船閘泄水的非恒定流特性及通航安全措施

申霞，謝瑞，姬昌輝，王永平

船閘泄水的非恒定流特性及通航安全措施

申霞，謝瑞，姬昌輝，王永平

（南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇南京210029）

閘室泄水將導致引航道內生成復雜的水流流態，給船舶停靠及航行造成安全隱患。通過1∶40正態物理模型，研究船閘泄水過程及泄水結束后，引航道內泄水波運動特征、水面比降、流速分布、回流強度等。結果顯示：在引航道設計方案下，上下游水頭差7.13m、閥門開啟時間5min時，人字門處反向水頭為0.39m，系船停泊區縱向流速為0.56 m/s，超過規范要求，會對引航道內船舶、人字門以及引航道護岸產生不利影響。延長泄水閥門開啟時間可降低泄流過程中的流量峰值，使得引航道內最大水面比降、最大流速、水面波動幅度有所減小；植物護坡能夠有效削減泄水波、船行波能量；空箱結構護岸可以有效降低水流對岸壁的沖擊力、削減水波動能，保護航道護岸及人字門；空箱護岸長度越長，水流改善效果越明顯。

船閘；物理模型；非恒定流；泄水長波；護岸結構

船閘灌泄水過程中，在引航道內產生非恒定流，引起水面波動和流速、流態變化，不僅會影響船舶安全過閘，也可能對船閘自身運行和安全造成不利影響。船閘灌泄水過程中引航道內水流運動特性的研究方法主要包括理論分析[1]、水流數學模型[2-4]、概化物理模型試驗[5-6]等。當船閘灌泄水產生的波高、坡降、流速不能滿足要求時，應采取有效措施[5-7]改善引航道內的水流條件，包括：延長輸水時間；加大引航道過水斷面；改進引航道中的輸水系統布置；利用波動傳播過程中的變形、反射特點，不使其相疊加并抵消波動。

本研究采用1∶40正態物理模型對船閘輸水廊道以及下游引航道內水流進行模擬，模型的直觀性強，能夠真實反應岸壁邊界及復雜流態，工程結構近區模擬準確性高。試驗內容包括水流流態、泄水波運動特征、水面比降、流速分布、水位壅高、回流強度等，分析水流運動對引航道內船舶的影響，以及對船閘本身（人字門）及引航道護岸等的影響。從延長泄水時間、植物型護岸、優化護岸結構型式、拓寬引航道等角度研究改善引航道水流條件的工程和非工程措施，為船閘工程的設計施工以及運營管理提供技術支撐。

1　模型設計

1.1工程概況

運東船閘建于20世紀80年代，位于江蘇省高郵市境內高郵湖東側，與京杭運河相連，為江蘇省干線航道網通揚線的起點。近年來過閘船只數量激增以及部分構筑物破損，擬將原船閘拆除在原址重建。建設規模230 m×23 m×4 m，為III級通航建筑物，船閘上下游正常水頭差5.5~7.0 m，最大水頭差7.13 m。下游引航道平面布置采用不對稱式（圖1），寬度約70 m，直線段長度410 m，下游布置有遠調碼頭和停泊錨地。船閘下閘首門檻頂高程-3.3m（85國家高程，下同），引航道設計底高程-3.3 m。下閘首輸水系統采用簡單消能工的水平環繞對沖消能的平底板短廊道集中輸水系統。下游引航道護岸設計方案為：左岸采用重力式護岸結構，右岸采用鋼板樁護岸結構。

圖1　運東船閘下游引航道形態及測點布置Fig.1 Plane layoutof lower app roach channeland measure section location of Yundong ship lock

1.2研究方法

1.2.1物理模型設計與制作

采用1∶40正態物理模型研究船閘泄水過程中，下游引航道內的水流運動特性。模型范圍為下閘首及其下游2 km的航段。根據航道設計斷面采用斷面控制法制作引航道模型，閘室下閘首與輸水廊道采用塑料板制成一個整體，兩側輸水廊道各接1個直徑為50 mm的管道，模擬船閘泄水。下游采用翻板尾門控制水位。

