多线船闸下游引航道通航水流条件及改善方案研究

东培华，马洪亮，尤 薇，董 佳

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京210000）

多线船闸下游引航道通航水流条件及改善方案研究

东培华，马洪亮，尤 薇，董 佳

（江苏省交通规划设计院股份有限公司，南京210000）

多线船闸下游引航道内反向水头过大引起的船闸安全问题引人关注。以江苏刘老涧三线船闸为例，建立了非结构网格下的平面二维水动力数学模型，计算了下游引航道在二、三线船闸不同泄水条件下的水流流态及一线船闸闸门处的反向水头。采用开挖隔堤的工程措施以缓解反向水头过大的问题，计算分析了不同下闸首至开口段长度、开口段长度和开口段底高程下的最大反向水头及最大横向流速特征值变化规律，为改善多线船闸下游引航道水流流态提供参考。

多线船闸；引航道；水流条件；数学模型

随着经济水平的不断发展，内河船舶数量持续增长，对船闸的通过能力提出了新的要求，各地在原有单线船闸的基础上纷纷兴建双线或多线船闸。由于多线船闸下游河道断面在引航道之后迅速缩窄，导致引航道内水流前进波发生反射并在船闸闸门处产生较大的反向水头，过大的反向水头对建成时间长、设计标准低的船闸闸门造成了很大的威胁，通常采用相应的工程措施加以缓解，但是，如果工程措施不当，反而会恶化下游引航道内水流条件，直接影响进出船闸的船舶通航安全。因此，认识影响引航道内水流条件的机理，计算分析不同工程措施方案下的水力特征值变化规律，是有现实意义的。不少学者对船闸通航水流条件作了很多工作［1-6］，但研究多线船闸不同泄水条件下游引航道水流流态的还不多见，本文以江苏省刘老涧船闸为例，复演了二、三线船闸泄水时一线船闸较高的反向水头，计算了对隔堤不同开挖方案实施后关心水域的流态，在此基础上分析总结了各开挖方案对水流特征值的影响规律，为改善多线船闸下游引航道通航条件提供一些参考。

1 衡量通航水流条件的标准

按照《船闸输水系统设计规范》［7］及《船闸总体设计规范》［8］（下称《规范》），船闸闸室、口门区及引航道水流限制条件如下：

（1）当船闸闸室灌泄水时，闸室水面的最大惯性超高、超降值，在采取提前关闭输水阀门及水面齐平时开启闸门等措施后，不宜大于0.25m，人字门允许的反向水头应小于0.25m。

（2）引航道口门区流速。在口门区的有效水域范围内：纵向流速不应大于2.0m/s，横向流速不应大于0.3 m/s，回流流速不应大于0.4m/s。另外在引航道口门区宜避免出现如泡漩、乱流等不良流态。

（3）引航道内流速。引航道导航段和调顺段内宜为静水区，制动段和停泊段的水面最大流速纵向不应大于0.5 m/s，横向不应大于0.15m/s。

（4）口门区与主航道之间的连接段水流条件，参照口门区通航水流条件的基本要求，判别连接段水流条件的优劣。

2 刘老涧船闸简介

刘老涧船闸始建于1934年，老船闸于1984年报废拆除［9］。目前，刘老涧船闸为三线船闸，其中一线船闸1978年建成并交付使用，船闸尺度230m×20 m×4 m，设计年通过量2 100万t。上下游引航道底宽均70 m，水深4 m，长均800 m；复线船闸于1987年建成并交付使用，船闸尺度230 m×23 m×5 m，设计年通过量2 100万t。复线船闸闸位选在原老船闸上游引航道内，充分利用老船闸河槽，保留分隔堤；三线船闸建在复线船闸以南80m，于2008年建成并交付使用，闸室有效尺度260m×23m×5m，上下游引航道直线段长均为800m，设计年通过量为4 000万t左右。三座船闸均采用短廊道对冲消能式输水系统，钢质人字闸门，平板直升阀门。二、三线闸阀门启闭采用液压启闭机，一线闸阀门启闭由原来四连杆液压启闭机通过2009年10月大修技术改造为现在的滚珠丝杆式启闭机。

