朱瑞虎,吳 騰,丁 堅

(1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098)

開通閘條件下船閘安全運行試驗

朱瑞虎1,2,吳 騰1,2,丁 堅1,2

(1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.河海大學港口海岸與近海工程學院,江蘇 南京 210098)

采用物理模型試驗對船閘開通閘的安全運行條件進行研究,給出不同上下游潮位差條件下閘室及引航道區(qū)域的水流流態(tài)、流速和啟閉機受力規(guī)律,并根據試驗結果建立不同潮位差與最大縱向流速的關系式,提出開通閘安全運行條件的確定方法。該方法以上下游潮位差為控制條件,以流態(tài)、最大橫向流速、最大縱向流速、最大啟閉機受力作為船閘開通閘安全運行的判別指標,綜合確定開通閘安全運行的潮位差條件;焦港船閘的實例應用表明,其開通閘運行安全條件為上下游潮位差處于-0.37～0.39 m之間。

船閘;開通閘;物理模型試驗;流態(tài);閘門啟閉力;流速;焦港船閘

船閘是抬高潮位、改善航道通航條件的重要工程,其運行原理是通過控制上下游閘門的開關時間,改變閘室的潮位,使閘室潮位與上游或下游相同,進而船舶能通過閘室進入上游或下游。通常船閘在運行過程中,上下游閘門僅開啟一座。在此狀態(tài)下船閘上下游水體不連通,水體不會直接流向下游,閘室和引航道的流速也較小。在船閘的常規(guī)運行過程中,閘室的灌水、泄水、閘門的開啟、關閉均需要較長時間,導致船舶通過船閘的總時間較長,降低了船閘的效率。對于感潮河段,河道潮位受漲落潮影響,具有周期性變化規(guī)律,感潮河段的船閘上下游潮位可能呈現相平的情況。由船閘的運行原理可知,當這種狀態(tài)持續(xù)的時間較長時,可以同時開啟上下游閘門,使船舶直接從上游運行到下游,或者從下游運行到上游[1-3],這種上下游閘門全開的狀態(tài)稱之為開通閘。船閘開通閘時,船舶可以直接通航,極大降低了船舶的過閘時間,提高了船舶的過閘效率。但開通閘也會存在一定的風險,如:當下游潮位變化較為迅速時,開通閘過程中下游潮位下降較多,使閘室和引航道縱向流速和回流過大,導致船舶事故發(fā)生[4];當上下游潮位差較大時,閘門也有可能存在難以關閉的危險。許多學者對開通閘安全運行條件進行了研究[5-6],給出了開通閘安全運行的條件,但并未系統給出開通閘安全運行條件的確定方法,也未涉及橫向流速。筆者以焦港船閘為原型對開通閘過程中的安全條件進行定量分析,提出開通閘安全運行條件的確定方法,并以焦港船閘為例研究三角門船閘開通閘安全運行的臨界條件。

1 模型建立與驗證

1.1工程概況

焦港船閘位于南通市境內,船閘節(jié)制閘以下航道屬感潮河段。受長江潮汐影響,潮位具有明顯的潮位特征,潮型為不規(guī)則半日潮,根據閘下水文站1950—2006年潮位資料統計,年最高潮位4.3 m(1965年7月30日),年最低潮位-0.78 m(1963年1月20日)[7]。

1.2模型設計

為保證上下游不同潮位差條件下船閘閘室和引航道水流流態(tài)相似,采用正態(tài)物理模型進行模擬。根據物理模型試驗的試驗場地條件、最小水深以及水流雷諾數約束條件,綜合選取水平比尺為25[8-9]。根據模型相似律,可以得到其他的比尺條件。垂向比尺λH=25，流速比尺λu=5，糙率比尺λ=1.71，流量比尺λQ=3 125，時間比尺λt=5，受力比尺λF=15 625。

1.3模型范圍與測點布置

圖1 流速測點分布Fig.1 Measuring points distribution of flow velocity

試驗模型范圍為上引航道、上閘首、閘室、下閘首和下引航道,模型長30 m。試驗布置2個閘門啟閉機力測試點,1號和2號測點分別位于下閘首左、右閘門啟閉機推拉桿上,采用應變式力學傳感器連接動態(tài)采集儀進行測試。圖1為試驗流速測點布置,試驗布置2個測流點、3個測流斷面:1號測點位于閘室中,2號測點位于下游喇叭口附近,1～3號測流斷面位于下引航道,每個測流斷面布置5個測點,各點流速采用旋槳式流速儀測定[10-12];在極低流速狀態(tài)下,在水面放置流標,分別記錄流標運行的距離與時間,通過計算得到流速。上下游潮位采用尾門控制,自動跟蹤上下游潮位,沿程布置自動潮位測針。試驗過程中上閘門始終保持開啟,進行下閘門的啟閉試驗,模擬下閘門開啟過程和關閉過程中啟閉機的受力、閘室和引航道的流速和流態(tài)。

