焦港船闸开通闸适航水力条件研究

丁坚，宋荔钦

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

焦港船闸开通闸适航水力条件研究

丁坚1，2，宋荔钦2

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，南京210098）

为提高船舶通过船闸能力，有效制订焦港船闸开通闸运行管理方案，建立整体物理模型试验针对船闸开通闸运行时引航道的水流流速流态和启闭机受力进行定量、定性分析。模型试验研究了不同水力条件下开通闸时水流的规律和启闭机受力情况，为船舶适航情况作出准确判断，改善开通闸的安全状况，可作为南通航道处各口门船闸开通闸运行的参照。

适航；引航道；水力条件；焦港船闸

长江感潮河段各内河入江口门的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，可显著提高船闸通过能力水运工程［1-2］。

我国已有数例开通闸运行的成功经验，如江阴船闸、南通船闸等，但大多停留在经验管理的水平上，容易受人员变动，气候、水文条件等因素影响，安全性不稳定。焦港船闸位于连申线南通段，连申线是在建的Ⅲ级标准航道，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，与京杭大运河平行，承担连云港与上海大港间集疏运的重任。焦港是入长江的口门，船闸尺度23 m×230 m×4 m，年设计物流量达2 000～3 000万t，若要开通闸，其安全保证十分重要，因它而断航其损失将不可估量。该船闸尺度较大，口门宽达23 m，出闸槛后引航道宽达90 m，开通闸时水流呈三维非恒定流状态，过水流量大、水面宽且将会产生横流、回流等，对船行不利。同时，当上下游水位差过大时，闸门启闭机所承受的推力或者拉力也会逐渐增大，甚至会破坏启闭机的正常运行，导致闸门不能正常开关，进而导致事故的发生。为保证焦港船闸开通闸的顺利运行，提高安全度，本文预采用物理模型实验对焦港船闸开通闸的水力条件进行研究，提供开闸水头差与流速、流向、流态的关系以及启闭机的受力情况［1，3-5］。

1 模型设计

1.1 模型范围及比尺

焦港船闸模型可见图1，模型范围为焦港船闸上游引航道至下游引航道河段，按正态重力相似准则设计模型，模型几何比尺λL=λH=25，流速比尺时间比尺糙率比尺受力比尺

图1 焦港船闸模型示意图Fig.1Sketch of ship lock model in Jiaogang port

1.2 船闸口门外潮位

根据适用于该河段的二维潮流数学模型，模拟了焦港船闸不同上下游边界条件下口门外潮位过程。通过分析本次模型试验上游采用3.71 m和0.96 m两组水位（85国家基准面），下游采用典型潮位过程线如图2和图3所示。

1.3 模型设计与制作

模型检测平面误差小于1.0 cm；高程精度控制在0.1 mm之内；船闸三线闸室采用塑料板粘制成整体，船闸的上、下闸用有机玻璃制成整体安装，原型输水廊道用钢筋混凝土制成；下闸首的闸门和阀门中各门配备一套伺服电机、齿轮传动设备，用计算机按给定程序自动控制。为精确控制水位，采用河海大学研制的自动集中控制设备及软件，可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。模型全程安装6台自动水位跟踪仪，测定下闸首三角门内外的水位变化，并通过计算机集中采集；为控制上下游水位，在上闸首以上闸室中设一台自动水位仪自动控制翻板门溢流。下游则在模型尾门上游附近安装一台自动水位仪控制水位。各点的流速采用螺旋桨式的小流速仪测定，在低流速状态下，依靠流标跟踪及录象，延时拍照等方法解决［6-8］。

图2 洪水年洪水大潮潮位过程线Fig.2Hydrograph of spring tide of flood in flood years

图3 洪水年中水大潮潮位过程线Fig.3Hydrograph of middle tide of flood in flood years

图4 模型设计与布置Fig.4Model design and layout

图5 流速、流向验证点Fig.5Verification of flow velocity and direction

1.4 模型验证

模型验证采用的现场测量数据主要有闸室上下游水位、断面流速、开关闸门时启闭机推杆的受力情况，其中流速测点处于闸室中线，闸室内测点距下闸首35 m，下游喇叭口处测点距下闸首45 m。

