三角门船闸开通闸运行条件试验研究

吴 腾，朱瑞虎，丁 坚

（河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

三角门船闸开通闸运行条件试验研究

吴 腾，朱瑞虎，丁 坚

（河海大学 港口海岸与近海工程学院，南京 210098）

文章建立了三角门船闸物理模型，通过物理模型试验研究了开通闸运行时闸室、引航道的水动力条件以及闸门启闭机的受力。在此基础上，提出了开通闸运行的判别方法，确定了该船闸宜进行开通闸运行的临界上下游水位差。研究结果表明，不同来流条件下，当上下游水位差处于-0.35～0.37 m，且不超过设计水位时，闸室和引航道主流波动较小，流速对开通闸运行影响不大，且船闸启闭机受力不超过设计值，焦港船闸可进行开通闸运用。

感潮河段；船闸；开通闸；运行条件；模型试验

南通船闸位于连申线南通段，可通行千吨级驳船船队，是江苏省规划高等级航道“两纵四横”的纵向通道［1］。焦港船闸下游引航道受长江潮汐涨落的影响，与上游内河水位差是动态变化的，在不同水位季节，船闸上下游将出现零水位差情况，并随潮位变化过程逐渐增减，在该过程中可利用上下游平水时段将上下闸门同时开启，船舶直接通行，可大大提高通过能力。由于一次通闸可运行数十分钟至数小时，通闸船舶通过能力可达套闸的10倍以上，效果十分显著。但开通闸过程中，过水流量很大、水面宽，横流回流等都可能产生［2-4］，对船行安全十分不利，必须监控动态水流；并且受动水作用，闸门启闭机受力增大，威胁闸门的安全开关。目前，开通闸运行虽有多年成功经验，但都停留在经验管理的水平上，容易受外界因素影响，安全性不稳定［5-7］。为此，进行试验研究，提供开闸水头差与流速、流态、启闭机受力的关系对开通闸安全运行十分必要。

1 模型的设计

开通闸过程中，闸门受力增大，同时闸门附近流态受影响较大，故本次试验的研究范围为船闸上游引航道至下游引航道河段。模型控制采用河海大学研制的自动集中控制设备及软件，实时监测船闸及尾门处水位以及重点区域的流速和闸门的受力。根据开通闸运行试验研究的目的，重力作用是主要的，要求模拟重力相似，故模型应采用正态模型。并根据模型场地的条件，模型几何比尺采用25。根据模型相似条件［8-9］可计算得到其他比尺，如表1所示，模型如图1所示。

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

图1 试验测点分布图Fig.1 Model sketch and measuring points distribution

2 模型验证

为了保证模型流速与原形相似，在下闸首上、下游选定两个固定点（1#、2#测点，如图1所示）进行流速验证以及闸门启闭机受力验证。其中1#测点选在闸室，其水位可代表上游水位；2#测点选在下闸首下游，其水位可代表上游水位。本次验证的条件为：（1）上游水位2.48 m，下闸首下游水位（以下简称下游水位）2.59 m，关下游闸门；（2）上游水位2.05 m，下游水位1.68 m，开下游闸门。图2和图3分别为两种条件下流速以及启闭机受力验证。由图可知，试验值与实测值符合较好，满足规范要求，可采用该模型进行工程方案的试验研究。

图2 上游水位2.48 m下游水位2.59 m时流速、启闭机受力验证Fig.2 Verification results of velocity and stress on hoist under setting condition 1

图3 上游水位2.05 m下游水位1.68 m时流速、闭机受力验证Fig.3 Verification results of velocity and stress on hoist under setting condition 2

3 三角门船闸开通闸试验研究

3.1 试验条件

根据特征水位和船闸运行中可能出现的不利组合情况，上游分别选定设计高（3.71 m）、低（0.96 m）两组水位，下游采用典型潮位过程。潮位过程线如图4与图5，分别为洪水年洪季大潮过程线和洪水年中水大潮过程线，图中均包含最高和最低潮位。

