客运船闸游客过闸等待时间的计算分析

王巧红

(杭州市水利规划设计研究院，浙江 杭州310016)

摘要：船闸的通过能力是船闸工程的一项重要技术经济指标，杭州市胜利河船闸作为旅游用客运船闸，对游客过闸等待时间提出了较高的要求.船闸设计人员根据初定的游客过闸等候时间目标，将其分解到船闸运行的各个步骤，由此反推输水系统的结构参数，根据选定的输水系统型式进行闸室灌泄水时间计算和闸门启闭设备的选型，进行船闸工作门启闭时间的计算等.实际运行证明，该方法达到了预定设计目标.

关键词：客运船闸；输水系统；闸室灌泄水；闸门启闭设备

中图分类号：U641文献标志码：A

收稿日期：2014-12-12

作者简介：王巧红(1969-)，女，浙江丽水人，高级工程师，从事水利工程设计工作.

Calculation and Analysis on Passenger Ship Lockage Waiting

WANG Qiao-hong

(Hangzhou Water Conservancy Planning and Design Institute, Hangzhou 310016, China)

Abstract:The lock trafficability is an important technical and economic index of lock engineering. A lock in Hangzhou works as a tourist spot with a higher requirement for tourists lockage waiting time. Design personnel split it into each step of the lock operation according to the initial goal of visitors lockage waiting time, and made the structural parameters of the conveyance system. Therefore, the selection and calculation of gate hoist equipment and chamber filling and releasing time are conducted according to the selected water conveyance system, which is proved to meet the design object established in advance. The practical running shows that, the method is correct and feasible, achieved the design target.

Key words:passenger ship lock; water conveyance system; lock filling and releasing time; gate hoist

1概述

船闸的通过能力是船闸最综合的一项技术经济指标，通常用设计水平年内各期的过闸船舶总载重吨位、过闸货运量两项指标表示.该指标根据一次过闸平均吨位、一次过闸时间、船闸日工作小时数、日过闸次数、年通航天数和运量不均衡系数等要素计算得到[1].

影响船闸通过能力的因素很多，其中最主要的是内部因素，即设计确定的技术条件，如船闸的设计水头，闸室的充排水时间，船闸工作门的形式和启闭时间，闸室的有效尺度、引航道的尺寸和布置、交通管理控制系统等，几乎包括了船闸的全部技术参数，是衡量船闸工程设计是否先进合理的一个综合性指标.

杭州市胜利河船闸作为客运旅游用船闸，日过闸船只数量不多，用单位时间内过闸船舶总载重吨位和过闸货运量表示其通过能力不切实际.设计时考虑到游客过闸等候时的心情，应尽量缩短过闸时间，因此在确定船闸的设计参数时，游客一次闸过等待时间是设计的一个重要参数，根据相关调查资料，我们拟定了一个游客过闸等待时间不大于10 min的设计目标，将其分解到船闸运行的各个步骤中，由此反推船闸输水系统的结构参数，进行闸门启闭机的设计选型.

2工程概况

胜利河船闸工程位于胜利河东端,上塘河和胜利河交界处，是杭州市2008年国庆推出的三条水上黄金旅游线路之一运河至上塘河旅游线路的一个节点.地形条件使得上塘河水系与运河水系有1.1～2.68 m的水位差，上塘河与和运河之间要通航，必须建克服河流集中水位差的过船建筑物——船闸.

胜利河船闸工程所在河道东西走向，河道顺直，工程由沿河布置的上、下游引航道，上、下闸首，闸室，输水廊道，工作桥，上、下闸首工作门，输水阀门、启闭设备和船闸监控系统组成.船闸上、下闸首的两侧，输水廊道上方布置设备间，船闸的东北方布置管理房.

整个工程的布置情况(见图1).

图1　胜利河船闸平面布置图

2.1船闸规模

根据要求，船闸的设计规模按一次通过两条48人水上巴士或4艘20人的水上巴士确定.48人水上巴士总长23 m，型宽4.2 m,20人的水上巴士总长12.8 m，型宽2.98 m.根据《船闸设计规范》[2]的规定，经计算确定船闸闸室有效尺度为35 m，闸首口门和闸室的有效宽度为12 m.

2.2设计水位

根据《杭州市河道交通航运规划》，胜利河为七级航道.按《船闸设计规范》[2]，胜利河船闸设计等级为Ⅶ级，相应设计最大船舶吨位为50 t级，船闸设计水位(见表1).

表1　胜利河船闸工程设计水位

3胜利河船闸游客一次过闸等待时间的确定

《船闸总体设计规范》[3]规定的“一次过闸时间”指的是船舶过闸时，船闸完成一次循环运行操作所需要的时间.对于单级单向船闸，以船只从下游驶向上游为例，假设此时闸室水位与下游水位齐平，下闸首工作门已打开，船闸的完整操作过程和所需的时间为：

(1)船舶从下游进入闸室时间t1；

(2)关闭下闸首工作门时间t2；

(3)开启上闸首输水廊道阀门，闸室充水时间t3；

(4)闸室与上游水位齐平，打开上闸首工作门时间t4；

(5)船舶驶出闸室进入上游时间t5；

(6)关闭上闸首工作门时间t2；

(7)开启下闸首输水廊道阀门，闸室排水时间t3；

(8)闸室与下游水位齐平，打开下闸首工作门时间t4.

