三角門船閘開通閘運(yùn)行條件試驗(yàn)研究

吳 騰，朱瑞虎，丁 堅(jiān)

（河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

三角門船閘開通閘運(yùn)行條件試驗(yàn)研究

吳 騰，朱瑞虎，丁 堅(jiān)

（河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098）

文章建立了三角門船閘物理模型，通過物理模型試驗(yàn)研究了開通閘運(yùn)行時(shí)閘室、引航道的水動(dòng)力條件以及閘門啟閉機(jī)的受力。在此基礎(chǔ)上，提出了開通閘運(yùn)行的判別方法，確定了該船閘宜進(jìn)行開通閘運(yùn)行的臨界上下游水位差。研究結(jié)果表明，不同來流條件下，當(dāng)上下游水位差處于-0.35～0.37 m，且不超過設(shè)計(jì)水位時(shí)，閘室和引航道主流波動(dòng)較小，流速對(duì)開通閘運(yùn)行影響不大，且船閘啟閉機(jī)受力不超過設(shè)計(jì)值，焦港船閘可進(jìn)行開通閘運(yùn)用。

感潮河段；船閘；開通閘；運(yùn)行條件；模型試驗(yàn)

南通船閘位于連申線南通段，可通行千噸級(jí)駁船船隊(duì)，是江蘇省規(guī)劃高等級(jí)航道“兩縱四橫”的縱向通道［1］。焦港船閘下游引航道受長江潮汐漲落的影響，與上游內(nèi)河水位差是動(dòng)態(tài)變化的，在不同水位季節(jié)，船閘上下游將出現(xiàn)零水位差情況，并隨潮位變化過程逐漸增減，在該過程中可利用上下游平水時(shí)段將上下閘門同時(shí)開啟，船舶直接通行，可大大提高通過能力。由于一次通閘可運(yùn)行數(shù)十分鐘至數(shù)小時(shí)，通閘船舶通過能力可達(dá)套閘的10倍以上，效果十分顯著。但開通閘過程中，過水流量很大、水面寬，橫流回流等都可能產(chǎn)生［2-4］，對(duì)船行安全十分不利，必須監(jiān)控動(dòng)態(tài)水流；并且受動(dòng)水作用，閘門啟閉機(jī)受力增大，威脅閘門的安全開關(guān)。目前，開通閘運(yùn)行雖有多年成功經(jīng)驗(yàn)，但都停留在經(jīng)驗(yàn)管理的水平上，容易受外界因素影響，安全性不穩(wěn)定［5-7］。為此，進(jìn)行試驗(yàn)研究，提供開閘水頭差與流速、流態(tài)、啟閉機(jī)受力的關(guān)系對(duì)開通閘安全運(yùn)行十分必要。

1 模型的設(shè)計(jì)

開通閘過程中，閘門受力增大，同時(shí)閘門附近流態(tài)受影響較大，故本次試驗(yàn)的研究范圍為船閘上游引航道至下游引航道河段。模型控制采用河海大學(xué)研制的自動(dòng)集中控制設(shè)備及軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)測船閘及尾門處水位以及重點(diǎn)區(qū)域的流速和閘門的受力。根據(jù)開通閘運(yùn)行試驗(yàn)研究的目的，重力作用是主要的，要求模擬重力相似，故模型應(yīng)采用正態(tài)模型。并根據(jù)模型場地的條件，模型幾何比尺采用25。根據(jù)模型相似條件［8-9］可計(jì)算得到其他比尺，如表1所示，模型如圖1所示。

表1 模型主要比尺Tab.1 Main similarity scale of model

圖1 試驗(yàn)測點(diǎn)分布圖Fig.1 Model sketch and measuring points distribution

2 模型驗(yàn)證

為了保證模型流速與原形相似，在下閘首上、下游選定兩個(gè)固定點(diǎn)（1#、2#測點(diǎn)，如圖1所示）進(jìn)行流速驗(yàn)證以及閘門啟閉機(jī)受力驗(yàn)證。其中1#測點(diǎn)選在閘室，其水位可代表上游水位；2#測點(diǎn)選在下閘首下游，其水位可代表上游水位。本次驗(yàn)證的條件為：（1）上游水位2.48 m，下閘首下游水位（以下簡稱下游水位）2.59 m，關(guān)下游閘門；（2）上游水位2.05 m，下游水位1.68 m，開下游閘門。圖2和圖3分別為兩種條件下流速以及啟閉機(jī)受力驗(yàn)證。由圖可知，試驗(yàn)值與實(shí)測值符合較好，滿足規(guī)范要求，可采用該模型進(jìn)行工程方案的試驗(yàn)研究。

