三角門船閘開通閘運行條件試驗研究

吳 騰，朱瑞虎，丁 堅

（河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098）

三角門船閘開通閘運行條件試驗研究

吳 騰，朱瑞虎，丁 堅

（河海大學 港口海岸與近海工程學院，南京 210098）

文章建立了三角門船閘物理模型，通過物理模型試驗研究了開通閘運行時閘室、引航道的水動力條件以及閘門啟閉機的受力。在此基礎上，提出了開通閘運行的判別方法，確定了該船閘宜進行開通閘運行的臨界上下游水位差。研究結果表明，不同來流條件下，當上下游水位差處于-0.35～0.37 m，且不超過設計水位時，閘室和引航道主流波動較小，流速對開通閘運行影響不大，且船閘啟閉機受力不超過設計值，焦港船閘可進行開通閘運用。

感潮河段；船閘；開通閘；運行條件；模型試驗

南通船閘位于連申線南通段，可通行千噸級駁船船隊，是江蘇省規劃高等級航道“兩縱四橫”的縱向通道［1］。焦港船閘下游引航道受長江潮汐漲落的影響，與上游內河水位差是動態變化的，在不同水位季節，船閘上下游將出現零水位差情況，并隨潮位變化過程逐漸增減，在該過程中可利用上下游平水時段將上下閘門同時開啟，船舶直接通行，可大大提高通過能力。由于一次通閘可運行數十分鐘至數小時，通閘船舶通過能力可達套閘的10倍以上，效果十分顯著。但開通閘過程中，過水流量很大、水面寬，橫流回流等都可能產生［2-4］，對船行安全十分不利，必須監控動態水流；并且受動水作用，閘門啟閉機受力增大，威脅閘門的安全開關。目前，開通閘運行雖有多年成功經驗，但都停留在經驗管理的水平上，容易受外界因素影響，安全性不穩定［5-7］。為此，進行試驗研究，提供開閘水頭差與流速、流態、啟閉機受力的關系對開通閘安全運行十分必要。

1 模型的設計

開通閘過程中，閘門受力增大，同時閘門附近流態受影響較大，故本次試驗的研究范圍為船閘上游引航道至下游引航道河段。模型控制采用河海大學研制的自動集中控制設備及軟件，實時監測船閘及尾門處水位以及重點區域的流速和閘門的受力。根據開通閘運行試驗研究的目的，重力作用是主要的，要求模擬重力相似，故模型應采用正態模型。并根據模型場地的條件，模型幾何比尺采用25。根據模型相似條件［8-9］可計算得到其他比尺，如表1所示，模型如圖1所示。

表1 模型主要比尺Tab.1 Main similarity scale of model

圖1 試驗測點分布圖Fig.1 Model sketch and measuring points distribution

2 模型驗證

為了保證模型流速與原形相似，在下閘首上、下游選定兩個固定點（1#、2#測點，如圖1所示）進行流速驗證以及閘門啟閉機受力驗證。其中1#測點選在閘室，其水位可代表上游水位；2#測點選在下閘首下游，其水位可代表上游水位。本次驗證的條件為：（1）上游水位2.48 m，下閘首下游水位（以下簡稱下游水位）2.59 m，關下游閘門；（2）上游水位2.05 m，下游水位1.68 m，開下游閘門。圖2和圖3分別為兩種條件下流速以及啟閉機受力驗證。由圖可知，試驗值與實測值符合較好，滿足規范要求，可采用該模型進行工程方案的試驗研究。

圖2 上游水位2.48 m下游水位2.59 m時流速、啟閉機受力驗證Fig.2 Verification results of velocity and stress on hoist under setting condition 1

圖3 上游水位2.05 m下游水位1.68 m時流速、閉機受力驗證Fig.3 Verification results of velocity and stress on hoist under setting condition 2

3 三角門船閘開通閘試驗研究

3.1 試驗條件

根據特征水位和船閘運行中可能出現的不利組合情況，上游分別選定設計高（3.71 m）、低（0.96 m）兩組水位，下游采用典型潮位過程。潮位過程線如圖4與圖5，分別為洪水年洪季大潮過程線和洪水年中水大潮過程線，圖中均包含最高和最低潮位。

