雙線船閘分水墻體型對下游引航道水流條件的影響研究

鐘林斌 陳玉梅 黃毓斌 馮崧

摘要：為研究雙線船閘分水墻體型對下游引航段內通航水流條件的影響，確定合適的分水墻體型，文章采用三維數值模擬方法對某船閘工程開展計算，獲得了不同分水墻體型下引航道內的流速分布。研究表明：分水墻采用透空型式可有效減小另一線船閘引航段內的回流；延長分水墻長度能有效減小引航段橫向流速和回流影響范圍。研究結果可為類似工程設計提供參考。

關鍵詞：省水船閘；互灌互泄；分水墻；通航水流條件；數值模擬

中圖分類號：U641.6+22 A 11 028 3

0 引言

引航道是通航建筑物的重要組成部分，其內部水流條件是評價船舶安全過閘和通過能力的標準［1-2］。傳統單線船閘在灌泄水時，引航道內橫向流速對船舶的影響可以忽略，故船閘規范中僅對引航道內的縱向流速提出了要求。但隨著長洲三四線船閘、平陸運河青年船閘等互灌互泄省水船閘的建設，雙線船閘共用一條引航道在船閘灌泄水時將面臨一些新問題，如一線船閘泄水形成的非恒定流易在下游引航道內形成較大的回流和橫流，對另一線船閘運行造成不利影響。

目前針對雙線省水船閘的研究多集中于船閘水力特點、輸水系統形式、閥門啟閉方式等方面。如黎運棻等［3］研究了桂林春天湖雙線省水船閘雙線省水特性及閘墻長廊道閘室橫支廊道輸水系統布置方案。陳亮等［4］建立物理模型對長洲三、四線船閘省水運行方式進行研究，發現雙線相互灌泄水運行引航道水流條件比單線運行好，且引航道內的停泊條件也優于一線單獨運行。吳波等［5］采用數值模擬方法分析了長洲樞紐三、四線船閘省水運行時連接閥門關閉后兩閘室之間的剩余水頭與省水率之間的關系。韋德鑒等［6］采用物理模型試驗與數值模擬相結合的手段，對西江長洲三四線船閘運行方式開展了研究，結果表明優化船閘運行方式是控制下游水流條件的最佳方式?？梢?，上述研究大都圍繞雙線船閘輸水系統或船閘運行方式開展研究，而針對船閘灌泄水對下游引航道內水流條件改善措施的研究鮮有報道。

本文以雙線船閘分水墻體型對下游引航道水流條件的影響為切入點，采用三維數值模擬方法，研究不同分水墻形式對引航道內水流流態、流速的影響，分析分水墻尺寸與停泊段橫向流速的關系，研究成果可為實際工程應用提供參考。

1 模型的建立與驗證

1.1 基本方程

數值計算以連續方程和動量方程作為基本控制方程，并采用經典的RNG k-湍流模型使方程組封閉。此外，為了進行數值求解，控制方程離散方法為有限差分法。其中連續方程與動力方程的表達式如下：

1.3 計算區域與工況設置

本次模擬的雙線船閘有效尺度為300 m×34 m×8 m（長度×寬度×門檻水深），建模部分包含下閘首、下游引航道和輸水系統出口，其中下游引航道寬度為156 m，長度約為600 m。分別采用實體型與透空型兩種分水墻形式進行計算分析，如圖1所示。

該工程的設計水頭為10.32 m，根據一維水力計算結果可知，主廊道閥門4 min開啟時單線船閘最大泄水流量約為397 m3/s。針對不同分水墻體型和尺寸展開了相關研究，其中為研究透空型分水墻長度對引航道水流條件的影響，分別將透空型分水墻長度設置為80 m、120 m和130 m，計算工況見表1。

1.4 邊界條件

模型邊界條件包括流量進口、自由出流邊界與壁面邊界。模型上游邊界采用流量進口邊界，泄水廊道內流量隨時間的變化曲線如圖2所示。下游出口采用自由出流邊界，可有效避免波浪反射對引航道的影響。

