基于泊稳条件阈值的输水系统内消能工优化研究

王 鑫，李君涛，杨燕华*，刘 洁

(1.交通运输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.重庆交通大学，重庆 400074)

为加快河南省内河水运发展，南阳市积极推进唐河复航工程，通过建设梯级枢纽对河道进行渠化，其中水台子枢纽位于唐河省界至马店河段。水台子枢纽船闸级别为Ⅳ级，有效尺度采用180 m×23 m×4.0 m(闸室有效长度×净宽×门槛最小水深)，设计最大水头为9.16 m(上游正常档水位76.00 m—下游最低通航水位66.84 m)，输水时间要求T=8～10 min。设计代表船型为500 t级货船(船舶尺度67.5 m×10.8 m×1.6 m，长×宽×设计吃水，下同)和一顶2×500 t级顶推船队(船舶尺度111.0 m×10.8 m×1.6 m)，同时兼顾通航1 000 t级船舶(船舶尺度85.0 m×10.8 m×2.0 m)[1]。依据《船闸输水系统设计规范》[2](以下简称“规范”)，水台子船闸输水系统类型判别系数m=2.64-3.30，位于2.5-3.5，可采用集中输水系统，也可采用第一类分散输水系统。

集中输水系统在充水初期产生较强的非恒定波浪运动，导致船舶产生较大的波浪作用力，在输水中期，较大的水流能量集中进入闸室，将导致较强烈的局部水流作用力[3]，通过布置复杂消能工，可优化该型式输水系统水流条件，提高船闸通过能力[4]。为削弱乃至基本消除传统集中输水型式中水流剧烈紊动现象、免设镇静段、提高适用的设计水头，提出局部分散输水系统[5-6]，即充水采用分散输水系统，泄水采用集中输水系统[7]。类比同类型工程[8-10]，兼顾考虑船闸输水效率及船闸建设基础，水台子船闸选用局部分散输水系统。

水台子船闸输水系统在该布置型式下，设计水头差较大，且水力指标要求较高，为了保证船舶安全过闸，通过建立1:30的船闸输水系统整体物理模型，进行设计及优化两阶段水力学模型试验，提出满足规范、设计要求的局部分散输水系统优化布置方案。

1 输水系统物理模型设计

水台子船闸为Ⅳ级船闸，闸室设计主尺度为180 m×23 m×4.0 m(闸室有效长度×净宽×门槛最小水深)，设计方案充、泄水阀门段廊道宽3.4 m、高3.0 m(输水阀门面积(2-3.0)×3.4=20.4 m2)。进水口采用横支廊道顶支孔布置，设计水头时廊道顶高程淹没水深13.90 m；在上闸首与闸室连接段处，采用分散输水系统设计原则，采用闸室连接段底部横向廊道侧向出水口、双明沟消能的布置方式，输水系统布置见图1、图2，特征尺寸如表1。

表1 输水水力设计特征参数(设计方案)Tab.1 Design parameters of lock water conveyance system(original scheme)

船闸充水时，水流自上闸首进水口横支廊道顶支孔进入输水廊道，经高3 m、宽3.4 m充水阀门段廊道进入廊道出水孔段，水流由设置在廊道两侧的18个出水孔进入消能明沟后以顶面出水与纵向出水相结合的出水方式灌入闸室；船闸泄水时，水流则自下闸首进水明沟进入闸室两侧泄水廊道，后由出水口泄入下游引航道。

1-a 上闸首布置 1-b 下闸首布置图1 设计方案船闸输水系统布置(长度:mm；高程:m)

按重力相似准则，建立几何比尺为1:30船闸水力学整体模型。物理模型的范围包括原型上游部分引航道、进水口段、船闸上下闸首、闸室、输水系统、下游出水口段及下游部分引航道。选用1 000 t级单船及2×500 t级船队作为试验代表船型，几何比尺与物理模型几何比尺一致，并按排水量进行配重，物理模型及船模见图2。