圖2 上游水位2.48 m下游水位2.59 m時(shí)流速、啟閉機(jī)受力驗(yàn)證Fig.2 Verification results of velocity and stress on hoist under setting condition 1

圖3 上游水位2.05 m下游水位1.68 m時(shí)流速、閉機(jī)受力驗(yàn)證Fig.3 Verification results of velocity and stress on hoist under setting condition 2

3 三角門船閘開通閘試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)特征水位和船閘運(yùn)行中可能出現(xiàn)的不利組合情況，上游分別選定設(shè)計(jì)高（3.71 m）、低（0.96 m）兩組水位，下游采用典型潮位過程。潮位過程線如圖4與圖5，分別為洪水年洪季大潮過程線和洪水年中水大潮過程線，圖中均包含最高和最低潮位。

圖4 洪水年洪水大潮潮位過程線Fig.4 Tidal level hydrograph of flood spring tide in flood year

圖5 洪水年中水大潮潮位過程線Fig.5 Tidal level hydrograph of median water in flood year

3.2 流態(tài)試驗(yàn)結(jié)果

表2為上游水位3.71 m開關(guān)閘門時(shí)引航道流態(tài)。洪水年洪水大潮漲條件下（洪洪大漲），上下游水位差為1.0 m和0.8 m時(shí)，開閘后主流波動(dòng)較大，且存在回流，不利于船舶航行；上下游水位差為0.5 m時(shí)，主流波動(dòng)較小，開關(guān)門時(shí)，落潮（洪洪大落）流態(tài)與漲潮流態(tài)較為相似，水流條件基本能滿足船舶航行要求。

表3為上游水位0.96 m時(shí)引航道流態(tài)。洪水大潮漲落潮時(shí)，當(dāng)下游水位大于上游水位時(shí)，水流由下游流向上游，水流較為平順；洪水年中水大潮漲落潮時(shí)，當(dāng)上游水位大于下游水位時(shí)，水位差小于0.5 m條件下，水流平順，流態(tài)較好。

表2 上游水位3.71 m時(shí)引航道流態(tài)Tab.2 Flow regime of approach channel at upper water level of 3.71 m

3.3 流速試驗(yàn)結(jié)果

本次試驗(yàn)中共布置4個(gè)典型流速測點(diǎn)（圖1），除前面提及的1#測點(diǎn)和2#測點(diǎn)外，3#、4#測點(diǎn)分別位于下引航道。表4和表5分別為上游水位3.71 m和0.96 m時(shí)開閘門過程中以及閘門全開后各測點(diǎn)中的實(shí)測最大流速。由表可知，開閘門過程中，測點(diǎn)最大流速均大于0.5 m/s，即大于規(guī)范中規(guī)定的制動(dòng)段和停泊段的水面最大流速縱向不應(yīng)大于0.5 m/s的限制，此時(shí)船舶不宜航行。當(dāng)閘門全開后，上下游的水位差迅速減小，對(duì)應(yīng)的流速也減小較快。其中，上下游水位差絕對(duì)值為0.5 m時(shí)，各測點(diǎn)最大流速處于0.5 m/s附近。故開通閘運(yùn)行可在一定的水頭差條件下，等閘門全開后開始運(yùn)行。

表3 上游水位0.96 m時(shí)引航道流態(tài)Tab.3 Flow regime of approach channel at upper water level of 0.96 m

表4 上游水位3.71 m時(shí)測點(diǎn)最大流速Tab.4 The maximum velocity of measuring points at upper water level of 3.71 m m/s