分别在下游水位高时和下游水位低时的开、关闸门情况下，选定下闸首上、下游两个固定点的流速、流向和启闭机的受力变化进行验证。图5和图6为静水条件下1#测点水位2.4 m，2#测点水位2.7 m时下流速和启闭机受力验证图。验证结果表明，试验值与理论分析一致，模型试验值与实测值符合较好，能满足模拟精度要求，验证结果符合规范要求，模型与原型相似，可以进行工程方案试验。

2 开通闸水情及设备受力试验

2.1 引航道流态

物理模型试验分别模拟了上游水位3.71 m和0.96 m在下游不同水位组合下开关闸门时的引航道流态。由试验可知：上游水位3.71 m，洪水年洪水期大潮涨潮条件下，水位差1.0 m和0.8 m时，主流波动较大，且存在明显回流，不利于开通闸；水位差为0.5 m时，主流波动较小，但也存在局部回流区。开关门时，落潮流态与涨潮流态较为相似，水位差为0.5 m时流态较好；上游水位0.96 m，洪水大潮涨落潮时，下游水位均大于上游水位，水流由下游流向上游，水流较为平顺。洪水年长江中水大潮涨落潮时，上游水位大于下游水位条件下，均出现回流，有时主流也产生波动。

2.2 闸室和引航道最大流速

图7为试验流速测点布置图，本次试验中共布置2个典型流速测点和3条横向测流断面，其中1#测点位于闸室中，2#测点位于下游喇叭口附近，3#、4#测点分别位于下引航道测流断面1和测流断面2的中点。由试验可知：上游水位3.71 m，洪水年洪水期大潮涨、落潮时，水头差±0.5 m、±0.8 m、±1.0 m时1#测点开关门时的流速最大。由于开通闸运行主要考虑最不利的影响，本文主要介绍1#测点的流速变化。水位差为1 m时，1#测点开门时最大流速为2.12 m/s，关门时为2.37 m/s；水位差为-1 m关门时1#测点最大流速为2.44 m/s，其余测点流速均小于2 m/s；上游水位1.64 m，洪水年长江洪季大潮涨潮时，水位差为0.8 m、-0.6 m、-1.2 m时1#测点流速大于2 m/s；洪水大潮落潮时，水位差-0.6 m、-1.2 m时1#测点流速大于2 m/s；洪水年长江中水大潮涨潮时，水位差1 m时1#测流点开门时流速为2.14 m/s；上游水位0.96m，洪水年洪水期、中水期时，水位差为-1 m时1#测点开关门最大流速均大于2 m/s；水位差为±0.3 m、±0.4 m、±0.5 m时测点最大流速均小于2 m/s。在开通闸运行时，船舶均为闸门开启后才进行运行，故虽然开门时流速较大，但对船舶运行影响不大，只需考虑闸门完全开启后的流速满足要求即可。

2.3 闸门启闭机受力分析

上游水位3.71 m，洪水年洪水期水头差为1.0 m、0.8 m条件下，闸门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；水头差0.5 m时，开关门启闭机最大受力均未超过300 kN，涨潮时最大受力为235 kN，落潮时最大受力为266 kN；上游水位控制1.64 m，洪水年洪水期涨、落潮时，水头差为±0.3 m、±0.4 m时启闭机受力均能满足受力要求，水位差为±0.8 m、±1.2 m时启闭机最大受力超过设计最大值，不宜进行开关门；中水期涨潮时，水位差为1.0 m、0.8 m关门时启闭机最大受力超过300 kN，水位差0.6 m、0.4 m时受力均超过200 kN；落潮时，水位差0.8 m时关门最大受力为325 kN，超过最大设计值，其余工况均能满足要求，但水位差为0.6 m时，关门启闭机最大受力为295 kN，十分接近设计值，故该条件也不宜开门关门；上游水位控制0.96 m，洪水年洪水期涨落潮水头差-0.7 m开门时启闭机最大受力分别为311 kN和380 kN，其余开关门工况闸门启闭机受力均小于300 kN；洪水年中水期大潮涨潮水位差为-0.6 m开门时启闭机受力为312 kN，超过设计值，水位差为0.1 m、±0.3 m、±0.4 m时最大受力均满足要求。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，其余工况满足要求。

