歐陽彪，陳 亮，歐澤全，舒岳階，王召兵

(1.廣東省北江航道開發(fā)投資有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511500；2.重慶交通大學(xué)，重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016；3.重慶西科水運(yùn)工程咨詢中心，重慶 400016)

清遠(yuǎn)水利樞紐位于北江干流清遠(yuǎn)城區(qū)下游，石角鎮(zhèn)大燕河口上游約1.0 km處，壩址上距清遠(yuǎn)市區(qū)16 km，距飛來峽水利樞紐46.73 km；下距石角水文站4.8 km。工程開發(fā)任務(wù)以航運(yùn)和改善水環(huán)境為主，兼顧發(fā)電、灌溉、旅游、養(yǎng)殖和水資源配置等用途。

清遠(yuǎn)樞紐為北江最下游一級(jí)樞紐，目前已建成2座1 000噸級(jí)船閘。隨著北江運(yùn)量快速發(fā)展，該樞紐貨運(yùn)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于清遠(yuǎn)一線船閘通過能力，導(dǎo)致船舶擁堵嚴(yán)重，待閘船舶數(shù)平均為200多艘，平均待閘時(shí)間已達(dá)2～3 d。隨著北江航運(yùn)擴(kuò)能升級(jí)的開展，清遠(yuǎn)二線船閘已于2019年5月建成通航，新建二線船閘位于一線船閘右岸，閘室有效尺度為220 m×34 m×4.5 m(長(zhǎng)×寬×門檻水深)，設(shè)計(jì)水頭10.35 m，輸水系統(tǒng)采用側(cè)墻廊道側(cè)支孔+檻梁結(jié)合的消能工，設(shè)計(jì)代表船型為1 000噸級(jí)機(jī)駁，輸水系統(tǒng)特征尺寸見表1，船閘輸水系統(tǒng)布置見圖1。

表1 清遠(yuǎn)二線船閘輸水系統(tǒng)特征尺寸

圖1 二線船閘輸水系統(tǒng)布置(尺寸：mm；高程：m)

二線船閘前期曾開展過輸水系統(tǒng)水力學(xué)模型試驗(yàn)研究[1]，試驗(yàn)推薦閘室采用檻梁結(jié)合形式的新型消能工，為驗(yàn)證原模差異，確定原型運(yùn)行方式，2019年4月對(duì)二線船閘進(jìn)行了有水觀測(cè)及實(shí)船試驗(yàn)[2]，通過原型觀測(cè)和船閘調(diào)試，船閘性能可達(dá)到較佳狀態(tài)，保證過閘船舶及船閘設(shè)備的安全[3-4]。

1 觀測(cè)方法

2019年4月北江汛期期間進(jìn)行原型觀測(cè)，并未觀測(cè)到船閘最不利運(yùn)行水頭工況，觀測(cè)水頭分別為5.49、7.22、8.20 m，對(duì)閥門雙邊連續(xù)運(yùn)行多種工況進(jìn)行了觀測(cè)。實(shí)船試驗(yàn)采用1 000噸級(jí)空載和實(shí)載兩種船型，空載船型為52.80 m×11.48 m×2.72 m(長(zhǎng)×寬×滿載吃水)；實(shí)載船型為：49.90 m×9.94 m×2.70 m。

主要觀測(cè)參數(shù)[5-6]包括：水位、流速、流態(tài)、系纜力、船舶的縱傾和橫搖等。用水位傳感器記錄水位變化過程，布設(shè)在二線上游進(jìn)水口、閘室、下游引航道及一線船閘下游人字門門后；用多普勒超聲流速儀測(cè)量一線上引航道靠船墩處流速變化；用纜繩拉力計(jì)測(cè)量船舶系纜力；用相機(jī)記錄流態(tài)等。

2 進(jìn)出水口及閘室充水過程流態(tài)觀測(cè)

在上游水位10.81 m、下游水位3.88 m、閥門325 s勻速雙邊開啟工況下，對(duì)閘室灌、泄水過程進(jìn)行流態(tài)觀測(cè)。二線船閘進(jìn)水口布置于引航道兩側(cè)導(dǎo)墻上，采用垂直多支孔形式，在上游進(jìn)水口處觀測(cè)到閘室灌水過程無串通漏斗漩渦，水面平穩(wěn)，輸水過程最大跌水為17 cm，隨著充水流量的減小，上游水位很快恢復(fù)至充水之前。