圖2 開閘門時流速驗證Fig.2 Verification of flow velocity at the time of opening ship lock

1.4模型驗證

為了保證模型流速與原形相似,開展開、關閘門時的水流驗證試驗。根據實測資料驗證不同條件下閘室的1號測點和下閘首喇叭口處2號測點的流速。

1.4.1 開閘門時流速驗證

驗證條件:閘室潮位2.4 m,下游潮位2.7 m,逐漸開啟下游閘門,測量開閘門過程1號測點和2號測點流速隨時間的變化,驗證結果如圖2所示。由圖2可知,初始階段開閘門時,由于閘門開度較小,進入到閘室內的流量較小,故上下游的流速均較小;隨著閘門開度的逐漸增大,通過閘門的流量也逐漸增大,故1號測點和2號測點的流速逐漸增大,在流速-時間曲線上表現為逐漸增大的趨勢。圖2中的模擬值與實測值較為接近,說明該模型能模擬閘門開啟時的水流變化規(guī)律。

圖3 關閘門時流速驗證Fig.3 Verification of flow velocity at the time of closing ship lock

圖4 啟閉機受力驗證Fig.4 Verification of the hoist force

1.4.2 關閘門時流速驗證

閘室潮位2.48 m,下游潮位2.59 m,關閉下游閘門,測量定點流速,驗證結果如圖3所示。由于下游潮位高,水流由下游流向閘室。初始狀態(tài)為閘門全開,在該水頭差下流量最大,故測點的流速達到最大;關門時,相當于減小了進口口門寬度,流速減小,故流量也隨之減小,到閘門關閉時流速已趨近于零，模擬值與實測值較為接近,能滿足模擬精度。

1.4.3 啟閉機受力驗證

圖4為開閘門和關閘門條件下啟閉機受力的驗證,可看出啟閉機受力實測值和模擬值較為接近,因此本文建立的物理模型能滿足啟閉機的受力相似[13-16]。

2 開通閘安全運行試驗

2.1試驗條件

為研究開通閘的水流條件,上游分別選定高(3.71 m)、中(1.64 m)、低(0.96 m)3 `組潮位,下游選取典型的洪水年潮位過程作為試驗條件。根據文獻[7]的資料,1999年為典型的洪水年,該年中最高潮位在洪季7月3日(洪水年洪水期大潮),為3.59 m;最低潮位在中水期4月6日(洪水年洪水期中潮),為-0.88 m。將上述兩天的潮位過程作為下游的控制條件。

2.2引航道流態(tài)與最大橫向流速

流態(tài)是判別航道通航條件的重要指標。為分析下游漲落潮過程對開通閘的影響,開展不同條件下的流態(tài)試驗研究,表1為典型條件下閘室和引航道流態(tài)。由表1可以看出,不同潮位條件下開閘門、關閘門時流態(tài)基本相同,開門過程和關門過程對流態(tài)影響不大。相對而言,上下游的潮位差對閘室和引航道的流態(tài)影響較大(上下游潮位差用Δz表示,為上游潮位減去下游潮位)。當上游潮位小于下游潮位時,Δz為負值,水流由下引航道流向閘室,此時引航道和閘室內的流態(tài)均較為穩(wěn)定,無回流產生,利于船舶通航。當上游潮位大于下游潮位時,Δz為正值,水流由閘室流向下引航道,在喇叭口附近均會產生回流,不利于船舶通航,僅在Δz小于0.4 m時流態(tài)較為平順。

