基于数据模拟水工结构设计

刘君健 陈浩 谭宇静

摘 要：在水工结构设计工作中，计算船闸通过能力的关键在于确定一次过闸平均吨位和一次过闸平均时间，其准确性直接影响到设计结果。本文以江西某航电枢纽工程实践作为案例，基于计算机模拟技术，通过构建船舶过闸排挡模型，设计船闸设计通过能力计算方法。

关键词：水工结构设计 数据模拟 航电枢纽

1.项目概况

本工程位于江西省，所在河段属于Ⅲ级航道标准，航道尺度为：航宽60m，水深2.2m，转弯半径480m。工程中涉及两个船闸的设计内容，其建设规模均为Ⅲ级。根据根据工程所在河道的《流域综合规划修编报告》，2020 年，规划该河段中有 244km长度为Ⅲ级航道。要求通过千吨级船舶。本枢纽属于低水头闸坝工程，过坝建筑物采用船闸。

2.主要技术路线

在计算船闸通过能力时，一次过闸平均吨位和一次过闸平均时间是两个非常重要的计算参数。对于“一次过闸平均吨位”的计算，我国现行《船闸总体设计规范》（JTJ305-2001）规定：一般需设计人员手工排挡，设计人员的经验是否充足会影响结果准确性。对于“一次过闸平均时间”的计算，模型在满足输入的船型和比例的前提下，充分考虑了过闸来船在尺度和载重吨等方面的动態性、随机性。根据《船闸设计规范》的规定计算船闸年通过能力，从而对船闸建设规模进行论证，能有效减轻设计人员的工作量，减少错误。

2.1过闸船型分析与预测

结合江西省内河船型标准化文件，推荐过闸船型主要有四种（绝大部分为单船运输）：300t、500t、1000t、2000t，其中主要设计船型为500t和1000t为主，2000t船型作为兼顾船型。基于计算机数据模型，对该枢纽内分船型船舶过闸在2020年、2030年和2050年的艘次比例进行预测，过闸比例最高的船型为500t和1000t，在不同时期占比之和通常超过八成，而300t和2000t的船型过闸比例很低。

2.2船舶过闸排挡模拟试验

（1）试验工况

该枢纽有两线船闸，分别位于东大河和西大河，二者均为单级双向运行。枢纽船闸有效长度180m，有效宽度23m，门槛水深3.5m。同时，对于上述船闸的有效长度，增加两组对比方案：船闸有效长度为230m和260m。对仿真实验工况进行总结后发现，2020年、2030年、2050年的闸室有效长度均分别为180m、230m、260m，闸室有效宽度为23m。

（2）排船尺度

考虑船闸运营安全以及实际的运营操作情况，船闸内的船队或船舶不可能占满闸室有效尺度，而是留有一定的富裕或安全间隔。结合有关规范和船型主尺度系列，合理确定闸室排船尺度：①闸室有效宽度为23m，排船宽度取为22m，最大可供2条“长江水系货-22”船型的船舶横向排列；②闸室有效长度为180m，排船长度取为167m，最大可供2条“长江水系货-34”船型的船舶（船长85m和82m）纵向排列；③闸室有效长度为230m，排船长度取为216m，最大可供2条“长江水系货-34”船型的船舶（船长88m）和1条40m长船舶纵向排列；④闸室有效长度为260m，排船长度取为244m，最大可供2条“长江水系货-34”船型的船舶（船长88m）和1条65m长船舶纵向排列。

2.3船闸通过能力

详见表1。

（1）通过能力分析

根据预测的过坝运量，并结合该河段枢纽同类型船闸设计经验，拟对船闸闸室长度进行通过能力比较。方案一（闸室有效长度为180m）：本次设计2020年船闸一次过闸吨位为2886吨，2030年船闸一次过闸吨位为3262吨，2050年船闸一次过闸吨位为3278吨。方案二（闸室有效长度为230m）：2020年为3797吨，2030年为3888吨，2050年为3905吨。方案三（闸室有效长度为260m）：2020年为4334吨，2030年为4736吨，2050年为4583吨。计算结果详见表2。船闸近期、中期、及远期的通过能力均能满足过坝运量预测要求。并有一定的富余量。

（2）方案比较及推荐方案

船闸闸室有效长度为180m、230m、260m时，东西大河两线船闸总的通过能力在近期、中期、远期均能满足过坝运量预测要求，并有一定的富余量。因此从经济合理的角度分析，船闸闸室有效长度为180m（方案一）即可。故本阶段推荐船闸有效长度为180m。

3.结论

在进行水工结构设计工作中，涉及到大量的复杂数据计算，相较于以往的人工核算和设计，计算机模拟技术可以减轻大部分计算工作，同时设计过程涉及一系列分析工作，可以避免一部分由人工带来的主观不确定因素。

参考文献：

[1]纪中庭.关于现代水利工程中的生态问题探讨[J].水土保持应用技术，2016（01）：22-23.

[2]郑衡，张志翠，韩广.基于可靠性理论应用的水工结构设计研究[J].黑龙江水利科技，2018，46（12）：66-68+150.

[3]马宾.水利工程管理现代化与精细化建设研究[J].黑龙江水利科技，2017，45（04）：48-50.