1.2.2試驗設備與量測儀器

船閘泄流過程采用南京水利科學研究院研制的電動閥門自動化系統進行控制，閘閥上游安置電磁流量計。將給定的各工況泄流曲線輸入計算機，通過流量與閥門開度的擬合曲線，控制電動閥門的啟閉速度，同時將所需流量與電磁流量計的讀數進行實時校驗并調整偏差。電動閥門下游設置三通管，將水流分成兩股進入兩側輸水廊道，模型中流量誤差控制在0.1 m3/h以內。水位采用數字編碼跟蹤式水位儀。流速采用激光旋漿式流速儀測量，測點保持在0.6 m水深處。采用自動波高儀采集泄水波的傳播，模型中波高采樣間隔為0.05 s。

1.2.3模型驗證

模型驗證以阻力相似為主，即求證河槽的糙率。由于通揚運河高郵段河道水位比降較小，流速亦很小，即使進行水文測驗也難以求得糙率系數n，而且工程后船閘下游引航道岸坡將進行人工護砌，因此河道的天然糙率對模型試驗的意義不大。運東船閘下游引航道斷面規則，兩側護坡采用漿砌塊石、袋裝碎石、模袋混凝土、鋼板樁等，糙率系數約為0.024~0.025。根據相似條件，模型的糙率系數為0.013。引航道模型采用水泥砂漿適當抹光，能夠滿足模型試驗的要求。

2　非恒定流特性

2.1試驗工況

模型試驗的上游泄水流量過程采用最不利設計工況，即水頭差為7.13 m，閥門開啟時間為5 min。隨著泄水閥的開啟，下泄流量逐漸增大；最大流量（141.53 m3/s）約出現在泄水過程的中間時刻；隨后水頭差逐漸降低，流量由峰值逐漸回落；當閘室內外無水頭差時，流量歸為0。

2.2水面波動

引航道內布置9個波高測點，分別位于8個測流斷面以及下閘首人字門處（圖1），波高測點均位于航道中心線上。采用波高儀自動監測船閘泄水全過程以及泄水結束后共約60 min內水面的波動，將測得的波高值與初始水位疊加，即得到各點水位隨時間的變化過程。人字門、系船墩（斷面III）及遠調碼頭（斷面VII）水位過程見圖2，由圖可知，試驗前的穩水過程持續約5min，隨著泄水閥門的打開，下游引航道內產生相應的非恒定流波浪運動：緊鄰出水口的人字門處水位迅速升高，在泄水全程的7.65 min內水位先增加至最大隨后降低，人字門處水位超高0.39 m，超過JTJ 306—2001《船閘輸水系統設計規范》要求的0.25 m；泄水結束后，受波動的反向傳播作用，人字門處水位出現回升；閘門的阻擋導致水位迅速爬升，0.5 min內由0.58 m增至1.01 m；隨后人字門的反射作用導致波浪折向下游傳播，水位隨之下降，第二個波動周期約11 min。對比人字門、系船墩及遠調碼頭3個測點的水位波動過程可知，泄水波的傳播導致下游各點波動過程有所延遲。根據各測點的距離及波動出現時間，推算出泄水波前沿前進速度約為6.0m/s。泄水過程中系船墩和遠調碼頭處最大波高分別為36 cm和23 cm。泄水結束后，由于波動延續性以及波浪的反向傳播，水位仍出現波動，加上不規則岸線及不同結構岸壁的反射作用，各點水面波動呈現來回振蕩、波幅緩慢衰減的趨勢。

圖2　船閘泄水過程及結束后引航道內各點水位變化過程Fig.2 Water levelvariation over time during lock emptying and afterward

