經(jīng)濟合理的角度分析，船閘閘室有效長度為180m（方案一）即可。故本階段推薦船閘有效長度為180m。

3.結(jié)論

在進行水工結(jié)構(gòu)設(shè)計工作中，涉及到大量的復(fù)雜數(shù)據(jù)計算，相較于以往的人工核算和設(shè)計，計算機模擬技術(shù)可以減輕大部分計算工作，同時設(shè)計過程涉及一系列分析工作，可以避免一部分由人工帶來的主觀不確定因素。

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