圖4 洪水年洪水大潮潮位過程線Fig.4 Tidal level hydrograph of flood spring tide in flood year

圖5 洪水年中水大潮潮位過程線Fig.5 Tidal level hydrograph of median water in flood year

3.2 流態試驗結果

表2為上游水位3.71 m開關閘門時引航道流態。洪水年洪水大潮漲條件下（洪洪大漲），上下游水位差為1.0 m和0.8 m時，開閘后主流波動較大，且存在回流，不利于船舶航行；上下游水位差為0.5 m時，主流波動較小，開關門時，落潮（洪洪大落）流態與漲潮流態較為相似，水流條件基本能滿足船舶航行要求。

表3為上游水位0.96 m時引航道流態。洪水大潮漲落潮時，當下游水位大于上游水位時，水流由下游流向上游，水流較為平順；洪水年中水大潮漲落潮時，當上游水位大于下游水位時，水位差小于0.5 m條件下，水流平順，流態較好。

表2 上游水位3.71 m時引航道流態Tab.2 Flow regime of approach channel at upper water level of 3.71 m

3.3 流速試驗結果

本次試驗中共布置4個典型流速測點（圖1），除前面提及的1#測點和2#測點外，3#、4#測點分別位于下引航道。表4和表5分別為上游水位3.71 m和0.96 m時開閘門過程中以及閘門全開后各測點中的實測最大流速。由表可知，開閘門過程中，測點最大流速均大于0.5 m/s，即大于規范中規定的制動段和停泊段的水面最大流速縱向不應大于0.5 m/s的限制，此時船舶不宜航行。當閘門全開后，上下游的水位差迅速減小，對應的流速也減小較快。其中，上下游水位差絕對值為0.5 m時，各測點最大流速處于0.5 m/s附近。故開通閘運行可在一定的水頭差條件下，等閘門全開后開始運行。

表3 上游水位0.96 m時引航道流態Tab.3 Flow regime of approach channel at upper water level of 0.96 m

表4 上游水位3.71 m時測點最大流速Tab.4 The maximum velocity of measuring points at upper water level of 3.71 m m/s

3.4 受力試驗結果

分別開展上游高水位和低水位與兩種潮型組合的閘門啟閉機受力試驗。當上游水位控制3.71 m，下游采用洪水年洪季大潮漲落潮過程線進行控制時。在上游水位比下游水位高1.0 m、0.8 m條件下，開門時啟閉機受力不大，關門時啟閉機最大受力均超過300 kN；當上游水位比下游水位高0.5 m時，開關門啟閉機最大受力均未超過300 kN。當洪水年洪季大潮，同時上游采用低水位0.96 m控制時，漲落潮條件下，水位差-0.7 m開門時啟閉機最大受力超過300 kN，水位差為0.4 m、0.3 m、-0.3 m、-0.4 m，閘門啟閉機受力均小于300 kN。當洪水年中水大潮上游水位采用0.96 m控制，漲潮期間水位差為-0.6 m開門時，啟閉機受力為312 kN，超過設計值，水位差為0.4 m、0.3 m、-0.4 m時最大受力均能滿足要求。落潮期間，水位差為0.6 m關門和-0.6 m開門時，啟閉機受力超過最大值。

表5 上游水位0.96 m時測點最大流速Tab.5 The maximum velocity of measuring points at upper water level of 0.96 m m/s

4 開通閘運行臨界條件判別分析

本文試驗中三角門閘門啟閉機設計受力需小于300 kN，引航道制動段和停泊段的水面最大流速縱向不應大于0.5 m/s。故可根據實際情況考慮一定的安全系數，采用啟閉機受力和閘門全開后的縱向最大流速作為能進行開通閘運行的判別條件，同時考慮流態的影響（本文上下游水位差應小于0.5 m）。本次計算取安全系數ξ為1.2，則判別條件如下

（1）上游水位3.71 m時開通閘運行臨界水位差。

根據試驗數據，建立1#、2#水位測點開關門時刻的水位差與啟閉機受力、最大流速間的關系。圖8-a為上游水位3.71 m時洪水年洪水期大潮漲潮啟閉機受力，圖中關門啟閉機受力大于開門情況，故關門為該條件下最不利情況，關門時受力與水位差關系為

