分散梯級船閘中間渠道水力特性及關鍵參數影響研究*

祝 龍，劉本芹，宣國祥，黃 岳，金 英

(南京水利科學研究院，水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029)

中間渠道是連接分散梯級船閘、升船機等通航建筑物的特殊通航渠道[1-3]，可充分利用現場地形進行設計和布置，適應性強。但中間渠道是典型的淺水狹窄型航道，船舶在此類航道中航行，航行阻力增加、速度降低、操縱性能變差；同時由于其兩端封閉，上下游船閘的充泄水將會在中間渠道內產生涌波—充水波和泄水波，發生反射、疊加和震蕩等，給船舶通行帶來較為不利的影響[4]。為此，有必要針對船閘充泄水運行時中間渠道內的水流條件開展研究，了解掌握中間渠道關鍵水力參數對船舶通航水流條件的影響規律。本文以三峽新通道可能的分散兩級雙線船閘帶中間渠道布置方案為例，開展了系列數值模擬研究，相關成果可為類似工程建設提供參考。

1 中間渠道布置

中間渠道上級船閘的泄水廊道出口一般在渠道的頭部，對于中間渠道而言，類似船閘的頭部輸水；下級船閘的輸水廊道入口在渠道的尾部。在取水和泄水的出入口均采用一定的消能方式來盡量保證水流的均勻性。模擬研究時假定中間渠道為規則矩形斷面設計，除與上下游船閘相連的導航段斷面尺寸有所變化外，中間部分斷面形狀一致，見圖1，為方便處理，將雙線船閘的4個進、出水口分別標示為A、B、C、D。

圖1 中間渠道布置形式(單位：m)

1.1 長度設計

兩線船閘中間的隔流導航建筑物直線長度按照規范并結合工程實際確定，在計算中取為100 m；結合新通道可能的布置方案，中間渠道總長度初定在2～5 km，并在此長度范圍開展數值模擬研究。

1.2 寬度設計

中間渠道上游和下游端部寬度相對固定，為新通道船閘閘室的寬度，假定為42 m；中間部分寬度根據設計代表船型，按照《內河通航標準》[5]和《船閘總體設計規范》[6]進行估算，數模中寬度的范圍取175～250 m。

1.3 初始水深

新通道設計代表船型的最大吃水約為5.5 m，按照《內河通航標準》和《船閘總體設計規范》的要求，航道水深需不小于8.25 m，為保證計算規律的完整性，數值模擬中初始水深取7～10 m范圍。

2 數學計算模型

2.1 基本原理

采用圣維南方程組來描述中間渠道內部具有自由表面的明渠非恒定水流運動[7]，基本方程如下：

(1)

(2)

式中：Q為過流流量(m3/s)；A為過水斷面面積(m2)；t為時間；h為水位(m)；R為水力半徑(m)；C為謝才系數；α為動量校正系數；q為旁側入流量(m3/s)。

圣維南方程組中的連續性方程和動量方程采用有限差分法進行離散，計算網格由流量點和水位點組成，且流量點和網格點在同一時間步長下分別進行計算。之后利用追趕法進行求解，進而獲取中間渠道的水動力特性—水深、流速以及波動狀況。

2.2 邊界條件

上下游為船閘充泄水流量邊界，數模中船閘在A、B、C、D的流量過程見圖2(船閘不運行時取為固壁邊界條件)；兩側及底部為渠道邊壁，取為固壁邊界條件；中間渠道為人工渠道，表面糙率即為水泥混凝土抹面糙率，數模中為了對比糙率對渠道內水流條件的影響，糙率n取值范圍為0.014～0.025。渠道為上部不封閉的明渠，中間渠道邊壁高度保證水不溢出即可，計算中統一取12 m。

圖2 船閘充泄水流量過程

2.3 計算工況

中間渠道內通航水流條件受船閘運行方式、中間渠幾何尺度、初始水深以及渠道糙率等多因素影響，為全面掌握和分析各參數對渠道內水流條件的影響規律，選取表1的28組工況進行數值模擬計算，需說明的是，表中錯時時間間隔均取為A、B運行產生的推進波行進至C、D所需時間。