图7 试验流速测点布置图Fig.7Layout of velocity measuring points in the test

3 开通闸运行临界条件分析

三角门闸门启闭机设计受力需小于300 kN，安全系数取为1.2，则安全值Fmax为250 kN。其中，顺流开门和逆流关门时启闭机受力较为安全，安全系数为1，最大临界受力仍为300 kN。根据内河通航标准，Ⅰ～Ⅳ级引航道、口门区纵向水流表面最大流速限值为0.5 m/s，考虑其他因素的影响，安全系数取为1.2，最大流速值Umax为0.42 m/s。各工况条件下，船闸开通闸运行时，开关门启闭机受力F和最大流速U与水头差x之间的关系以及临界水头差情况可见表1～表3所示。表1～表3中，Z1代表上游1#测点水位值，Z2代表下游2#测点水位值。由表可知，上游水位3.71 m洪水年洪水期大潮开通闸运行的上下游临界水位差不能超过0.39 m；上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮时开通闸运行临界水位差不能超过-0.35 m；上游水位0.96 m洪水年中水期大潮时开通闸运行临界水位差应处于-0.39～0.37 m。由于本文试验采用的是极端条件下的数值，故可取其最小范围作为开通闸的临界条件，本文试验的结果为1#和2#测点间的静止水位差处于-0.35～0.37 m时可以进行开通闸运行，同时，上下游的水位均应在0.96～3.71 m，若超出该范围禁止通航。

4 结语

本文开展焦港船闸整体物理模型试验，模拟了不同工况下开通闸运行时的水流流态，通过分析流速、流向、启闭机受力等，提供了各工况下能满足开通闸的临界水头差和启闭机受力条件，为焦港船闸开通闸运行的水力安全状况提供参考和依据，可作为南通航道处各口门船闸开通闸运行的参照，为今后修订船闸规范提供依据。

表1 上游水位3.71 m洪水年洪水期大潮开通闸运行临界水位差Tab.1Critical water level difference of locks opening in spring tide of flood in flood years（head⁃water level:3.71 m）

表2 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮时开通闸运行临界水位差Tab.2Critical water level difference of locks opening in spring tide of flood in flood years（head⁃water level:0.96 m）

表3 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮时开通闸运行临界水位差Tab.3Critical water level difference of locks opening in middle tide of flood in flood years（head⁃water level:0.96 m）

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中国疏浚协会技术专家委员会成立

本刊从交通运输部获悉，中国疏浚协会技术专家委员会目前已得到交通运输部的核准并备案成立。该技术专家委员会由国内主要疏浚企业、业内相关科研院校、交通运输部疏浚工程定额站等单位的专家组成，还有疏浚协会各类会员单位近百人组成的专家库。将重点研究疏浚行业发展战略、政策法规和疏浚行业重大技术课题，为疏浚行业项目施工、装备建造、科技发展、产品开发、技术咨询、学术交流及国际合作等提供服务，并参与疏浚技术标准调研编制、组织疏浚科技成果的评审和鉴定，还将引导社会资源参与疏浚业的发展。（殷缶，梅深）

中国水电港航公司签约世界最大河道整治项目

本刊从中国水电建设集团港航建设有限公司获悉，2014年11月10日，孟加拉帕德玛大桥河道整治项目施工合同签字仪式在孟加拉首都达卡市隆重举行。孟加拉帕德玛大桥河道整治项目施工内容主要包括河道疏浚和河岸防护，工程疏浚量约近1亿m3，河岸防护段长约13 km，护岸工程主要工程量包括抛石约110万m2、沙袋抛填约2 100万个、混凝土预制块约1 300万块。项目工期4年。此次中国电建击败美日韩及欧洲众多专业疏浚公司，成功中标并签约孟加拉国帕德玛大桥河道整治工程，一举跻身到“国际疏浚俱乐部”。（殷缶，梅深）

Study on hydraulic condition of Jiaogang ship lock at the time of locks opening

DING Jian1,2,SONG Li⁃qin2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098, China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

In order to improve the ship lock capacity and make the effective operation scheme,an integrated physical model test was established in this paper.Flow velocity and pattern of approach channel during the running period of ship lock with different doors opening were analyzed quantitatively and qualitatively.Based on the physi⁃cal model test,the rule of flow in different hydraulic conditions was studied to determine seaworthiness condition and to improve the security situation.The results can be used as the reference of the ship locks in Nantong Channel Office.

seaworthiness；approach channel；hydraulic condition；Jiaogang ship lock

U 641

A

1005-8443（2014）06-0613-05

2013-07-23；

2013-10-08

丁坚（1960-），男，江苏省人，副研究员，主要从事港口、海岸及近海工程研究。

Biography：DING Jian（1960-），male，associate professor.