3.4 受力試驗(yàn)結(jié)果

分別開展上游高水位和低水位與兩種潮型組合的閘門啟閉機(jī)受力試驗(yàn)。當(dāng)上游水位控制3.71 m，下游采用洪水年洪季大潮漲落潮過程線進(jìn)行控制時(shí)。在上游水位比下游水位高1.0 m、0.8 m條件下，開門時(shí)啟閉機(jī)受力不大，關(guān)門時(shí)啟閉機(jī)最大受力均超過300 kN；當(dāng)上游水位比下游水位高0.5 m時(shí)，開關(guān)門啟閉機(jī)最大受力均未超過300 kN。當(dāng)洪水年洪季大潮，同時(shí)上游采用低水位0.96 m控制時(shí)，漲落潮條件下，水位差-0.7 m開門時(shí)啟閉機(jī)最大受力超過300 kN，水位差為0.4 m、0.3 m、-0.3 m、-0.4 m，閘門啟閉機(jī)受力均小于300 kN。當(dāng)洪水年中水大潮上游水位采用0.96 m控制，漲潮期間水位差為-0.6 m開門時(shí)，啟閉機(jī)受力為312 kN，超過設(shè)計(jì)值，水位差為0.4 m、0.3 m、-0.4 m時(shí)最大受力均能滿足要求。落潮期間，水位差為0.6 m關(guān)門和-0.6 m開門時(shí)，啟閉機(jī)受力超過最大值。

表5 上游水位0.96 m時(shí)測點(diǎn)最大流速Tab.5 The maximum velocity of measuring points at upper water level of 0.96 m m/s

4 開通閘運(yùn)行臨界條件判別分析

本文試驗(yàn)中三角門閘門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)受力需小于300 kN，引航道制動(dòng)段和停泊段的水面最大流速縱向不應(yīng)大于0.5 m/s。故可根據(jù)實(shí)際情況考慮一定的安全系數(shù)，采用啟閉機(jī)受力和閘門全開后的縱向最大流速作為能進(jìn)行開通閘運(yùn)行的判別條件，同時(shí)考慮流態(tài)的影響（本文上下游水位差應(yīng)小于0.5 m）。本次計(jì)算取安全系數(shù)ξ為1.2，則判別條件如下

（1）上游水位3.71 m時(shí)開通閘運(yùn)行臨界水位差。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立1#、2#水位測點(diǎn)開關(guān)門時(shí)刻的水位差與啟閉機(jī)受力、最大流速間的關(guān)系。圖8-a為上游水位3.71 m時(shí)洪水年洪水期大潮漲潮啟閉機(jī)受力，圖中關(guān)門啟閉機(jī)受力大于開門情況，故關(guān)門為該條件下最不利情況，關(guān)門時(shí)受力與水位差關(guān)系為

圖8-b為上游水位3.71 m時(shí)洪水年洪水期大潮漲潮閘室和引航道最大流速，開關(guān)門時(shí)兩者流速相差不大，其中關(guān)門時(shí)最大流速與水位差的關(guān)系為

式中：x為水位差，m；F為啟閉機(jī)受力，kN；U為流速，m/s。要滿足式（1）和式（2）中的條件，綜合考慮受力和流速極限值，該條件下能進(jìn)行開關(guān)閘門的臨界水位差絕對(duì)值為0.47 m。

圖8 上游水位3.71 m漲潮時(shí)水位差與啟閉機(jī)受力、最大流速間的關(guān)系Fig.8 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 3.71 m with spring tide flux in flood year

圖9 上游水位3.71 m落潮時(shí)水位差與啟閉機(jī)受力、最大流速間的關(guān)系Fig.9 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 3.71 m with spring tide reflux in flood year

圖9-a為上游水位3.71 m時(shí)洪水年洪水期大潮落潮時(shí)水位差與啟閉機(jī)受力關(guān)系圖，圖中關(guān)門時(shí)受力大于開門時(shí)受力，關(guān)門為啟閉機(jī)受力的不利條件，通過擬合，啟閉機(jī)受力與水位差關(guān)系為

圖9-b為上游水位3.71 m時(shí)洪水年洪水期大潮落潮閘室最大流速，關(guān)門流速大于開門時(shí)流速，關(guān)門時(shí)最大流速與水位的關(guān)系為

綜合求解，最大綜合臨界水位差絕對(duì)值為0.39 m。

（2）上游水0.96 m時(shí)開通閘運(yùn)行臨界水位差。

圖10-a為上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮漲潮啟閉機(jī)受力，開門時(shí)受力與水位差關(guān)系為

可求得臨界水位差為-0.37 m。

圖10-b為上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮漲潮閘室最大流速，關(guān)系式為

該條件下能進(jìn)行開關(guān)門的臨界水位差為-0.36 m。綜合兩者，臨界水位差為-0.36 m。

圖11-a為上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮開門啟閉機(jī)受力，擬合關(guān)系式為

圖10 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮漲潮時(shí)水位差與啟閉機(jī)受力、最大流速間的關(guān)系Fig.10 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 0.96 m with spring tide flux in flood year