2.3閘室和引航道最大流速

a. 上游高潮位時閘室和引航道最大流速。上游潮位3.71 m時,各測點中1號測點開關門時流速最大。Δz=1 m時,1號測點開門時最大流速為2.12 m/s,關門時最大流速為2.37 m/s;Δz=-1 m時, 1號測點關門時最大流速為2.44 m/s,其他測點流速均小于2 m/s。

b. 上游中潮位時閘室和引航道最大流速。上游潮位1.64 m時,1～3號測流斷面流速呈逐漸減小趨勢,其中1號測點流速最大。洪水年洪水期大潮漲潮時,Δz為0.8 m、-0.6 m、-1.2 m時1號測點流速大于2 m/s;洪水期大潮落潮時,潮差-0.6 m、-1.2 m時1號測點流速大于2 m/s;洪水年中水大潮漲潮時,Δz=1 m時1號測點開門時流速為2.14 m/s,超過2 m/s,不利于船舶的運行。

表1 洪水年洪水期大潮漲潮時段引航道流態(tài)

c. 上游低潮位時閘室和引航道最大流速。上游潮位0.96 m時測量各測點的最大流速,試驗Δz范圍為-1.0～0 m。Δz=-1 m時1號測點開關門最大流速均大于2 m/s,不利于船舶航行;Δz為-0.3 m、-0.4 m、-0.5 m時測點最大流速均小于2 m/s。

2.4啟閉機最大受力分析

研究對象啟閉機的設計最大受力為300 kN,當試驗得到的啟閉機受力大于該值時,表明啟閉機處于不安全狀態(tài)。表2為不同條件下啟閉機最大受力。由表2可看出，上游潮位為3.71 m、Δz=0.8 m時,漲潮時段和落潮時段啟閉機最大受力均超過300 kN,不利于開通閘;當上游潮位比下游潮位高0.5 m時,開關門啟閉機最大受力均未超過300 kN。上游潮位控制1.64 m、Δz=0.4 m時漲落潮條件下開關門受力均未超過極限值,當Δz=0.6 m時關門條件下啟閉機受力大于300 kN,超過設計極限值。上游潮位0.96 m時,洪水年長江洪水期大潮漲落潮時,Δz=-0.7 m開門時啟閉機最大受力分別為311 kN和380 kN,超過設計值,不宜進行開關門,Δz=-0.5 m時閘門啟閉機受力均小于300 kN。洪水年中水期大潮漲落潮時段Δz在-0.4～0.4 m間閘門啟閉機受力均小于300 kN。

表2 不同條件下啟閉機最大受力

3 開通閘安全運行條件的確定

3.1開通閘安全運行條件的確定方法

船閘開通閘過程中,船閘功能完全類似于航道,故需要滿足一般航道的水流條件:流態(tài)、流速的限制。此外,閘門關閉過程中啟閉機要滿足最大受力的限制,因此可以采用閘室和引航道流態(tài)條件、流速最大值控制條件以及啟閉機最大受力控制條件作為確定三角門船閘開通閘安全運行的判別條件。綜合3組判別條件的結果,即可得到開通閘的安全運行條件。

3.2焦港船閘安全運行條件的確定

3.2.1 流態(tài)條件及橫向流速

采用下閘首附近上下游潮位差Δz作為判別焦港船閘的安全運行的條件。根據表1可知:Δz小于0.4 m時閘室和引航道流態(tài)較為平順,不產生回流。

JTT 305—2001《船閘總體設計規(guī)范》[17]要求引航道內橫向流速不宜大于0.3 m/s,考慮開通閘過程中其他因素的影響,本文取安全折減系數η=0.8,則允許的最大橫向流速為

vmax=ηv=0.24 m/s

(1)

式中:v——實測橫向流速。

由表1可知,Δz小于0.4 m時最大橫向流速能滿足通航要求。綜合考慮流態(tài)條件和流速條件:

Δz<0.4 m

(2)

3.2.2 流速條件

開通閘過程中船舶可直接從下游運行到上游,也可直接從上游運行到下游,此時船閘的閘室和引航道體現一般航道的功能,所以最大流速的控制與航道內的要求相同,根據規(guī)范要求,引航道內縱向最大流速不宜大于2 m/s。同樣考慮η=0.8,則允許的最大縱向流速為

Umax=ηU=0.8×2=1.6 m/s

(3)

式中:U——實測縱向流速。

圖5為上游潮位1.64 m時洪水年洪水期大潮落潮時最大縱向流速隨Δz的變化,由圖5可知開關門時Δz絕對值越大則流速越大,最大縱向流速與逆向潮位差、正向潮位差的關系分別為

Umax=-2.33Δz2-5.01Δz-0.03≤1.6

(4)

Umax=6.33Δz2-2.33Δz+1.19≤1.6

(5)