图4 洪水年洪水大潮潮位过程线Fig.4 Tidal level hydrograph of flood spring tide in flood year

图5 洪水年中水大潮潮位过程线Fig.5 Tidal level hydrograph of median water in flood year

3.2 流态试验结果

表2为上游水位3.71 m开关闸门时引航道流态。洪水年洪水大潮涨条件下（洪洪大涨），上下游水位差为1.0 m和0.8 m时，开闸后主流波动较大，且存在回流，不利于船舶航行；上下游水位差为0.5 m时，主流波动较小，开关门时，落潮（洪洪大落）流态与涨潮流态较为相似，水流条件基本能满足船舶航行要求。

表3为上游水位0.96 m时引航道流态。洪水大潮涨落潮时，当下游水位大于上游水位时，水流由下游流向上游，水流较为平顺；洪水年中水大潮涨落潮时，当上游水位大于下游水位时，水位差小于0.5 m条件下，水流平顺，流态较好。

表2 上游水位3.71 m时引航道流态Tab.2 Flow regime of approach channel at upper water level of 3.71 m

3.3 流速试验结果

本次试验中共布置4个典型流速测点（图1），除前面提及的1#测点和2#测点外，3#、4#测点分别位于下引航道。表4和表5分别为上游水位3.71 m和0.96 m时开闸门过程中以及闸门全开后各测点中的实测最大流速。由表可知，开闸门过程中，测点最大流速均大于0.5 m/s，即大于规范中规定的制动段和停泊段的水面最大流速纵向不应大于0.5 m/s的限制，此时船舶不宜航行。当闸门全开后，上下游的水位差迅速减小，对应的流速也减小较快。其中，上下游水位差绝对值为0.5 m时，各测点最大流速处于0.5 m/s附近。故开通闸运行可在一定的水头差条件下，等闸门全开后开始运行。

表3 上游水位0.96 m时引航道流态Tab.3 Flow regime of approach channel at upper water level of 0.96 m

表4 上游水位3.71 m时测点最大流速Tab.4 The maximum velocity of measuring points at upper water level of 3.71 m m/s

3.4 受力试验结果

分别开展上游高水位和低水位与两种潮型组合的闸门启闭机受力试验。当上游水位控制3.71 m，下游采用洪水年洪季大潮涨落潮过程线进行控制时。在上游水位比下游水位高1.0 m、0.8 m条件下，开门时启闭机受力不大，关门时启闭机最大受力均超过300 kN；当上游水位比下游水位高0.5 m时，开关门启闭机最大受力均未超过300 kN。当洪水年洪季大潮，同时上游采用低水位0.96 m控制时，涨落潮条件下，水位差-0.7 m开门时启闭机最大受力超过300 kN，水位差为0.4 m、0.3 m、-0.3 m、-0.4 m，闸门启闭机受力均小于300 kN。当洪水年中水大潮上游水位采用0.96 m控制，涨潮期间水位差为-0.6 m开门时，启闭机受力为312 kN，超过设计值，水位差为0.4 m、0.3 m、-0.4 m时最大受力均能满足要求。落潮期间，水位差为0.6 m关门和-0.6 m开门时，启闭机受力超过最大值。

表5 上游水位0.96 m时测点最大流速Tab.5 The maximum velocity of measuring points at upper water level of 0.96 m m/s

4 开通闸运行临界条件判别分析

本文试验中三角门闸门启闭机设计受力需小于300 kN，引航道制动段和停泊段的水面最大流速纵向不应大于0.5 m/s。故可根据实际情况考虑一定的安全系数，采用启闭机受力和闸门全开后的纵向最大流速作为能进行开通闸运行的判别条件，同时考虑流态的影响（本文上下游水位差应小于0.5 m）。本次计算取安全系数ξ为1.2，则判别条件如下

（1）上游水位3.71 m时开通闸运行临界水位差。

根据试验数据，建立1#、2#水位测点开关门时刻的水位差与启闭机受力、最大流速间的关系。图8-a为上游水位3.71 m时洪水年洪水期大潮涨潮启闭机受力，图中关门启闭机受力大于开门情况，故关门为该条件下最不利情况，关门时受力与水位差关系为