3 平面二维水动力数学模型

基于三维不可压缩雷诺（Reynolds）平均Navier-Stokes浅水方程建立水动力模型，对连续方程和动量方程进行沿水深积分后可得到下列二维沿深度平均的浅水方程

式中：t为时间；x、y为笛卡尔坐标；h为水深；u、v为x、y方向沿水深平均流速；g为重力加速度分别为x、y方向的地形坡度，zb为河床高程分别为x、y方向的阻力系数为Manning糙率系数。

为使边界不影响研究水域的计算结果，下游引航道通航水流条件计算范围为船闸下闸首至下游航道约7.2 km的区域，计算域采用三角形网格剖分，最小边长10 m，以更好的贴合水工建筑物和岸线，其中网格节点7 011个，单元12 615个，模型范围及网格布置见图1～图2。

为定量分析不同工况下的水位波动情况，在各线船闸下闸首、系船墩及航道处共布置14个采样点（图3），为定量分析不同工况下的最大横流流速值，在隔堤两侧的一、二线船闸航道处共布置20个采样点（图4）。

4 现状水流流态复演

自2010年以来，一线船闸共发生近十次人字门安全销断裂事故，选取事故发生时的最不利水位，模拟复演一线船闸闸门处的反向水头，计算工况见表1。

3种工况下闸首、下游引航道系船墩附近、下游航道缩窄处典型测点的最大水位波动汇总于表2，其中正值表示水位壅高，负值表示水位降低。

由表2可见：（1）船闸泄水过程产生非恒定流，在下游引航道内产生相应的非恒定水波运动，下游引航道内水位随水波的传递周期性上升或下降；（2）对于同一种工况，下闸首处水位波动幅度最大，其后系船墩、下游航道的水位波动幅度依次减小，水位的最大平均上升幅度一般略大于下降平均幅度；（3）对于不同工况，船闸泄水量越大，反向水头也相应越大。

由于刘老涧船闸下游引航道口门区水域比较开阔，但在口门之后较短范围内河道剧烈收缩，船闸泄水时的非恒定流在此产生较强的反射波，泄水结束后，仍有部分回流流向船闸下闸首，产生较大的反向水头。在二、三线同时泄水时，由于一线船闸与二、三线船闸间有较长的隔堤，由泄水产生的推进波会绕过隔堤传递到一线船闸下闸首，从而进一步加剧了一线船闸下闸首处的反向水头。

5 工程改善措施方案研究

从二、三线船闸下泄的大量水体遭遇下游河道边界收缩而不能得到及时宣泄，引起水位壅高并产生反射波，同时由于一线船闸与二、三线船闸间隔堤的存在，壅高的水位产生的势能不能在较广的水域中消散，导致河道收缩处与一线船闸下游产生水位差，进而引发水体倒灌回流并产生反向水头。由此可得，在引航道下游收缩的河道地形不能轻易改变的前提下，缓解反向水头的主要措施之一是扩大壅高水体的平复空间。针对一线船闸与二、三线船闸之间的隔堤采取工程措施，考虑不同下闸首至开口段长度、开口段长度以及开口段底高程情况下的水流改善情况，研究各方案实施后的水动力特征，为相应工程措施提供依据。表3为各工程方案一览表，工程方案总计3×3×2个，其中，垂直于挖除段的开挖宽度范围为隔堤左右各20 m。

针对下闸首至开口段长度不同的情况，以开口段长100 m，开口段底高程14 m为例，表4列出了三种下闸首至开口段长度下二三线同时泄水后一线船闸闸门处的反向水头以及横流流速。由表4可知，下闸首至开口段长度越长，则一线船闸处的反向水头越大，但闸门处的横流流速越小。