2 結果與分析

2.1 分水墻體型對水流條件的影響

隨著船閘開閥泄水，下引航道從下閘首開始流速逐漸增大，并向下游傳遞。當t=250 s時，下泄流量達到最大，引航段內的表面流速也較大。隨著下泄流量減小，水位開始跌落，形成跌水波，流速也減小。下頁圖3為t=250 s時工況X1和X2下游引航段表面流場情況示意圖?？梢钥闯?，實體分水墻時運行側船閘引航段在分水墻墩頭附近有明顯的大流速區，表面流速＞1 m/s，同時在另一線船閘引航段形成一個范圍較大的回流區，見圖3（a）；當分水墻采用透空型式時，分水墻墩頭附近的大流速區范圍變化不大，但最大流速明顯降低，約為0.8 m/s，且回流區的流速大小和影響范圍明顯減小，見圖3（b）。

下頁圖4為下游引航道內的橫向流速分布示意圖，圖中速度負值表示橫向流速方向指向河流右岸，速度正值表示橫向流速方向指向河流左岸，其他區域橫向流速基本為零。從圖4可以看出，在閥門開啟階段透空分水墻有效減小了橫向流速的大小和影響范圍，也進一步減

小了橫向水流對停泊段的影響?？偟膩碚f，分水墻采用透空型式雖然較實體結構更為復雜，但對引航段和船閘進水口處的水流流態是有利的。

2.2 分水墻長度對水流條件的影響

圖5為不同分水墻長度工況下引航段流速分布示意圖，從圖中可以看出引航道內水流基本均勻，隨著泄水流量逐漸減小，在引航段出現了回流區，回流流速＜0.4 m/s，停泊段內表面最大流速約為0.4～0.5 m/s。

在主廊道閥門以4 min啟閉方式下，閘室泄水最大流量接近400 m3/s，下游引航段分水墻墩頭附近局部區域出現了橫向流速較大的情況，后頁圖6為不同導航墻長度工況下下游引航道內引航段的橫向流速分布示意圖?？梢钥闯?，分水墻的延長有效減小了橫向流速的大小和影響范圍。在分水墻長度為120 m時（工況X3），分水墻墩頭下游約25 m×25 m區域內的橫向流速＞0.3 m/s。當長度延長至130 m后（工況X4），另一線引航段內橫向流速始終＜0.3 m/s。同樣在分水墻長度延長至140 m后（工況X5），可更加有效地減小橫向流速，引航段內橫向流速始終＜0.3 m/s?？梢?，當透空分水墻長度為130 m時即可滿足橫向流速＜0.3 m/s的要求。

3 結語

本研究圍繞雙線船閘分水墻體型對引航道通航水流條件影響，提出了下游引航道分水墻的優化措施。通過開展三維數值模型，分析了不同分水墻體型及長度下，導航段內的流場情況及橫向流速分布，得出如下結論：

（1）分水墻采用透空型式雖然較實體結構復雜，但一線船閘泄水時可顯著降低另一線船閘引航段內的回流與橫向流速。

（2）適當延長分水墻長度可有效減小引航段橫向水流的大小和影響范圍，改善通航水流條件。但從經濟角度考慮，在能控制橫向流速的前提下，分水墻長度也不宜過長，還需要綜合多方因素來確定。

（3）本工程的下游引航道分水墻設計方案可為類似工程提供參考。

參考文獻

［1］張 羽，楊朝輝，趙集云，等.彎曲河段船閘引航道通航水流條件模擬［J］.水運工程，2022（6）：132-138.

［2］段元振，鄒開明.湘江湘祁樞紐船閘下游引航道口門區通航水流條件影響及對策［J］.水運工程，2022（4）：116-121，137.

［3］黎運棻，石桂萍.桂林市春天湖雙線省水船閘及其輸水系統特性分析［J］.中國水運，2011（9）：76-78.

［4］陳 亮，王曉青.飛來峽二、三線相互灌泄水船閘省水特性及效益分析［J］.水運工程，2015（6）：106-110.

［5］吳 波，李文軒，傅陸志丹，等.雙線互輸水船閘剩余水頭優化研究［J］.水利水運工程學報，2018（4）：61-67.

［6］韋德鑒，宣國祥，李 君，等.長洲四線并列船閘運行方式對下游引航道水流條件的影響［J］.水運工程，2012（8）：119-124.

收稿日期：2023-06-25