內河船閘集中輸水系統輸水過程優化研究

朱增偉 儲偉杰

摘 要：本文在梳理內河船閘集中輸水系統水動力學分析物理模型試驗研究和原型觀測研究的基礎上，建立了輸水過程優化模型，對其設計變量、目標函數以及約束條件等進行深入探討，最終完成了內河船閘集中輸水系統布置及其運行方式研討，旨在為我國內河船閘航運體系中集中輸水系統輸水能力優化與提升帶來更多參考和啟迪。

關鍵詞：船閘集中輸水系統;輸水過程;優化

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

隨著我國經濟社會的快速發展和科技水平的不斷提升，水利工程建筑施工規模進一步擴大，投資額度不斷增加，船閘作為我國現當代內河航運建設中通用的建筑物結構形式，其集中輸水系統效能的優劣直接關系到整個水利過程效率的高低，因此，對內河船閘集中輸水系統出水過程的優化研究有其重要理論意義和現實價值。

1船閘集中輸水系統概述

船閘是近年來我國內河航運建設和船舶通行采用模式最廣的通航建筑物形式，船閘集中輸水系統更是我國船閘工程建設最廣泛的輸水系統模式，主要應用于10米以下水深的船舶通航。由于內河船閘輸水系統的設計不僅直接關系到船閘的實際通航能力，關系到船閘工程及其附屬結構物的經濟效益，更關系到內河過閘船舶的航運安全。因此，內河船閘輸水系統相關問題的探討與研究一直以來都是船閘工程建設的關鍵技術。一般而言，船閘輸水系統主要包括閘壩、船閘和電站三部分，船閘往往布設在岸邊。實際深度與內河通航船舶要求相適應，船閘上游最低通航水位與最高通航水位與當地氣候條件相呼應，更需考慮水庫正常蓄水狀態、新修船閘過渡時期下游最低通航水位等諸多要素。在內河船閘通航輸水系統設計過程中，閘室墻可采用塢市結構，最大限度保證船閘閘室底板結構安全，并在閘室底板上鋪設鋼筋混凝土蓋板，以出水孔方式保證水流能從閘室底板流出閘室出水孔。為進一步對船閘集中輸水系統的輸水過程進行優化，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實相協調，上下游水位借助溢流式平水槽調節控制，以閥門開啟和關閉點擊驅動方式實現船閘輸水系統的自動開啟與關閉。圖1即為船閘輸水系統模型布置圖。

2輸水過程優化模型的建立

2.1設計變量

一般而言，內河船閘輸水系統設計時，主要考慮輸水系統閥門勻速開啟狀態下的輸水流量過程線，該過程線如圖2所示。由圖可知，在內河船閘輸水系統閥門開啟階段，其輸水流量過程主要呈現拋物線狀態分布，tv為船閘輸水系統閥門開啟所需時間。當閥門開啟完畢后，內河船閘輸水系統輸水流量過程線呈現直線分布狀態，其斜率為定值題，T則為整個內河船閘輸水系統的過水時間。由該水流量過程線分布可知，內河船閘輸水系統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，整個內河船閘輸水系統的輸水時間較長。

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

2.2目標函數

內河船閘集中輸水系統的輸水過程優化是針對于船閘閥門均勻開啟階段，對其整個開啟時間進行優化改良，保證船閘集中輸水系統整體輸水時間最短，從而得出其目標函數：

2.3約束條件

在內河船閘集中輸水系統出水過程的優化目標函數設置完成后，對整個輸水過程進行約束條件設置，首先是輸水體積約束條件，優化后的輸水流量過程線和橫坐標所包含的幾何圖形面積應與內河船閘集中輸水系統船舶通航所需輸水體積完全相等。其次，就輸水系統流量系數約束問題而言，在內河船閘集中輸水過程中，輸水量大小由于受到輸水系統設備運輸能力的限制，其流量系數不能超過船閘集中輸水系統閥門完全開啟后的流量系數。就內河船舶的停泊約束問題而言，由于船閘集中輸水系統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，在內河船閘集中輸水系統輸水過程優化時，船舶所受纜繩拉力必須小于允許的纜繩拉力值。

3輸水系統布置及運行方式

內河船閘集中輸水系統布置及運行方式主要包括輸水系統布置、船閘運行方式以及水光模擬試驗三大部分。就輸水系統布置問題而言，主要包括船閘灌水系統和船閘泄水系統兩大方面內容。灌水系統上閘首進水口往往采用擋洪平板鋼閘門，進水口利用圍墻頂層柵縫進水，在經過圍墻后豎井分流至兩邊船閘底部水平環繞廊道，分別進入左右的道口下，形成由兩側部分分流的變化，以此調整船閘集中輸水系統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。

就內河船閘集中輸水系統的泄水系統設置問題而言，由于集中輸水系統的首次卸水時間大致為十分鐘左右，而泄水系統的閘首結構和上閘首結構同屬鋼筋混凝土整體式結構。因此，需在內河船閘輸水系統一面設置擋水鋼板，一面設置平板檢修門，確保船閘集中輸水系統檢修達成相應標準后啟動排架柱，用抬車將其放置到標準位置。同時，考慮到內河船閘集中輸水系統可能存在淤積問題導致的船舶吃水深度降低，進一步設置了船閘集中輸水系統的下閘首最低通航位置和通航水位條件。就船閘實際運行方式而言，通常情況下的船閘運輸方式為單向過閘，而單向過閘時間大致為40分鐘左右。在內河船閘下游一字門打開且船舶進入閘室后，關閉下游一字門及其泄水工作設備，保證上游輸水廊道工作門打開，使船閘處于水源充足狀態。待閘內水位與上游水位齊平后開啟上游平板工作門，使船閘進入上游引航道，完成單向過閘程序。

為進一步強化內河船閘集中輸水系統輸水過程優化模型的實際應用，本文對船閘整體水工室模型進行試驗，測量了船閘上游、下游口門區的實際流速分布，分析了船閘上下游通航條件，表1即為內河船閘上下門區的最大流速統計表。由表可知，當上下游航道門區的實際通航條件滿足安全運行規范及國家相關要求，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每秒的狀態下，船閘集中輸水系統的整個輸水過程便能得到強有力優化。

4結論

整個內河船閘集中輸水系統輸水過程的優化模型計算表明，在使用優化方案后，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生的能量值達到整個內河船閘集中輸水系統閥門開啟狀況下的最大者，能夠實現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，在后續對內河船閘集中輸水系統輸水時間優化時，可不斷強化約束條件控制值取值精確度，進一步完善船閘集中輸水系統輸水過程優化模型，擴大船閘集中輸水過程優化模型實際應用范圍，為不斷挖掘船閘集中輸水過程優化潛力和提高船閘通行能力提供更大支持。

參考文獻：

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