运行过程中闸室的充水和排水时间会略有差别，但差别不大，可以近似认为相等.对游客而言，过闸过程中船只不动的时间才是等待时间，故等待时间T=t2+t3+t4.根据设计目标T不大于10min并尽可能小的要求，我们将其分解为t2不大于2min，t3不大于6min，t4不大于2min的设计目标.

3.1根据拟定的闸室充水时间确定船闸输水系统参数

3.1.1船闸输水系统的选择

船闸输水系统是完成闸室充排水操作的主要结构，由进水口，输水廊道、输水阀门、出水口和消能设施组成.船闸输水系统可分为集中输水系统和分散输水系统，输水系统的选择可由下式进行判别[3]：

式中：m—判别系数；

H—设计水头m，取上游最高通航水位与下游最低通航水位之差，本工程为2.68m；

T—闸室充水时间min，采用t3目标时间6min.

计算得m=3.67，根据规范要求，m>3.5时，采用集中输水系统.集中输水系统分为短廊道输水，直接利用门缝输水和组合式输水，本工程根据建筑物布置情况采用短廊道输水.

3.1.2输水阀门处廊道断面面积估算

根据《船闸输水系统设计规范JTJ306-2001》[3]，输水阀门处廊道断面面积由给定的输水时间和阀门全开时的输水系统流量系数按下式计算：

式中：ω—输水阀门处廊道断面面积m2；

H—设计水头m；

T—闸室灌水时间，取360s；

μ—闸门全开时的输水系统流量系数，可取0.6～0.8；

α—系数，充水阀采用锐缘平面闸门，流量系数取为0.56；

kv—系数，可取0.6～0.8；

g—重力加速度，m2/s.

经计算所需的输水阀门处断面积为2.76 m2.工程在闸室左右两侧各布置一个输水廊道，单侧阀门孔口尺寸1.5 m×1.0 m(宽×高)，输水阀门处廊道断面总面积约为3.0 m2.

3.1.3闸室灌泄水时间计算

输水廊道采用截面尺寸为1.5 m×1.0 m(宽×高)的等截面矩形，输水阀门采用铸铁插板门，启闭设施采用容量为5 t的手电两用螺杆式启闭机，初定启门速度约为5 mm/s，闸门全开操作时间约为200 s.

根据水量平衡原理[4]，闸室水位与充水流量的关系方程为：

(1)

式中：Q(t)—t瞬时的廊道输水流量;

A—闸室的水域面积;

dH(t)—瞬时t闸室的水位变化值.

根据连续性原理[4]，闸室水位与上游引航道水位的伯努力方程为[1]：

(2)

式中：Vi—输水廊道第i段的流速；

Hi—输水廊道第i段的损失；

Li—输水廊道第i段的长度.

输水廊道断面较闸室断面和上游引航道断面小很多，故V上和V室可以忽略不计，输水廊道各段的损失也可以换算成阀门处廊道断面流速水头进行计算.对于短输水廊道，惯性水头也可以忽略不计，最终得到简化方程为：

式中：Ht—为上游航道和闸室的水位差;

μt—综合流量系数.根据各处的损失系数计算得到，在充水阀门开启阶段为时间t的函数，在充水阀完全打开后为一常数.

将输水廊道阀门处的流速V用流量Q(t)来表示，则有：

(3)

由于上游引航道的水位可以认为是基本不变的，故Ht的变化规律与闸室的水位H(t)变化一致，对于式(3)可以改写成如下的式子：

(4)

实际计算时，以Δt=10s为间隔，先进行开启过程中不同开度时阀门局部阻力系数计算，然后根据输水廊道的结构进行综合流量系数μt的计算，将μt代入式(3),得到Q(t)，再将计算得到的Q(t)值代入(式4)求得H(t+Δt),逐步求解得到以10s为间隔的闸室的动态充水水力特性表，直至H(t+Δt)-H(t)小于0.1m，认为闸室的充排水过程结束.

计算结果表明，胜利河船闸在输水廊道阀门开启290 s后，闸室与上游引航道水位差小于0.1 m，可以开启船闸工作门.在充水过程中，最大流量发生在阀门开启150 s后，此时闸室与上游引航道最大水位差为1.686 m，最大流量为9.2 m3/s，输水廊道中的最大平均流速为3.067 m/s.

由于输水廊道采用等截面矩形，廊道进口处断面最大平均流速与阀门处的最大平均流速相同，即不大于4.0 m/s，可以满足规范要求.因此,本工程输水廊道的尺寸选取是合理可行的.

经计算，对选定的输水系统结构形式，闸室充水所需的最长时间为4.83 min，即t3=290 s.

