客運(yùn)船閘游客過閘等待時(shí)間的計(jì)算分析

客運(yùn)船閘游客過閘等待時(shí)間的計(jì)算分析

王巧紅

(杭州市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310016)

摘要：船閘的通過能力是船閘工程的一項(xiàng)重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，杭州市勝利河船閘作為旅游用客運(yùn)船閘，對(duì)游客過閘等待時(shí)間提出了較高的要求.船閘設(shè)計(jì)人員根據(jù)初定的游客過閘等候時(shí)間目標(biāo)，將其分解到船閘運(yùn)行的各個(gè)步驟，由此反推輸水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)選定的輸水系統(tǒng)型式進(jìn)行閘室灌泄水時(shí)間計(jì)算和閘門啟閉設(shè)備的選型，進(jìn)行船閘工作門啟閉時(shí)間的計(jì)算等.實(shí)際運(yùn)行證明，該方法達(dá)到了預(yù)定設(shè)計(jì)目標(biāo).

關(guān)鍵詞：客運(yùn)船閘；輸水系統(tǒng)；閘室灌泄水；閘門啟閉設(shè)備

中圖分類號(hào)：U641文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2014-12-12

作者簡介：王巧紅(1969-)，女，浙江麗水人，高級(jí)工程師，從事水利工程設(shè)計(jì)工作.

Calculation and Analysis on Passenger Ship Lockage Waiting

WANG Qiao-hong

(Hangzhou Water Conservancy Planning and Design Institute, Hangzhou 310016, China)

Abstract:The lock trafficability is an important technical and economic index of lock engineering. A lock in Hangzhou works as a tourist spot with a higher requirement for tourists lockage waiting time. Design personnel split it into each step of the lock operation according to the initial goal of visitors lockage waiting time, and made the structural parameters of the conveyance system. Therefore, the selection and calculation of gate hoist equipment and chamber filling and releasing time are conducted according to the selected water conveyance system, which is proved to meet the design object established in advance. The practical running shows that, the method is correct and feasible, achieved the design target.

Key words:passenger ship lock; water conveyance system; lock filling and releasing time; gate hoist

1概述

船閘的通過能力是船閘最綜合的一項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通常用設(shè)計(jì)水平年內(nèi)各期的過閘船舶總載重噸位、過閘貨運(yùn)量兩項(xiàng)指標(biāo)表示.該指標(biāo)根據(jù)一次過閘平均噸位、一次過閘時(shí)間、船閘日工作小時(shí)數(shù)、日過閘次數(shù)、年通航天數(shù)和運(yùn)量不均衡系數(shù)等要素計(jì)算得到[1].

影響船閘通過能力的因素很多，其中最主要的是內(nèi)部因素，即設(shè)計(jì)確定的技術(shù)條件，如船閘的設(shè)計(jì)水頭，閘室的充排水時(shí)間，船閘工作門的形式和啟閉時(shí)間，閘室的有效尺度、引航道的尺寸和布置、交通管理控制系統(tǒng)等，幾乎包括了船閘的全部技術(shù)參數(shù)，是衡量船閘工程設(shè)計(jì)是否先進(jìn)合理的一個(gè)綜合性指標(biāo).

杭州市勝利河船閘作為客運(yùn)旅游用船閘，日過閘船只數(shù)量不多，用單位時(shí)間內(nèi)過閘船舶總載重噸位和過閘貨運(yùn)量表示其通過能力不切實(shí)際.設(shè)計(jì)時(shí)考慮到游客過閘等候時(shí)的心情，應(yīng)盡量縮短過閘時(shí)間，因此在確定船閘的設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，游客一次閘過等待時(shí)間是設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，根據(jù)相關(guān)調(diào)查資料，我們擬定了一個(gè)游客過閘等待時(shí)間不大于10 min的設(shè)計(jì)目標(biāo)，將其分解到船閘運(yùn)行的各個(gè)步驟中，由此反推船閘輸水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行閘門啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)選型.

