船闸泄水的非恒定流特性及通航安全措施

申霞，谢瑞，姬昌辉，王永平

船闸泄水的非恒定流特性及通航安全措施

申霞，谢瑞，姬昌辉，王永平

（南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210029）

闸室泄水将导致引航道内生成复杂的水流流态，给船舶停靠及航行造成安全隐患。通过1∶40正态物理模型，研究船闸泄水过程及泄水结束后，引航道内泄水波运动特征、水面比降、流速分布、回流强度等。结果显示：在引航道设计方案下，上下游水头差7.13m、阀门开启时间5min时，人字门处反向水头为0.39m，系船停泊区纵向流速为0.56 m/s，超过规范要求，会对引航道内船舶、人字门以及引航道护岸产生不利影响。延长泄水阀门开启时间可降低泄流过程中的流量峰值，使得引航道内最大水面比降、最大流速、水面波动幅度有所减小；植物护坡能够有效削减泄水波、船行波能量；空箱结构护岸可以有效降低水流对岸壁的冲击力、削减水波动能，保护航道护岸及人字门；空箱护岸长度越长，水流改善效果越明显。

船闸；物理模型；非恒定流；泄水长波；护岸结构

船闸灌泄水过程中，在引航道内产生非恒定流，引起水面波动和流速、流态变化，不仅会影响船舶安全过闸，也可能对船闸自身运行和安全造成不利影响。船闸灌泄水过程中引航道内水流运动特性的研究方法主要包括理论分析[1]、水流数学模型[2-4]、概化物理模型试验[5-6]等。当船闸灌泄水产生的波高、坡降、流速不能满足要求时，应采取有效措施[5-7]改善引航道内的水流条件，包括：延长输水时间；加大引航道过水断面；改进引航道中的输水系统布置；利用波动传播过程中的变形、反射特点，不使其相叠加并抵消波动。

本研究采用1∶40正态物理模型对船闸输水廊道以及下游引航道内水流进行模拟，模型的直观性强，能够真实反应岸壁边界及复杂流态，工程结构近区模拟准确性高。试验内容包括水流流态、泄水波运动特征、水面比降、流速分布、水位壅高、回流强度等，分析水流运动对引航道内船舶的影响，以及对船闸本身（人字门）及引航道护岸等的影响。从延长泄水时间、植物型护岸、优化护岸结构型式、拓宽引航道等角度研究改善引航道水流条件的工程和非工程措施，为船闸工程的设计施工以及运营管理提供技术支撑。

1　模型设计

1.1工程概况

运东船闸建于20世纪80年代，位于江苏省高邮市境内高邮湖东侧，与京杭运河相连，为江苏省干线航道网通扬线的起点。近年来过闸船只数量激增以及部分构筑物破损，拟将原船闸拆除在原址重建。建设规模230 m×23 m×4 m，为III级通航建筑物，船闸上下游正常水头差5.5~7.0 m，最大水头差7.13 m。下游引航道平面布置采用不对称式（图1），宽度约70 m，直线段长度410 m，下游布置有远调码头和停泊锚地。船闸下闸首门槛顶高程-3.3m（85国家高程，下同），引航道设计底高程-3.3 m。下闸首输水系统采用简单消能工的水平环绕对冲消能的平底板短廊道集中输水系统。下游引航道护岸设计方案为：左岸采用重力式护岸结构，右岸采用钢板桩护岸结构。

图1　运东船闸下游引航道形态及测点布置Fig.1 Plane layoutof lower app roach channeland measure section location of Yundong ship lock

1.2研究方法

1.2.1物理模型设计与制作

采用1∶40正态物理模型研究船闸泄水过程中，下游引航道内的水流运动特性。模型范围为下闸首及其下游2 km的航段。根据航道设计断面采用断面控制法制作引航道模型，闸室下闸首与输水廊道采用塑料板制成一个整体，两侧输水廊道各接1个直径为50 mm的管道，模拟船闸泄水。下游采用翻板尾门控制水位。

