贵港二线船闸闸室双明沟内设消力槛试验研究

彭永勤，张绪进

（重庆交通大学，重庆400074）

贵港二线船闸闸室双明沟内设消力槛试验研究

彭永勤，张绪进

（重庆交通大学，重庆400074）

文章以贵港二线船闸为依托，通过建立1∶30比尺的物理模型，对闸室第一道明沟内距闸墙3.70 m处分别增设（高×宽）0.4 m×0.5 m、0.6 m×0.5 m和0.9 m×0.5 m连续消力槛下的水流条件和船舶停泊条件进行研究，对消力槛布置在不同明沟、布置连续或间断消力槛进行对比分析研究。结果表明，在闸室第二道明沟内布置消力槛对水流的分配、调整作用有限，间断消力槛水面交错较连续槛方案布置激烈。几种方案下，在闸室第一道明沟内距闸墙3.70 m处增设0.6 m×0.5 m连续消力槛方案消能效果最优，闸室内水流较均匀，未观测到明显的横向水面比降，水面无局部紊动，船舶的停泊条件较好，也为以后研究同一类型的船闸闸室消能工形式奠定了基础。

船闸；闸室；双明沟；消力槛

随着我国西部大开发的不断深入，航运作为一种大运量、低成本、低污染的运输方式得到迅速发展。通航船闸以其技术相对成熟，通过量大，运行稳定可靠，建设和维护成本较低等优点，成为过坝通航建筑物的主要形式而得到广泛应用。然而由于水位差转换而来的动能使得闸室内水流紊动剧烈，船只停泊条件恶化。为了保证船只停泊的安全，需采用复杂的闸室消能工形式。消能工的优劣不仅影响闸室内船只停泊、输水廊道工作条件，而且可能使设计和施工难度加大、工程造价增高。因此，船闸适用于通航建筑物的关键技术之一是闸室消能工形式和消能效果问题。

贵港航运枢纽坝址位于西江郁江河段贵港市上游6.5 km处，贵港枢纽二线船闸尺度为280m× 34 m×5.8 m，设计最大水头为14.1 m，采用较简单的侧墙长廊道支孔输水系统，闸室消能工采用较为简单的双明沟消能形式。由于该船闸平面尺度大、要求的充泄水时间短、充泄水流量大、输水强度高，闸墙廊道输水系统支孔布置在侧面，支孔流速一般达到5~8 m/s，水流射入闸室经消力梁消能、调整，力求横向分配均匀。如布置不当，则会出现水流分配不均，船舶停泊条件不好。本文对闸室双明沟内布置消力槛方案进行研究，提出适用于平面大尺度、中水头的闸室双明沟消能工形式。

1 不同槛高消力槛优化研究

贵港二线船闸闸室采用闸墙长廊道输水形式，每侧主廊道均设24个出水支孔，支孔间距8.5 m，支孔尺寸为1.3 m×0.9m（高×宽）。闸室内采用双明沟消能工进行消能，即在闸室两侧各布置一道消力梁，消力梁高2.4 m，梁上间断布置有尺寸为1.3 m×3.0 m（高×宽）的透水孔。为进一步提高双明沟消能效果，在第一道明沟中增设消力槛，通过不断调整消力槛位置，距闸墙3.7 m处消力槛消能效果最好，本次对不同槛高下的消能效果进行研究，具体方案布置如下：

方案一：0.4 m×0.5 m（高×宽）连续消力槛；

方案二：0.6 m×0.5 m（高×宽）连续消力槛（图1）；

方案三：0.9 m×0.5 m（高×宽）连续消力槛。

图10 .6 m×0.5 m（高×宽）连续消力槛方案（高程单位：m，长度单位：cm）Fig.10.6 m×0.5 m continuous baffle sill scheme (elevation unit:m,length unit:cm)

