非恒定水流作用下升船机对接安全预警措施研究

李中华，胡亚安

(1.水利部 交通运输部 国家能源局南京水利科学研究院,江苏 南京 210029；2.通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029)



非恒定水流作用下升船机对接安全预警措施研究

李中华1,2，胡亚安1,2

(1.水利部 交通运输部 国家能源局南京水利科学研究院,江苏 南京 210029；2.通航建筑物建设技术交通行业重点实验室，江苏 南京 210029)

通过数学模型计算分析了不同下游水位、不同波动幅值和波动周期条件下，三峡升船机船下游引航道承船厢位置附近与口门区之间水面波动的传递规律，建立了三峡升船机下游引航道口门区与承船厢位置的水位波动变化关系；提出了利用口门区水位波动监测资料进行船厢对接实时预警的新方法，降低了枢纽非恒定水流变化引起的升船机船厢运行对接安全风险。

航道工程；升船机；船厢对接；引航道；安全预警

三峡升船机下游引航道长度达到2 700 m，在距离船闸下闸首1 100 km处与船闸引航道汇合后共用同一引航道进入长江主河道(图1)。船闸部分引航道底宽160～200 m，引航道底高程为56.5 m，而升船机引航道底宽仅80～90 m，高程也提升到58.0 m，到承船厢附近宽度进一步缩小18 m，水深仅有3.5 m，引航道的“盲肠”效应十分显著。口门区较小的水位波动传递到升船机承船厢内将引起很大的水面波动，枢纽特殊工况下，船厢处水位最大波动可达±0.5 m。三峡升船机引航道水位波动大小受大坝调洪方式，船闸泄水及出水口的位置、引航道水深、电站调峰及葛洲坝反调方式等诸多因素影响，波动变化非常复杂，因此三峡升船机承船厢对接过程中引航道水位波动引起的安全问题一直是业界较为关注问题[1-2]。

图1 三峡升船机引航道平面布置

1 研究方法

三峡工程枢纽运行工况复杂，枢纽运行产生的各种非恒定流在引航道内相互作用叠加影响十分复杂，采用数学模型或物理模型准确模拟升船机引航道内的实际水面波动难度很大[3-7]。为此，笔者采用新的思路解决三峡枢纽运行产生的非恒定流对升船机运行对接安全问题，即采用数学模型在引航道口门区人工模拟不同幅值、周期的长波，建立口门区长波水面波动与引航道船厢位置附近的水面变化规律。

利用三峡升船机引航道口门区到船厢位置的距离较长，长波传递时间在10 min以上的特点，在口门区设置水位波动观测点，根据口门区与船厢位置水位波动关系，预测升船机船厢位置的水面波动，利用长波从口门区传递到船厢的时间差，对影响船厢运行安全水面波动进行预警，以保障船厢运行安全。

1.1 数学模型

沿水深平均的平面二维水流数学模型，其基本方程由连续方程和动量方程组成，其形式为：

连续方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

1.2 计算范围

计算范围包括从口门至升船机与船闸共用引航道分叉部位约1 800m、船闸下游引航道、分叉部分往上游至升船机下闸首约2 600m及升船机承船厢、下闸首等部分，总长约4 600m。计算区域及相应网格布置见图2。

图2 计算区域及相应网格布置

1.3 模型验证

利用三峡枢纽整体模型下游引航道水位63.0 m，船闸输水阀门2 min开启泄水运行过程下游引航道口门区的最大水位波动与升船机承船厢及交汇区的水位波动模型实测值对数学模型计算结果进行验证[8]，由表1可见计算结果与实测结果吻合较好。

表1 物理模型与数学模型典型水面波动值对比

2 引航道水面波动传递规律

三峡升船机设计的下游通航水位为62.0～73.8 m[6]，利用二维数学模型，在下游初始水位62.0,67.0，73.8 m条件下，分别计算模拟口门区产生波幅为0.03,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3，0.4 m的水位变化条件下，在引航道沿程及升船机船厢内引起的水面波动变化特性。

根据数学模型计算，升船机船厢处水面升、降的幅值均随口门区水位波动幅值增大而增大(图3)。下游引航道水位62 m时，长波在引航道内的稳定传递周期约33.6 min，口门区±0.05 m的水位波动，传递到船厢处将产生±0.2 m的水位波动；口门区±0.20 m的水位波动，传递到船厢处则将产生-0.67～0.53 m的水位波动。下游引航道水位73.8 m时，长波在引航道内的稳定传递周期约19.2 min，口门区±0.05 m的水位波动，传递到船厢处也将产生±0.2 m以内的水位波动；口门区±0.10 m的水位波动，传递到船厢处则将产生±0.35 m的水位波动。