二線船閘采用閘墻長(zhǎng)廊道側(cè)支孔輸水系統(tǒng)+檻梁結(jié)合式消能工，在整個(gè)灌泄水過程中閘室流態(tài)較好，未見明顯的縱、橫向流，未觀察到漩渦、泡漩等不良水流，閘室水面平靜，水面平穩(wěn)上升(下降)，閘室停泊條件好。

下引航道出水口消能采用頂部、側(cè)面格柵聯(lián)合出水的布置形式，消能室內(nèi)設(shè)3道不對(duì)稱挑流坎以調(diào)整格柵出水孔水流流量分配，使下泄水流在下引航道內(nèi)均勻擴(kuò)散。在閘室泄水過程中，格柵頂部水出流均勻，下泄水流出消能工后，迅速均勻擴(kuò)散。整個(gè)泄水過程中下游引航道內(nèi)水面波動(dòng)小、未觀測(cè)到泡漩、剪刀水和大漩渦等不良流態(tài)，格柵頂部最大水位壅高為29 cm，出下引航道擴(kuò)散段后水位壅高在20 cm以內(nèi)，未見水面有明顯波動(dòng)。

3 閘室充泄水水力特性觀測(cè)

原型觀測(cè)了2種水位組合，組合1：上游水位10.81 m、下游水位5.32 m、水頭5.49 m；組合2：上游水位11.10 m、下游水位3.88 m、水頭7.22 m。輸水主要特征值見表2，典型水力特性曲線見圖2。

表2 船閘非恒定流水力特性參數(shù)

圖2 典型水力特性曲線

由表2、圖2可以看出，在閥門雙邊tv=325 s充水工況下，閘室輸水時(shí)間分別為423、497 s，最大瞬時(shí)流量分別為167、218 m3/s，輸水廊道瞬時(shí)最大平均流速分別為3.71、4.84 m/s；在閥門雙邊tv=315 s泄水工況下，閘室泄水時(shí)間分別為432、502 s，最大泄水瞬時(shí)流量分別為155、192 m3/s，泄水廊道瞬時(shí)最大平均流速為3.44、4.27 m/s。以上數(shù)據(jù)表明，船閘在觀測(cè)工況下的閘閥門啟閉時(shí)間及閘室充、泄水時(shí)間滿足設(shè)計(jì)要求；廊道的最大平均流速遠(yuǎn)小于規(guī)范最大允許值15 m/s，說明閘室充泄水不會(huì)造成廊道混凝土破壞。

此外，充泄水過程超灌、超泄值分別為36、34 cm，該值與船閘水力學(xué)模型測(cè)得的超灌、超泄值相當(dāng)，兩者均大于船閘規(guī)范最大允許值25 cm。二線船閘閥門啟閉方式為平時(shí)動(dòng)水開啟，靜水閉門，應(yīng)急時(shí)采用動(dòng)水閉門，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮平時(shí)動(dòng)水閉門，因此本次觀測(cè)未進(jìn)行提前關(guān)閉輸水閥門的動(dòng)水調(diào)試。對(duì)于超灌、超泄，本次調(diào)試采用平水開啟人字門方式，即測(cè)量水位平壓時(shí)，立即泄壓打開人字門，對(duì)于平水開啟人字門，超灌、超泄值有所減小，分別為28、27 cm，盡管大于規(guī)范值，但可避免人字門活塞桿受反向壓力過大，并有效減小啟門力，保證船閘啟閉設(shè)備的安全，建議在船閘運(yùn)行管理時(shí)，采用平水開門的運(yùn)行方案來減小超灌、超泄值。