1.1 闸室充水流态

在上游最高通航水位43.1 m、下游最低通航水位29.0 m组合下，阀门匀速开启tv=7 min的工况下，试验对3个方案进行了流态观测。

通过试验比较：

方案一：消力槛高0.4 m，在充水整个过程中，大部分水流冲往闸室中部，充水过程中流态与初设方案基本相同，分析其原因：槛高0.4 m过低，支孔水流与消力槛碰撞较少，闸室横向水流分配不均匀。

方案二：消力槛高0.6 m，充水过程中闸室内纸花均匀分布在整个闸室，水流无明显不均匀分布紊动。试验认为：增设消力槛后，水流从支孔射流出来后，底部与槛进行激烈碰撞，部分水流留在槛前，射流流速衰减，并越过消力槛、通过消力梁上孔口扩散到闸室中部，水流达到闸室中部时能量已基本耗散，且流量较小。致使闸室内横向水流分配较为均匀。

方案三：消力槛高0.9 m，由于消力槛较高且离孔口较近，支孔出口水流与消力槛剧烈碰撞后，一部分水流从消力槛前第一道消能明沟内向上翻涌，大部分水流翻过消力槛经消力梁碰撞再进入第二道明沟内翻涌而出，该部位水面高于闸室两侧及中部，横向水流分配不均匀，且在闸室中部、尾部伴随有不规则紊动。

1.2 船舶系缆力

在上下游最高、最低通航水位43.1 m、29.0 m组合下，试验实测了设计3 000 t单船船舶系缆力，并分析比较各方案下纵、横向系缆力特性，各方案系缆力最大平均值统计于表1，船舶系缆力过程线方案二与方案三比较见图2。

表1 各方案最大平均系缆力统计表Table 1Maximum average mooring force of different scheme kN

试验是在阀门双边匀速开启tv=7 min、船舶停靠在闸室中部左侧闸墙的工况下进行的。方案一实测的船舶横向系缆力资料表明：在充水整个过程中，船舶前、后横向系缆力曲线均偏离中轴线，显示船舶大部分时间往闸墙偏移，也说明了闸室中部水流多于两侧的横向分配情况。阀门单边匀速开启船舶受力特性基本与双充情况相同，但偏移情况更加加剧。

方案二：阀门双边充水整个过程中，船舶横向系缆力曲线均无偏离中轴线，且最大横向系缆力仅为10.1 kN，为规范允许值的44%；阀门单边连续tv=7 min充水时，船舶有向闸中方向位移的趋势，船舶前、后横向系缆力曲线稍有偏离中轴线，但绝对值较小，最大横向系缆力仅为13.6 kN，为规范允许值的59%，安全富裕度较大。

方案三：由于在闸室充水过程中，中间的出流较多，致使在阀门双边充水的船舶最大横向力达20.1 kN，为规范允许值的88%；阀门单边连续tv=7 min充水240 s起至结束时间段船舶一直往闸室中部位移，且前后最大横向系缆力分别达到20.1 kN、22.0 kN，接近规范允许值。

因此，第一道消能明沟中部设0.6 m高消力槛，其布置较其他两方案优。

图23 000 t船舶停于闸室系缆力过程线Fig.2Mooring force hydrograph of 3 000 t boat berthing chamber

2 同高度不同位置消力槛试验研究

上述试验中，确定了在第一道明沟中增设0.6 m高消力槛，对均匀闸室横向水流分配、减小船舶横向系缆力，改善闸室水流条件最为有效。为进一步研究不同位置消力槛消能效果，试验比较了在第一道明沟和第二道明沟内分别设0.6 m高度消力槛方案。

