周卓亮 陳輝 范敏

摘 要：船閘擴能改造期施工圍堰縮窄了引航道的局部水域?qū)挾龋淖兞艘降赖耐ê剿鳁l件，對壩區(qū)過往船舶的安全航行存在影響。本文針對船閘擴能改造期施工圍堰縮窄引航道局部水域引起通航水力學問題，建立水動力數(shù)學模型，研究船閘不同運行水位條件下施工圍堰對船閘上游引航道和口門區(qū)通航水流條件的影響，并提出合理的船閘優(yōu)化運行方式，降低引航道最大流速，最大波高、水面線坡降等各項水力指標。研究成果對船閘擴能改造期船舶安全快速過閘具有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：船閘;引航道;施工圍堰;通航水流;數(shù)值模擬

通航船閘模型主要用于研究壩區(qū)航道通航水力學、船閘輸水系統(tǒng)水動力學以及上、下游航道水力學，隨著內(nèi)河航運發(fā)展，船閘通過能力以及航運安全要求的進一步提升，對壩區(qū)航道通航水力學科研成果質(zhì)量以及測試精度有了更高的要求，船閘充泄水產(chǎn)生的航道非恒定流問題以及險灘、急彎等自然邊界影響航運安全、制約航道通航能力提升等關(guān)鍵技術(shù)問題。

本文研發(fā)非恒定流控制系統(tǒng)以及基于圖形粒子測量系統(tǒng)非恒定流航道流場測試系統(tǒng)，為更精細、快速、系統(tǒng)地了解壩區(qū)航道通航船舶航態(tài)和通航水流條件，為壩區(qū)航道通航模擬的各項任務(wù)提供高質(zhì)量的科技服務(wù)平臺，為深入研究探討船舶航行與航道水流條件相互影響關(guān)系的基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用提供基礎(chǔ)條件。

1? 非恒定流控制系統(tǒng)

非恒定流測控系統(tǒng)由可控電動閥門及流量計組成，通過調(diào)節(jié)閥、換向閥、管道模擬船閘充泄水流量過程，采用數(shù)控調(diào)制模塊及船閘充泄水軟件對系統(tǒng)流向控制、分配，實現(xiàn)了模擬船閘充泄水場景。

測控系統(tǒng)采用相位平均法嚴格按照統(tǒng)計平均的方法對紊流的平均運動特性以及脈動特性進行研究，因而要求能夠完全重復(fù)周期性的試驗，而且各次試驗的水流條件以及邊界條件完全相同。本系統(tǒng)的非恒定流生成系統(tǒng)由計算機程序控制，從而形成穩(wěn)定的非恒定流過程，本系統(tǒng)產(chǎn)生的非恒定流過程的穩(wěn)定性已經(jīng)過檢驗。

非恒定流模擬控制系統(tǒng)主要有以下特點：

（1）使用數(shù)控調(diào)制模塊控制可控電動閥門能夠得到較好的非恒定流過程，同時在管路上安裝電磁流量計測量總水管流量，上位計算機控制流量時進行計算控制模型流量按照船閘充泄水設(shè)定模式運行。

（2）電磁流量計測量總水管流量數(shù)據(jù)信號直接接入中心計算機控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)隨時對流量進行記錄。并且隨時可以生成EXCEL報表和趨勢曲線。

（3）實驗者可自定義設(shè)置各閥門開啟流量過程、開啟時間，可以模擬多組合船閘充泄水流量過程。

2通航水流流速分布測量系統(tǒng)

通航水流流速分布測量系統(tǒng)是基于粒子圖像測速法（PIV）原理，如圖 3 所示，運用圖像處理、模式識別與快速時序處理等技術(shù)開發(fā)研制的新一代表面流場測量及分析系統(tǒng)。設(shè)計了具有良好仿射變換魯棒性的局部特征配準算法模塊，提升了系統(tǒng)在示蹤粒子高速運動、旋轉(zhuǎn)、遮擋情況下的追蹤能力，同時，通航水流流速分布測量系統(tǒng)滿足不同大小范圍試驗流場測試，通過多通道高分辨視頻聯(lián)合，利用數(shù)據(jù)拼接功能對不同測量區(qū)域流場數(shù)據(jù)進行拼接，生成完整的大規(guī)模表面流場數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)了大范圍模型水流流場測試要求。