2.3水位變率及比降

1號~6號水位測點在泄水過程各時段內的水位變化速率見表1，可見各點水位變率出現正負交替，表明水位并不是呈現單調升高或降低，而是出現波動，水位上升最快處位于1號、3號、4號測點，約25 cm/min。究其原因是其距離泄水口較近，水位變化較敏感，而2號測點的水位變率較這3個測點小，可能是由于其位于航道拓寬突變處，水面變寬，水流變緩，加上對岸系船墩對水流波動的削減作用，使得水位變率較周圍測點小。對比1號~6號測點數值可知，水位變率最大值出現時刻隨著與閘室的距離增加而延遲。從每個測點各個時刻值看，水位升高的速度遠大于水位回落的速度。

表1　船閘泄水過程各時段1號~6號測點水位變率Table1 W ater levelvariation ratesof1-6 pointsat different tim e during lock em p tying

泄水過程中各時刻引航道縱向水面線見圖3，最大正比降出現在76 s、152 s、228 s三個時刻，約為0.1%，此時全航段水面坡降差異較大，比降較大的航段長度僅500 m，其余河段水面較平緩。隨著下泄水量增加以及水質點逐漸下移，全航段水位逐漸抬高，坡度放緩。在泄水過程后期，水體繼續向下游移動，而閘室泄流量逐漸減少并趨于0，上游的水體補給少于流向下游的水量，航段水面呈現倒坡，水面倒比降最大為0.09%，發生在船閘泄水結束時。最大正負比降均處于船閘下游100 m范圍內，水面比降值能夠滿足航行要求[8]。

圖3　泄水過程各時刻引航道內縱向水面線Fig.3 Longitudinal water surface profile at different time during lock emptying in the approach channel

2.4斷面流速

引航道內布置8個測流斷面，每個斷面布置3~4個測流垂線，最左側垂線標記為1（見圖1）。結果顯示：引航道內流速最大值位于閘室下游100 m范圍內（系船停泊區上游），最大縱向流速達1.57 m/s；III-4斷面縱向、橫向流速最大值分別為0.56 m/s、0.15 m/s；下游遠調碼頭及停泊錨地流速最大為0.37 m/s、0.39m/s，橫向流速小于0.05 m/s。系船停泊區所在測流斷面III各垂線流速過程見圖4，在一個泄水過程中，流速先增大隨后降至0。泄流結束后，隨著部分水體的回溯，流速值隨之增加并呈現來回反復。在前兩個流速波動過程中，4根垂線的流速值極值出現時刻基本一致，而在隨后的兩個流速波動中，各垂線點流速并沒有出現同時增加或降低的趨勢，體現出水流往復運動過程中的橫向分布不均特性。

圖4　系船停泊區斷面（III）各垂線流速過程圖Fig.4 Flow velocity processes of different vertical lines at section III

2　.5回流特征

運東船閘泄水過程中及泄水結束后，引航道內系船墩處產生回流。泄水過程末端，系船墩上游由于河道斷面變寬、水流能量耗散而出現順時針回流，面積為70 m×20 m，流速約0.35 m/s，隨著泄水結束，該回流隨之消失。泄流結束后傳遞至下游的能量逐漸減少，泄水波產生反向傳播，兩者在系船墩處相遇，由于能量的不均等以及左右側不對稱，系船墩處生成一個順時針回流（圖5），面積為80 m×75m。

圖5　泄水結束后引航道內回流位置及范圍Fig.5 Rangeand locationsof back flowsafter lock em ptying in the approach channel

水流的黏滯力和慣性導致其上游生成逆時針回流，直徑約50 m，2個回流強度約0.20m/s。

3　改善措施及效果分析

3.1延長泄水時間

將泄水閥門開啟時間從原先的5 min（工況E1），延長至6 min（工況E2）和7 min（工況E3），分析其對引航道內水位、流速、流態的改善效果。隨著泄水閥門開啟時間增加，引航道內水面比降趨緩，水位變化速率降低，水面波幅也有所減小。人字門處水位超高從0.39m降至0.30 m，水面最大正比降由0.1%降至0.07%，泄水時間延長對引航道末端波高影響不大。系船停泊區最大縱向流速由E1工況的0.56 m/s降至E3的0.51 m/s。可見，延長泄水時間能夠改善船閘泄水時下游引航道內的水流條件。

