焦港船閘開通閘適航水力條件研究

丁堅，宋荔欽

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

焦港船閘開通閘適航水力條件研究

丁堅1，2，宋荔欽2

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，南京210098）

為提高船舶通過船閘能力，有效制訂焦港船閘開通閘運行管理方案，建立整體物理模型試驗針對船閘開通閘運行時引航道的水流流速流態和啟閉機受力進行定量、定性分析。模型試驗研究了不同水力條件下開通閘時水流的規律和啟閉機受力情況，為船舶適航情況作出準確判斷，改善開通閘的安全狀況，可作為南通航道處各口門船閘開通閘運行的參照。

適航；引航道；水力條件；焦港船閘

長江感潮河段各內河入江口門的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，可顯著提高船閘通過能力水運工程［1-2］。

我國已有數例開通閘運行的成功經驗，如江陰船閘、南通船閘等，但大多停留在經驗管理的水平上，容易受人員變動，氣候、水文條件等因素影響，安全性不穩定。焦港船閘位于連申線南通段，連申線是在建的Ⅲ級標準航道，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，與京杭大運河平行，承擔連云港與上海大港間集疏運的重任。焦港是入長江的口門，船閘尺度23 m×230 m×4 m，年設計物流量達2 000～3 000萬t，若要開通閘，其安全保證十分重要，因它而斷航其損失將不可估量。該船閘尺度較大，口門寬達23 m，出閘檻后引航道寬達90 m，開通閘時水流呈三維非恒定流狀態，過水流量大、水面寬且將會產生橫流、回流等，對船行不利。同時，當上下游水位差過大時，閘門啟閉機所承受的推力或者拉力也會逐漸增大，甚至會破壞啟閉機的正常運行，導致閘門不能正常開關，進而導致事故的發生。為保證焦港船閘開通閘的順利運行，提高安全度，本文預采用物理模型實驗對焦港船閘開通閘的水力條件進行研究，提供開閘水頭差與流速、流向、流態的關系以及啟閉機的受力情況［1，3-5］。

1 模型設計

1.1 模型范圍及比尺

焦港船閘模型可見圖1，模型范圍為焦港船閘上游引航道至下游引航道河段，按正態重力相似準則設計模型，模型幾何比尺λL=λH=25，流速比尺時間比尺糙率比尺受力比尺

圖1 焦港船閘模型示意圖Fig.1Sketch of ship lock model in Jiaogang port

1.2 船閘口門外潮位

根據適用于該河段的二維潮流數學模型，模擬了焦港船閘不同上下游邊界條件下口門外潮位過程。通過分析本次模型試驗上游采用3.71 m和0.96 m兩組水位（85國家基準面），下游采用典型潮位過程線如圖2和圖3所示。

1.3 模型設計與制作

模型檢測平面誤差小于1.0 cm；高程精度控制在0.1 mm之內；船閘三線閘室采用塑料板粘制成整體，船閘的上、下閘用有機玻璃制成整體安裝，原型輸水廊道用鋼筋混凝土制成；下閘首的閘門和閥門中各門配備一套伺服電機、齒輪傳動設備，用計算機按給定程序自動控制。為精確控制水位，采用河海大學研制的自動集中控制設備及軟件，可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。模型全程安裝6臺自動水位跟蹤儀，測定下閘首三角門內外的水位變化，并通過計算機集中采集；為控制上下游水位，在上閘首以上閘室中設一臺自動水位儀自動控制翻板門溢流。下游則在模型尾門上游附近安裝一臺自動水位儀控制水位。各點的流速采用螺旋槳式的小流速儀測定，在低流速狀態下，依靠流標跟蹤及錄象，延時拍照等方法解決［6-8］。

圖2 洪水年洪水大潮潮位過程線Fig.2Hydrograph of spring tide of flood in flood years

圖3 洪水年中水大潮潮位過程線Fig.3Hydrograph of middle tide of flood in flood years

圖4 模型設計與布置Fig.4Model design and layout

圖5 流速、流向驗證點Fig.5Verification of flow velocity and direction

1.4 模型驗證

模型驗證采用的現場測量數據主要有閘室上下游水位、斷面流速、開關閘門時啟閉機推桿的受力情況，其中流速測點處于閘室中線，閘室內測點距下閘首35 m，下游喇叭口處測點距下閘首45 m。