在第二道明沟内设0.6 m高度消力槛方案，试验同精度的观测了闸室充水流态和设计3 000 t单船船舶系缆力。从闸室充水流态和船舶系缆力资料可看出，在整个充水过程中，闸室内大部分时段纸花向两侧闸墙靠拢，闸室中间流量较大。闸室横向水面呈现中部高于两侧水面比降。船舶最大横向力21.0 kN，已接近规范允许值。分析其原因：当支孔出口水流通过消力梁孔口与第二道明沟中部的消力槛发生碰撞时，虽然一部分水流折回于第二道明沟内，但由于此时的水流动能还是较大，大部分水流直接进入闸室中部翻涌明显。因此，消力槛对水流的分配、调整作用有限。闸室内横向水流分配不太均匀。即使把消力槛高度提高至0.9 m，上述情况也无大的好转。

3 第一道明沟中设连续槛和间断槛试验研究

前面已提及，经过3个方案的试验比较研究，认为方案二，即在第一道明沟中间设0.6 m高连续槛方案，船闸充水时闸室流态好，3 000 t单船船舶横向系缆力最小。因此，该方案较其他方案优越。

为寻求更经济、合理的消能工布置方案，试验从减小工程量角度出发，进一步比较了在第一道明沟中间设0.6 m高间断槛方案。以此作为比较方案来论证推荐方案的可靠性。间断槛方案平面布置见图3。

图3 间断槛方案平面布置Fig.3Discontinuous baffle sill scheme layout

试验结果表明：阀门双边匀速开启tv=7 min，充水过程中水面上升平稳，闸室内无明显不规则紊动。但水面交错较连续槛方案布置激烈；虽然3 000 t船舶横向系缆力曲线未有偏移，但其最大横向系缆力达17.8 kN；阀门单边匀速开启，3 000 t船舶有靠闸墙偏移，且绝对值也较大，最大横向系缆力达20.0 kN；基本满足规范要求，安全富裕度不大。

4 结语

本文以贵港二线船闸为依托，通过建立1∶30比尺的物理模型，对闸室第一道明沟内距闸墙3.70 m处分别增设（高×宽）0.4 m×0.5 m、0.6 m× 0.5 m和0.9 m×0.5 m连续消力槛下的水流条件和船舶停泊条件进行研究，并对消力槛布置在不同明沟、布置连续或间断消力槛也进行了对比分析研究。结果表明，在闸室第一道明沟内距闸墙3.70 m处增设0.6 m×0.5 m连续消力槛方案消能效果最优，闸室内水流较均匀，未观测到明显的横向水面比降，水面无局部紊动，船舶的停泊条件较好；在闸室第二道明沟内布置消力槛对水流的分配、调整作用有限，间断消力槛水面交错较连续槛方案布置激烈，系缆力有增大的趋势。试验结果为以后研究同一类型的船闸闸室消能工形式奠定了基础。

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Experimental study on baffle sill in double open ditch of Guigang second-line ship lock chamber

PENG Yong-qin,ZHANG Xu-jin
（Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China）

Based on Guigang second-line ship lock,we established a 1:30 physical scale model to study flow and vessel berthing conditions of 0.4 m×0.5 m,0.6 m×0.5 m,0.9 m×0.5 m continuous baffle sill in chamber first open ditch from lock wall 3.7 meters.And we also carried the comparative and analytic research on the baffle sill which layout in different ditch and continuous or discontinuous.The results show that the baffle sill flow distribution effect is limited if it layout in the second open ditch.The surface interleaving under discontinuous baffle sill is fiercer than continuous baffle sill.Between several schemes, the 0.6 m×0.5 m continuous baffle sill in chamber first open ditch from lock wall 3.7 meters scheme is the best.In this scheme, chamber water flow was uniform,we didn't observe obvious transverse surface slope and partial turbulent,and vessel berthing conditions were well,it lays the foundation for the study of the same type of lock chamber energy dissipater scheme.

ship lock;chamber;double open ditch;baffle sill

U641.1

A

2095-7874（2017）05-0032-04

10.7640/zggwjs201705008

2016-10-21

2017-01-24

交通运输部科技项目（20113283501580）

彭永勤（1984—），女，湖南长沙人，硕士，工程师，港航工程专业。E-mail：174588703@qq.com