胡亚安，全强，严秀俊，张志崇，蒋筱民

(1.南京水利科学研究院 水文资源与水利工程科学国家重点实验室，通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029;2.长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010)

由于船闸灌泄水取自或泄向引航道，可能在引航道内形成较大的水面波动，对引航道内船舶航行及停泊条件产生不利影响，国内外学者对此进行了大量研究［1-5］.嘉陵江草街船闸施工期通航上游水位192.0m，此时其上游引航道水深仅为2.9 m.这一工况在前期模型试验阶段并未涉及［6］，为此本文首先利用数学模型快速有效的计算出引航道内存在的水面波动问题及引航道内水流流速，然后通过调节阀门运行方式以控制流量，有效解决了草街船闸施工期通航引航道水力学问题，确保了船舶通航安全，为草街船闸顺利完成施工期通航奠定了基础.

1 数值计算方法

船闸灌泄水与引航道内水体的运动或波动是相互影响的，由于灌泄水过程引航道内水位也发生波动，故利用河道及引航道内非恒定流数值计算，结合船闸灌泄水水力数值计算来研究引航道内水位变化情况.

1.1 基本方程与边界条件

沿水深的平面二维水流数学模型基本方程由连续方程和动量方程组成［7］，其形式为:连续方程:

动量方程:

式中:H，Z分别为水深和水位(m);u，v分别为x及y向水流速度(m/s);γt为紊动黏性系数(m2/s);C为谢才系数;n为河床糙率，R为水力半径(m).

考虑惯性影响和船闸灌泄水过程的水力计算基本方程［8］为:

闸室内水位变化过程:

式中:H为引航道水位;Z为闸室水位;V为廊道计算断面平均流速;μ为流量系数;Ln为输水廊道惯性换算长度;w为输水廊道计算断面面积;Ω为闸室水域面积.

初始条件:假设整个计算域内

1.2 计算结果分析

图1 船闸灌水输水特性曲线Fig.1 Characteristic curves of water filling into ship lock

表1 引航道内水体运动特性统计Tab.1 Characteristic statistics of water mo tion in the approach channel

图2 距进水口3.27m处水位及流速过程线Fig.2 Water-level and velocity hydrograph at 3.27m away from inlet

在上游引航道水位192.0m，闸室水位176.3m，水头15.7m情况下灌水流量过程线如图1，灌水过程最大流量222.15m3/s.船闸灌水初期，水流由进水口进入闸室，引航道内水位下降，约140 s左右引航道水位下降到最低，纵向流速同时达到最大.数模分别计算了进水口前3.27，30.14，86.89和145.75m处的纵向最大流速及水面降幅(见表1).进水口前3.27m处水面降幅及纵向流速变化过程线见图2.数学模型计算表明:在水位及纵向流速达到最大值后上游水体没能及时补充到引航道内，导致测点水位在140 s后持续保持在1.67m低水位.上游引航道最大纵向流速达4.8 m/s(最窄断面)，而且在高流速情况下持续一段时间，这样对引航道内停泊的船只存在很大的威胁.对应的最大水位降幅达1.5m，此时测点处水深仅1.4 m，低于进水口的高度1.8 m，所以进水口露空，会出现贯穿性漩涡，进水口大量进气又将恶化闸室流态从而危及船舶停泊安全［9］，同时引航道流态极有可能出现急流流态甚至水跃(红水河大化船闸调试中中间渠道曾经发生该流态［10］)，不仅严重影响引航道口门区船舶安全，而且对上游人字门运行将产生严重影响.为确保草街船闸施工期通航安全，须通过调整阀门开启方式降低输水系统流量的方法，解决施工期通航因上游水深较浅所带来的引航道非恒定流水力学问题.

