船閘充水過程中上游引航道非恒定流特性及通航水流條件研究

王恭興

摘 要：某船閘上游引航道在樞紐運(yùn)行初期和后期最低通航水位為135.0 m和145.0 m時(shí)，航道水深分別為5.0 m和6.0 m，均屬淺水限制性航道。雙線船閘灌水將導(dǎo)致引航道中發(fā)生復(fù)雜的非恒定流長波運(yùn)動，并影響船舶停泊和航行安全。本文研究的目的在于試驗(yàn)測定原設(shè)計(jì)布置和工況下長波運(yùn)動特性和船隊(duì)停泊、航行條件，針對波動特征值和纜力值，初步研究改善措施，為前期技術(shù)方案設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行管理提供參考。

關(guān)鍵詞：非恒定流;船閘;水流條件;措施

中圖分類號：TV135.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）32-0079-03

Study on Unsteady Flow Characteristics and Navigable Flow Conditions in Upstream Approach Channel During Filling Process of a Lock

WANG Gongxing

（Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited， Changsha Hunan 410014）

Abstract： When the lowest navigable water level is 135.0 m and 145.0 m， the water depth of the upstream approach channel of a ship lock is 5.0 m and 6.0 m respectively， which belong to shallow restricted channel， the long-wave motion of unsteady flow in the approach channel will be caused by the filling of double-line lock， which will affect the safety of ship berthing and navigation. The purpose of this paper is to test and determine the characteristics of long-wave motion and the conditions of Mooring and navigation of the fleet under the original arrangement and working conditions， it provides the reference for the early stage technical scheme design and the later stage operation management.

Keywords： unsteady flow;lock;flow condition;measure

在船閘建設(shè)及運(yùn)行過程中，船閘灌泄水將導(dǎo)致上下游引航道內(nèi)發(fā)生復(fù)雜的非恒定流長波運(yùn)動，引起水面波動、流態(tài)和流速等變化。該問題不僅影響船舶進(jìn)出引航道，還影響航行安全。本研究的目的在于通過模型試驗(yàn)測定原設(shè)計(jì)布置和工況下長波運(yùn)動特性和船隊(duì)停泊、航行條件，針對波動特征值和纜力值初步研究改善措施，以期為前期技術(shù)方案設(shè)計(jì)和后期運(yùn)行管理提供參考。

1 模型試驗(yàn)及試驗(yàn)成果

1.1 上游引航道概述

船閘上引航道全長2 113 m，在船閘右側(cè)設(shè)有全包隔流堤，堤長2 720 m。上引航道中心線在第一閘首前為930 m直線段，往上游接半徑為1 000 m、圓心角為42°的彎段，再接長450 m的直線段到上游口門區(qū)。上游口門和連接段航道從口門外往上游接530 m的直線段，再接半徑為1 200 m、圓心角為32°的彎段后，用切線與庫區(qū)航線相接[1]。口門區(qū)寬為220 m，初期設(shè)計(jì)底高程為130 m，后期清淤高程為139 m。

1.2 模型特點(diǎn)和測試手段

模型比例尺為1∶100，正態(tài)、定床，范圍包括一、二級雙線船閘、上游引航道和口門外700 m×700 m水域。為使進(jìn)水條件和初始波基本相似，一閘室輸水系統(tǒng)近似模擬八區(qū)段頂縫出水布置;為使波動傳播和反射、疊加相似，左岸溪溝地形模擬至150 m高程;為準(zhǔn)確校驗(yàn)恒定流流量系數(shù)，模型后設(shè)置量水堰;為穩(wěn)定上游水位，模型上游端部設(shè)置平水槽;為檢驗(yàn)船隊(duì)系纜力測量值，在船隊(duì)模型兩端設(shè)置水位計(jì)和升、降位移測量裝置，以計(jì)算水面比降和船隊(duì)縱傾[2]。9×1 000 t船隊(duì)模擬編隊(duì)形態(tài)、尺寸，排水量13 000 t。水面波動的定點(diǎn)水位過程線由DS-30動態(tài)水位儀測量;瞬間流速及變化過程采用HD-4電腦流速儀測量;船隊(duì)系纜力采用薄環(huán)電阻式纜繩拉力儀測量，并經(jīng)DS-30系統(tǒng)采集、處理數(shù)據(jù)和繪圖。