模型上、下游水位采用溢流式平水槽控制，输水阀门启闭采用以步进电机驱动，水位测量采用电阻式点压力传感器及重锤式水位计测定，廊道非恒定流压力采用电阻式点压力传感器测定，船队(舶)缆绳拉力采用电阻式测力仪测定。

图2 船闸输水系统物理模型(含船模)Fig.2 The lock physical model(including ship model)

2 设计方案试验结果与分析

针对最大水头差(9.16 m)工况对设计方案进行试验研究，通过测定并计算闸室输水水力特性、闸室船舶停泊条件、输水系统流量系数、压力特性及进、出水口水流条件后，发现设计方案下船闸输水效率、廊道压力条件及进出水口水流条件均基本满足设计、规范要求；然而设计代表船型双列并排停放于闸室上游段时，前横向系缆力无法满足规范要求。

参考设计提出的船闸通过能力计算工况，设定设计代表船型中1 000 t级单船在闸室内不同排列方式，并进行灌水阀门双边匀速开启工况下泊稳特性试验研究，试验工况及系缆力特征值见表2，典型系缆力过程线见图3。

3-a tv=6 min 3-b tv=7 min图3 设计方案闸室内不同停泊方式下1 000 t级单船系缆力

表2 设计方案闸室内船舶最大系缆力(充水阀门双边开启)Tab.2 The maximum hawser forces (bilateral open, original scheme)

由图、表可见，随着充水阀门双边匀速开启时间的延长，各向系缆力均有所减小。当1 000 t级单船单列停放于闸室内时，纵向及横向系缆力均满足规范要求。然而，当设计代表船型双列并排停放于闸室上游段(船头与首系船柱位置相对应)时，1 000 t级单船所受最大纵向及前横向系缆力均较单列船舶停放时有不同幅度的增大。其中，纵向系缆力增大幅度较小，对应tv=6 min、7 min，分别为25.30 kN、16.08 kN，较单列停泊工况增大约12%，且满足规范要求(≤32 kN)；最大前横向系缆力增大幅度则较大，对应tv=6 min、7 min，在阀门开启后240～247 s时段内(对应阀门相对开度约为0.7)前横向系缆力达到最大值，分别为17.70 kN、17.25 kN，约为单列停泊工况时的2倍，超出规范限值(≤16 kN)，不满足规范要求。

3 优化方案试验研究

3.1 优化方案输水系统布置

考虑到停泊于闸室上游段时船艏位于出水双明沟正上方，出流剩余能量大且双船并排停放水流扩散不充分是试验代表船型前横向系缆力超标的主要原因[11-12]。通过在明沟内增设消能工，使水流进行碰撞消能，可以减小水流局部紊动、调节水流分布，进而改善船舶系缆力[13-15]。因此，在闸室连接段处的出水双明沟内分别设置4道消力槛(共8道)，其中两侧近壁处设置短槛，中间位置设置长槛，短槛尺寸为3.9 m×0.6 m×0.6 m(长×宽×高)，长槛尺寸为4.8 m×0.6 m×0.6 m(长×宽×高)，两端进行修圆，修圆半径0.3 m，布置示意如图4，其他结构与设计方案相同。

图4 船闸输水系统上闸首优化布置(长度mm；高程m)Fig.4 Layout of the head bay(Optimization scheme)

3.2 优化方案试验结果与分析

3.2.1 闸室船舶停泊条件试验

表3 优化方案闸室内船舶最大系缆力(充水阀门双边开启)Tab.3 The maximum mooring orces(bilateral open, optimization scheme)

与设计方案相同，设定1 000 t级单船与2×500 t级船队并列停放于闸室上游，以1 000 t级单船作为试验测量船型，进行双边充水试验，试验工况及系缆力特征值见表3，典型系缆力过程线见图5。

图5 船舶并排停泊在闸室上游前横向系缆力(优化方案)Fig.5 Front transverse mooring force curves (optimization scheme)