通航水流流速分布測量系統(tǒng)滿足大范圍模型水流流場測試要求及精度，模型范圍大于1000m2，大規(guī)模組網(wǎng)測量，系統(tǒng)模塊化設(shè)計，擴展性優(yōu)異，實現(xiàn)大范圍流量同步測試，且不擾動水流，抗干擾能力強，測量精度毫米級的，精細流場高精度測量?？蓽y流速范圍為0.1mm/s-10.0m/s，平面內(nèi)流場測量精度1%，垂直于平面的流速測量精度1.5%;采樣頻率1500幀/秒，最高頻率達10000幀/秒;流場最小空間分辨率0.2mm;測量平面及三維流場，可測顆粒體積濃度范圍為0-0.1%。

該系統(tǒng)具備以下幾個特點：

（1）系統(tǒng)穩(wěn)定運行能力。在復(fù)雜多變的現(xiàn)場環(huán)境下能夠安全穩(wěn)定高效地運行，能夠適應(yīng)全年的溫度、濕度變化;量測數(shù)據(jù)穩(wěn)定準確。

（2）高精度測量能力。保證系統(tǒng)的高精度量測效果，能給出豐富的表面流場數(shù)值，能給出高密度的實測數(shù)據(jù)，所測流速值可被直接采信，精度可與ADV數(shù)據(jù)比對。

（3）復(fù)雜流態(tài)測量能力。對復(fù)雜精細流場具備捕捉、刻畫能力;精確測量渦旋結(jié)構(gòu)，為科研工作者開展精細流場的理論機理研究提供強有力的實驗保障

（4）移動與便攜測量能力。Namec-Advanced系列設(shè)備提供多角度量測功能，提供移動安裝以及多角度測量功能，方便科研工作者在不同模型上使用該套設(shè)備進行測量。

3物理模型非恒定流模擬測控系統(tǒng)

3.1物理模型概況

建立1：50船閘水力學物理模型。模型模擬范圍包括整個上游引航道、船閘上閘首、各處靠船墩、各船閘進水口、口門區(qū)長750m河道等。模型全長約80m，最寬22m。模型采用上述非恒定流控制系統(tǒng)模擬各線船閘泄水過程，同時利用建立通航水流流速分布測量系統(tǒng)地進行流態(tài)、水面波動、流速分布等測試，開展引航道通航水流條件及改善措施研究。

選擇上游引航道口門區(qū)至船閘引航道及靠船墩等重點研究區(qū)域，在航道中心線及系船墩處共布置8個攝像機測試航道流場流速變化過程，物理模型及測量系統(tǒng)布置見圖4所示。

3.2引航道流態(tài)及流速成果

圖5為船閘充水過程典型時刻航道表面粒子流態(tài)以及實時流速分布。船閘充水起始時段，船閘進水口開始流量增大，水面略有跌落，引航道水體向進水口逐次匯集，隨流速增大，在沉箱段與土石圍堰結(jié)交部位由于存在拐彎而出現(xiàn)較大范圍回流區(qū)（橫向距離圍堰40m左右），擠壓該區(qū)域水流有所偏轉(zhuǎn)，對靠船墩上游區(qū)段略有影響;隨流速降低，該處回流區(qū)逐漸減小;隨船閘充水終了，水流由于慣性作用還向船閘涌進，一定時刻之后，水面抬升至最高，水流復(fù)向上游回轉(zhuǎn)，由閘首向上游依次轉(zhuǎn)為反向流動，在閘前約600m區(qū)段，已處于圍堰影響區(qū)段之外，反向流已減弱不明顯;在反向流動較大時段，沉箱段與土石圍堰結(jié)交部位復(fù)又出現(xiàn)回流區(qū)域。其他區(qū)域流速不大，水面平穩(wěn)。

通過非恒定流通航流場測試系統(tǒng)測試航道水流流速分布，后期處理后流速分布成果見圖6。

4 結(jié)論

結(jié)合船閘航道物理模型試驗基礎(chǔ)條件，研發(fā)船閘非恒定流測控系統(tǒng)，包括：非恒定流控制系統(tǒng)以及通航水流流速分布測量系統(tǒng)，實時控制模型水位流量，監(jiān)測整個試驗區(qū)段通航水流條件，分析航道的適航性，實現(xiàn)非恒定流流量控制以及通航水流流場測試的自動化，得到高性能存儲和處理海量的觀測數(shù)據(jù)，提升通航水力學以及其他相關(guān)試驗研究的觀測能力，取得精度更高、更全面的試驗成果，推動一批原創(chuàng)性和高水平的科研成果出爐，拓展通航水力學的研究領(lǐng)域，提高和推動相關(guān)科研團隊的研究成果質(zhì)量。

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國家重點研發(fā)計劃項目：《重大水利樞紐通航建筑物建設(shè)與提升技術(shù)》資助項目（2016YFC0402000）