针对开口段长度不同的情况，以下闸首至开口段长150m，开口段底高程14m为例，表5列出了三种开口段长度下二三线同时泄水后一线船闸闸门处的反向水头以及横流流速。由表5可知，开口段长度越长，则一线船闸处的反向水头越大，但开挖段附近的横流流速越小。

针对开口段底高程不同的情况，以下闸首至开口段长150 m，开口段长100m为例，表6列出了两种开挖段底高程下二三线同时泄水后一线船闸闸门处的反向水头以及横流流速。由表6可知，开口段底高程越高，则一线船闸反向水头越小，但开挖段附近横流流速越大。

由表4～表6可得，堤根预留段长度及开挖长度与反向水头呈正相关关系，与横流流速呈负相关关系；隔堤开挖高程与反向水头呈负相关关系，与横流流速呈正相关关系。由此可知，反向水头与横流流速共生共存，采取工程措施无法消弭两方面的不利因素，因此在确定工程措施时需找到平衡点，将不利影响减小到最低程度。依据《规范》规定的船闸下游引航道各区段的流速限制，结合数学模型计算得到的不同方案下的水流流态，最终推荐堤根预留150 m，开挖150m，开挖底高程14m以及堤根预留200m，开挖150m，开挖底高程14m两种方案。图5为两种推荐方案下的流场图。

6 结语

过大的反向水头对闸门施加超出设计荷载的压力，经常造成启闭连接机构的损坏，威胁船闸运行安全。以刘老涧三线船闸为例，基于平面二维水动力数学模型，复演了二三线船闸同时泄水时引起一线船闸处的反向水头。针对一线船闸与二、三线船闸之间的隔堤采取工程措施，分别计算了不同堤根预留长度、隔堤开挖长度及开挖底高程情况下的反向水头和横流流速。

隔堤开挖能减小闸下反向水头，但可能会增大下游引航道内水流横流流速。计算结果表明，下闸首至开口段长度越长，开口段长度越长，则反向水头越大，但横向流速越小；隔堤开口段底高程越高，则反向水头越小，但横向流速越大。

［1］周华兴,郑宝友,王化仁.船闸灌泄水引航道内波幅与比降研究［J］.水道港口,2005,26（2）:103-108. ZHOU H X,ZHENG B Y,WANG H R.Test on Wave Amplitude and Slope During Lock Filling and Emptying in Approach Channel［J］.Journal of Waterway and Harbor,2005,26（2）:103-108.

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［7］JTJ306-2001,船闸输水系统设计规范［S］.

［8］JTJ305-2001,船闸总体设计规范［S］.

［9］尤薇,曲红玲,董佳,等.江苏刘老涧船闸下游引航道非恒定流及改善措施研究［R］.江苏:江苏省交通规划设计院,2012.

Study on navigation flow condition and improvement measures of downstream approach channel in multi-line ship lock

DONG Pei-hua,M A Hong-liang,YOUW ei,DONG Jia
(Jiangsu Provincial Communications Planning and Design Institute Co.,Ltd.,Nanjing 210000,China)

The ship lock security problem caused by high reversal water head in downstream approach channel is attractive.Taking the third line of Liulaojian ship lock in Jiangsu Province as an example,a 2D hydrodynamic mathematical model with unstructured grid was established in this paper.According to different discharge of the second line and the third line ship lock,the flow pattern was simulated,and reversal water head near the gate of the first line was also calculated.Excavation of diversion dike was used to decrease the high reversal water head.According to the reserved length of dike root,excavated length of dike and bottom elevation, the variation law of the maximum reversal water head and characteristics of the maximum velocity of cross flow were analyzed to give reference for improving downstream flow pattern of multi-line ship lock.

multi-line ship lock;approach channel;flow condition;mathematical model

U 617；U 641.1

A

1005-8443（2013）05-0420-05

2012-12-20；

2013-01-18

东培华（1976-），男，江苏省海门人，工程师，主要从事港口规划、设计和研究工作。

Biography：DONG Pei-hua(1987-）,male,engineer