高水頭大型船閘人字門門庫布置*

劉本芹，李 云，陳 瓊

(1.南京水利科學研究院，江蘇 南京210029；2.水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，江蘇 南京210029；3.通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室，江蘇 南京210029)

船閘人字門通過封閉閘室孔口，與輸水系統共同配合，使閘室水位升降，令船舶克服上、下游水位差而安全過閘。人字門啟閉運行頻繁，啟閉過程水流對人字門動水阻力矩的影響較大，而門庫布置直接關系到人字門啟閉過程的局部水流結構及水體交換是否通暢，成為影響人字門啟閉力及動水阻力矩的重要因素[1-3]。隨著船閘水頭及閘室尺度的增大，人字門的尺寸也相應增大，此時人字門開、關門初期及末期的動水阻力矩將成倍增加，顯著增大啟閉設備的設計與制造難度，同時對啟閉安全性提出更高的要求。為了減小人字門啟閉初期與末期的動水阻力矩峰值，本文針對高水頭大型船閘人字門門庫布置技術開展研究，論證門庫各項邊界條件對動水阻力矩的影響，進而提出科學合理的門庫布置方案，解決高水頭大型船閘人字門及啟閉設備的設計難題。

1 船閘及人字門特征尺寸

依托工程的設計最大通航船舶噸級為3 000 t，船閘口門寬度為34.0 m；單扇人字門的寬度為20.20 m，高度為47.50 m，屬于特大型人字門[4]。人字門最大擋水高度46.05 m，最大擋水水頭40.25 m，最大淹沒水深26.29 m。人字門啟閉機采用臥式直聯液壓啟閉機，額定啟、閉門力均為3 200 kN， 啟閉機工作行程7.37 m。人字門及啟閉機布置見圖1。

圖1 人字門及啟閉機平面布置(單位：mm)

2 數學模型

2.1 基本方程

高水頭船閘人字門多為靜水啟閉，但水流受門體旋轉擾動為非恒定流問題，對自由水面的正確捕捉是研究門體啟閉受力的關鍵[5]。本文根據人字門啟閉過程水流特點，采用合適的數值模擬與自由水面捕捉方法。數學模型紊流基本方程如下：

連續方程：

(1)

不可壓縮流體動量方程：

(2)

式中：ρ為流體密度，t為時間，p是壓強，ui、uj分別為速度矢量在xi、xj方向上的分量，ν為運動黏性系數，ν=μρ，μ為動力黏度，fi為xi方向單位體積力。

2.2 計算模型

計算區域包括人字門門庫及其上、下游各100 m的長度范圍[6-7]，考慮到兩扇人字門為對稱布置，故寬度范圍取閘室寬度的一半。門庫區域平面劃分為三角形非結構網格，閘室段為結構網格，縱向拉伸為棱柱體網格，并對交界面水面網格加密處理。采用動網格技術模擬人字門啟閉過程計算區域的變化，圖2為人字門啟閉過程不同時刻的網格對比。取靜止狀態為初始條件，上、下游邊界作固壁邊界。

圖2 不同時刻的人字門附近計算網格

2.3 模型驗證

采用船閘人字門運行水動力學物理模型試驗結果驗證數學模型的可靠性，相同條件下人字門啟閉過程動水阻力矩的計算值與試驗值對比見圖3。由圖3可以看出，在動水阻力矩量值及變化趨勢方面，數學模型計算結果與模型試驗結果吻合較好。本文中數學模型的主要作用是研究門庫各項邊界條件對動水阻力矩峰值的影響，通過對比分析，進而提出較優的門庫布置及門檻高度，因此可以認為該數值模擬方法是正確可行的，其模擬精度滿足研究需求。

圖3 人字門運行過程動水阻力矩的計算值與試驗值對比

3 人字門啟閉過程中的水流特征

帶門底間隙的人字門在啟閉運行初期和末期的局部水流流速分布如圖4所示。

圖4 人字門啟閉運行初期和末期的典型流速分布

開門初期，門前一部分水體逐步遠離門體，一部分水體則通過門底、門頭及門尾的間隙繞過人字門，垂向水流交換特征顯著。人字門門前水流垂向流速向下，門后垂向流速向上。開門末期，在門庫邊界與人字門門體的共同作用下，門前水位壅高，水流受擠壓向門底、門頭及門尾的間隙處流動，門前水流垂向流速向下，水平流速向門體門頭及門尾兩側；門后水流的垂向流速同樣向下，水平流速向門頭及門尾兩側，阻礙各縫隙出口的水體交換。受門庫、門體邊界及閘室漩渦的綜合影響，門庫內水流流動不暢，產生振蕩波動。

關門初期，人字門門庫內水位下降，門體前后面產生較大水位差，門前水體由門底、門頭及門尾處的間隙向門庫補水。受門庫體型及布置影響，人字門前后水體交換不暢，并在門庫中往復振蕩形成水面波動。關門末期，門頭間隙變小，門底間隙受門檻阻擋，水體再次交換不暢，門前形成水位壅高，部分水流通過門頭、門尾處的間隙流向門后，流速較大，同時在門后形成大范圍水流漩渦。

分析可知，人字門啟閉運行初期和末期，門體前后水流流動不暢，易形成局部水位壅高，人字門前后產生水位差，從而導致較大的動水阻力矩峰值。人字門在相同淹沒水深下，門庫型式及其特征尺寸、門底間隙等邊界條件是影響動水阻力矩峰值的主要因素。

