船闸引航道最不利流态水力参数的确定方法

奚 斌，袁兴安，朱庆华，刘 松，周济人

（1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州225127；2.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆163318；3.扬州市航道管理处，江苏 扬州225003；4.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州225009；5.淮安市水利局，江苏 淮安223200）

船闸引航道最不利流态水力参数的确定方法

奚 斌1，2*，袁兴安3，朱庆华4，刘 松5，周济人1

（1.扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏 扬州225127；2.东北石油大学提高油气采收率教育部重点实验室，黑龙江 大庆163318；3.扬州市航道管理处，江苏 扬州225003；4.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州225009；5.淮安市水利局，江苏 淮安223200）

结合盐邵船闸采用规范中的公式计算、模型试验、原型现场实测3种方式，分别得到引航道最不利流态时的泄流量及对应的闸室水位和输水廊道闸门开启时间等参数，对比分析了各方法所得参数的差异及成因.结果发现：数学模型常用规范中公式计算得出的引航道最不利流态出现时的闸室泄流量偏小，闸室水位偏低，输水廊道闸门开启时间偏长.在此基础上提出了改进公式的计算方法.

船闸；输水廊道；泄流；引航道；流态

船闸引航道口门区水域的流态直接影响航道的通畅及进出船舶的航行安全，因此，需要对船闸引航道的流态进行分析，而研究该问题必须先确定输水廊道泄流过程中引航道内何时流态最不利，即各泄流参数随时间的变化关系.目前的研究主要集中在如何防止口门区淤积［1-3］、流态的数值计算方法［4-7］、水流条件的改善方法［8-9］、引航道布置尺度形式［10］等方面.对引航道最不利流态水力参数的确定方法鲜见报道.引航道水力参数的确定方法主要有规范［11-12］中的公式计算（数值计算中常用）、模型试验、原型现场实测等.为了探讨各方法之间的差异，本文结合盐邵船闸下游引航道流态的研究，从3个方面对船闸引航道最不利流态水力参数的确定方法进行了对比分析.

1　规范中公式计算得到的闸室水位与泄流量的关系

船闸下游引航道的最不利流态是在船闸泄流量最大时产生的，此时引航道内流速大，斜向水流强度较强，产生回流和横向流速分量也较大.输水廊道闸门的开启时间是可变的，不同的开启速度会产生不同的引航道流态，但大多数船闸都有一个相对固定的输水廊道闸门开启时间；因此，在船闸上、下游最大通航水位差下，确定闸室泄流过程下游输水廊道通过的最大流量及此时闸室水位等是研究问题的关键.根据盐邵船闸运行资料，闸室水位为8.5m，下游河道水位为1.0m.由于闸室泄流水位变化还与输水廊道闸门开启速度有关，结合盐邵船闸的实际运行开启时间，确定输水廊道闸门一个开启过程为360s.

1.1闸室水位与时间的关系曲线

根据JTJ306—2001《船闸输水系统设计规范》［11］（以下简称规范）闸室水位与时间的关系曲线分2种情况进行计算.

1）当忽略闸门开启过程惯性水头的影响时，闸门开启过程中任一时段末的水头由规范［11］45附录C.0.2-1公式计算如下：

式中hi+1为计算时段末的水头；hi为计算时段开始的水头；Δt为计算时段，取6.6 s；ω为输水阀门处廊道断面面积，取14.20 m2；C为计算闸室水域面积，对单级船闸取2 665.32 m2；g为重力加速度（m·s-2）；μmt为计算时段的平均流量系数.μt为时刻t 的输水系统流量系数，可由规范［11］42附录A.0.6公式推求：

式中ξvn为时刻t阀门开启时的阀门局部阻力系数；ξ′为阀门井或门槽的损失系数，平面阀门取0.10，反弧形阀门取0；ξc为阀门全开后输水系统总阻力系数，包括进口、出口、拦污栅、转弯、扩大、收缩等局部阻力系数，以及沿程摩阻损失的阻力系数.以上各阻力系数均应乘以阀门处廊道断面面积与各段廊道面积比值的平方，换算为阀门处廊道断面的阻力系数.

由上述公式计算得到盐邵船闸下闸首输水廊道阀门开启过程中任一时段末的水位，详见表1.

