高水头大型船闸人字门门库布置*

刘本芹，李 云，陈 琼

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京210029；2.水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京210029；3.通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京210029)

船闸人字门通过封闭闸室孔口，与输水系统共同配合，使闸室水位升降，令船舶克服上、下游水位差而安全过闸。人字门启闭运行频繁，启闭过程水流对人字门动水阻力矩的影响较大，而门库布置直接关系到人字门启闭过程的局部水流结构及水体交换是否通畅，成为影响人字门启闭力及动水阻力矩的重要因素[1-3]。随着船闸水头及闸室尺度的增大，人字门的尺寸也相应增大，此时人字门开、关门初期及末期的动水阻力矩将成倍增加，显著增大启闭设备的设计与制造难度，同时对启闭安全性提出更高的要求。为了减小人字门启闭初期与末期的动水阻力矩峰值，本文针对高水头大型船闸人字门门库布置技术开展研究，论证门库各项边界条件对动水阻力矩的影响，进而提出科学合理的门库布置方案，解决高水头大型船闸人字门及启闭设备的设计难题。

1 船闸及人字门特征尺寸

依托工程的设计最大通航船舶吨级为3 000 t，船闸口门宽度为34.0 m；单扇人字门的宽度为20.20 m，高度为47.50 m，属于特大型人字门[4]。人字门最大挡水高度46.05 m，最大挡水水头40.25 m，最大淹没水深26.29 m。人字门启闭机采用卧式直联液压启闭机，额定启、闭门力均为3 200 kN， 启闭机工作行程7.37 m。人字门及启闭机布置见图1。

图1 人字门及启闭机平面布置(单位：mm)

2 数学模型

2.1 基本方程

高水头船闸人字门多为静水启闭，但水流受门体旋转扰动为非恒定流问题，对自由水面的正确捕捉是研究门体启闭受力的关键[5]。本文根据人字门启闭过程水流特点，采用合适的数值模拟与自由水面捕捉方法。数学模型紊流基本方程如下：

连续方程：

(1)

不可压缩流体动量方程：

(2)

式中：ρ为流体密度，t为时间，p是压强，ui、uj分别为速度矢量在xi、xj方向上的分量，ν为运动黏性系数，ν=μρ，μ为动力黏度，fi为xi方向单位体积力。

2.2 计算模型

计算区域包括人字门门库及其上、下游各100 m的长度范围[6-7]，考虑到两扇人字门为对称布置，故宽度范围取闸室宽度的一半。门库区域平面划分为三角形非结构网格，闸室段为结构网格，纵向拉伸为棱柱体网格，并对交界面水面网格加密处理。采用动网格技术模拟人字门启闭过程计算区域的变化，图2为人字门启闭过程不同时刻的网格对比。取静止状态为初始条件，上、下游边界作固壁边界。

图2 不同时刻的人字门附近计算网格

2.3 模型验证

采用船闸人字门运行水动力学物理模型试验结果验证数学模型的可靠性，相同条件下人字门启闭过程动水阻力矩的计算值与试验值对比见图3。由图3可以看出，在动水阻力矩量值及变化趋势方面，数学模型计算结果与模型试验结果吻合较好。本文中数学模型的主要作用是研究门库各项边界条件对动水阻力矩峰值的影响，通过对比分析，进而提出较优的门库布置及门槛高度，因此可以认为该数值模拟方法是正确可行的，其模拟精度满足研究需求。

图3 人字门运行过程动水阻力矩的计算值与试验值对比

3 人字门启闭过程中的水流特征

带门底间隙的人字门在启闭运行初期和末期的局部水流流速分布如图4所示。

图4 人字门启闭运行初期和末期的典型流速分布

开门初期，门前一部分水体逐步远离门体，一部分水体则通过门底、门头及门尾的间隙绕过人字门，垂向水流交换特征显著。人字门门前水流垂向流速向下，门后垂向流速向上。开门末期，在门库边界与人字门门体的共同作用下，门前水位壅高，水流受挤压向门底、门头及门尾的间隙处流动，门前水流垂向流速向下，水平流速向门体门头及门尾两侧；门后水流的垂向流速同样向下，水平流速向门头及门尾两侧，阻碍各缝隙出口的水体交换。受门库、门体边界及闸室漩涡的综合影响，门库内水流流动不畅，产生振荡波动。

关门初期，人字门门库内水位下降，门体前后面产生较大水位差，门前水体由门底、门头及门尾处的间隙向门库补水。受门库体型及布置影响，人字门前后水体交换不畅，并在门库中往复振荡形成水面波动。关门末期，门头间隙变小，门底间隙受门槛阻挡，水体再次交换不畅，门前形成水位壅高，部分水流通过门头、门尾处的间隙流向门后，流速较大，同时在门后形成大范围水流漩涡。

分析可知，人字门启闭运行初期和末期，门体前后水流流动不畅，易形成局部水位壅高，人字门前后产生水位差，从而导致较大的动水阻力矩峰值。人字门在相同淹没水深下，门库型式及其特征尺寸、门底间隙等边界条件是影响动水阻力矩峰值的主要因素。

4 门库边界条件对动水阻力矩的影响

4.1 门库体型与布置

根据设计初步布置，船闸人字门门库边界尺寸如图5所示。为便于描述，定义门位来表示人字门启闭过程所处的位置。当人字闸门处于全关位时，门位为0；当人字门处于全开位时，门位为1；当人字门启闭过程处于全关位与全开位之间时，根据门体运动旋转角度不同，门位介于0～1之间。