4 二線船閘灌泄水對(duì)一線船閘的影響分析

4.1 水位分析

一線船閘下游水位測(cè)點(diǎn)布置在下引航道靠近一線現(xiàn)有人字門處；二線船閘上游水位測(cè)點(diǎn)布置在上游右岸進(jìn)水口附近；閘室水位測(cè)點(diǎn)布置在右岸靠下閘首相對(duì)靜水區(qū)域；二線下引航道測(cè)點(diǎn)布置在下游格柵出口以外約20 m處。在上游水位11.10 m，下游水位3.88 m，閥門tv≈6 min勻速開啟工況下，實(shí)測(cè)二線船閘充水時(shí)一線船閘上引航道水位最大跌落11 cm，二線船閘進(jìn)口處最大跌落17 cm，隨著流量的減小，跌落值逐漸回升；實(shí)測(cè)二線船閘泄水時(shí)，一線船閘下引航道靠下閘首(人字門附近)最大水位壅高為16 cm，二線船閘下游出口處最大水位壅高29 cm，出擴(kuò)散段后，二線引航道內(nèi)水位壅高基本在20 cm以內(nèi)，壅高值和跌落值均在規(guī)范范圍內(nèi)，見圖3。如在最不利水位組合下，一、二線船閘間的相互影響將進(jìn)一步增大，因此，除加強(qiáng)最不利水位組合下一、二線船閘間相互影響的觀測(cè)外，應(yīng)考慮一、二線船閘的聯(lián)合調(diào)度，統(tǒng)一管理，盡量避免同時(shí)、同向運(yùn)行和引航道內(nèi)水位及流速的疊加，影響下游靠泊船舶安全。

圖3 二線船閘泄水時(shí)一、二線船閘下引航道內(nèi)水位變化過程線

4.2 流速分析

一、二線船閘共用部分上下游引航道，一線船閘采用獨(dú)立靠船墩，二線建成后，一線靠船墩處于共用引航道中心線附近，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，二線船閘灌水時(shí)，一線船閘靠船墩側(cè)橫流較大，對(duì)一線進(jìn)閘船舶有一定影響，因此本次原觀采用2種手段重點(diǎn)對(duì)二線船閘充泄水時(shí)上下游引航道內(nèi)流速進(jìn)行測(cè)量，第一種為多普勒超聲流速儀(ADV)，主要對(duì)二線充水時(shí)上引航道內(nèi)個(gè)別點(diǎn)流速進(jìn)行三維流速測(cè)量；第二種為無人機(jī)大范圍表面流場(chǎng)儀，主要對(duì)二線充水時(shí)引航道內(nèi)局部區(qū)域表面流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。上游流速觀測(cè)工況：上游水位11.00 m，下游水位2.80 m，水頭8.20 m，閥門tv≈6 min雙邊勻速開啟；下游流速觀測(cè)工況：上游水位11.10 m，下游水位3.88 m，水頭7.22 m，閥門tv≈6 min雙邊勻速開啟。上引航道流速測(cè)點(diǎn)布置見圖4。二線船閘充水時(shí)一線船閘上游靠船墩處流速過程線見圖5。

圖4 船閘上引航道流速測(cè)點(diǎn)布置

圖5 二線船閘充水時(shí)一線船閘上游靠船墩處流速過程線

上游單點(diǎn)流速實(shí)測(cè)結(jié)果表明：二線船閘充水過程中，一線船閘上游第1個(gè)靠船墩位置最大橫向流速為0.172 m/s，最大縱向流速0.181 m/s，最大垂向流速為0.05 m/s，最大縱、橫向流速出現(xiàn)時(shí)間均為360 s左右，即閥門雙邊全開時(shí)；一線船閘上游第3個(gè)靠船墩位置最大橫向流速為0.126 m/s，最大縱向流速0.316 m/s，最大垂向流速為-0.074 m/s，最大縱、橫向流速出現(xiàn)時(shí)間也為360 s左右，即閥門雙邊全開時(shí)。

上游實(shí)測(cè)流場(chǎng)表明，在雙邊開啟n=0.5開度，二線左岸副導(dǎo)墻頂部位置最大流速為0.3 m/s，從副導(dǎo)墻頂至上游第2個(gè)靠船墩段平均流速約為0.2 m/s，流向基本為橫向；在雙邊開啟n=0.8開度，二線左岸副導(dǎo)墻頂部至第1個(gè)靠船墩處位置，最大流速為0.31 m/s，從副導(dǎo)墻頂至上游第2個(gè)靠船墩段平均流速約為0.25 m/s，水流與縱向夾角有所減小，但有明顯斜流，第1個(gè)靠船墩附近最大橫向流速約0.22 m/s。