3.2柔性植物護岸

擬在引航道彎段兩岸布置柔性植物，左右側植物護岸長度各350 m。模型試驗中采用塑料草模擬天然植物，塑料草高2 cm、間距8 cm，每顆草6~8瓣葉片、每瓣葉片長約4 cm。E3泄水工況條件下，無植物護坡和有植物護坡兩種情況人字門處水位變化過程對比見圖6，水位慣性超高由無植物護坡的0.30 m降至0.25m。但是，植物護坡能否經受泄水波、船行波的淘刷以及船舶岸邊靠泊的影響，是柔性護岸能否用于引航道護岸的關鍵。

圖6　工況E3有無植物護岸人字門處水位變化過程Fig.6 Water level process at the miter gate of plants and non-plants revetment scenarios in CASE E3

3.3引航道拓寬及護岸結構優化

方案S1在原護岸設計方案的基礎上將左岸后退5 m，拓寬段長度為1.1 km（下閘首以下70 m為起點），后退岸線采用重力式護岸結構。E3泄水工況人字門處的水位超高為29 cm。

方案S2和S3與方案S1的不同之處在于，其在左岸后退岸線上采用鋼護木結構護岸，長度分別為0.59 km和1.1 km（以航道拓寬的上游起點算）。鋼護木護岸結構在每9.98m的岸線上布置4個鋼護木，每個寬0.39 m，形狀為弧形凸出，最大凸出尺寸為0.1 m，鋼護木所在高程為0.4~3.4 m。E3泄水工況下，方案S2、S3人字門處水位超高為29 cm、28 cm。

方案S4和S5在左岸后退岸線上采用空箱結構護岸，長度分別為0.59 km和1.1 km。空箱護岸結構的每9.98m岸線為一個結構單元，每個單元有6個立柱，立柱寬0.5m，間隔0.85 m，立柱后方水域連通，深度為1.5 m，空箱所在高程為0.4~3.4 m。E3泄水工況下，方案S4、S5人字門處水位超高為25 cm、22 cm。

4　結語

延長泄水閥門開啟時間可降低泄流過程中的流量峰值，從而使得引航道內最大水面比降、最大流速、水面波動幅度有所減小，改善通航水流條件。但是泄水時間的加長會導致船閘運行效率降低，船閘工程設計中應尋求兩者間的平衡。在引航道兩岸采用植物護坡，能夠有效削減泄水波、船行波。但是，布置于近閘航道兩岸的植物，會受到船舶停靠擦碰的影響，掉落的植物枝葉有可能纏繞船舶螺旋槳，給航行安全帶來隱患。空箱結構能夠增加近岸水流摩阻，并在立柱后方形成紊動渦漩，削減泄水波能量，保護航道護岸及人字門。

[1]周華興，鄭寶友，王化仁.船閘灌泄水引航道內波幅與比降研究[J].水道港口，2005，26（2）：103-108. ZHOU Hua-xing,ZHENG Bao-you,WANG Hua-ren.Test on wave amplitude and slope during lock filling and emptying in approach channel[J].Journal ofWaterway and Harbor,2005,26(2): 103-108.

[2]東培華，馬洪亮，尤薇，等.多線船閘下游引航道通航水流條件及改善方案研究[J].水道港口，2013，34（5）：420-424. DONGPei-hua,MAHong-liang,YOUWei,etal.Studyon navigation flow condition and improvement measures of downstream approach channel inmulti-line ship lock[J].Journal of Waterway and Harbor,2013,34(5):420-424.