分別在下游水位高時和下游水位低時的開、關閘門情況下，選定下閘首上、下游兩個固定點的流速、流向和啟閉機的受力變化進行驗證。圖5和圖6為靜水條件下1#測點水位2.4 m，2#測點水位2.7 m時下流速和啟閉機受力驗證圖。驗證結果表明，試驗值與理論分析一致，模型試驗值與實測值符合較好，能滿足模擬精度要求，驗證結果符合規范要求，模型與原型相似，可以進行工程方案試驗。

2 開通閘水情及設備受力試驗

2.1 引航道流態

物理模型試驗分別模擬了上游水位3.71 m和0.96 m在下游不同水位組合下開關閘門時的引航道流態。由試驗可知：上游水位3.71 m，洪水年洪水期大潮漲潮條件下，水位差1.0 m和0.8 m時，主流波動較大，且存在明顯回流，不利于開通閘；水位差為0.5 m時，主流波動較小，但也存在局部回流區。開關門時，落潮流態與漲潮流態較為相似，水位差為0.5 m時流態較好；上游水位0.96 m，洪水大潮漲落潮時，下游水位均大于上游水位，水流由下游流向上游，水流較為平順。洪水年長江中水大潮漲落潮時，上游水位大于下游水位條件下，均出現回流，有時主流也產生波動。

2.2 閘室和引航道最大流速

圖7為試驗流速測點布置圖，本次試驗中共布置2個典型流速測點和3條橫向測流斷面，其中1#測點位于閘室中，2#測點位于下游喇叭口附近，3#、4#測點分別位于下引航道測流斷面1和測流斷面2的中點。由試驗可知：上游水位3.71 m，洪水年洪水期大潮漲、落潮時，水頭差±0.5 m、±0.8 m、±1.0 m時1#測點開關門時的流速最大。由于開通閘運行主要考慮最不利的影響，本文主要介紹1#測點的流速變化。水位差為1 m時，1#測點開門時最大流速為2.12 m/s，關門時為2.37 m/s；水位差為-1 m關門時1#測點最大流速為2.44 m/s，其余測點流速均小于2 m/s；上游水位1.64 m，洪水年長江洪季大潮漲潮時，水位差為0.8 m、-0.6 m、-1.2 m時1#測點流速大于2 m/s；洪水大潮落潮時，水位差-0.6 m、-1.2 m時1#測點流速大于2 m/s；洪水年長江中水大潮漲潮時，水位差1 m時1#測流點開門時流速為2.14 m/s；上游水位0.96m，洪水年洪水期、中水期時，水位差為-1 m時1#測點開關門最大流速均大于2 m/s；水位差為±0.3 m、±0.4 m、±0.5 m時測點最大流速均小于2 m/s。在開通閘運行時，船舶均為閘門開啟后才進行運行，故雖然開門時流速較大，但對船舶運行影響不大，只需考慮閘門完全開啟后的流速滿足要求即可。

2.3 閘門啟閉機受力分析

上游水位3.71 m，洪水年洪水期水頭差為1.0 m、0.8 m條件下，閘門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；水頭差0.5 m時，開關門啟閉機最大受力均未超過300 kN，漲潮時最大受力為235 kN，落潮時最大受力為266 kN；上游水位控制1.64 m，洪水年洪水期漲、落潮時，水頭差為±0.3 m、±0.4 m時啟閉機受力均能滿足受力要求，水位差為±0.8 m、±1.2 m時啟閉機最大受力超過設計最大值，不宜進行開關門；中水期漲潮時，水位差為1.0 m、0.8 m關門時啟閉機最大受力超過300 kN，水位差0.6 m、0.4 m時受力均超過200 kN；落潮時，水位差0.8 m時關門最大受力為325 kN，超過最大設計值，其余工況均能滿足要求，但水位差為0.6 m時，關門啟閉機最大受力為295 kN，十分接近設計值，故該條件也不宜開門關門；上游水位控制0.96 m，洪水年洪水期漲落潮水頭差-0.7 m開門時啟閉機最大受力分別為311 kN和380 kN，其余開關門工況閘門啟閉機受力均小于300 kN；洪水年中水期大潮漲潮水位差為-0.6 m開門時啟閉機受力為312 kN，超過設計值，水位差為0.1 m、±0.3 m、±0.4 m時最大受力均滿足要求。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，其余工況滿足要求。