4 門庫邊界條件對動水阻力矩的影響

4.1 門庫體型與布置

根據設計初步布置，船閘人字門門庫邊界尺寸如圖5所示。為便于描述，定義門位來表示人字門啟閉過程所處的位置。當人字閘門處于全關位時，門位為0；當人字門處于全開位時，門位為1；當人字門啟閉過程處于全關位與全開位之間時，根據門體運動旋轉角度不同，門位介于0～1之間。

圖5 船閘人字門門庫初步布置(單位：m)

4.2 門底間隙對動水阻力矩的影響

針對人字門門庫初步布置，在人字門淹沒水深為26.29 m，啟、閉時間均為180 s的條件下，研究了門底間隙對人字門動水阻力矩的影響，開、關門初期和末期的動水阻力矩峰值如圖6所示。

圖6 動水阻力矩峰值隨門底間隙的變化規律

開門階段，當門底間隙由1.0 m增加到2.0 m時，開門初期和末期的動水阻力矩峰值分別下降5%和1%；當門底間隙由1.0 m增加到2.5 m時，開門初期和末期的動水阻力矩峰值下降均為7%；當門底間隙由2.5 m繼續增大時，動水阻力矩峰值降低幅度不再明顯。

關門階段，當門底間隙由1.0 m增加到2.0 m時，關門初期和末期的動水阻力矩峰值分別下降3%和31%；當門底間隙由1.0 m增加到2.5 m時，關門初期和末期的動水阻力矩峰值分別下降3%和36%；當門底間隙由2.5 m繼續增大時，動水阻力矩峰值降低幅度同樣不再明顯。

對比結果說明，門底間隙對開門初期和關門末期的動水阻力矩峰值影響較為明顯，主要是因為人字門處于開門初期和關門末期時，兩扇閘門門頭間縫隙小。若門底間隙過小，此階段閘門前后的水位差必然迅速增大，產生較大的動水阻力矩峰值，因此門底間隙不宜太小。同時發現，關門末期的動水阻力矩峰值對門底間隙的變化更為敏感。

根據以上分析可知，門底間隙設置為2.5 m較為合理。

4.3 門庫體型優化

除門底間隙外，門庫本身的體型及尺寸將直接影響到人字門啟閉過程的水流流態，關系到人字門啟閉運行初期和末期的水流是否流暢，進而影響到動水阻力矩峰值。為此，進一步研究了門庫體型，從門庫深度(即：人字門全開位時距離門庫邊墻的間隙)、全開位門頭距上游閘墻的尺度以及局部連接形式等方面，提出圖7中的4種門庫優化體型，分別將門庫深度由原方案的0.64 m增大到1.0、1.5、2.0和2.5 m，并進行了局部連接方式的優化調整。

圖7 4種人字門門庫優化體型及布置(單位：m)

表1的計算結果表明，與原體型相比，人字門門庫4種優化體型下，動水阻力矩峰值均有不同程度的降低：體型1人字門運行過程開門初期和末期的動水阻力矩峰值分別降低4%和40%，關門初期和末期的動水阻力矩峰值分別降低18%和33%；體型2人字門啟閉過程開門初期和末期的動水阻力矩峰值分別降低6%和50%，關門初期和末期的動水阻力矩峰值分別降低29%和47%；體型3人字門啟閉過程開門初期和末期的動水阻力矩峰值分別降低6%和50%，關門初期和末期的動水阻力矩峰值分別降低35%和47%；體型4人字門啟閉過程開門初期和末期的動水阻力矩峰值分別降低6%和50%，關門初期和末期的動水阻力矩峰值分別降低41%和46%。

表1 人字門門庫4種優化體型動水阻力矩峰值降低效果比較

分析可知，門庫深度及其周圍間隙的改變，對人字門開門末期、關門初期和末期的動水阻力矩峰值影響較為明顯，但當門庫深度大于1.5 m后，降低動水阻力矩峰值的效果逐漸趨于穩定，由此確定門庫深度為1.5 m。

4.4 推薦門庫體型

通過對比分析，在確定門底間隙和門庫深度分別為2.5 m和1.5 m的基礎上，為了更有利于人字門運行時的門庫水體流動，進一步將門庫與上下游邊墻的連接段由垂直連接調整為圓弧連接，由此得到圖8中的推薦門庫體型。采用數學模型計算了最終體型下人字門啟閉運行時的動水阻力矩，見圖9。在淹沒水深為26.29 m、勻速開啟或關閉運行時間為180 s的條件下，人字門開門初期和末期的動水阻力矩峰值分別為7.05 MN·m和1.07 MN·m，關門初期和末期的動水阻力矩峰值分別為9.12 MN·m和3.12 MN·m。推薦門庫體型下，人字門啟閉運行各階段的動水阻力矩峰值均獲得不同程度的降低，最大降低51%。研究表明，推薦門庫體型是科學合理的，人字門啟閉機設計容量是安全可靠的。

圖8 推薦門庫體型(單位：m)

圖9 推薦門庫體型的人字門運行動水阻力矩過程線

5 結語

1)帶門底間隙的人字門在啟閉過程中的局部水流具有明顯的三維特性，啟閉運行初期和末期人字門前后水體交換不暢，導致動水阻力矩峰值較大，門庫體型及其特征尺寸、門底間隙等邊界條件是影響動水阻力矩峰值的主要因素。

2)人字門啟閉運行過程的動水阻力矩峰值隨著門底間隙、門庫深度等特征尺寸的增大而降低，并逐漸趨于穩定，由此得到門庫特征尺寸的臨界值為：門底間隙2.5 m，門庫深度1.5 m。

3)人字門門庫與上、下游邊墻的連接方式宜采用圓弧連接，結合依托工程提出了科學合理的人字門門庫體型及具體布置，可有效降低動水阻力矩峰值，有利于人字門啟閉機安全可靠運行。