1.3 流量系數(shù)校驗(yàn)

輸水流量增率和最大流量是確定長波初始波面形態(tài)和最大波高的主要因素。為使原模波動特性相似，模型輸水過程應(yīng)盡量與原型接近。因此，模型的二閘室未模擬輸水系統(tǒng)，而利用二閘首下檢修門槽局部開啟阻力系數(shù)調(diào)整輸水系統(tǒng)總阻力系統(tǒng)，使閥門全開流量系數(shù)等于根據(jù)1∶30輸水系統(tǒng)整體模型試驗(yàn)得到的原型預(yù)測值μ=0.60（反弧門方案）。模型通過恒定流試驗(yàn)測得工作閥門全開時(shí)下游檢修門開度n與流量系數(shù)μ的相關(guān)曲線μ=f（n），據(jù)此確定μ=0.60對應(yīng)的下檢修門開度。

1.4 原設(shè)計(jì)后期145.00 m水位運(yùn)行試驗(yàn)成果

1.4.1 運(yùn)行條件。樞紐后期運(yùn)行的上游最低通航水位為145.00 m，五級船閘按四級運(yùn)行，一級船閘為通閘。閘室水位為145.00 m，二級閘室起始水位為124.25 m，水頭H為20.75 m。一、二閘首輸水閥門孔口尺寸分別為5.5 m×4.5 m和4.5 m×4.2 m（高×寬）。二閘首閥門開啟歷時(shí)t=1 min，后期運(yùn)行的引航道最小水深為6.0 m，相應(yīng)底高程為139.0 m，由拉沙或疏浚保持。從進(jìn)水口前坎高程130～139 m的連接，模型采用自上閘首前0+220 m起始，以i=0.05底坡在0+400 m處與平底相接。試驗(yàn)船隊(duì)停于左岸泊位，該處兩端均為溪溝，局部水流作用較大。

1.4.2 測試結(jié)果。停船段及彎道和口門直段的水力特征值見表1、表2，波動Zm取各段中的最大值。流速施測斷面分別位于停船段泊位中部、彎道的中部和距隔流堤堤頭240 m的口門端部。該處左側(cè)有斜流和小回流。根據(jù)t=1 min的流量過程線、波動過程線、流速分布圖和系纜力過程線，得到測試結(jié)果。

①雙閘室同時(shí)灌水（簡稱雙灌）的最大波高0.79 m，最大流速0.98 m/s，最大縱向系纜力221 kN，后橫向力44 kN，均不同程度地超過設(shè)計(jì)限值分別為波高0.5 m，流速0.8 m/s，縱向系纜力49 kN，橫向力30 kN。超過幅度尤以縱向力為甚，為允許力的4.5倍，即使單閘室灌水（簡稱單灌），縱向力亦達(dá)127 kN。另外，由實(shí)測船隊(duì)縱傾推算縱向力160 kN，鑒于計(jì)算值中未反映斷面變化對波動反射疊加影響和起始水深與吃水深之比、較小淺水效應(yīng)，在縱傾力中未反映船體表面摩阻等流速力，因此綜合判斷，試驗(yàn)實(shí)測值較為可信[3-5]。從縱向力過程線可見，峰值發(fā)生在最大流量附近，此時(shí)雙灌的流量增率在12.7～16.2 m/s，二者綜合作用，再加上淺水效應(yīng)、局部水流等因素影響，使縱向力峰值較大。

②為探索改善途徑，進(jìn)行了t=120 s和t=360 s工況下的試驗(yàn)。由表1和表2可以看出：t=120 s的波高和流速減小不甚明顯;t=360 s雙灌的系纜力已明顯減小，縱向力81 kN已較接近允許值，單灌縱向力49 kN已達(dá)允許值，輸水時(shí)間為829 s，超過T=720 s的要求。

