基于數據模擬水工結構設計

劉君健 陳浩 譚宇靜

摘 要：在水工結構設計工作中，計算船閘通過能力的關鍵在于確定一次過閘平均噸位和一次過閘平均時間，其準確性直接影響到設計結果。本文以江西某航電樞紐工程實踐作為案例，基于計算機模擬技術，通過構建船舶過閘排擋模型，設計船閘設計通過能力計算方法。

關鍵詞：水工結構設計 數據模擬 航電樞紐

1.項目概況

本工程位于江西省，所在河段屬于Ⅲ級航道標準，航道尺度為：航寬60m，水深2.2m，轉彎半徑480m。工程中涉及兩個船閘的設計內容，其建設規模均為Ⅲ級。根據根據工程所在河道的《流域綜合規劃修編報告》，2020 年，規劃該河段中有 244km長度為Ⅲ級航道。要求通過千噸級船舶。本樞紐屬于低水頭閘壩工程，過壩建筑物采用船閘。

2.主要技術路線

在計算船閘通過能力時，一次過閘平均噸位和一次過閘平均時間是兩個非常重要的計算參數。對于“一次過閘平均噸位”的計算，我國現行《船閘總體設計規范》（JTJ305-2001）規定：一般需設計人員手工排擋，設計人員的經驗是否充足會影響結果準確性。對于“一次過閘平均時間”的計算，模型在滿足輸入的船型和比例的前提下，充分考慮了過閘來船在尺度和載重噸等方面的動態性、隨機性。根據《船閘設計規范》的規定計算船閘年通過能力，從而對船閘建設規模進行論證，能有效減輕設計人員的工作量，減少錯誤。

2.1過閘船型分析與預測

結合江西省內河船型標準化文件，推薦過閘船型主要有四種（絕大部分為單船運輸）：300t、500t、1000t、2000t，其中主要設計船型為500t和1000t為主，2000t船型作為兼顧船型。基于計算機數據模型，對該樞紐內分船型船舶過閘在2020年、2030年和2050年的艘次比例進行預測，過閘比例最高的船型為500t和1000t，在不同時期占比之和通常超過八成，而300t和2000t的船型過閘比例很低。

2.2船舶過閘排擋模擬試驗

（1）試驗工況

該樞紐有兩線船閘，分別位于東大河和西大河，二者均為單級雙向運行。樞紐船閘有效長度180m，有效寬度23m，門檻水深3.5m。同時，對于上述船閘的有效長度，增加兩組對比方案：船閘有效長度為230m和260m。對仿真實驗工況進行總結后發現，2020年、2030年、2050年的閘室有效長度均分別為180m、230m、260m，閘室有效寬度為23m。

（2）排船尺度

考慮船閘運營安全以及實際的運營操作情況，船閘內的船隊或船舶不可能占滿閘室有效尺度，而是留有一定的富裕或安全間隔。結合有關規范和船型主尺度系列，合理確定閘室排船尺度：①閘室有效寬度為23m，排船寬度取為22m，最大可供2條“長江水系貨-22”船型的船舶橫向排列；②閘室有效長度為180m，排船長度取為167m，最大可供2條“長江水系貨-34”船型的船舶（船長85m和82m）縱向排列；③閘室有效長度為230m，排船長度取為216m，最大可供2條“長江水系貨-34”船型的船舶（船長88m）和1條40m長船舶縱向排列；④閘室有效長度為260m，排船長度取為244m，最大可供2條“長江水系貨-34”船型的船舶（船長88m）和1條65m長船舶縱向排列。

2.3船閘通過能力

詳見表1。

（1）通過能力分析

根據預測的過壩運量，并結合該河段樞紐同類型船閘設計經驗，擬對船閘閘室長度進行通過能力比較。方案一（閘室有效長度為180m）：本次設計2020年船閘一次過閘噸位為2886噸，2030年船閘一次過閘噸位為3262噸，2050年船閘一次過閘噸位為3278噸。方案二（閘室有效長度為230m）：2020年為3797噸，2030年為3888噸，2050年為3905噸。方案三（閘室有效長度為260m）：2020年為4334噸，2030年為4736噸，2050年為4583噸。計算結果詳見表2。船閘近期、中期、及遠期的通過能力均能滿足過壩運量預測要求。并有一定的富余量。

（2）方案比較及推薦方案

船閘閘室有效長度為180m、230m、260m時，東西大河兩線船閘總的通過能力在近期、中期、遠期均能滿足過壩運量預測要求，并有一定的富余量。因此從經濟合理的角度分析，船閘閘室有效長度為180m（方案一）即可。故本階段推薦船閘有效長度為180m。

3.結論

在進行水工結構設計工作中，涉及到大量的復雜數據計算，相較于以往的人工核算和設計，計算機模擬技術可以減輕大部分計算工作，同時設計過程涉及一系列分析工作，可以避免一部分由人工帶來的主觀不確定因素。

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