一、二線船閘均布置于右岸，電站位于左岸，觀測(cè)當(dāng)天泄洪閘未開閘，僅電站發(fā)電。根據(jù)《清遠(yuǎn)樞紐設(shè)計(jì)報(bào)告及清遠(yuǎn)整體模型試驗(yàn)報(bào)告》，當(dāng)流量Q≤1 102.8 m3/s時(shí)，電站發(fā)電，泄水閘關(guān)閉，流量在900 m3/s左右。下游實(shí)測(cè)流場(chǎng)結(jié)果表明：上引航道口門區(qū)附近流速均在0.2 m/s以下，下引航道口門區(qū)(北江大堤下游140 m左右)附近測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)測(cè)最大縱向流速0.48 m/s，最大橫向流速0.168 m/s(測(cè)量范圍：順?biāo)鞣较?00 m，垂直于水流方向380 m)，實(shí)測(cè)流速當(dāng)天并未觀測(cè)到回流，二線船閘引航道停泊段基本無流速，一、二線船閘引航道口門區(qū)通航水流條件較好，滿足規(guī)范要求的口門區(qū)縱向流速小于2.0 m/s、橫向流速小于0.3 m/s、回流小于0.4 m/s。

綜上所述，在二線船閘充水過程中，一線上游停泊段1#、2#靠船墩處及導(dǎo)航墻至靠船墩之間水域，局部水流速度略超《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的允許值[7]。清遠(yuǎn)船閘設(shè)計(jì)最大工作水頭為10.35 m，水位組合為上游10.81 m，下游0.46 m。實(shí)測(cè)流速時(shí)，上游水位為11.00 m，上游淹沒水深與最不利水位組合時(shí)相差不大，下游水位為2.8 m，較下游最低通航水位0.46 m高2.34 m。待最不利水位組合時(shí)，二線船閘灌水時(shí)最大瞬時(shí)流量將有所增大，上引航道內(nèi)流速也將有所增大，但增量較小。因此二線建成運(yùn)行后，改變了一線船閘邊界條件，二線船閘充水時(shí)，一線船閘側(cè)不應(yīng)安排船舶進(jìn)閘，且前3個(gè)靠船墩不應(yīng)在此時(shí)安排上游來船靠泊。

5 實(shí)船試驗(yàn)

實(shí)測(cè)了空載和載重2種工況在2種水位組合下的情況，見表3。

表3 實(shí)船試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)工況及內(nèi)容

按照實(shí)船試航要求選定代表性的試驗(yàn)用船，采用專用船舶姿態(tài)采集器測(cè)量船舶縱橫傾變化，該采集器集成高精度陀螺儀、加速度計(jì)、地磁場(chǎng)傳感器，采用高性能微處理器、先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)解算與卡爾曼動(dòng)態(tài)濾波算法，能夠快速求解出模塊當(dāng)前的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，其靜態(tài)精度≤0.05°，動(dòng)態(tài)精度≤0.1°。

船舶的安全航行是由駕乘人員來保證的，把人員所能忍受的船舶橫搖衡準(zhǔn)作為保證船舶在船閘及引航道內(nèi)安全通行的橫搖值具有一定的參考價(jià)值。

實(shí)測(cè)兩種船型橫搖和縱傾值均遠(yuǎn)小于《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》和《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)》要求值，實(shí)測(cè)兩種船型最大橫搖值為1.12°、最大縱傾值為0.41°，且均發(fā)生在進(jìn)閘或靠泊時(shí)，輸水過程基本上無橫搖、縱傾，說明輸水過程閘室水面平穩(wěn)，無明顯縱橫比降和局部不良流態(tài)，見表4。船舶在引航道及閘室內(nèi)航速基本在1.5 kn內(nèi)，最大舵角均在20°以內(nèi)，最大舵角發(fā)生在調(diào)整船舶姿態(tài)的停泊段進(jìn)閘段。

