船闸充水过程中上游引航道非恒定流特性及通航水流条件研究

王恭兴

摘 要：某船闸上游引航道在枢纽运行初期和后期最低通航水位为135.0 m和145.0 m时，航道水深分别为5.0 m和6.0 m，均属浅水限制性航道。双线船闸灌水将导致引航道中发生复杂的非恒定流长波运动，并影响船舶停泊和航行安全。本文研究的目的在于试验测定原设计布置和工况下长波运动特性和船队停泊、航行条件，针对波动特征值和缆力值，初步研究改善措施，为前期技术方案设计和后期运行管理提供参考。

关键词：非恒定流;船闸;水流条件;措施

中图分类号：TV135.4 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2021）32-0079-03

Study on Unsteady Flow Characteristics and Navigable Flow Conditions in Upstream Approach Channel During Filling Process of a Lock

WANG Gongxing

（Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited， Changsha Hunan 410014）

Abstract： When the lowest navigable water level is 135.0 m and 145.0 m， the water depth of the upstream approach channel of a ship lock is 5.0 m and 6.0 m respectively， which belong to shallow restricted channel， the long-wave motion of unsteady flow in the approach channel will be caused by the filling of double-line lock， which will affect the safety of ship berthing and navigation. The purpose of this paper is to test and determine the characteristics of long-wave motion and the conditions of Mooring and navigation of the fleet under the original arrangement and working conditions， it provides the reference for the early stage technical scheme design and the later stage operation management.

Keywords： unsteady flow;lock;flow condition;measure

在船闸建设及运行过程中，船闸灌泄水将导致上下游引航道内发生复杂的非恒定流长波运动，引起水面波动、流态和流速等变化。该问题不仅影响船舶进出引航道，还影响航行安全。本研究的目的在于通过模型试验测定原设计布置和工况下长波运动特性和船队停泊、航行条件，针对波动特征值和缆力值初步研究改善措施，以期为前期技术方案设计和后期运行管理提供参考。

1 模型试验及试验成果

1.1 上游引航道概述

船闸上引航道全长2 113 m，在船闸右侧设有全包隔流堤，堤长2 720 m。上引航道中心线在第一闸首前为930 m直线段，往上游接半径为1 000 m、圆心角为42°的弯段，再接长450 m的直线段到上游口门区。上游口门和连接段航道从口门外往上游接530 m的直线段，再接半径为1 200 m、圆心角为32°的弯段后，用切线与库区航线相接[1]。口门区宽为220 m，初期设计底高程为130 m，后期清淤高程为139 m。

1.2 模型特点和测试手段

模型比例尺为1∶100，正态、定床，范围包括一、二级双线船闸、上游引航道和口门外700 m×700 m水域。为使进水条件和初始波基本相似，一闸室输水系统近似模拟八区段顶缝出水布置;为使波动传播和反射、叠加相似，左岸溪沟地形模拟至150 m高程;为准确校验恒定流流量系数，模型后设置量水堰;为稳定上游水位，模型上游端部设置平水槽;为检验船队系缆力测量值，在船队模型两端设置水位计和升、降位移测量装置，以计算水面比降和船队纵倾[2]。9×1 000 t船队模拟编队形态、尺寸，排水量13 000 t。水面波动的定点水位过程线由DS-30动态水位仪测量;瞬间流速及变化过程采用HD-4电脑流速仪测量;船队系缆力采用薄环电阻式缆绳拉力仪测量，并经DS-30系统采集、处理数据和绘图。

1.3 流量系数校验

输水流量增率和最大流量是确定长波初始波面形态和最大波高的主要因素。为使原模波动特性相似，模型输水过程应尽量与原型接近。因此，模型的二闸室未模拟输水系统，而利用二闸首下检修门槽局部开启阻力系数调整输水系统总阻力系统，使阀门全开流量系数等于根据1∶30输水系统整体模型试验得到的原型预测值μ=0.60（反弧门方案）。模型通过恒定流试验测得工作阀门全开时下游检修门开度n与流量系数μ的相关曲线μ=f（n），据此确定μ=0.60对应的下检修门开度。

1.4 原设计后期145.00 m水位运行试验成果

1.4.1 运行条件。枢纽后期运行的上游最低通航水位为145.00 m，五级船闸按四级运行，一级船闸为通闸。闸室水位为145.00 m，二级闸室起始水位为124.25 m，水头H为20.75 m。一、二闸首输水阀门孔口尺寸分别为5.5 m×4.5 m和4.5 m×4.2 m（高×宽）。二闸首阀门开启历时t=1 min，后期运行的引航道最小水深为6.0 m，相应底高程为139.0 m，由拉沙或疏浚保持。從进水口前坎高程130～139 m的连接，模型采用自上闸首前0+220 m起始，以i=0.05底坡在0+400 m处与平底相接。试验船队停于左岸泊位，该处两端均为溪沟，局部水流作用较大。

1.4.2 测试结果。停船段及弯道和口门直段的水力特征值见表1、表2，波动Zm取各段中的最大值。流速施测断面分别位于停船段泊位中部、弯道的中部和距隔流堤堤头240 m的口门端部。该处左侧有斜流和小回流。根据t=1 min的流量过程线、波动过程线、流速分布图和系缆力过程线，得到测试结果。

