海船閘氣幕防咸設計

翟建國，劉慶茶，黃筱云，胡勇虎，伍炳坤

（1.中交武漢港灣工程設計研究院有限公司，湖北 武漢 430040；2.長沙理工大學 水利工程學院，湖南 長沙 410114）

引 言

在入海河口地區，特別是徑流量小的河流，潮水上溯造成河道咸化。若存在海船閘，海水也會在船舶通過時向上游入侵。為避免這種問題，海船閘會布置多種防咸措施，如淡水沖洗法、氣幕法、水幕法、咸淡水置換法等。對于已建成的海船閘，氣幕法或水幕法通常為優先防咸措施。

海船閘的氣幕防咸效果與供氣量有關。現有供氣量計算的Abraham[1-2]理論忽略了氣幕羽流的特性，簡化了氣幕羽流作用下咸水入侵機制，造成計算結果偏保守。本文在Keetels 試驗數據[3]的基礎上，修正Abraham 理論公式，以獲得更加準確的氣幕供氣量計算結果。

1 海水入侵機理

船閘開啟時，海水會在重力作用下向淡水入侵。船閘尺度越大、過往船舶越密集，海水侵入量就越多。海水入侵量取決于閘室與外部港口之間水體密度差異、水位、水深、船閘尺寸和閘門開啟時間。

海水入侵的方式有兩種。第一種方式出現在海平面高于閘室水位時，海水侵入量等于閘室投影面積乘以水位差；第二種方式更為常見，海水因密度較大，會向下侵入淡水底部，形成咸淡水交換，如果船閘開啟時間足夠長，閘室內淡水會完全被海水置換。

一般采用相對交換率S 作為第二種海水入侵的評估指標：

式中： ρΔ 為咸淡水密度差；ρ 為淡水密度；h為水深。

單位寬度海水入侵通量：

2 氣幕防咸機理

氣泡帷幕是一種向上運動的氣泡羽流，該羽流會在水面處發生偏轉，形成水平流動，并在氣幕兩側形成環流。當海水以異重流形式向淡水入侵時，淡水則位于咸水之上，向外運動。氣幕阻礙了淡水向外運動，從而導致海水置換速度變慢，海水入侵量減少。

一般采用咸水透過系數N 來量化氣幕簾隔離效果，N 定義為有無氣幕時海水入侵量的比值。氣泡帷幕作用下，相對交換率：

3 氣泡防咸帷幕設計

3.1 Abraham 方法[1-2]

氣泡羽流向上速度以開孔管為中心向兩側呈高斯分布，即：

式中：k 為常數，一般取32；cw 為氣泡羽流中心速度。若氣泡相對上升速度遠小于羽流速度，則：

其中，0q 為相同壓力下單位時間內自由出流的氣量。

因此，氣幕羽流沿程通量為：

若0h 為標準大氣壓水柱高度，根據Bulson[4]試驗結果，表層水流厚度為：

Abraham 通過現場試驗，觀測到10 m 水深下氣幕產生的水平流厚度約為水深的1/4，即：

水平流以下，氣幕羽流通量沿程變化率ξ 可認為是常數，即：

閘門開啟后，表面水平流動層以下、海水一側的水流速度為：

而淡水一側的水流速度為：

其中，au 和bu 的方向均以指向氣幕為正， hΔ 為閘門開啟前淡咸水水位差：

單位時間內海水透過氣幕的量為：

定義咸水透過系數：

定義無量綱氣幕羽流強度φ：

該參數表示征氣幕羽流強度與異重流速度的比值。兩者之間的關系為：

3.2 Keetels 方法[3]

Keetels 認為氣幕咸水透過系數N 與氣幕羽流產生的環量相關。定義無量綱環量C 表示為：

式中：Γ 為氣幕羽流兩側渦旋環量；E 為單位

Keetels 等收集不同氣幕、水幕防咸試驗的數據以分析無量綱環量與咸水透過系數的關系。表1 給出這些試驗的相關信息。

表1 Keetels 所采用的數據[3]

3.3 討論

將式(26)代入到式(17)中，繪制不同水深下N ～ 1C關系曲線（如圖1 所示）。從圖1 可以看出，Abraham 公式結果與Keetels 數據相比偏保守。這是由于Abraham 方法未考慮氣幕羽流的特性，即羽流寬度隨水深減小而增大。根據Keetels 數據，本文取：

將式(27)代入式(17)，得：

圖1 Keetels 所述試驗的N 與C 值以及根據式(26) 獲得的不同水深下 1N C～ 關系曲線

4 結 語

1）水下氣幕能夠有效減少船閘內海水入侵；

2）水下氣幕防咸效果與氣幕羽流強度有關；

3）經典Abraham 方法的結果偏保守，本文提出的半經驗公式與實際結果更吻合；

4）新的半經驗公式可為船閘氣幕防咸設計提供參考。