2工程概況

勝利河船閘工程位于勝利河?xùn)|端,上塘河和勝利河交界處，是杭州市2008年國慶推出的三條水上黃金旅游線路之一運(yùn)河至上塘河旅游線路的一個(gè)節(jié)點(diǎn).地形條件使得上塘河水系與運(yùn)河水系有1.1～2.68 m的水位差，上塘河與和運(yùn)河之間要通航，必須建克服河流集中水位差的過船建筑物——船閘.

勝利河船閘工程所在河道東西走向，河道順直，工程由沿河布置的上、下游引航道，上、下閘首，閘室，輸水廊道，工作橋，上、下閘首工作門，輸水閥門、啟閉設(shè)備和船閘監(jiān)控系統(tǒng)組成.船閘上、下閘首的兩側(cè)，輸水廊道上方布置設(shè)備間，船閘的東北方布置管理房.

整個(gè)工程的布置情況(見圖1).

圖1　勝利河船閘平面布置圖

2.1船閘規(guī)模

根據(jù)要求，船閘的設(shè)計(jì)規(guī)模按一次通過兩條48人水上巴士或4艘20人的水上巴士確定.48人水上巴士總長23 m，型寬4.2 m,20人的水上巴士總長12.8 m，型寬2.98 m.根據(jù)《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的規(guī)定，經(jīng)計(jì)算確定船閘閘室有效尺度為35 m，閘首口門和閘室的有效寬度為12 m.

2.2設(shè)計(jì)水位

根據(jù)《杭州市河道交通航運(yùn)規(guī)劃》，勝利河為七級(jí)航道.按《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，勝利河船閘設(shè)計(jì)等級(jí)為Ⅶ級(jí)，相應(yīng)設(shè)計(jì)最大船舶噸位為50 t級(jí)，船閘設(shè)計(jì)水位(見表1).

表1　勝利河船閘工程設(shè)計(jì)水位

3勝利河船閘游客一次過閘等待時(shí)間的確定

《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]規(guī)定的“一次過閘時(shí)間”指的是船舶過閘時(shí)，船閘完成一次循環(huán)運(yùn)行操作所需要的時(shí)間.對(duì)于單級(jí)單向船閘，以船只從下游駛向上游為例，假設(shè)此時(shí)閘室水位與下游水位齊平，下閘首工作門已打開，船閘的完整操作過程和所需的時(shí)間為：

(1)船舶從下游進(jìn)入閘室時(shí)間t1；

(2)關(guān)閉下閘首工作門時(shí)間t2；

(3)開啟上閘首輸水廊道閥門，閘室充水時(shí)間t3；

(4)閘室與上游水位齊平，打開上閘首工作門時(shí)間t4；

(5)船舶駛出閘室進(jìn)入上游時(shí)間t5；

(6)關(guān)閉上閘首工作門時(shí)間t2；

(7)開啟下閘首輸水廊道閥門，閘室排水時(shí)間t3；

(8)閘室與下游水位齊平，打開下閘首工作門時(shí)間t4.

運(yùn)行過程中閘室的充水和排水時(shí)間會(huì)略有差別，但差別不大，可以近似認(rèn)為相等.對(duì)游客而言，過閘過程中船只不動(dòng)的時(shí)間才是等待時(shí)間，故等待時(shí)間T=t2+t3+t4.根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)T不大于10min并盡可能小的要求，我們將其分解為t2不大于2min，t3不大于6min，t4不大于2min的設(shè)計(jì)目標(biāo).

3.1根據(jù)擬定的閘室充水時(shí)間確定船閘輸水系統(tǒng)參數(shù)

3.1.1船閘輸水系統(tǒng)的選擇

船閘輸水系統(tǒng)是完成閘室充排水操作的主要結(jié)構(gòu)，由進(jìn)水口，輸水廊道、輸水閥門、出水口和消能設(shè)施組成.船閘輸水系統(tǒng)可分為集中輸水系統(tǒng)和分散輸水系統(tǒng)，輸水系統(tǒng)的選擇可由下式進(jìn)行判別[3]：

式中：m—判別系數(shù)；

H—設(shè)計(jì)水頭m，取上游最高通航水位與下游最低通航水位之差，本工程為2.68m；

T—閘室充水時(shí)間min，采用t3目標(biāo)時(shí)間6min.