③流速測量表明，原設(shè)計(jì)t=1 min運(yùn)行有較大的反向流速，但在據(jù)模采型集試時(shí)間8 min（相當(dāng)原型80 min）內(nèi)僅出現(xiàn)一次;斷面正向流速分布較均勻，反向流速則在一側(cè)近岸邊最大，但范圍較小;口門斷面左側(cè)出現(xiàn)斜向流速，其最大橫向分值為0.35 m/s。另外，停船泊位上游端溪溝向引航道內(nèi)補(bǔ)水時(shí)，船尾有較明顯橫流，這是船隊(duì)后橫向力較大的原因。

2 后期145.00 m水位運(yùn)行改善措施試驗(yàn)

2.1 改善措施一

采用三閘室補(bǔ)水運(yùn)行，降低二閘室灌水初始水頭。現(xiàn)設(shè)計(jì)四級運(yùn)行每級平均落差20.75 m，中間級水頭41.5 m。若后三級水位差仍按五級正常水位劃分運(yùn)行，即中間級水頭41.5 m，末級水頭22.6 m，則二閘室灌水的初始水頭可降至15.2 m，引航道中的波動特性和水流條件將會獲得改善，此運(yùn)行方式在三級船閘灌水時(shí)需進(jìn)行補(bǔ)水。該改善措施試驗(yàn)的水力特征值見表3。灌水時(shí)一閘首工作閥門全開，t=1 min時(shí)，輸水時(shí)間為598 s，較原設(shè)計(jì)運(yùn)行方式有縮短，但縱向系纜力仍超過允許值較多;而t=360 s時(shí)雙灌的縱向力67 kN已接近允許值;單灌縱向系纜力43 kN，低于限值;輸水時(shí)間為730 s，亦接近設(shè)計(jì)要求。

2.2 改善措施二

停船段底高程保持135.0 m，增加水深4.0 m。改善措施二的引航道底縱剖面設(shè)計(jì)為該高程135.0 m平段兩端分別以i=0.05坡度與前、后渠底連接。該措施試驗(yàn)的成果列于表3，t=1 min、t=2 min、t=6 min的輸水過程線與原設(shè)計(jì)相同。表列特征值表明，t=1 min雙灌的縱向力已較原設(shè)計(jì)減小一半，但仍超過限值;單灌縱向力64 kN已接近允許值。[tv]=2 min雙灌的縱向力86 kN，接近限值;單灌縱向力43 kN，低于限值;輸水時(shí)間748 s，接近設(shè)計(jì)要求。t=6 min雙灌的縱向力37 kN，低于限值;但輸水時(shí)間829 s超過設(shè)計(jì)要求較多。

3 結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)果表明，船閘上游引航道原設(shè)計(jì)后期145.00 m水位運(yùn)行單、雙閘室灌水的非恒定流波高、流速大多超過允許值，9×1 000 t船隊(duì)的縱向系纜力則顯著超過允許值。

采用改善措施一（145.00 m水位三閘室補(bǔ)水運(yùn)行，二閘室灌水初始水頭降為15.2 m）、改善措施二（保持停船段渠底高程135.0 m，該段航道水深4.0 m）和延長輸水閥門開啟時(shí)間，可不同程度地改善長波運(yùn)動特性和減小系纜力。若三者結(jié)合使用，效果更佳。據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析推測：對于后期145.00 m水位運(yùn)行，措施一、二聯(lián)合使用時(shí)，t=1 min單灌有可能使系纜力和輸水時(shí)間接近允許值，雙灌則需延長t;t為2～3 min時(shí)，系纜力輸水時(shí)間接近或略大于允許值;t=6 min時(shí)，輸水時(shí)間符合要求而系纜力稍有富裕。

現(xiàn)改善上游引航道中灌水非恒定流的通航水流條件涉及多種因素，如輸水時(shí)間要求、輸水閥門開啟速度和工作條件，需進(jìn)行綜合研究以確定改善措施。

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