1.2.2试验设备与量测仪器

船闸泄流过程采用南京水利科学研究院研制的电动阀门自动化系统进行控制，闸阀上游安置电磁流量计。将给定的各工况泄流曲线输入计算机，通过流量与阀门开度的拟合曲线，控制电动阀门的启闭速度，同时将所需流量与电磁流量计的读数进行实时校验并调整偏差。电动阀门下游设置三通管，将水流分成两股进入两侧输水廊道，模型中流量误差控制在0.1 m3/h以内。水位采用数字编码跟踪式水位仪。流速采用激光旋浆式流速仪测量，测点保持在0.6 m水深处。采用自动波高仪采集泄水波的传播，模型中波高采样间隔为0.05 s。

1.2.3模型验证

模型验证以阻力相似为主，即求证河槽的糙率。由于通扬运河高邮段河道水位比降较小，流速亦很小，即使进行水文测验也难以求得糙率系数n，而且工程后船闸下游引航道岸坡将进行人工护砌，因此河道的天然糙率对模型试验的意义不大。运东船闸下游引航道断面规则，两侧护坡采用浆砌块石、袋装碎石、模袋混凝土、钢板桩等，糙率系数约为0.024~0.025。根据相似条件，模型的糙率系数为0.013。引航道模型采用水泥砂浆适当抹光，能够满足模型试验的要求。

2　非恒定流特性

2.1试验工况

模型试验的上游泄水流量过程采用最不利设计工况，即水头差为7.13 m，阀门开启时间为5 min。随着泄水阀的开启，下泄流量逐渐增大；最大流量（141.53 m3/s）约出现在泄水过程的中间时刻；随后水头差逐渐降低，流量由峰值逐渐回落；当闸室内外无水头差时，流量归为0。

2.2水面波动

引航道内布置9个波高测点，分别位于8个测流断面以及下闸首人字门处（图1），波高测点均位于航道中心线上。采用波高仪自动监测船闸泄水全过程以及泄水结束后共约60 min内水面的波动，将测得的波高值与初始水位叠加，即得到各点水位随时间的变化过程。人字门、系船墩（断面III）及远调码头（断面VII）水位过程见图2，由图可知，试验前的稳水过程持续约5min，随着泄水阀门的打开，下游引航道内产生相应的非恒定流波浪运动：紧邻出水口的人字门处水位迅速升高，在泄水全程的7.65 min内水位先增加至最大随后降低，人字门处水位超高0.39 m，超过JTJ 306—2001《船闸输水系统设计规范》要求的0.25 m；泄水结束后，受波动的反向传播作用，人字门处水位出现回升；闸门的阻挡导致水位迅速爬升，0.5 min内由0.58 m增至1.01 m；随后人字门的反射作用导致波浪折向下游传播，水位随之下降，第二个波动周期约11 min。对比人字门、系船墩及远调码头3个测点的水位波动过程可知，泄水波的传播导致下游各点波动过程有所延迟。根据各测点的距离及波动出现时间，推算出泄水波前沿前进速度约为6.0m/s。泄水过程中系船墩和远调码头处最大波高分别为36 cm和23 cm。泄水结束后，由于波动延续性以及波浪的反向传播，水位仍出现波动，加上不规则岸线及不同结构岸壁的反射作用，各点水面波动呈现来回振荡、波幅缓慢衰减的趋势。

图2　船闸泄水过程及结束后引航道内各点水位变化过程Fig.2 Water levelvariation over time during lock emptying and afterward

2.3水位变率及比降

1号~6号水位测点在泄水过程各时段内的水位变化速率见表1，可见各点水位变率出现正负交替，表明水位并不是呈现单调升高或降低，而是出现波动，水位上升最快处位于1号、3号、4号测点，约25 cm/min。究其原因是其距离泄水口较近，水位变化较敏感，而2号测点的水位变率较这3个测点小，可能是由于其位于航道拓宽突变处，水面变宽，水流变缓，加上对岸系船墩对水流波动的削减作用，使得水位变率较周围测点小。对比1号~6号测点数值可知，水位变率最大值出现时刻随着与闸室的距离增加而延迟。从每个测点各个时刻值看，水位升高的速度远大于水位回落的速度。

