导流墩改善口门区水流条件机理研究

2011-03-12李君涛张公略冯小香

中国港湾建设 2011年2期

李君涛，张公略，冯小香

（1.交通部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；2.浙江省交通规划设计研究院，浙江杭州 310006）

0 引言

船闸引航道的进出口称为口门区，即船闸引航道与河流相连接的区域，是船舶（队）进出船闸的必经之路，该区域为河流动水与引航道静水交界的水域，河道水流在该区域受特殊边界条件影响，形成斜向水流、横流和回流，有时还会出现泡漩等不良流态。当船舶航经该水域时，受不良流态影响产生横漂和扭转，严重时会出现失控，以致发生事故。为保证船舶航行的安全，这种水流的作用和影响必须控制在一定的范围内。因此，口门区水流条件的改善研究是通航建筑物建设中的重要技术问题，且具有重要的现实意义。

国内外工程技术研究人员已经过大量试验研究，对船闸口门区水流条件提出了一些改善措施，如调整导航堤（墙）长短、优化导流堤堤头形式、堤身开孔、浮式导流堤等。上述措施对改善某一特定工程口门区水流条件可能是行之有效的，但都有一定局限性[1]。

导流墩是近年来国内航电枢纽建设中应用较为广泛的改善船闸口门区水流条件的导流措施，研究表明导流墩能有效削弱引航道口门区的斜流及回流，改善水流条件效果显著。目前国内应用导流墩的枢纽工程有湘江大源渡航电枢纽、湘江株洲航电枢纽、湘江长沙综合枢纽、松花江大顶子山航电枢纽、依兰航电枢纽和右江鱼梁航电枢纽等[2-7]。

近年来关于导流墩改善船闸口门区水流条件的研究也较为多见，但均是通过模型试验对特定的枢纽工程提出满足要求的导流墩尺寸及布置形式等，而对导流墩改善口门区水流条件的基础理论研究较少。本文主要从理论的角度，分析口门区内斜流和回流对船舶航行的影响，同时着重研究导流墩削弱口门区斜流和回流，改善水流条件的机理。

1 口门区斜流对船舶航行影响

当船舶（队）以一定的航速驶入口门区时，如果航向与水流有一定夹角，则将产生斜向水流对船舶的作用，称之为斜流效应。口门区内的斜向水流可以分解成平行于航线的纵向流速和垂直于航线的横向流速。横向流速和纵向流速对船舶航行影响较大，国内外均十分重视其研究，尤其是船闸引航道口门区的横向流速和纵向流速问题，有些国家对部分指标已制定了相应的规范，我国对引航道口门区内横、纵及回流的最大流速在船闸设计规范中进行了限制性规定，但对于水流对船舶航行影响的其它指标目前尚无规范可依，需进行水工模型和船模航行试验加以研究。为了分析口门区水流与船舶航行之间的关系，可建立水流流速与船舶受力的关系式。

设口门区内的斜流流速为V，斜流与航线的夹角为α，斜流分解成平行于航线的纵向流速为Vy，垂直于航线的横向流速为Vx。则有：

其中沿航线方向上纵向流速Vy，不仅影响船舶（队）的航行推力或阻力，同时也影响船舶的舵效。一般而言，要求船舶（队）的航速大于斜向水流沿航线方向的流速分量即纵向流速Vy。

垂直于航线方向上的横向流速Vx，可以使船舶产生横向漂移，如果作用于船体的Vx是非均匀的，将对船舶产生扭转力矩，使其转动。

横向流速Vx对船舶（队）产生横向推力Fx，即

式中：ξ为系数；γ为水的密度；S为受横流作用的船舶面积；g为重力加速度。

船舶（队）受到的横向推力Fx与船舶（队）受横流作用的面积有关，当S一定时，Fx与横向流速Vx的平方成正比，受横向力的作用，船舶（队）将发生侧向漂移，偏离航线。

文献[8]中提出船舶（队）受横向力作用，产生的横漂距离ΔLx的计算式为：

式中：A，B为系数；t为水流作用于船体的时间；V*为船舶（队）受水流Vx作用而产生x方向的位移速度；VS为船舶（队）的静水航速；为计算段内各测点Vx的平均值；l为船舶（队）航行距离。

涂启明[9]提出了船（舶）队横向漂移速度V*与横向流速的关系：

式中：c为系数，顶推船队一般取0.09；拖带船队一般取0.07。

陈永奎[10]提出的船舶受到横流作用后重心所产生的横向漂流速度Vx*和横漂距离ΔLx的计算公式：

式中：t为时间；A，B为与船舶的质量、船体的附加质量及作用在船舶的质量、船体的附加质量上流体的质量及三者的质量有关的系数；当Vx为常量，且Vx＝时，A=B=1.0 s-1。

船舶在非均匀流场航行时，由于船体两侧动水压力差的作用点不在船舶的重心，横流还将对船舶产生力矩作用。如果简化为Vx按线性分布，则从能量定理可以得到力矩M与Vx的关系，即