分別求解式(4)和式(5),可得逆向、正向開關門時的臨界潮位差。

圖5 上游潮位1.64 m時洪水年洪水期大潮落潮最大流速Fig.5 The maximum flow velocity of the spring tide ebb during flood period in flood year at a headwater level of 1.64 m

同理,可以得到其他條件下Δz與流速的關系式。綜合試驗結果,可以得到焦港船閘開通閘的安全條件為-0.37 m<Δz<0.39 m。

3.2.3 啟閉機受力條件

由表2可知不同條件下,漲落潮時段潮差在-0.4～0.4 m間閘門啟閉機受力均小于300 kN,則由受力限制指標得到的臨界潮位條件為-0.4 m<Δz<0.4 m。

綜上,可以得到焦港船閘開通閘運行安全條件為-0.37 m<Δz<0.39 m。

4 結 論

a. 船閘開通閘安全運行條件研究宜采用正態(tài)物理模型試驗,試驗過程中應重點關注閘門附近的水流流態(tài)、最大縱向流速和閘門啟閉機受力。

b. 可采用物理模型試驗的結果建立潮位差與最大縱向流速的關系,并根據規(guī)范中最大流速的要求,求解得到滿足水流要求的安全運行條件。

c. 采用流態(tài)條件、流速最大值控制條件以及啟閉機受力最大值控制條件作為確定船閘開通閘安全運行條件的方法是合理的。

d. 焦港船閘的安全運行條件為上下游潮位差處于-0.37～0.39 m之間。

[ 1 ] 瞿劍鈞.利用潮汐開放通閘提高船閘通過能力[J].水運工程,2001(1):37-38.(QU Jianjun.Utilizing the tide to open lock and improve shiplock capacity[J].Port & Waterway Engineering,2001(1):37-38.(in Chinese))

[ 2 ] 鈕新強,童迪.三峽船閘關鍵技術研究[J].水力發(fā)電學報,2009,28(6): 36-42.(NIU Xinqiang,TONG Di.Research on the key technologies of Three Gorges shiplocks[J].Journal of Hydroelectric Engineering,2009,28(6):36-42.(in Chinese))

[ 3 ] 劉洪波,韓平.閘門水力特性綜述[J].南水北調與水利科技,2005(2):56-58.(LIU Hongbo,HAN Ping.Summarization of hydraulic characteristic of the sluice gate[J].South-to-North Water Tromsfersomd and Water Science & Technology,2005(2):56-58.(in Chinese))

[ 4 ] 張燎軍,傅作新,張貴壽.閘墻變位對三峽人字門安全運行影響研究[J].河海大學學報(自然科學版),2000,28(4): 97-100.(ZHANG Liaojun,FU Zuoxin,ZHANG Guishou.Effect of lock-wall deformation on the performance of the miter gates of the Three Gorges Project [J].Journal of Hohai University(Natural Scineces),2000,28(4):97-100.(in Chinese))

[ 5 ] 吳騰,蔡守軍,丁堅,等.感潮河段三角門船閘啟閉機受力試驗分析[J].水運工程,2014(1): 146-152.(WU Teng,CAI Shoujun,DING Jian,et al.Experimental study on force of sluice gate hoist for tidal reach[J].Port & Waterway Engineering,2014(1): 146-152.(in Chinese))

[ 6 ] 丁堅,宋荔欽.焦港船閘開通閘適航水力條件研究[J].水道港口,2014,35(6):613-617.(DING Jian,SONG Liqin.Study on hydraulic condition of Jiaogang ship lock at the time of locks opening[J].Journal of Waterway and Harbor,2014,35(6):613-617.(in Chinese))

[ 7 ] 吳騰,朱瑞虎,丁堅.三角門船閘開通閘運行條件試驗研究[J].水道港口,2014,35(3):247-253.(WU Teng,ZHU Ruihu,DING Jian.Experimental study on critical conditions of Jiaogang ship lock running as an open channel[J].Journal of Waterway and Harbor,2014,35(3):247-253.(in Chinese))

[ 8 ] 伍志元,蔣昌波,陳杰,等.泄水閘開啟方式對通航水流條件的影響[J].水利水電科技進展,2016,36(3): 73-82.(WU Zhiyuan,JIANG Changbo,CHEN Jie,et al.Influence of sluice gate opening mode on navigation flow condition [J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2016,36(3): 73-82.(in Chinese))