由图、表可以看出，优化方案下随着充水阀门双边开启时间的延长，系缆力有所减小。同时，通过在位于闸室连接段内的出水明沟设置消力槛，较设计方案，1 000 t级单船所受前横向及纵向系缆力均有明显减小。当充水阀门以7 min双边匀速开启时，1 000 t级单船所受各向系缆力均满足规范要求；当充水阀门以6 min双边匀速开启时，船舶所受纵向及后横向系缆力满足规范要求，阀门开启后约246 s时，前横向系缆力达到最大值16.72 kN，较规范要求有所偏大。

表4 优化方案最大设计水头闸室输水水力特征值Tab.4 Hydraulic characteristic value of lock water conveyance system (optimization scheme)

3.2.2 闸室输水水力特性试验

优化方案在上闸首闸室连接段出水双明沟内设置消力槛，其余结构与设计方案相同，充水阀门以7 min双边匀速开启后，双列船舶并排停泊在闸室上游段时各向系缆力均满足规范要求；综合阀门后廊道压力特性及局部水流条件试验成果，考虑到出水明沟内消力槛的增设，在一定程度上会影响闸室充水水力特性[13]，对充水阀门以7 min双边匀速开启时闸室充水水力特征进行补充试验研究。闸室充水水力特征值见表4，典型水力特性过程线的试验结果见图6。

图6 双充7 min闸室充水水力特性对比曲线Fig.6 Filling correlation curve

由图表可知，最大设计水头时，试验设定充水阀门双边开启时间为7 min，优化方案下闸室充水完成时间为10.59 min，基本满足设计输水时间要求；闸室充最大流量分别为109.04 m3/s，相应的充水廊道最大流速分别为5.35 m/s，符合设计规范要求。

对比两组方案，优化方案下闸室充水完成时间为10.59 min，较设计方案下闸室充水完成时间10.13 min有所延长，约4.5%。

4 结论

水台子船闸新建工程，最大设计水头9.16 m，闸室规模180 m×23 m×4.8 m(有效长度×有效宽度×门槛水深)，输水完成时间为8～10 min，船闸输水系统选用局部分散输水系统布置方式。由于该输水系统布置方式下，设计水头较大、水力指标要求较高，为保证船舶安全过闸及输水系统安全高效运行，需进行船闸输水系统整体模型试验，试验得到以下结论：

(1)设计方案试验研究发现，试验代表船型在闸室内相同停泊位置不同的排列方式，影响船舶所受系缆力。当1 000 t级单船单列停泊在闸室上游段时，船舶各向系缆力均满足规范要求，而当两列试验代表船型并排停放于相同位置时，船舶满部使得出流扩散消能受到限制，1 000 t级单船受到的纵向及前横向系缆力出现不同幅度的增大，其中前横向系缆力增大明显，其中以前横向系缆力增大最为明显，充水阀门以7 min双边匀速开启时，由7.75 kN增大至17.25 kN，不满足规范要求。

(2)考虑到停泊于闸室上游段时船艏位于出水双明沟正上方，出流剩余能量大且双船并排停放水流扩散不充分是试验代表船型前横向系缆力超标的主要原因。上闸首闸室连接段进行优化，在双出水明沟内增设8个消力槛，长槛尺寸为4.8 m×0.6 m×0.6 m(长×宽×高)，短槛尺寸为3.9 m×0.6 m×0.6 m(长×宽×高)，槛两端进行修圆，修圆半径0.3 m，船闸输水系统其他结构与设计方案一致。

(3)优化后当充水阀门以7 min双边匀速开启时，1 000 t级单船所受最大纵向系缆力13.34 kN、最大横向系缆力12.66 kN(前横向系缆力)，满足规范要求。同时，出水明沟内消力槛的增设，在一定程度上会影响闸室充水水力特性，当充水阀门双边匀速开启时间为7 min时，输水完成时间为10.59 min，较设计方案输水完成时间延长约4.5%，对应最大流量109.04 m3/s，充水廊道断面平均流速5.35 m/s，基本满足设计及规范要求。