計(jì)算得m=3.67，根據(jù)規(guī)范要求，m>3.5時(shí)，采用集中輸水系統(tǒng).集中輸水系統(tǒng)分為短廊道輸水，直接利用門縫輸水和組合式輸水，本工程根據(jù)建筑物布置情況采用短廊道輸水.

3.1.2輸水閥門處廊道斷面面積估算

根據(jù)《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范JTJ306-2001》[3]，輸水閥門處廊道斷面面積由給定的輸水時(shí)間和閥門全開時(shí)的輸水系統(tǒng)流量系數(shù)按下式計(jì)算：

式中：ω—輸水閥門處廊道斷面面積m2；

H—設(shè)計(jì)水頭m；

T—閘室灌水時(shí)間，取360s；

μ—閘門全開時(shí)的輸水系統(tǒng)流量系數(shù)，可取0.6～0.8；

α—系數(shù)，充水閥采用銳緣平面閘門，流量系數(shù)取為0.56；

kv—系數(shù)，可取0.6～0.8；

g—重力加速度，m2/s.

經(jīng)計(jì)算所需的輸水閥門處斷面積為2.76 m2.工程在閘室左右兩側(cè)各布置一個(gè)輸水廊道，單側(cè)閥門孔口尺寸1.5 m×1.0 m(寬×高)，輸水閥門處廊道斷面總面積約為3.0 m2.

3.1.3閘室灌泄水時(shí)間計(jì)算

輸水廊道采用截面尺寸為1.5 m×1.0 m(寬×高)的等截面矩形，輸水閥門采用鑄鐵插板門，啟閉設(shè)施采用容量為5 t的手電兩用螺桿式啟閉機(jī)，初定啟門速度約為5 mm/s，閘門全開操作時(shí)間約為200 s.

根據(jù)水量平衡原理[4]，閘室水位與充水流量的關(guān)系方程為：

(1)

式中：Q(t)—t瞬時(shí)的廊道輸水流量;

A—閘室的水域面積;

dH(t)—瞬時(shí)t閘室的水位變化值.

根據(jù)連續(xù)性原理[4]，閘室水位與上游引航道水位的伯努力方程為[1]：

(2)

式中：Vi—輸水廊道第i段的流速；

Hi—輸水廊道第i段的損失；

Li—輸水廊道第i段的長度.

輸水廊道斷面較閘室斷面和上游引航道斷面小很多，故V上和V室可以忽略不計(jì)，輸水廊道各段的損失也可以換算成閥門處廊道斷面流速水頭進(jìn)行計(jì)算.對(duì)于短輸水廊道，慣性水頭也可以忽略不計(jì)，最終得到簡化方程為：

式中：Ht—為上游航道和閘室的水位差;

μt—綜合流量系數(shù).根據(jù)各處的損失系數(shù)計(jì)算得到，在充水閥門開啟階段為時(shí)間t的函數(shù)，在充水閥完全打開后為一常數(shù).

將輸水廊道閥門處的流速V用流量Q(t)來表示，則有：

(3)

由于上游引航道的水位可以認(rèn)為是基本不變的，故Ht的變化規(guī)律與閘室的水位H(t)變化一致，對(duì)于式(3)可以改寫成如下的式子：

(4)

實(shí)際計(jì)算時(shí)，以Δt=10s為間隔，先進(jìn)行開啟過程中不同開度時(shí)閥門局部阻力系數(shù)計(jì)算，然后根據(jù)輸水廊道的結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合流量系數(shù)μt的計(jì)算，將μt代入式(3),得到Q(t)，再將計(jì)算得到的Q(t)值代入(式4)求得H(t+Δt),逐步求解得到以10s為間隔的閘室的動(dòng)態(tài)充水水力特性表，直至H(t+Δt)-H(t)小于0.1m，認(rèn)為閘室的充排水過程結(jié)束.