表1 數模計算工況

續表1

3 模擬結果分析

3.1 中間渠道內波流紊動特性

圖3為不同運行方式下1～10 min中間渠道內水面線分布。

圖3 不同運行方式下中間渠道內水面線分布

由圖3可知：1)在船閘充泄水運行時，中間渠道內會形成較為復雜的波動和震蕩現象，總體來看中間渠道內水流條件與船閘的運轉方式密切相關，在上下游船閘錯時充泄水時(S16工況)渠道內水位的波動幅度最小；2)同時充泄水工況，無論是上下游船閘同時充泄水(S12和S13工況)、上游雙線船閘同時充水(S14工況)還是下游雙線船閘同時泄水工況(S15工況)，其水位波動均十分劇烈，變幅較大，其中S12和S13工況所測得的各時刻瞬時水面線基本一致，僅在渠道導航段略有差異；3)下游雙線船閘同時泄水工況(S15工況)時由于瞬時下泄流量較大，因此渠道中最小水深是所有工況中最小的。

3.2 幾何尺度對中間渠道內水流條件的影響

3.2.1渠道長度影響分析

中間渠道長度改變會對渠道內的水力特性指標有一定的影響，研究結果表明，在相同的輸水過程、不同船閘運轉方式下，各水力指標隨渠道長度增加的變化規律不盡相同：1)中間渠道上游單獨充水(上級船閘單獨泄水)工況下，渠道內最大水深(最高水位)從整體上看存在先逐漸增大、到達一個最大值后略減小的趨勢；最小水深(最低水位)隨長度增加略有減小，整體基本保持不變；流速、水面坡降指標則存在先增大后基本保持不變的趨勢，見圖4；2)中間渠道錯時充泄水工況下，渠道最大水深、最小水深、最大水流流速以及渠道內水面坡降等指標變幅較小，長度改變對各水力指標影響較小，見圖5。

圖4 上游單獨充水時渠道內各水力指標隨長度的變化規律

圖5 船閘錯時運行時不同長度渠道內各水力指標變化規律

3.2.2渠道寬度影響分析

寬度對渠道內水流條件影響較大，研究結果表明：隨著寬度的增大，渠道內最大水深(最高水位)、最大流速、最大水面坡降等指標均迅速減小，最小水深(最低水位)則逐漸增大，典型工況各水力指標規律曲線見圖6。根據上述成果，對于中間渠道內水流條件而言，在條件允許的情況下增加渠道的寬度是一個極為有效的工程措施，可大幅改善中間渠道內的通航水流條件。

圖6 船閘錯時運行時不同寬度渠道內水力指標變化規律

3.2.3初始水深對中間渠道內水流條件的影響

初始水深對中間渠道內通航水流條件有著重要的影響，研究結果表明：隨著初始水深的增加，渠道內最大水深和最小水深均有明顯的增加；最大流速和最大水面坡降顯著減小。以上游單獨充水工況為例，各水力指標變化規律見圖7。綜合來看，在條件允許情況下，增加渠道內的初始水深亦是改善中間渠道通航水流條件的有效措施。

圖7 上游單充時不同初始水深渠道水力指標變化規律

3.2.4糙率對中間渠道內水流條件的影響

數模研究中發現中間渠道糙率對水流條件有一定的影響，為此本文針對糙率這一參數進行了相應的比較分析。結果表明：隨著糙率的逐漸增大(0.010～0.025)，渠道中的最大水深、最小水深、最大流速指標均沒有明顯的變化；但相對而言，最大水面坡降有明顯減小，見圖8，表明中間渠道的糙率亦可作為調節水流條件時可供考慮的一個因素。

圖8 船閘錯時運行時不同糙率渠道內各水力指標變化規律

4 結論

1)分散梯級船閘不同運行方式對中間渠道內水流條件影響甚大，其中同時充泄水工況下(包括上下游船閘同時充泄水、上游雙線船閘同時泄水、下游雙線船閘同時充水)，渠道內的水流條件較差，在實際工程運行過程中應盡量予以避免；上下游船閘錯時充泄水可有效改善渠道內水流條件。

2)中間渠道的幾何尺度直接影響渠道內水流的波動特性。渠道寬度的增加，能夠很好地改善渠道內部的水流波動特性，可作為改善中間渠道通航水流條件的有效措施；渠道長度在不同運行工況下的作用不盡相同，在某些條件下，長度增加會加劇渠道內水流的紊動，不利于通航水流條件改善。

3)中間渠道初始水深增加能明顯改善渠道內水流條件，在工程條件允許情況下，可作為改善中間渠道通航水流條件的有效措施；糙率變化對中間渠道內最大水深、流速等指標的影響作用不明顯，但對水面坡降指標有所改善。