圖7 試驗流速測點布置圖Fig.7Layout of velocity measuring points in the test

3 開通閘運行臨界條件分析

三角門閘門啟閉機設計受力需小于300 kN，安全系數取為1.2，則安全值Fmax為250 kN。其中，順流開門和逆流關門時啟閉機受力較為安全，安全系數為1，最大臨界受力仍為300 kN。根據內河通航標準，Ⅰ～Ⅳ級引航道、口門區縱向水流表面最大流速限值為0.5 m/s，考慮其他因素的影響，安全系數取為1.2，最大流速值Umax為0.42 m/s。各工況條件下，船閘開通閘運行時，開關門啟閉機受力F和最大流速U與水頭差x之間的關系以及臨界水頭差情況可見表1～表3所示。表1～表3中，Z1代表上游1#測點水位值，Z2代表下游2#測點水位值。由表可知，上游水位3.71 m洪水年洪水期大潮開通閘運行的上下游臨界水位差不能超過0.39 m；上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮時開通閘運行臨界水位差不能超過-0.35 m；上游水位0.96 m洪水年中水期大潮時開通閘運行臨界水位差應處于-0.39～0.37 m。由于本文試驗采用的是極端條件下的數值，故可取其最小范圍作為開通閘的臨界條件，本文試驗的結果為1#和2#測點間的靜止水位差處于-0.35～0.37 m時可以進行開通閘運行，同時，上下游的水位均應在0.96～3.71 m，若超出該范圍禁止通航。

4 結語

本文開展焦港船閘整體物理模型試驗，模擬了不同工況下開通閘運行時的水流流態，通過分析流速、流向、啟閉機受力等，提供了各工況下能滿足開通閘的臨界水頭差和啟閉機受力條件，為焦港船閘開通閘運行的水力安全狀況提供參考和依據，可作為南通航道處各口門船閘開通閘運行的參照，為今后修訂船閘規范提供依據。

表1 上游水位3.71 m洪水年洪水期大潮開通閘運行臨界水位差Tab.1Critical water level difference of locks opening in spring tide of flood in flood years（head?water level:3.71 m）

表2 上游水位0.96 m洪水年洪水期大潮時開通閘運行臨界水位差Tab.2Critical water level difference of locks opening in spring tide of flood in flood years（head?water level:0.96 m）

表3 上游水位0.96 m洪水年中水期大潮時開通閘運行臨界水位差Tab.3Critical water level difference of locks opening in middle tide of flood in flood years（head?water level:0.96 m）

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中國疏浚協會技術專家委員會成立

本刊從交通運輸部獲悉，中國疏浚協會技術專家委員會目前已得到交通運輸部的核準并備案成立。該技術專家委員會由國內主要疏浚企業、業內相關科研院校、交通運輸部疏浚工程定額站等單位的專家組成，還有疏浚協會各類會員單位近百人組成的專家庫。將重點研究疏浚行業發展戰略、政策法規和疏浚行業重大技術課題，為疏浚行業項目施工、裝備建造、科技發展、產品開發、技術咨詢、學術交流及國際合作等提供服務，并參與疏浚技術標準調研編制、組織疏浚科技成果的評審和鑒定，還將引導社會資源參與疏浚業的發展。（殷缶，梅深）

中國水電港航公司簽約世界最大河道整治項目

本刊從中國水電建設集團港航建設有限公司獲悉，2014年11月10日，孟加拉帕德瑪大橋河道整治項目施工合同簽字儀式在孟加拉首都達卡市隆重舉行。孟加拉帕德瑪大橋河道整治項目施工內容主要包括河道疏浚和河岸防護，工程疏浚量約近1億m3，河岸防護段長約13 km，護岸工程主要工程量包括拋石約110萬m2、沙袋拋填約2 100萬個、混凝土預制塊約1 300萬塊。項目工期4年。此次中國電建擊敗美日韓及歐洲眾多專業疏浚公司，成功中標并簽約孟加拉國帕德瑪大橋河道整治工程，一舉躋身到“國際疏浚俱樂部”。（殷缶，梅深）

Study on hydraulic condition of Jiaogang ship lock at the time of locks opening

DING Jian1,2,SONG Li?qin2
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098, China;2.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China）

In order to improve the ship lock capacity and make the effective operation scheme,an integrated physical model test was established in this paper.Flow velocity and pattern of approach channel during the running period of ship lock with different doors opening were analyzed quantitatively and qualitatively.Based on the physi?cal model test,the rule of flow in different hydraulic conditions was studied to determine seaworthiness condition and to improve the security situation.The results can be used as the reference of the ship locks in Nantong Channel Office.

seaworthiness；approach channel；hydraulic condition；Jiaogang ship lock

U 641

A

1005-8443（2014）06-0613-05

2013-07-23；

2013-10-08

丁堅（1960-），男，江蘇省人，副研究員，主要從事港口、海岸及近海工程研究。

Biography：DING Jian（1960-），male，associate professor.