計(jì)算結(jié)果表明，勝利河船閘在輸水廊道閥門開啟290 s后，閘室與上游引航道水位差小于0.1 m，可以開啟船閘工作門.在充水過程中，最大流量發(fā)生在閥門開啟150 s后，此時(shí)閘室與上游引航道最大水位差為1.686 m，最大流量為9.2 m3/s，輸水廊道中的最大平均流速為3.067 m/s.

由于輸水廊道采用等截面矩形，廊道進(jìn)口處斷面最大平均流速與閥門處的最大平均流速相同，即不大于4.0 m/s，可以滿足規(guī)范要求.因此,本工程輸水廊道的尺寸選取是合理可行的.

經(jīng)計(jì)算，對(duì)選定的輸水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式，閘室充水所需的最長時(shí)間為4.83 min，即t3=290 s.

3.2上、下閘首工作門啟閉時(shí)間的確定

勝利河船閘工程上、下閘首工作門為對(duì)開式人字門，人字閘門的啟閉設(shè)備為兩臺(tái)單吊點(diǎn)臥式液壓啟閉機(jī)，采用分散的液壓泵站布置形式，每臺(tái)配單獨(dú)的油箱與閥組.根據(jù)閘門的布置和啟閉力的計(jì)算，確定液壓啟閉機(jī)型號(hào)為QRWY-400/160-2.0-2，啟門力400 kN，閉門力160 kN，設(shè)計(jì)最大行程2.0 m,實(shí)際工作行程L=1.8 m.

臥式油缸負(fù)荷小，行程大，采用過高工作壓力會(huì)使缸徑和活塞桿相對(duì)較小，但可能影響油缸的穩(wěn)定運(yùn)行.初定油缸有桿腔的工作壓力13.8 MPa，無桿腔的工作壓力為8.2 MPa，則工作油缸活塞開口端受力面積按下式計(jì)算[7]：

式中：Fmax—液壓啟閉機(jī)最大啟門力,N;

P1—油缸啟門工作壓力，N/m2;

η—油缸機(jī)械效率，初定為0.95.

由此反推油缸內(nèi)徑：

初選油缸內(nèi)徑D1為250 mm，活塞桿直徑D2為160 mm，經(jīng)計(jì)算啟門時(shí)油缸工作有效面積A1=0.028 98m2，閉門時(shí)油缸工作有效面積A2=0.049 09m2.初定工作油泵采用手動(dòng)變量柱塞泵，額定流量為63L/min，整定后的工作流量為q=50L/min,則開門時(shí)液壓桿運(yùn)動(dòng)速度：

啟門時(shí)間：T4=L/V1=1.8 m/1.725(m/min)=1.043 min=62.58 s

閉門時(shí)液壓桿運(yùn)動(dòng)速度：

閉門時(shí)間：T2=L/V2=1.8 m/1.02(m/min)=1.764 min=104.76 s

3.3勝利河船閘過閘等待時(shí)間計(jì)算

根據(jù)以上計(jì)算可知，根據(jù)選定的輸水系統(tǒng)參數(shù)和人字門液壓啟閉機(jī)型式，勝利河船閘過閘等待時(shí)間如下：

關(guān)閉下閘首工作門時(shí)間t2=1.043 min，<2min；

開啟上閘首充水廊道工作門，閘室灌水，時(shí)間t3=4min 50s,<6 min；

閘室與上游水位差<0.1m，打開上閘首工作門，時(shí)間t4=1.764 min，<2 min；

理論等候時(shí)間為T=t2+t3+t4=107.76+62.58+290=460.34s=7.67min,滿足設(shè)計(jì)要求.