2 原型调试解决引航道内水力学问题

在明确了灌水阀门不能采用连续开启至全开的运行方式后，首先进行了阀门开启至0.3开度的局部开启方式.船闸灌水初期，大量水体进入闸室，引航道水位急剧下降，在120 s左右水位下降到最低，引航道内流速达2.6m/s.观测发现由于上游水库不能及时补水到引航道内，导致引航道内水位下降严重，上游浮式导航墙斜流及回流强度较大.由于纵向流速过大，停靠在靠船墩边的船只可能被水流拉断缆绳，从而危及船舶安全及对人字门形成威胁.人字门前水位波动过程如图3所示，最大波幅达0.6m，进水口也出现明显漩涡.因此，此种运行方式下上游引航道水流条件对口门区船舶航行及停泊存在安全隐患，应进一步减小输水流量.

原型调试中，分别比较了阀门局部开启至0.15，0.2开度情况下，上游引航道内水流波动情况和流量变化过程.观测表明:引航道浮式导航墙及进水口流态明显改善，水位波动小，可以满足通航要求.因此确定的控制流量为110m3/s，相应的停机开度为0.2.如果一直采用0.2开度局部开启方式，尽管流态较好，但输水时间过长，影响通航效率.

图3 人字门前水位波动过程线Fig.3 Water-level fluctuation hydrograph in front of the miter gate

为缩短输水时间，进行了间歇开启方式研究，间歇开启方式的原则是，第2次开启阀门后输水系统流量峰值不能超过第1次的峰值，因此对第2次开启的时机(即剩余水头)和停机开度进行了试验.阀门开启方式:第1次开至0.15开度停机，当剩余水头5m时再开至0.6开度，实测的流量过程线如图4所示，由图可知第2次开到0.6开度后，流量达到130m3/s，超过了控制值110m3/s，不能满足要求.

为此重新调整了阀门第2次开启方式，确定4 m剩余水头时开至0.4开度，实测的流量过程线如图5所示.结果表明，第2次开启后的峰值流量与第1次停机时相当，达到预期要求.同时在这种开启方式下，测试了上游引航道和人字门前水流流态，实测的结果如图5所示:输水系统最大流量控制在110m3/s以下，引航道测点1水面最大降幅为0.34 m;引航道测点2(人字门库前)水面最大降幅仅为0.28 m;离船闸最近的隔流堤柱墩断面流速控制在1.0m/s左右;进水口上方仅仅有旋转水流，未形成穿心吸气漩涡.上游引航道的非恒定流问题得到较好解决.

图4 间歇开启方式下流量过程线Fig.4 Discharge hydrograph with intermittent open

图5 阀门开启方式及对应流量过程线Fig.5 Valve open types and corresponding discharge hydrograph

3 结语

(1)利用二维非恒定流的数学模型结合船闸灌泄水一维数学模型联合求解，模拟了草街船闸施工期通航下上游引航道水面波动及流速情况，计算结果表明在施工期船闸最大运行水头为15.7m(上游192.0m，下游为最低通航水位176.3m)条件下，若阀门采用连续开启至全开的运行方式，输水系统最大流量可达222.15m3/s(不考虑进水口出现吸气漩涡问题);上游引航道最大纵向流速达4.8 m/s(进口前3m处)，引航道流态极有可能出现急流流态甚至水跃，不仅严重影响引航道口门区船舶安全，而且对上游人字门运行将产生严重影响，同时进水口可能出现贯穿性漩涡，进水口大量进气又将恶化闸室流态从而危及船舶停泊安全.根据相关工程原型调试经验，需要通过改变阀门开启方式来控制输水系统流量，解决引航道水力学问题.

(2)在草街船闸原型调试中，改变阀门开启方式控制输水系统最大流量，通过多组实测试验对比分析，以及观察上游引航道及进水口流态，最终确定草街船闸施工期通航阶段阀门开启方式:阀门先开启至0.2开度，待水位差H=4 m时开启至0.4开度;并且确定该方式可以有效的解决草街船闸施工期通航(上游引航道水深仅2.9 m)上游引航道水力学问题，通过原型调试，确定船闸施工期通航运行参数，从而保证该船闸的正常安全运行，充分发挥船闸的航运效益.

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