表1　输水廊道阀门开启过程中闸室水位与时间的关系Tab.1__Relationship between water level and time during open valve of drainage gallery_

2）输水廊道闸门完全开启后任一时段末的水头由规范［11］45附录C.0.2-2公式计算如下：

式中d为阀门全开后惯性水头（m）；μ为阀门全开后输水系统的流量系数.

经计算得到闸门开启397.6 s后闸室水位为1.10 m.

1.2泄流量与时间（水位）的关系曲线

1）由规范［11］46附录C.0.3-1公式可计算求得流量与水位的关系（规范中Q表示总流量，q表示单宽流量，因本文对其公式提出改进，流量符号仍用Q，不便改动）：

式中Qt为时刻t的流量（m3·s-1）；μt为时刻t的流量系数，由流量系数与时间关系曲线求得；ht为时刻t的水位差（m）；dt为时刻t的惯性水头（m），对集中输水系统可忽略不计.

计算流量与时间（水位）对应值，并据计算的水位流量数值绘制图1，得到输水廊道开启过程中的最大泄流量为70.75 m3·s-1，对应水位为3.79 m，开启时间为273.31 s.

图1　规范中公式计算的闸室水位与流量的关系曲线Fig.1 Curve of water level of lock chamber with flow rate obtained in the standard calculation

2　模型量测的闸室水位与泄流量的关系

为了进行模型量测研究，笔者按几何比尺λL=30制作了盐邵船闸模型（奚斌，康立荣，朱兴华，等.盐邵船闸下游引航道流态试验研究报告［R］.扬州：江苏省水利勘察设计研究院，扬州大学，2013.），相应的流速比尺为，流量比尺为，时间比尺为，糙率比尺为.根据输水廊道闸门一个开启过程为360 s，由时间比尺知模型输水廊道闸门开启一次时间约为66 s，在模型可调速输水廊道闸门启闭系统上调出对应开启一次用时.然后控制闸室水位（上、下游输水廊道闸门全部关闭）以及下游引航道水位，待闸室水位、下游引航道水位调节稳定后，开启下游输水廊道闸门（自动电控），同时记录闸室水位随时间的变化.为了测得可靠数据，减小误差，重复测量4次，将4次数据绘制曲线如图2所示，据此得到下游输水廊道闸室水位与流量之间的关系.通过相关曲线得到下闸首模型泄流过程中最大流量为0.015 6 m3·s-1，对应闸室水位水深为0.214 3 m（闸室底板高程-2 m），输水廊道闸门开启时间为39.92 s；即相应的原型中最大泄流量为77.00 m3·s-1，闸室水位为4.43 m，输水廊道闸门开启时间为218.65 s，下游引航道水位为1 m时的水位流量组合为引航道最不利流态的水力参数.

图2　模型实测闸室水位与流量的关系曲线Fig.2 Curve of water level of lock chamber with flow rate obtained in the model test

3　原型现场实测的闸室水位与泄流量的关系

为了进一步研究闸室水位与输水廊道泄流量关系，在盐邵船闸现场进行了原型输水廊道闸门开启闸室水位与泄流量关系的量测.原型闸室水位为8.5 m，下游引航道水位为1.0 m，量测时结合船闸维修改造时下游引航道中的围堰，控制下游水位，同时通过水泵向闸室供水，使闸室水位达到8.5 m.在此水位组合下，测得输水廊道闸门开启过程中闸室水位与泄流时间的相关数据，由此绘制出原型闸室水位与泄流量关系曲线如图3.下闸首输水廊道在此水位组合下的最大泄流量为77.30 m3·s-1，对应水位为4.47 m，闸门开启时间为216 s.

图3　原型闸室水位与泄流量的关系曲线Fig.3 Curve of water level of lock chamber with flow rate in the prototype test

4　引航道最不利流态水力参数及其确定方法分析

据上述研究结果，将规范中公式计算、模型量测、原型量测3种方式获得的最不利流态时输水廊道最大泄流量、对应闸室水位和输水廊道闸门开启时间列于表2.