图8-b为上游水位3.71 m时洪水年洪水期大潮涨潮闸室和引航道最大流速，开关门时两者流速相差不大，其中关门时最大流速与水位差的关系为

式中：x为水位差，m；F为启闭机受力，kN；U为流速，m/s。要满足式（1）和式（2）中的条件，综合考虑受力和流速极限值，该条件下能进行开关闸门的临界水位差绝对值为0.47 m。

图8 上游水位3.71 m涨潮时水位差与启闭机受力、最大流速间的关系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

图9 上游水位3.71 m落潮时水位差与启闭机受力、最大流速间的关系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

图9-a为上游水位3.71 m时洪水年洪水期大潮落潮时水位差与启闭机受力关系图，图中关门时受力大于开门时受力，关门为启闭机受力的不利条件，通过拟合，启闭机受力与水位差关系为

图9-b为上游水位3.71 m时洪水年洪水期大潮落潮闸室最大流速，关门流速大于开门时流速，关门时最大流速与水位的关系为

综合求解，最大综合临界水位差绝对值为0.39 m。

（2）上游水0.96 m时开通闸运行临界水位差。

图10-a为上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮涨潮启闭机受力，开门时受力与水位差关系为

可求得临界水位差为-0.37 m。

图10-b为上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮涨潮闸室最大流速，关系式为

该条件下能进行开关门的临界水位差为-0.36 m。综合两者，临界水位差为-0.36 m。

图11-a为上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮开门启闭机受力，拟合关系式为

图10 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮涨潮时水位差与启闭机受力、最大流速间的关系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

图11 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮时水位差与启闭机受力、最大流速间的关系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

图12 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮涨潮时水位差与启闭机受力、最大流速间的关系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

上式解得临界水位差为-0.35 m。

图11-b为上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮闸室最大流速

临界值为-0.42 m。综合比较，上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮开关门临界水位差为-0.35 m。

图12-a为上游水位0.96 m洪水年中水期大潮涨潮启闭机受力，开、关门时关系式为

两者解分别为-0.41 m和0.51 m。开关门临界值取-0.41m。

图12-b为上游水位0.96 m洪水年中水期大潮涨潮闸室最大流速，最不利情况为关门时，逆向和正向水位差与流速的关系式分别为

U=-1.05x+0.01 （逆向水位差）

U=1.05x-0.03 （正向水位差）

求解分别为-0.39 m和0.43 m。综合受力和流速，该条件能开通闸运行的极限水位差为-0.39～0.43 m。

图13-a为上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮启闭机受力，关系式为

不等式解为-0.39 m和0.43 m。

图13-b为上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮闸室最大流速，水位差与流速关系式为

解分别为-0.4 m和0.37 m。综合流速和受力，临界水位差为-0.39～0.37 m。

（3）开通闸的综合临界水位差。

综合上述高水位和低水位两种情况，得到综合的开通闸运行临界条件，如表6所示。表中临界水位差为1#与2#测点开门前时刻的水位差，上游水位高时水位差为正值，反之为负值，表中水位均为85国家基准面。由表可知本文试验所得到开通闸的临界条件为-0.35～0.37 m，且上下游的水位应在设计低水位0.96 m和设计高水位3.71 m之间，若超出该范围禁止通航。

图13 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮时水位差与启闭机受力、最大流速间的关系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 开通闸临界水位差Tab.6 Critical water⁃head for Jiaogang ship lock running as an open channel

5 结论

（1）上游水位控制3.71 m，洪水年长江洪季大潮涨落潮时，上游水位比下游水位高1.0 m、0.8 m条件下，主流波动较大，且存在明显回流，不利于开通闸；当上游水位比下游水位高0.5 m时，主流波动较小。上游水位0.96 m，洪水年长江洪季大潮涨落潮时，水流均由下游流向上游，水流较为平顺。上游水位0.96 m，洪水年长江中季大潮上游水位0.96 m涨潮时，上游水位大于下游水位条件下，开关闸门时主流易产生波动。

（2）试验得出的该三角门船闸宜进行开通闸运行的临界条件为：1#与2#测点开门前时刻的水位差处于-0.35～0.37 m，且上下游的水位应控制在设计低水位0.96 m和设计高水位3.71 m之间。

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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