圖8-b為上游水位3.71 m時洪水年洪水期大潮漲潮閘室和引航道最大流速，開關門時兩者流速相差不大，其中關門時最大流速與水位差的關系為

式中：x為水位差，m；F為啟閉機受力，kN；U為流速，m/s。要滿足式（1）和式（2）中的條件，綜合考慮受力和流速極限值，該條件下能進行開關閘門的臨界水位差絕對值為0.47 m。

圖8 上游水位3.71 m漲潮時水位差與啟閉機受力、最大流速間的關系Fig.8 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 3.71 m with spring tide flux in flood year

圖9 上游水位3.71 m落潮時水位差與啟閉機受力、最大流速間的關系Fig.9 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 3.71 m with spring tide reflux in flood year

圖9-a為上游水位3.71 m時洪水年洪水期大潮落潮時水位差與啟閉機受力關系圖，圖中關門時受力大于開門時受力，關門為啟閉機受力的不利條件，通過擬合，啟閉機受力與水位差關系為

圖9-b為上游水位3.71 m時洪水年洪水期大潮落潮閘室最大流速，關門流速大于開門時流速，關門時最大流速與水位的關系為

綜合求解，最大綜合臨界水位差絕對值為0.39 m。

（2）上游水0.96 m時開通閘運行臨界水位差。

圖10-a為上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮漲潮啟閉機受力，開門時受力與水位差關系為

可求得臨界水位差為-0.37 m。

圖10-b為上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮漲潮閘室最大流速，關系式為

該條件下能進行開關門的臨界水位差為-0.36 m。綜合兩者，臨界水位差為-0.36 m。

圖11-a為上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮開門啟閉機受力，擬合關系式為

圖10 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮漲潮時水位差與啟閉機受力、最大流速間的關系Fig.10 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 0.96 m with spring tide flux in flood year

圖11 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮時水位差與啟閉機受力、最大流速間的關系Fig.11 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 0.96 m with spring tide reflux in flood year

圖12 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮漲潮時水位差與啟閉機受力、最大流速間的關系Fig.12 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 0.96 m with median spring tide flux in flood year

上式解得臨界水位差為-0.35 m。

圖11-b為上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮閘室最大流速

臨界值為-0.42 m。綜合比較，上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮落潮開關門臨界水位差為-0.35 m。

圖12-a為上游水位0.96 m洪水年中水期大潮漲潮啟閉機受力，開、關門時關系式為

兩者解分別為-0.41 m和0.51 m。開關門臨界值取-0.41m。

圖12-b為上游水位0.96 m洪水年中水期大潮漲潮閘室最大流速，最不利情況為關門時，逆向和正向水位差與流速的關系式分別為

U=-1.05x+0.01 （逆向水位差）

U=1.05x-0.03 （正向水位差）

求解分別為-0.39 m和0.43 m。綜合受力和流速，該條件能開通閘運行的極限水位差為-0.39～0.43 m。

圖13-a為上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮啟閉機受力，關系式為

不等式解為-0.39 m和0.43 m。

圖13-b為上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮閘室最大流速，水位差與流速關系式為

解分別為-0.4 m和0.37 m。綜合流速和受力，臨界水位差為-0.39～0.37 m。

（3）開通閘的綜合臨界水位差。

綜合上述高水位和低水位兩種情況，得到綜合的開通閘運行臨界條件，如表6所示。表中臨界水位差為1#與2#測點開門前時刻的水位差，上游水位高時水位差為正值，反之為負值，表中水位均為85國家基準面。由表可知本文試驗所得到開通閘的臨界條件為-0.35～0.37 m，且上下游的水位應在設計低水位0.96 m和設計高水位3.71 m之間，若超出該范圍禁止通航。

圖13 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮落潮時水位差與啟閉機受力、最大流速間的關系Fig.13 Relations between water?head and stress on hoist,and the maximum velocity at upper water level of 0.96 m with median spring tide reflux in flood year

表6 開通閘臨界水位差Tab.6 Critical water?head for Jiaogang ship lock running as an open channel