图5 船闸人字门门库初步布置(单位：m)

4.2 门底间隙对动水阻力矩的影响

针对人字门门库初步布置，在人字门淹没水深为26.29 m，启、闭时间均为180 s的条件下，研究了门底间隙对人字门动水阻力矩的影响，开、关门初期和末期的动水阻力矩峰值如图6所示。

图6 动水阻力矩峰值随门底间隙的变化规律

开门阶段，当门底间隙由1.0 m增加到2.0 m时，开门初期和末期的动水阻力矩峰值分别下降5%和1%；当门底间隙由1.0 m增加到2.5 m时，开门初期和末期的动水阻力矩峰值下降均为7%；当门底间隙由2.5 m继续增大时，动水阻力矩峰值降低幅度不再明显。

关门阶段，当门底间隙由1.0 m增加到2.0 m时，关门初期和末期的动水阻力矩峰值分别下降3%和31%；当门底间隙由1.0 m增加到2.5 m时，关门初期和末期的动水阻力矩峰值分别下降3%和36%；当门底间隙由2.5 m继续增大时，动水阻力矩峰值降低幅度同样不再明显。

对比结果说明，门底间隙对开门初期和关门末期的动水阻力矩峰值影响较为明显，主要是因为人字门处于开门初期和关门末期时，两扇闸门门头间缝隙小。若门底间隙过小，此阶段闸门前后的水位差必然迅速增大，产生较大的动水阻力矩峰值，因此门底间隙不宜太小。同时发现，关门末期的动水阻力矩峰值对门底间隙的变化更为敏感。

根据以上分析可知，门底间隙设置为2.5 m较为合理。

4.3 门库体型优化

除门底间隙外，门库本身的体型及尺寸将直接影响到人字门启闭过程的水流流态，关系到人字门启闭运行初期和末期的水流是否流畅，进而影响到动水阻力矩峰值。为此，进一步研究了门库体型，从门库深度(即：人字门全开位时距离门库边墙的间隙)、全开位门头距上游闸墙的尺度以及局部连接形式等方面，提出图7中的4种门库优化体型，分别将门库深度由原方案的0.64 m增大到1.0、1.5、2.0和2.5 m，并进行了局部连接方式的优化调整。

图7 4种人字门门库优化体型及布置(单位：m)

表1的计算结果表明，与原体型相比，人字门门库4种优化体型下，动水阻力矩峰值均有不同程度的降低：体型1人字门运行过程开门初期和末期的动水阻力矩峰值分别降低4%和40%，关门初期和末期的动水阻力矩峰值分别降低18%和33%；体型2人字门启闭过程开门初期和末期的动水阻力矩峰值分别降低6%和50%，关门初期和末期的动水阻力矩峰值分别降低29%和47%；体型3人字门启闭过程开门初期和末期的动水阻力矩峰值分别降低6%和50%，关门初期和末期的动水阻力矩峰值分别降低35%和47%；体型4人字门启闭过程开门初期和末期的动水阻力矩峰值分别降低6%和50%，关门初期和末期的动水阻力矩峰值分别降低41%和46%。

表1 人字门门库4种优化体型动水阻力矩峰值降低效果比较

分析可知，门库深度及其周围间隙的改变，对人字门开门末期、关门初期和末期的动水阻力矩峰值影响较为明显，但当门库深度大于1.5 m后，降低动水阻力矩峰值的效果逐渐趋于稳定，由此确定门库深度为1.5 m。

4.4 推荐门库体型

通过对比分析，在确定门底间隙和门库深度分别为2.5 m和1.5 m的基础上，为了更有利于人字门运行时的门库水体流动，进一步将门库与上下游边墙的连接段由垂直连接调整为圆弧连接，由此得到图8中的推荐门库体型。采用数学模型计算了最终体型下人字门启闭运行时的动水阻力矩，见图9。在淹没水深为26.29 m、匀速开启或关闭运行时间为180 s的条件下，人字门开门初期和末期的动水阻力矩峰值分别为7.05 MN·m和1.07 MN·m，关门初期和末期的动水阻力矩峰值分别为9.12 MN·m和3.12 MN·m。推荐门库体型下，人字门启闭运行各阶段的动水阻力矩峰值均获得不同程度的降低，最大降低51%。研究表明，推荐门库体型是科学合理的，人字门启闭机设计容量是安全可靠的。

图8 推荐门库体型(单位：m)

图9 推荐门库体型的人字门运行动水阻力矩过程线

5 结语

1)带门底间隙的人字门在启闭过程中的局部水流具有明显的三维特性，启闭运行初期和末期人字门前后水体交换不畅，导致动水阻力矩峰值较大，门库体型及其特征尺寸、门底间隙等边界条件是影响动水阻力矩峰值的主要因素。

2)人字门启闭运行过程的动水阻力矩峰值随着门底间隙、门库深度等特征尺寸的增大而降低，并逐渐趋于稳定，由此得到门库特征尺寸的临界值为：门底间隙2.5 m，门库深度1.5 m。

3)人字门门库与上、下游边墙的连接方式宜采用圆弧连接，结合依托工程提出了科学合理的人字门门库体型及具体布置，可有效降低动水阻力矩峰值，有利于人字门启闭机安全可靠运行。