表1　船闸泄水过程各时段1号~6号测点水位变率Table1 W ater levelvariation ratesof1-6 pointsat different tim e during lock em p tying

泄水过程中各时刻引航道纵向水面线见图3，最大正比降出现在76 s、152 s、228 s三个时刻，约为0.1%，此时全航段水面坡降差异较大，比降较大的航段长度仅500 m，其余河段水面较平缓。随着下泄水量增加以及水质点逐渐下移，全航段水位逐渐抬高，坡度放缓。在泄水过程后期，水体继续向下游移动，而闸室泄流量逐渐减少并趋于0，上游的水体补给少于流向下游的水量，航段水面呈现倒坡，水面倒比降最大为0.09%，发生在船闸泄水结束时。最大正负比降均处于船闸下游100 m范围内，水面比降值能够满足航行要求[8]。

图3　泄水过程各时刻引航道内纵向水面线Fig.3 Longitudinal water surface profile at different time during lock emptying in the approach channel

2.4断面流速

引航道内布置8个测流断面，每个断面布置3~4个测流垂线，最左侧垂线标记为1（见图1）。结果显示：引航道内流速最大值位于闸室下游100 m范围内（系船停泊区上游），最大纵向流速达1.57 m/s；III-4断面纵向、横向流速最大值分别为0.56 m/s、0.15 m/s；下游远调码头及停泊锚地流速最大为0.37 m/s、0.39m/s，横向流速小于0.05 m/s。系船停泊区所在测流断面III各垂线流速过程见图4，在一个泄水过程中，流速先增大随后降至0。泄流结束后，随着部分水体的回溯，流速值随之增加并呈现来回反复。在前两个流速波动过程中，4根垂线的流速值极值出现时刻基本一致，而在随后的两个流速波动中，各垂线点流速并没有出现同时增加或降低的趋势，体现出水流往复运动过程中的横向分布不均特性。

图4　系船停泊区断面（III）各垂线流速过程图Fig.4 Flow velocity processes of different vertical lines at section III

2　.5回流特征

运东船闸泄水过程中及泄水结束后，引航道内系船墩处产生回流。泄水过程末端，系船墩上游由于河道断面变宽、水流能量耗散而出现顺时针回流，面积为70 m×20 m，流速约0.35 m/s，随着泄水结束，该回流随之消失。泄流结束后传递至下游的能量逐渐减少，泄水波产生反向传播，两者在系船墩处相遇，由于能量的不均等以及左右侧不对称，系船墩处生成一个顺时针回流（图5），面积为80 m×75m。

图5　泄水结束后引航道内回流位置及范围Fig.5 Rangeand locationsof back flowsafter lock em ptying in the approach channel

水流的黏滞力和惯性导致其上游生成逆时针回流，直径约50 m，2个回流强度约0.20m/s。

3　改善措施及效果分析

3.1延长泄水时间

将泄水阀门开启时间从原先的5 min（工况E1），延长至6 min（工况E2）和7 min（工况E3），分析其对引航道内水位、流速、流态的改善效果。随着泄水阀门开启时间增加，引航道内水面比降趋缓，水位变化速率降低，水面波幅也有所减小。人字门处水位超高从0.39m降至0.30 m，水面最大正比降由0.1%降至0.07%，泄水时间延长对引航道末端波高影响不大。系船停泊区最大纵向流速由E1工况的0.56 m/s降至E3的0.51 m/s。可见，延长泄水时间能够改善船闸泄水时下游引航道内的水流条件。

3.2柔性植物护岸

拟在引航道弯段两岸布置柔性植物，左右侧植物护岸长度各350 m。模型试验中采用塑料草模拟天然植物，塑料草高2 cm、间距8 cm，每颗草6~8瓣叶片、每瓣叶片长约4 cm。E3泄水工况条件下，无植物护坡和有植物护坡两种情况人字门处水位变化过程对比见图6，水位惯性超高由无植物护坡的0.30 m降至0.25m。但是，植物护坡能否经受泄水波、船行波的淘刷以及船舶岸边靠泊的影响，是柔性护岸能否用于引航道护岸的关键。

