双线船闸分水墙体型对下游引航道水流条件的影响研究

钟林斌 陈玉梅 黄毓斌 冯崧

摘要：为研究双线船闸分水墙体型对下游引航段内通航水流条件的影响，确定合适的分水墙体型，文章采用三维数值模拟方法对某船闸工程开展计算，获得了不同分水墙体型下引航道内的流速分布。研究表明：分水墙采用透空型式可有效减小另一线船闸引航段内的回流；延长分水墙长度能有效减小引航段横向流速和回流影响范围。研究结果可为类似工程设计提供参考。

关键词：省水船闸；互灌互泄；分水墙；通航水流条件；数值模拟

中图分类号：U641.6+22 A 11 028 3

0 引言

引航道是通航建筑物的重要组成部分，其内部水流条件是评价船舶安全过闸和通过能力的标准［1-2］。传统单线船闸在灌泄水时，引航道内横向流速对船舶的影响可以忽略，故船闸规范中仅对引航道内的纵向流速提出了要求。但随着长洲三四线船闸、平陆运河青年船闸等互灌互泄省水船闸的建设，双线船闸共用一条引航道在船闸灌泄水时将面临一些新问题，如一线船闸泄水形成的非恒定流易在下游引航道内形成较大的回流和横流，对另一线船闸运行造成不利影响。

目前针对双线省水船闸的研究多集中于船闸水力特点、输水系统形式、阀门启闭方式等方面。如黎运棻等［3］研究了桂林春天湖双线省水船闸双线省水特性及闸墙长廊道闸室横支廊道输水系统布置方案。陈亮等［4］建立物理模型对长洲三、四线船闸省水运行方式进行研究，发现双线相互灌泄水运行引航道水流条件比单线运行好，且引航道内的停泊条件也优于一线单独运行。吴波等［5］采用数值模拟方法分析了长洲枢纽三、四线船闸省水运行时连接阀门关闭后两闸室之间的剩余水头与省水率之间的关系。韦德鉴等［6］采用物理模型试验与数值模拟相结合的手段，对西江长洲三四线船闸运行方式开展了研究，结果表明优化船闸运行方式是控制下游水流条件的最佳方式。可见，上述研究大都围绕双线船闸输水系统或船闸运行方式开展研究，而针对船闸灌泄水对下游引航道内水流条件改善措施的研究鲜有报道。

本文以双线船闸分水墙体型对下游引航道水流条件的影响为切入点，采用三维数值模拟方法，研究不同分水墙形式对引航道内水流流态、流速的影响，分析分水墙尺寸与停泊段横向流速的关系，研究成果可为实际工程应用提供参考。

1 模型的建立与验证

1.1 基本方程

数值计算以连续方程和动量方程作为基本控制方程，并采用经典的RNG k-湍流模型使方程组封闭。此外，为了进行数值求解，控制方程离散方法为有限差分法。其中连续方程与动力方程的表达式如下：

1.3 计算区域与工况设置

本次模拟的双线船闸有效尺度为300 m×34 m×8 m（长度×宽度×门槛水深），建模部分包含下闸首、下游引航道和输水系统出口，其中下游引航道宽度为156 m，长度约为600 m。分别采用实体型与透空型两种分水墙形式进行计算分析，如图1所示。

该工程的设计水头为10.32 m，根据一维水力计算结果可知，主廊道阀门4 min开启时单线船闸最大泄水流量约为397 m3/s。针对不同分水墙体型和尺寸展开了相关研究，其中为研究透空型分水墙长度对引航道水流条件的影响，分别将透空型分水墙长度设置为80 m、120 m和130 m，计算工况见表1。

1.4 边界条件

模型边界条件包括流量进口、自由出流边界与壁面边界。模型上游边界采用流量进口边界，泄水廊道内流量随时间的变化曲线如图2所示。下游出口采用自由出流边界，可有效避免波浪反射对引航道的影响。