5 結論

（1）上游水位控制3.71 m，洪水年長江洪季大潮漲落潮時，上游水位比下游水位高1.0 m、0.8 m條件下，主流波動較大，且存在明顯回流，不利于開通閘；當上游水位比下游水位高0.5 m時，主流波動較小。上游水位0.96 m，洪水年長江洪季大潮漲落潮時，水流均由下游流向上游，水流較為平順。上游水位0.96 m，洪水年長江中季大潮上游水位0.96 m漲潮時，上游水位大于下游水位條件下，開關閘門時主流易產生波動。

（2）試驗得出的該三角門船閘宜進行開通閘運行的臨界條件為：1#與2#測點開門前時刻的水位差處于-0.35～0.37 m，且上下游的水位應控制在設計低水位0.96 m和設計高水位3.71 m之間。

［1］丁堅,吳騰.南通地區三角門通閘安全運行管理研究報告［R］.南京：河海大學,2013.

［2］楊紅,張幸農.感潮河段船閘下引航道水沙運動及泥沙淤積［J］.海洋工程,2004,22（4）：86-93.

YANG H,ZHANG X N.Analysis on flow and sediment movement in approach channels of tidal river branches［J］.The Ocean Engineering,2004,22（4）：86-93.

［3］吳騰,吳玲莉,丁飛.內河航道挖槽立面二維水沙數學模型研究［J］.水道港口,2013,34（1）：45-49.

WU T,WU L L,DING F.Vertical 2?D water and sediment mathematical model of dredged channel［J］.Journal of Waterway and Harbor,2013,34（1）：45-49.

［4］李一兵,江詩群,李富萍.船閘引航道口門外連接段通航水流條件標準［J］.水道港口,2004,25（4）：179-184.

LI Y B,JIANG S Q,LI F P.On Standard of Flow Conditions for Navigation in Transitional Reach Outside Entrance［J］.Journal of Waterway and Harbor,2004,25（4）：179-184.

［5］ 鈕新強,童迪.三峽船閘關鍵技術研究［J］.水力發電學報,2009,28（6）：36-42.

NIU X Q,TONG D.Research on the key technologies of Three Gorges shiplocks［J］.Journal of hydroelectric engineering,2009,28（6）：36-42.

［6］陳璐,王輝.京杭運河邵伯三線船閘平面布置難點及對策［J］.水運工程,2009（12）：136-138.

CHEN L,WANG H.Difficulties and countermeasurs in layout plan of Shaobo Third?lane Lock of the Grand Canal［J］.Port&Waterway Engineering,2009（12）：136-138.

［7］董博文.三峽五級船閘監控系統設計中的主要問題及對策［J］.水力發電,2003（12）：75-76.

DONG B W.The countermeasures for main technical issues of the design of the computer supervisory and control system for con?tinuous five?lift ship lock of Three Gorges Project［J］.Water power,2003（12）：75-76.

［8］張紅武,江恩惠.黃河高含沙洪水模型的相似律［M］.鄭州：河南科學技術出版社,1994.

［9］吳騰,李遠發,洪建,等.聚類統計方法在高含沙水流挾沙力公式驗證中的應用［J］.水利學報,2007,38（7）：852-856.

WU T,LI Y F,HONG J,et al.Application of clustering analysis method in verification of sediment carrying capacity formula for hyper?concentrated sediment flow［J］.Journal of Hydraulic Engineering,2007,38（7）：852-856.

Experimental study on critical conditions of Jiaogang ship lock running as an open channel

WU Teng,ZHU Rui?hu,DING Jian
（College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing210098,China）

A physical model of Jiaogang ship lock was established in this paper,and the flow condition in lock chamber and approach channel was studied by the model.On this basis,a new method to confirm the critical condi?tions of ship lock running as an open channel was put forward.And the experiment results indicate that the main flow oscillates less and stress on hoist does not exceed the designed value when the water level difference between upstream and downstream is between-0.35 meter and 0.37 meter.Under the critical water level conditions,the Jiao?gang ship lock sluice gate can be hoisted safely.

tidal reach;ship lock;ship lock running as an open channel;running conditions;physical model

U 641.1

A

1005-8443（2014）03-0247-07