圖11 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮時(shí)水位差與啟閉機(jī)受力、最大流速間的關(guān)系Fig.11 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 0.96 m with spring tide reflux in flood year

圖12 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮漲潮時(shí)水位差與啟閉機(jī)受力、最大流速間的關(guān)系Fig.12 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 0.96 m with median spring tide flux in flood year

上式解得臨界水位差為-0.35 m。

圖11-b為上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮閘室最大流速

臨界值為-0.42 m。綜合比較，上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮開關(guān)門臨界水位差為-0.35 m。

圖12-a為上游水位0.96 m洪水年中水期大潮漲潮啟閉機(jī)受力，開、關(guān)門時(shí)關(guān)系式為

兩者解分別為-0.41 m和0.51 m。開關(guān)門臨界值取-0.41m。

圖12-b為上游水位0.96 m洪水年中水期大潮漲潮閘室最大流速，最不利情況為關(guān)門時(shí)，逆向和正向水位差與流速的關(guān)系式分別為

U=-1.05x+0.01 （逆向水位差）

U=1.05x-0.03 （正向水位差）

求解分別為-0.39 m和0.43 m。綜合受力和流速，該條件能開通閘運(yùn)行的極限水位差為-0.39～0.43 m。

圖13-a為上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮啟閉機(jī)受力，關(guān)系式為

不等式解為-0.39 m和0.43 m。

圖13-b為上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮閘室最大流速，水位差與流速關(guān)系式為

解分別為-0.4 m和0.37 m。綜合流速和受力，臨界水位差為-0.39～0.37 m。

（3）開通閘的綜合臨界水位差。

綜合上述高水位和低水位兩種情況，得到綜合的開通閘運(yùn)行臨界條件，如表6所示。表中臨界水位差為1#與2#測點(diǎn)開門前時(shí)刻的水位差，上游水位高時(shí)水位差為正值，反之為負(fù)值，表中水位均為85國家基準(zhǔn)面。由表可知本文試驗(yàn)所得到開通閘的臨界條件為-0.35～0.37 m，且上下游的水位應(yīng)在設(shè)計(jì)低水位0.96 m和設(shè)計(jì)高水位3.71 m之間，若超出該范圍禁止通航。

圖13 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮時(shí)水位差與啟閉機(jī)受力、最大流速間的關(guān)系Fig.13 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 0.96 m with median spring tide reflux in flood year

表6 開通閘臨界水位差Tab.6 Critical water?head for Jiaogang ship lock running as an open channel

5 結(jié)論

（1）上游水位控制3.71 m，洪水年長江洪季大潮漲落潮時(shí)，上游水位比下游水位高1.0 m、0.8 m條件下，主流波動(dòng)較大，且存在明顯回流，不利于開通閘；當(dāng)上游水位比下游水位高0.5 m時(shí)，主流波動(dòng)較小。上游水位0.96 m，洪水年長江洪季大潮漲落潮時(shí)，水流均由下游流向上游，水流較為平順。上游水位0.96 m，洪水年長江中季大潮上游水位0.96 m漲潮時(shí)，上游水位大于下游水位條件下，開關(guān)閘門時(shí)主流易產(chǎn)生波動(dòng)。

（2）試驗(yàn)得出的該三角門船閘宜進(jìn)行開通閘運(yùn)行的臨界條件為：1#與2#測點(diǎn)開門前時(shí)刻的水位差處于-0.35～0.37 m，且上下游的水位應(yīng)控制在設(shè)計(jì)低水位0.96 m和設(shè)計(jì)高水位3.71 m之間。

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Experimental study on critical conditions of Jiaogang ship lock running as an open channel

WU Teng,ZHU Rui?hu,DING Jian
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China）

A physical model of Jiaogang ship lock was established in this paper,and the flow condition in lock chamber and approach channel was studied by the model.On this basis,a new method to confirm the critical condi?tions of ship lock running as an open channel was put forward.And the experiment results indicate that the main flow oscillates less and stress on hoist does not exceed the designed value when the water level difference between upstream and downstream is between-0.35 meter and 0.37 meter.Under the critical water level conditions,the Jiao?gang ship lock sluice gate can be hoisted safely.

tidal reach;ship lock;ship lock running as an open channel;running conditions;physical model

U 641.1

A

1005-8443（2014）03-0247-07