图6　工况E3有无植物护岸人字门处水位变化过程Fig.6 Water level process at the miter gate of plants and non-plants revetment scenarios in CASE E3

3.3引航道拓宽及护岸结构优化

方案S1在原护岸设计方案的基础上将左岸后退5 m，拓宽段长度为1.1 km（下闸首以下70 m为起点），后退岸线采用重力式护岸结构。E3泄水工况人字门处的水位超高为29 cm。

方案S2和S3与方案S1的不同之处在于，其在左岸后退岸线上采用钢护木结构护岸，长度分别为0.59 km和1.1 km（以航道拓宽的上游起点算）。钢护木护岸结构在每9.98m的岸线上布置4个钢护木，每个宽0.39 m，形状为弧形凸出，最大凸出尺寸为0.1 m，钢护木所在高程为0.4~3.4 m。E3泄水工况下，方案S2、S3人字门处水位超高为29 cm、28 cm。

方案S4和S5在左岸后退岸线上采用空箱结构护岸，长度分别为0.59 km和1.1 km。空箱护岸结构的每9.98m岸线为一个结构单元，每个单元有6个立柱，立柱宽0.5m，间隔0.85 m，立柱后方水域连通，深度为1.5 m，空箱所在高程为0.4~3.4 m。E3泄水工况下，方案S4、S5人字门处水位超高为25 cm、22 cm。

4　结语

延长泄水阀门开启时间可降低泄流过程中的流量峰值，从而使得引航道内最大水面比降、最大流速、水面波动幅度有所减小，改善通航水流条件。但是泄水时间的加长会导致船闸运行效率降低，船闸工程设计中应寻求两者间的平衡。在引航道两岸采用植物护坡，能够有效削减泄水波、船行波。但是，布置于近闸航道两岸的植物，会受到船舶停靠擦碰的影响，掉落的植物枝叶有可能缠绕船舶螺旋桨，给航行安全带来隐患。空箱结构能够增加近岸水流摩阻，并在立柱后方形成紊动涡漩，削减泄水波能量，保护航道护岸及人字门。

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Unsteady flow characteristics during the ship lock emptying and its navigation safety measures

SHEN Xia,XIERui,JI Chang-hui,WANG Yong-ping
（Nanjing Hydraulic Research Institute StateKey Laboratory ofHydrology-Water Resourcesand Hydraulic Engineering, Nanjing,Jiangsu 210029,China）

There should be a complex water flow in lower approach channelwhen the chamber empties.The flow could cause potential safety hazard for ship berthing and navigation.A physicalmodel of 1:40 scale ratio is applied to study long wave movement,water surface slope,velocity distribution,and backflow intensity when the lock empties and afterward.The results show that the reversewater head at themitergate is 0.39m,and the longitudinal velocity atmooring site is 0.56m/s under the designed condition,the value is beyond relevant standards,itwill be harm ful to the ships in approach channel,m iter gate,and the approach channel revetment.Prolonging the long valve opening time can lower the peak value of flow rate,therefore the water surface slope,water wave and water flow could be reduced.Plants revetment can effectively reduce the energy of discharge wave and ship wave.Hollow caisson structure has positive effect on reducing the impact force against the channel walls,reducing the water wave energy,and protecting the channel revetment and miter gate,and the longer of hollow caisson structure revetment,thebettereffectonwater flow improvement.

ship lock;physicalmodel;unsteady flow;discharge long wave;revetment structure

U641.1

A

2095-7874（2016）04-0034-05

10.7640/zggw js201604009

2015-09-10

2015-11-12

江苏省自然科学基金资助项目（BK20150078）；南京水利科学研究院院基金资助项目（Y215007）

申霞（1982—），女，江苏如皋人，博士，高级工程师，从事水力学及河流动力学研究。E-mail：xshen@nhri.cn