图3 口门区与船厢附近水面波动关系

相同条件下，口门区水位波动周期与引航道内波传递周期越接近，在船厢内引起的水面波动幅值越大，且口门区水位波动幅值越大，口门区水位变化周期对船厢内水位波动幅值的影响越显著。

由图4可见，口门区相同的水位波动条件下，随着下游水位的增加，船厢内的水位波动幅值也随之增加。口门区±0.1 cm的水位波动，下游水位62.0，67.0，73.8 m时对应的船厢水面升降分别为0.28，0.36，0.37 m，因此口门区相同水位波动情况下，引航道水深越深对船厢处的水位波动越不利。

图4 引航道水深对船厢附近水面波动影响

3 承船厢对接安全预警方法

根据前面计算数据分析，三峡升船机船厢附近的水位波动值与下游引航道水位及口门区水位波动特性(波值、周期)等诸多因素相关。

升船机引航道内水面波动本质上是水流能量在引航道内来回传递衰减的过程，根据浅水波的特性，水深越浅波速越慢，根据能量守恒，相应的波高越大，这也就是口门区水面微小波动到升船机船厢附近水面波动会显著增大的原因。

(4)

式中：ΔHc为承船厢附近波高，m；Hc承船厢水深，m；ΔHk口门区波高，m；hs引航道口门水位，m；hk引航道口门底高程，m。

根据三峡升船机设计标准，船厢附近允许最大波高值为(ΔHc±0.50)m，带入式(4)，可得口门区允许波高为：

(5)

图5 引航道口门区E与承船厢水位变化ΔHc关系

根据式(5)可以绘制出三峡升船机下游水位与口门区允许的最大水面波高曲线(图6)，口门区水面波高值位于该曲线下方，才能保证船厢附近的水面波高小于±0.50 m。由图6可见，下游水位64 m时，口门区允许的最大波高为±0.19 cm；下游水位73.8 m时，口门区允许的水位波高仅±0.14 cm。

图6 口门区水位允许波动临界曲线

4 结 语

针对三峡枢纽运行引航道内非恒定流变化复杂的特点，采用全新的思路解决非恒定流引起的升船机运行对接安全问题，即通过研究口门区水位波动传递到升船机船厢的水面变化规律，建立口门区与船厢的水位波动变化关系，通过监测口门区水位变化，利用三峡升船机引航道较长的特点，对引航道内升船机船厢运行对接水位进行实施预警，降低三峡升船机船厢对接安全风险。

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[7] 赵志舟,王多垠,徐红,等.乌江峡谷型弯曲河道通航建筑物口门区通航条件试验研究[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2008,27(5):812-815. Zhao Zhizhou,Wang Duoyin,Xu Hong,et al.Study of navigation condition in the entrance area of approach channel of hydro-complexion Wujiang River [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural science,2008,27(5):812-815.

[8] 须清华,张瑞凯.通航建筑物应用基础研究[M].北京:中国水利水电出版社,1999. Xu Qinghua,Zhang Ruikai.Basic and Applied Research of Navigation Structure [M].Beijing:China Water Power Press,1999.

Security Warning Measures of Shiplift Docked with Approach in Unsteady Flow

Li Zhonghua1, 2, Hu Ya’an1, 2

(1. Nanjing Hydraulic Research Institute of State Energy Bureau, Nanjing 210029, Jiangsu, China;2. Key Laboratory of Navigation Structure Construction Technology, Ministry of Transport, Nanjing 210029, Jiangsu, China)

The water level fluctuation transferring rules of the TGP shiplift downstream channel between approach entrance and chamber were simulated by 2D numerical model in various downstream water level, fluctuation amplitude and cycle. The relation of the TGP shiplift downstream water level fluctuation between approach entrance and ship chamber was established. Based on the water level fluctuation transfer relation, a new security warning measurement was proposed by monitoring approach entrance water level to reduce the risk of the TGP shiplift chamber docked with downstream approach in unsteady flow.

waterway engineering; shiplift; chamber dock; approach channel; security warning

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.16

2014-06-21；

2014-09-15

国家“863计划”课题项目(2012AA1125)

李中华(1974—)，男，云南鹤庆人，高级工程师，主要从事通航水力学方面的研究。E-mail：zhli@nhri.cn。

U641.3+5

A

1674-0696(2015)04-087-04