式中：K为系数，与水流作用长度、作用深度、作用点偏心率、船舶（队）自身及周边几何形状、水流绕船体运动时的阻力等因素有关。

由此可见，口门区的斜向水流沿航向的纵向流速对船舶（队）起加速和减速的作用；垂直航向的横向流速使船舶产生漂移，且当横向流速非均匀分布时，船舶受不均匀流侧压影响发生回转运动，使船舶偏离航向，船舶为保持航向需操纵舵角，如果这种运动超出了船舶正常操作能力即舵力所允许的范围内，就会出现失控，造成驾引失控，严重时会发生船舶不能进入引航道或船舶冲撞翻船事故。

2 口门区回流对船舶航行影响

众所周知，在船闸引航道口门区，受斜向水流的作用，河流动水带动引航道静水，形成旋转水流，俗称漩流，美国工程界习惯称涡流，我国通称为回流。回流是一种大量存在于工程实际中的主要副流，其产生的机理为：水流发生局部变形（收缩或扩散等）时，将会产生水流分离的现象，在水流的分离面上出现摩擦力，在摩擦力的作用下，分离面附近的水体将随着主流一起向下游运动，为了填补留下来的空隙，边壁附近的水体必将流进来补充，这样就形成了一个封闭的水流系统[11]。

船闸引航道口门区处在水流局部变形的区域，为回流的产生提供了条件，因此回流和斜向水流成为船闸引航道口门区的主要水流结构。回流对船舶（队）航行的影响主要是椭圆形旋转水流两端产生的方向相反，且基本与航线垂直的水流对船舶（队）的影响。当船舶（队）穿越回流区时，船首、船尾受到方向相反的水流作用，使得船舶产生扭转，同时回流范围内因流速分布不均和流向不一致所产生的转动力矩，也会影响舵效作用的发挥，极大影响船舶（队）安全进出口门。

3 导流墩改善口门区水流条件的机理

3.1 导流墩消弱回流机理

根据回流产生的机理，船闸口门区恰处在水面宽度突然收缩和扩大的条件下，上游来流在惯性力的作用下继续前进，导流堤堤头附近的水体在切应力作用下随主流向前运动，称为摩擦流。摩擦流向边壁流动，使水位抬高，从而产生了正向压力差，使得边壁内侧的水体开始向逆水流方向运动，形成口门区回流的重力补偿流，以维持口门区回流得以持续恒定地运动。摩擦流一般流带较窄，流速大；补偿流则相反，流带宽，流速小。摩擦流强度越大，相应回流的强度越大。以上表明口门区内回流产生的主动力就是河道主流施加在交界面上的侧向摩擦力，根据动量定律，摩擦流与主动力的关系为：

式中：F为主流作用于界面的力；t为力的作用时间；M为摩擦流质量；u为摩擦流断面平均流速。

式（1）中主流作用于交界面上的力F，可用下式表示：

式中：α为主动力占总作用力的比例系数；τ为界面侧向切应力；h0为交界面处水深；l为作用长度。其中界面侧向切应力τ可用下式计算：

式中：ρ为水流密度；f为主流侧面阻力系数；u0为主流在界面处的平均流速。

式（1）中摩擦流质量M可用下式表示：

式中：h为回流区水深；br为摩擦流平均宽度。

将上述各式联立可得：

式（5）揭示了影响回流强度的主要因素，即：来流流速u0、引航道口门区水深h、水流主动力的作用长度l。由此可以通过减小上述各项来寻求削弱回流的途径。

在引航道口门区设置导流墩即是通过减小主动力长度来削弱回流强度。沿导流堤在口门区外侧布置若干连续的导流墩，可以把口门区内大范围的回流区分解成若干不连续的小回流区，由于主动力作用长度减小，口门区内的回流强度得到减弱；另一方面由于相邻导流墩间隔处有动量交换可使主流流速沿程降低，回流强度也将依次减弱。

3.2 导流墩削弱斜流的机理

在船闸引航道口门区无导流墩布置情况下，上游来流的单宽动量沿断面分布近似均匀。上游水流过导流堤堤头后，由于斜流夹角较大，其在垂直航线方向上的水流动量分量也大，对船舶安全航行不利。增加导流墩后，由于导流墩的阻流作用，进入口门区的动量减小，即使是斜流夹角较大，但垂直航线方向上的水流动量分量也不大，船舶受力作用较小。导流墩末端的斜向水流是由过最末一个导流墩后扩散进入口门区的水流（斜向流）和从导墩间隙进入口门区的水流（调顺流）合成。由于导墩间隙进入口门区的水流对扩散水流的调顺作用，使得导流墩末端的斜向水流夹角和横向流速均减小，因此设置导流墩也就达到了削弱斜流的目的。

导流墩还有一个重要作用是导引一部分水流进入引航道，改变原口门区回流的水流结构，一方面压缩回流区域，减小回流流速；另一方面是把原来的回流区大部分变成顺流区。