3.2上、下闸首工作门启闭时间的确定

胜利河船闸工程上、下闸首工作门为对开式人字门，人字闸门的启闭设备为两台单吊点卧式液压启闭机，采用分散的液压泵站布置形式，每台配单独的油箱与阀组.根据闸门的布置和启闭力的计算，确定液压启闭机型号为QRWY-400/160-2.0-2，启门力400 kN，闭门力160 kN，设计最大行程2.0 m,实际工作行程L=1.8 m.

卧式油缸负荷小，行程大，采用过高工作压力会使缸径和活塞杆相对较小，但可能影响油缸的稳定运行.初定油缸有杆腔的工作压力13.8 MPa，无杆腔的工作压力为8.2 MPa，则工作油缸活塞开口端受力面积按下式计算[7]：

式中：Fmax—液压启闭机最大启门力,N;

P1—油缸启门工作压力，N/m2;

η—油缸机械效率，初定为0.95.

由此反推油缸内径：

初选油缸内径D1为250 mm，活塞杆直径D2为160 mm，经计算启门时油缸工作有效面积A1=0.028 98m2，闭门时油缸工作有效面积A2=0.049 09m2.初定工作油泵采用手动变量柱塞泵，额定流量为63L/min，整定后的工作流量为q=50L/min,则开门时液压杆运动速度：

启门时间：T4=L/V1=1.8 m/1.725(m/min)=1.043 min=62.58 s

闭门时液压杆运动速度：

闭门时间：T2=L/V2=1.8 m/1.02(m/min)=1.764 min=104.76 s

3.3胜利河船闸过闸等待时间计算

根据以上计算可知，根据选定的输水系统参数和人字门液压启闭机型式，胜利河船闸过闸等待时间如下：

关闭下闸首工作门时间t2=1.043 min，<2min；

开启上闸首充水廊道工作门，闸室灌水，时间t3=4min 50s,<6 min；

闸室与上游水位差<0.1m，打开上闸首工作门，时间t4=1.764 min，<2 min；

理论等候时间为T=t2+t3+t4=107.76+62.58+290=460.34s=7.67min,满足设计要求.

由于胜利河船闸工作门为人字门，两扇门叶由两台独立的卧式液压启闭机控制启闭，为保证两扇门叶关闭后形成三铰拱，其闭门过程如下：首先左右两扇门叶同时关闭，在离全关位还有5°的行程停止，该位置称为等待位，等到两扇门叶都到等待位后，延时5s，两扇门叶再同时动作，通过导卡引导闭合至全关位，因此计算得到的理论最长等候时间还需加上这个5s，为7.76min，满足不大于10min的目标.

4结论及差异分析

目前胜利河船闸已顺利运行7a，总体情况良好.在试运行阶段曾进行游客过闸等待时间测试，当上游水位为3.5m，下游水位为1.3m时，实测人字门启门时间约为54s，闭门时间为116s，输水阀门螺杆式启闭机的开启时间约为200s，从输水廊道阀门开启开始计算，闸室充水平压所需时间为5min不到一点，与设计计算得到的时间基本一致，初步认为达到了设计预定的目标.

实测人字门启门时间54s小于计算值62.6s，经分析这是由于实际工作时液压启闭机的启门力小于额定值，油缸有杆腔和无杆腔的工作压力差变小，在油泵电机功率确定的情况下，油泵工作流量加大所致.

本工程由于设计周期短，对工程实际运行时的细节考虑不足，也存在一些小的缺陷，主要表现在闸室水位计井的设置上.

胜利河船闸工程工作门为人字门，运行方式为静水启闭，启门前应先打开设在充排水廊道上的工作门，待闸室水位与上游、或下游水位齐平后再开启相应的上闸首或下闸首工作门，因此，在闸门开启前首先要确认闸室水位已充水平压.出于船闸远程控制运行的需要，设计时在船闸的上、下游引航道和闸室处共设置三个水位计井，运行时通过对比水位信号，认为平压后方可开启闸门.

在胜利河船闸的实际运行中发现从闸室水位计井中得到的水位信号滞后于闸室实际水位约2min，经分析认为在设计时将闸室检修排水井作为闸室水位计井，检修排水井断面很大，而排水井与闸室之间的连通管管径较小，导致水位计井中的水位滞后闸室水位.

由于监控系统延时得到闸室灌泄水平压信号，导致闸门无法马上开启，延长了过闸船只的等候时间约2min，目前实际过闸等候时间仍为10min左右.

参考文献：

[1]王作高.船闸设计[M].北京:中国水利电力出版社，1992.

[2]中华人民共和国交通部.JTJ305-2001船闸总体设计规范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[3]南京水运科学研究院,天津水运工程科学研究所.JTJ306-2001船闸输水系统设计规范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[4]赵振兴,何建京.水力学[M].北京:清华大学出版社，2005.

[5]水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册:金属结构(二)[M].北京:中国水利电力出版社，1989.

[6]南京水运科学研究院,天津水运工程科学研究所.JTJ307-2001船闸水工建筑物设计规范[S].北京:人民交通出版社,2001.

[7]南京水运科学研究院,天津水运工程科学研究所.JTJ308-2001船闸闸阀门设计规范[S].北京:人民交通出版社,2001.