表4 實(shí)測(cè)船舶縱傾、橫搖最大值

實(shí)測(cè)充水過程系纜力過程線見圖6。系纜力測(cè)量時(shí)，纜繩拉力計(jì)一端與直徑26 mm、掛在浮式系船柱上的鋼纜連接，另一段與船上纜繩連接。26 mm鋼纜破斷力為426.5 kN，遠(yuǎn)大于規(guī)范允許的系纜力。船舶?？亢?，系緊纜繩，使其基本處于拉緊狀態(tài)，測(cè)量過程未對(duì)纜繩進(jìn)行調(diào)整。實(shí)測(cè)1 000噸級(jí)貨船(空載情況)船舶最大系纜力，充水過程為3.54 kN，泄水過程為2.80 kN。實(shí)測(cè)1 000噸級(jí)集裝箱船(載重情況)船舶最大系纜力，充水過程為4.80 kN，泄水過程為4.20 kN。船舶停于上引航道停泊段，充水過程最大系纜力為6.10 kN；船閘灌泄水過程，船舶停于下引航道停泊段，泄水過程最大系纜力為7.10 kN。上述數(shù)據(jù)說明，船舶系纜力遠(yuǎn)小于規(guī)范值32.00 kN，考慮此次實(shí)船試驗(yàn)并非最不利水位組合工況，且試驗(yàn)船舶未滿載，實(shí)際運(yùn)行后，如遇最不利水位組合和船舶滿載情況，船舶停于閘室灌泄水過程系纜力將有所增大，但此次測(cè)量系纜力富余較大，由此推測(cè)，即使以后遇最不利情況，船舶系纜力仍在規(guī)范允許范圍內(nèi)，船閘輸水條件較好。值得注意的是，上下游人字門在開啟時(shí)，閘室超灌、超泄引起的縱向水流會(huì)導(dǎo)致纜繩受力陡增，但實(shí)測(cè)值仍只有規(guī)范允許值的約1/3。

圖6 載重船舶停于閘室尾部充水過程系纜力過程線

6 原型和模型對(duì)比分析

由于原型觀測(cè)時(shí)上、下游水位組合與模型試驗(yàn)時(shí)不同，且模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)為船舶受力，與原型纜繩拉力有所差異，因此，本文只對(duì)閥門全開時(shí)刻船閘流量系數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，原型和模型流量系數(shù)對(duì)比見表5。

表5 原型、模型阻力系數(shù)和流量系數(shù)

流量系數(shù)不受閥門開啟時(shí)間及水位組合的影響，對(duì)前期模型試驗(yàn)與原型觀測(cè)成果進(jìn)行比較可知，原型較模型流量均有所增大，充水流量系數(shù)增大9.1%，泄水流量系數(shù)增大8.3%。此外物理模型試驗(yàn)推薦tv=6 min充水工況，實(shí)測(cè)1 000噸級(jí)船舶最大縱向系纜力6.40 kN，最大橫向系纜力為7.20 kN，原型觀測(cè)實(shí)測(cè)最大系纜力為4.80 kN，雖水頭和試驗(yàn)船舶有所差異，但在原型流量系數(shù)有所增大的情況下，原型實(shí)測(cè)系纜力較模型所測(cè)船舶受力仍偏小，由此可見，模型試驗(yàn)所測(cè)船舶受力和原型實(shí)測(cè)系纜力仍存在一定的差異，值得進(jìn)一步探索。

7 結(jié)語

1)在觀測(cè)水位組合下，船閘灌泄水各項(xiàng)水力指標(biāo)均滿足規(guī)范要求，超灌、超泄值超過規(guī)范值，可采取平水開啟人字門的措施解決。

2)二線船閘灌泄水時(shí)，一、二線船閘上下游引航道內(nèi)水位變化均較小；一線灌泄水時(shí)，另外一線人字門處反向水頭較小，影響較小。

3)由于一、二線船閘布置特點(diǎn)，二線船閘建成后，二線船閘上游左側(cè)進(jìn)水口離一線船閘停泊段較近，二線船閘灌水時(shí)，一線船閘停泊段1#、2#測(cè)點(diǎn)(靠近上閘首)橫向流速超過規(guī)范允許值0.15 m/s。因此，二線船閘充水時(shí)，一線船閘上游不應(yīng)安排船舶進(jìn)閘，且前3個(gè)靠船墩不應(yīng)在此時(shí)安排上游來船靠泊，兩線船閘應(yīng)加強(qiáng)聯(lián)合調(diào)度。

4)實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果表明，在現(xiàn)有運(yùn)行方式下，實(shí)測(cè)船舶上下行船舶縱傾、橫搖值均較小，船舶停于閘室及上、下游引航道系纜力均較小，停泊條件好，滿足規(guī)范要求。

5)經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比可知，原型充泄水流量系數(shù)較模型增大約8%～9%。