2 结果与分析

2.1 分水墙体型对水流条件的影响

随着船闸开阀泄水，下引航道从下闸首开始流速逐渐增大，并向下游传递。当t=250 s时，下泄流量达到最大，引航段内的表面流速也较大。随着下泄流量减小，水位开始跌落，形成跌水波，流速也减小。下页图3为t=250 s时工况X1和X2下游引航段表面流场情况示意图。可以看出，实体分水墙时运行侧船闸引航段在分水墙墩头附近有明显的大流速区，表面流速＞1 m/s，同时在另一线船闸引航段形成一个范围较大的回流区，见图3（a）；当分水墙采用透空型式时，分水墙墩头附近的大流速区范围变化不大，但最大流速明显降低，约为0.8 m/s，且回流区的流速大小和影响范围明显减小，见图3（b）。

下页图4为下游引航道内的横向流速分布示意图，图中速度负值表示横向流速方向指向河流右岸，速度正值表示横向流速方向指向河流左岸，其他区域横向流速基本为零。从图4可以看出，在阀门开启阶段透空分水墙有效减小了横向流速的大小和影响范围，也进一步减

小了横向水流对停泊段的影响。总的来说，分水墙采用透空型式虽然较实体结构更为复杂，但对引航段和船闸进水口处的水流流态是有利的。

2.2 分水墙长度对水流条件的影响

图5为不同分水墙长度工况下引航段流速分布示意图，从图中可以看出引航道内水流基本均匀，随着泄水流量逐渐减小，在引航段出现了回流区，回流流速＜0.4 m/s，停泊段内表面最大流速约为0.4～0.5 m/s。

在主廊道阀门以4 min启闭方式下，闸室泄水最大流量接近400 m3/s，下游引航段分水墙墩头附近局部区域出现了横向流速较大的情况，后页图6为不同导航墙长度工况下下游引航道内引航段的横向流速分布示意图。可以看出，分水墙的延长有效减小了横向流速的大小和影响范围。在分水墙长度为120 m时（工况X3），分水墙墩头下游约25 m×25 m区域内的横向流速＞0.3 m/s。当长度延长至130 m后（工况X4），另一线引航段内横向流速始终＜0.3 m/s。同样在分水墙长度延长至140 m后（工况X5），可更加有效地减小横向流速，引航段内横向流速始终＜0.3 m/s。可见，当透空分水墙长度为130 m时即可满足横向流速＜0.3 m/s的要求。

3 结语

本研究围绕双线船闸分水墙体型对引航道通航水流条件影响，提出了下游引航道分水墙的优化措施。通过开展三维数值模型，分析了不同分水墙体型及长度下，导航段内的流场情况及横向流速分布，得出如下结论：

（1）分水墙采用透空型式虽然较实体结构复杂，但一线船闸泄水时可显著降低另一线船闸引航段内的回流与横向流速。

（2）适当延长分水墙长度可有效减小引航段横向水流的大小和影响范围，改善通航水流条件。但从经济角度考虑，在能控制横向流速的前提下，分水墙长度也不宜过长，还需要综合多方因素来确定。

（3）本工程的下游引航道分水墙设计方案可为类似工程提供参考。

參考文献

［1］张 羽，杨朝辉，赵集云，等.弯曲河段船闸引航道通航水流条件模拟［J］.水运工程，2022（6）：132-138.

［2］段元振，邹开明.湘江湘祁枢纽船闸下游引航道口门区通航水流条件影响及对策［J］.水运工程，2022（4）：116-121，137.

［3］黎运棻，石桂萍.桂林市春天湖双线省水船闸及其输水系统特性分析［J］.中国水运，2011（9）：76-78.

［4］陈 亮，王晓青.飞来峡二、三线相互灌泄水船闸省水特性及效益分析［J］.水运工程，2015（6）：106-110.

［5］吴 波，李文轩，傅陆志丹，等.双线互输水船闸剩余水头优化研究［J］.水利水运工程学报，2018（4）：61-67.

［6］韦德鉴，宣国祥，李 君，等.长洲四线并列船闸运行方式对下游引航道水流条件的影响［J］.水运工程，2012（8）：119-124.

收稿日期：2023-06-25