[3]黃倫超，李珊，游濤，等.雙線船閘共用下游引航道水流特性及其影響[J].交通科學與工程，2012，28（4）：37-44. HUANG Lun-chao,LIShan,YOU Tao,etal.Flow characteristics and effects on the approach channel during the co-operation of the duble-lane ship lock[J].Journal of Transport Science and Engineering,2012,28(4):37-44.

[4]李偉，張寶航.船閘下引航道口門區回流特性及改善措施[J].水運工程，2013（8）：160-164. LIWei,ZHANG Bao-hang.Characteristics of circum fluence and improvementmeasures for entrance of lower approach channel[J]. Port&Waterway Engineering,2013(8):160-164.

[5]戈龍仔，曹玉芬，孟祥瑋，等.船閘中間渠道非恒定流特性與調節池改善措施探討[J].水道港口，2006，27（6）：378-383. GE LONG-zai,CAO Yu-fen,MENG Xiang-wei,et al.Analysis of characteristics of unsteady flow in middle channel and improving measuresaboutbalancing bank[J].JournalofWaterwayand Harbor, 2006,27(6):378-383.

[6]鄭寶友，周華興，李炎.船閘引航道長波波動對人字閘門的影響[J].水運工程，2008（2）：82-85，91. ZHENG Bao-you,ZHOU Hua-xing,LIYan.Influence of fluctuation of long wave in approach channel on miter gate[J].Port& Waterway Engineering,2008(2):82-85,91.

[7]楊文俊，孫爾雨，楊偉，等.三峽水利樞紐工程非恒定流通航影響研究I：上、下引航道[J].水力發電學報，2006，25（1）：45-49. YANGWen-jun,SUN Er-yu,YANGWei,et al.Research on the influence ofunsteady flow produced byoperation of TGPon navigation I:Upper and lower access channels[J].JournalofHydroelectric Engineering,2006,25(1):45-49.

[8]周華興，鄭寶友，陳作強.船閘口門區泄水波風浪波高與船舶橫搖[J].水道港口，2007，28（3）：183-187. ZHOU Hua-xing,ZHENG Bao-you,CHEN Zuo-qiang.Wave height of discharging wave at entrance area of ship lock and ship rolling[J].JournalofWaterway and Harbor,2007,28(3):183-187.

Unsteady flow characteristics during the ship lock emptying and its navigation safety measures

SHEN Xia,XIERui,JI Chang-hui,WANG Yong-ping
（Nanjing Hydraulic Research Institute StateKey Laboratory ofHydrology-Water Resourcesand Hydraulic Engineering, Nanjing,Jiangsu 210029,China）

There should be a complex water flow in lower approach channelwhen the chamber empties.The flow could cause potential safety hazard for ship berthing and navigation.A physicalmodel of 1:40 scale ratio is applied to study long wave movement,water surface slope,velocity distribution,and backflow intensity when the lock empties and afterward.The results show that the reversewater head at themitergate is 0.39m,and the longitudinal velocity atmooring site is 0.56m/s under the designed condition,the value is beyond relevant standards,itwill be harm ful to the ships in approach channel,m iter gate,and the approach channel revetment.Prolonging the long valve opening time can lower the peak value of flow rate,therefore the water surface slope,water wave and water flow could be reduced.Plants revetment can effectively reduce the energy of discharge wave and ship wave.Hollow caisson structure has positive effect on reducing the impact force against the channel walls,reducing the water wave energy,and protecting the channel revetment and miter gate,and the longer of hollow caisson structure revetment,thebettereffectonwater flow improvement.

ship lock;physicalmodel;unsteady flow;discharge long wave;revetment structure

U641.1

A

2095-7874（2016）04-0034-05

10.7640/zggw js201604009

2015-09-10

2015-11-12

江蘇省自然科學基金資助項目（BK20150078）；南京水利科學研究院院基金資助項目（Y215007）

申霞（1982—），女，江蘇如皋人，博士，高級工程師，從事水力學及河流動力學研究。E-mail：xshen@nhri.cn