由于勝利河船閘工作門為人字門，兩扇門葉由兩臺(tái)獨(dú)立的臥式液壓啟閉機(jī)控制啟閉，為保證兩扇門葉關(guān)閉后形成三鉸拱，其閉門過程如下：首先左右兩扇門葉同時(shí)關(guān)閉，在離全關(guān)位還有5°的行程停止，該位置稱為等待位，等到兩扇門葉都到等待位后，延時(shí)5s，兩扇門葉再同時(shí)動(dòng)作，通過導(dǎo)卡引導(dǎo)閉合至全關(guān)位，因此計(jì)算得到的理論最長等候時(shí)間還需加上這個(gè)5s，為7.76min，滿足不大于10min的目標(biāo).

4結(jié)論及差異分析

目前勝利河船閘已順利運(yùn)行7a，總體情況良好.在試運(yùn)行階段曾進(jìn)行游客過閘等待時(shí)間測(cè)試，當(dāng)上游水位為3.5m，下游水位為1.3m時(shí)，實(shí)測(cè)人字門啟門時(shí)間約為54s，閉門時(shí)間為116s，輸水閥門螺桿式啟閉機(jī)的開啟時(shí)間約為200s，從輸水廊道閥門開啟開始計(jì)算，閘室充水平壓所需時(shí)間為5min不到一點(diǎn)，與設(shè)計(jì)計(jì)算得到的時(shí)間基本一致，初步認(rèn)為達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)定的目標(biāo).

實(shí)測(cè)人字門啟門時(shí)間54s小于計(jì)算值62.6s，經(jīng)分析這是由于實(shí)際工作時(shí)液壓啟閉機(jī)的啟門力小于額定值，油缸有桿腔和無桿腔的工作壓力差變小，在油泵電機(jī)功率確定的情況下，油泵工作流量加大所致.

本工程由于設(shè)計(jì)周期短，對(duì)工程實(shí)際運(yùn)行時(shí)的細(xì)節(jié)考慮不足，也存在一些小的缺陷，主要表現(xiàn)在閘室水位計(jì)井的設(shè)置上.

勝利河船閘工程工作門為人字門，運(yùn)行方式為靜水啟閉，啟門前應(yīng)先打開設(shè)在充排水廊道上的工作門，待閘室水位與上游、或下游水位齊平后再開啟相應(yīng)的上閘首或下閘首工作門，因此，在閘門開啟前首先要確認(rèn)閘室水位已充水平壓.出于船閘遠(yuǎn)程控制運(yùn)行的需要，設(shè)計(jì)時(shí)在船閘的上、下游引航道和閘室處共設(shè)置三個(gè)水位計(jì)井，運(yùn)行時(shí)通過對(duì)比水位信號(hào)，認(rèn)為平壓后方可開啟閘門.

在勝利河船閘的實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)從閘室水位計(jì)井中得到的水位信號(hào)滯后于閘室實(shí)際水位約2min，經(jīng)分析認(rèn)為在設(shè)計(jì)時(shí)將閘室檢修排水井作為閘室水位計(jì)井，檢修排水井?dāng)嗝婧艽?，而排水井與閘室之間的連通管管徑較小，導(dǎo)致水位計(jì)井中的水位滯后閘室水位.

由于監(jiān)控系統(tǒng)延時(shí)得到閘室灌泄水平壓信號(hào)，導(dǎo)致閘門無法馬上開啟，延長了過閘船只的等候時(shí)間約2min，目前實(shí)際過閘等候時(shí)間仍為10min左右.

參考文獻(xiàn)：

[1]王作高.船閘設(shè)計(jì)[M].北京:中國水利電力出版社，1992.

[2]中華人民共和國交通部.JTJ305-2001船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[3]南京水運(yùn)科學(xué)研究院,天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所.JTJ306-2001船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[4]趙振興,何建京.水力學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2005.

[5]水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè):金屬結(jié)構(gòu)(二)[M].北京:中國水利電力出版社，1989.

[6]南京水運(yùn)科學(xué)研究院,天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所.JTJ307-2001船閘水工建筑物設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[7]南京水運(yùn)科學(xué)研究院,天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所.JTJ308-2001船閘閘閥門設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2001.