[ 9 ] 于守兵,王萬戰(zhàn),余欣.基于非結構網格的三維淺水模型[J].河海大學學報(自然科學版),2011,39(2):195-200.(YU Shoubing,WANG Wanzhan,YU Xin.3-D shallow water model based on unstructured grids[J].Journal of Hohai University(Natural Scineces),2011,39(2):195-200.(in Chinese))

[10] 馬小雪,楊軍,曾春芬,等.江蘇沿海四港感潮河段非汛期水沙運動特點初探[J].人民長江,2014,45(19): 9-12.(MA Xiaoxue,YANG Jun,ZENG Chunfen,et al.Preliminary study on flow and sediment transport characteristic of tidal reaches of four coastal channels in Jiangsu Province in non-flood period[J].Yangtze River,2014,45(19): 9-12.(in Chinese))

[11] 姜楚,趙建鈞,辜晉德.青田水利樞紐通航水流條件試驗研究[J].水利水運工程學報,2014(2):74-80.(JIANG Chu,ZHAO Jianjun,GU Jinde.Experimental studies on flow condition for navigation of Qingtian Hydroproject located at Oujiang River[J].Hydro-Science and Engineering,2014(2):74-80.(in Chinese))

[12] SEO I W,CHEONG T S.Predicting longitudinal dispersion coefficient in natural streams [J].Journal of Hydraulic Engineering,1998,124(1):25-32.

[13] 魏文煒.三峽永久船閘重點啟閉設備設計研究[J].機械工程學報,2001,37(12):79-82.(WEI Wenwei.The design of the major foist equipment of the TGP’s permanent shiplocks [J].Journal of Mechanical Engineering,2001,37(12):79-82.(in Chinese))

[14]龔瑜,陸倩,嚴飛，等.新洋港閘下港道適宜斷面與平衡流量[J].水利水電科技進展,2015,35(4): 59-64.(GONG Yu,LU Qian,YAN Fei,et al.Study on appropriate section and balanced flow of channel downstream the Xinyanggang Sluice[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2015,35(4):59-64.(in Chinese))

[15]冒劉燕,余向陽,成虎.基于維修事件信息的船閘可靠性分析[J].河海大學學報(自然科學版),2017,45(2):175-181.(MAO Liuyan,YU Xiangyang,CHANG Hu.Waterway lock reliability analysis based on maintenance event information[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2017,45(2):175-181.(in Chinese))

[16] 李一兵,江詩群,李富萍.船閘引航道口門外連接段通航水流條件標準[J].水道港口,2004,25(4):179-184.(LI Yibing,JIANG Shiqun,LI Fuping.On standard of flow conditions for navigation in transitional reach outside entrance [J].Journal of Waterway and Harbour,2004,25(4):179-184.(in Chinese))

[17] 中交水運規(guī)劃設計院.船閘總體設計規(guī)范:JTJ 305—2001[S].?？冢耗虾３霭嫔纾?001.

Experimentalstudyonthesafeoperationofshiplockrunningasanopenchannel

ZHURuihu1,2,WUTeng1,2,DINGJian1,2

(1.KeyLaboratoryofCoastalDisasterandDefence，MinistryofEducation，HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2．CollegeofHarbour，CoastalandOffshoreEngineering，HohaiUniversity，Nanjing210098,China)

In this paper, physical modelling tests are performed to study the safe operation of the ship lock running as an open channel, in which the flow regime, flow velocity and hoist force at different tide levels of the upstream and downstream are modelled for the lock chamber and approach channel region. Based on the test results, the relationship between tide level difference and the maximum longitudinal velocity is established. Moreover, a method is proposed to determine the safe operation conditions of the open ship lock, in which the tide level difference between the upstream and downstream is taken as the control condition, and the flow regime, the maximum transverse flow velocity, the maximum longitudinal flow velocity and the maximum hoist force are taken as judging indexes. The tide level difference is thus determined for the safe operation of the ship lock by combining all these judging indexes. The case study for the Jiaogang ship lock shows that, a tide level difference of -0.37 m to 0.39 m between upstream and downstream is requested to ensure its safe operation.

ship lock; ship lock running as an open channel; physical model test; flow regime; hoist force of the lock gate; flow velocity; Jiaogang ship lock

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.011

2016-04-14

國家重點研發(fā)計劃(2016YFC0402506);國家自然科學基金(51409080)

朱瑞虎(1983—),男,河北衡水人,實驗師,博士研究生,主要從事港航工程試驗研究。E-mail:85562314@qq.com

U641.1

A

1000-1980(2017)05-0445-06