①双闸室同时灌水（简称双灌）的最大波高0.79 m，最大流速0.98 m/s，最大纵向系缆力221 kN，后横向力44 kN，均不同程度地超过设计限值分别为波高0.5 m，流速0.8 m/s，纵向系缆力49 kN，横向力30 kN。超过幅度尤以纵向力为甚，为允许力的4.5倍，即使单闸室灌水（简称单灌），纵向力亦达127 kN。另外，由实测船队纵倾推算纵向力160 kN，鉴于计算值中未反映断面变化对波动反射叠加影响和起始水深与吃水深之比、较小浅水效应，在纵倾力中未反映船体表面摩阻等流速力，因此综合判断，试验实测值较为可信[3-5]。从纵向力过程线可见，峰值发生在最大流量附近，此时双灌的流量增率在12.7～16.2 m/s，二者综合作用，再加上浅水效应、局部水流等因素影响，使纵向力峰值较大。

②为探索改善途径，进行了t=120 s和t=360 s工况下的试验。由表1和表2可以看出：t=120 s的波高和流速减小不甚明显;t=360 s双灌的系缆力已明显减小，纵向力81 kN已较接近允许值，单灌纵向力49 kN已达允许值，输水时间为829 s，超过T=720 s的要求。

③流速测量表明，原设计t=1 min运行有较大的反向流速，但在据模采型集试时间8 min（相当原型80 min）内仅出现一次;断面正向流速分布较均匀，反向流速则在一侧近岸边最大，但范围较小;口门断面左侧出现斜向流速，其最大横向分值为0.35 m/s。另外，停船泊位上游端溪沟向引航道内补水时，船尾有较明显横流，这是船队后横向力较大的原因。

2 后期145.00 m水位运行改善措施试验

2.1 改善措施一

采用三闸室补水运行，降低二闸室灌水初始水头。现设计四级运行每级平均落差20.75 m，中间级水头41.5 m。若后三级水位差仍按五级正常水位划分运行，即中间级水头41.5 m，末级水头22.6 m，则二闸室灌水的初始水头可降至15.2 m，引航道中的波动特性和水流条件将会获得改善，此运行方式在三级船闸灌水时需进行补水。该改善措施试验的水力特征值见表3。灌水时一闸首工作阀门全开，t=1 min时，输水时间为598 s，较原设计运行方式有缩短，但纵向系缆力仍超过允许值较多;而t=360 s时双灌的纵向力67 kN已接近允许值;单灌纵向系缆力43 kN，低于限值;输水时间为730 s，亦接近设计要求。

2.2 改善措施二

停船段底高程保持135.0 m，增加水深4.0 m。改善措施二的引航道底纵剖面设计为该高程135.0 m平段两端分别以i=0.05坡度与前、后渠底连接。该措施试验的成果列于表3，t=1 min、t=2 min、t=6 min的输水过程线与原设计相同。表列特征值表明，t=1 min双灌的纵向力已较原设计减小一半，但仍超过限值;单灌纵向力64 kN已接近允许值。[tv]=2 min双灌的纵向力86 kN，接近限值;单灌纵向力43 kN，低于限值;输水时间748 s，接近设计要求。t=6 min双灌的纵向力37 kN，低于限值;但输水时间829 s超过设计要求较多。

3 结语

试验结果表明，船闸上游引航道原设计后期145.00 m水位运行单、双闸室灌水的非恒定流波高、流速大多超过允许值，9×1 000 t船队的纵向系缆力则显著超过允许值。

采用改善措施一（145.00 m水位三闸室补水运行，二闸室灌水初始水头降为15.2 m）、改善措施二（保持停船段渠底高程135.0 m，该段航道水深4.0 m）和延长输水阀门开启时间，可不同程度地改善长波运动特性和减小系缆力。若三者结合使用，效果更佳。据试验结果分析推测：对于后期145.00 m水位运行，措施一、二联合使用时，t=1 min单灌有可能使系缆力和输水时间接近允许值，双灌则需延长t;t为2～3 min时，系缆力输水时间接近或略大于允许值;t=6 min时，输水时间符合要求而系缆力稍有富裕。

现改善上游引航道中灌水非恒定流的通航水流条件涉及多种因素，如输水时间要求、输水阀门开启速度和工作条件，需进行综合研究以确定改善措施。

参考文献：

[1]交通部.船闸总体设计规范（附条文说明）：JTJ 305—2001[S].北京：人民交通出版社，2001.

[2]张红.浅析三峡船闸引航道维护[J].中国水运，2010（9）：26-27.

[3]李发政，孙家斌.三峡船闸下游引航道通航条件研究[J].长江科学院院报，1999（5）：13-16.

[4]赵连白，刘万利，张秀琴.葛洲坝大江船闸下游航道通航水流條件试验研究[J].水道港口，2001（4）：169-174.

[5]李晶晶.船闸引航道增设系船设施施工工艺分析[J].珠江水运，2021（20）：54-55.