表2　输水廊道最大泄流量、对应闸室水位和闸门开启时间一览表Tab.2 Maximum flow rate of drainage gallery with water level and time of lock chamber

由表2可以看出，模型与原型量测数据相近，而规范中公式计算得出的输水廊道最大泄流量与模型和原型测得的数据相差近10%，水位相差近17%，时间相差近25%.这3个参数中对下游引航道流态影响的关键水力要素是输水廊道最大泄流量和相应闸室水位.由规范［11］46附录C.0.3-1公式可以看出，时刻t的流量系数μt由流量系数与时间关系曲线求得，而规范［11］45附录C.0.1中对此流量系数的说明是：闸门开启过程中各时刻的流量系数与时间关系曲线可按规范［11］42附录A.0.6公式计算求得，该式正是闸门开启过程中计算任一时段末的水头hi+1及平均流量系数μmt使用的公式，此公式包含较多的经验系数，如此在影响引航道流态的2个关键水力要素的计算中重复使用，一方面会产生循环累积误差，另一方面直接导致规范中公式计算的输水廊道最大泄流量和对应闸室水位等与实际值相比误差较大，因此引航道最不利流态的确定不宜采用规范中公式直接计算相应水力参数.

5　规范中公式计算方法的修正

为了保证规范中公式计算出的水力参数与实际工况相吻合，从避开经验参数的重复使用提高计算值可靠度出发，建议改进规范中流量的计算方法.在据规范中公式计算得出闸室水位与时间关系后，采用据此关系直接计算出流量的方法分析流量与水位的关系，避免计算中循环累计误差.修正后的计算公式为

为了分析改进公式计算值的可信度，利用式（5）计算输水廊道泄流量与时间（水位）对应值，并由此绘制改进公式计算得出的水位—流量关系曲线（见图4）.由图4可知：下闸首输水廊道在此水位组合下最大泄流量为76.83 m3·s-1，对应水位为4.20 m，闸门开启时间为250 s.由式（5）计算出的下闸首输水廊道最大泄流量与模型和原型测得的数据相差仅0.22%，水位相差5%.可以看出改进公式计算得到的影响引航道流态的关键水力要素与实际工况吻合度大大提高.

图4　改进公式计算的闸室水位与泄流量的关系曲线Fig.4 Curve of water level of lock chamber with flow rate obtained with improved formula calculation

6　结论与建议

在引航道最不利流态水力参数的确定方法中，原型现场实测最可靠，但受实际水位组合和通航等因素的影响，一般难以进行.另一方面船闸设计初期也无法进行研究；模型量测研究由上述分析得出的结果可信，但要注意模型的制作精度和量测方法，建议多次多方法量测，以提高其可靠度；规范中公式的计算是目前数学模型和初步设计中常用的，但通过上述分析可以看出，误差较大，建议采用本文改进的公式进行计算.

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［12］中华人民共和国交通部.JTJ 305—2001船闸总体设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2001.

The method for determining the hydraulic parameters of the most unfavorable flow pattern of lock approach

XI Bin1，2*，YUAN Xing’an3，ZHU Qinghua4，LIU Song5，ZHOU Jiren1
（1.Sch of Hydr，Energy&Power Engin，Yangzhou Univ，Yangzhou 225127，China；2.Key Lab of Enhance Oil Recovery of the Minist of Educ，Northeast Univ of Pet，Daqing 163318，China；3.Yangzhou Waterw Adm Off，Yangzhou 225003，China；4.Jiangsu Surv&Des Inst of Water Res Co，Ltd，Yangzhou 225009，China；5.Huaian Water Conserv Bur，Huaian 223200，China）

Combined with the methods used in the specification in Yanshao Ship Lock such as formula computing，model test and field measurement，the most unfavorable flow regime at the time of discharge and the corresponding chamber parameters such as the filling and emptying culvert water level and gate opening time are obtained.The discrepancy of parameters from different methods and its formation mechanism are discussed.The results show that by the mathematical models commonly used in the specification formula calculation the most unfavorable flow appears smaller lock chamber discharge，the lock chamber water level is lower and the culvert gate opening time becomes slightly longer.Therefore the improved formula of calculating method is proposed.

ship lock；drainage gallery；drainage；approach channel；flowpattern

TV135.4；TB126

A

1007-824X（2015）02-0057-04

（责任编辑 贾慧鸣）

2014-11-06.*联系人，E-mail：wawjxb@126.com.

国家自然科学基金资助项目（50706041）；“十二五”国家科技支撑项目资助（2102BAD08B03-2）.

奚斌，袁兴安，朱庆华，等.船闸引航道最不利流态水力参数的确定方法［J］.扬州大学学报：自然科学版，2015，18（2）：57-60，74.