劉本芹，李 云，陳 瓊

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京210029；2.水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210029；3.通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210029)

船閘人字門通過封閉閘室孔口，與輸水系統(tǒng)共同配合，使閘室水位升降，令船舶克服上、下游水位差而安全過閘。人字門啟閉運(yùn)行頻繁，啟閉過程水流對人字門動(dòng)水阻力矩的影響較大，而門庫布置直接關(guān)系到人字門啟閉過程的局部水流結(jié)構(gòu)及水體交換是否通暢，成為影響人字門啟閉力及動(dòng)水阻力矩的重要因素[1-3]。隨著船閘水頭及閘室尺度的增大，人字門的尺寸也相應(yīng)增大，此時(shí)人字門開、關(guān)門初期及末期的動(dòng)水阻力矩將成倍增加，顯著增大啟閉設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造難度，同時(shí)對啟閉安全性提出更高的要求。為了減小人字門啟閉初期與末期的動(dòng)水阻力矩峰值，本文針對高水頭大型船閘人字門門庫布置技術(shù)開展研究，論證門庫各項(xiàng)邊界條件對動(dòng)水阻力矩的影響，進(jìn)而提出科學(xué)合理的門庫布置方案，解決高水頭大型船閘人字門及啟閉設(shè)備的設(shè)計(jì)難題。

1 船閘及人字門特征尺寸

依托工程的設(shè)計(jì)最大通航船舶噸級(jí)為3 000 t，船閘口門寬度為34.0 m；單扇人字門的寬度為20.20 m，高度為47.50 m，屬于特大型人字門[4]。人字門最大擋水高度46.05 m，最大擋水水頭40.25 m，最大淹沒水深26.29 m。人字門啟閉機(jī)采用臥式直聯(lián)液壓啟閉機(jī)，額定啟、閉門力均為3 200 kN， 啟閉機(jī)工作行程7.37 m。人字門及啟閉機(jī)布置見圖1。

圖1 人字門及啟閉機(jī)平面布置(單位：mm)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 基本方程

高水頭船閘人字門多為靜水啟閉，但水流受門體旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)為非恒定流問題，對自由水面的正確捕捉是研究門體啟閉受力的關(guān)鍵[5]。本文根據(jù)人字門啟閉過程水流特點(diǎn)，采用合適的數(shù)值模擬與自由水面捕捉方法。數(shù)學(xué)模型紊流基本方程如下：

連續(xù)方程：

(1)

不可壓縮流體動(dòng)量方程：

(2)

式中：ρ為流體密度，t為時(shí)間，p是壓強(qiáng)，ui、uj分別為速度矢量在xi、xj方向上的分量，ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，ν=μρ，μ為動(dòng)力黏度，fi為xi方向單位體積力。

2.2 計(jì)算模型

計(jì)算區(qū)域包括人字門門庫及其上、下游各100 m的長度范圍[6-7]，考慮到兩扇人字門為對稱布置，故寬度范圍取閘室寬度的一半。門庫區(qū)域平面劃分為三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，閘室段為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，縱向拉伸為棱柱體網(wǎng)格，并對交界面水面網(wǎng)格加密處理。采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬人字門啟閉過程計(jì)算區(qū)域的變化，圖2為人字門啟閉過程不同時(shí)刻的網(wǎng)格對比。取靜止?fàn)顟B(tài)為初始條件，上、下游邊界作固壁邊界。

圖2 不同時(shí)刻的人字門附近計(jì)算網(wǎng)格

2.3 模型驗(yàn)證

采用船閘人字門運(yùn)行水動(dòng)力學(xué)物理模型試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的可靠性，相同條件下人字門啟閉過程動(dòng)水阻力矩的計(jì)算值與試驗(yàn)值對比見圖3。由圖3可以看出，在動(dòng)水阻力矩量值及變化趨勢方面，數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。本文中數(shù)學(xué)模型的主要作用是研究門庫各項(xiàng)邊界條件對動(dòng)水阻力矩峰值的影響，通過對比分析，進(jìn)而提出較優(yōu)的門庫布置及門檻高度，因此可以認(rèn)為該數(shù)值模擬方法是正確可行的，其模擬精度滿足研究需求。

圖3 人字門運(yùn)行過程動(dòng)水阻力矩的計(jì)算值與試驗(yàn)值對比

3 人字門啟閉過程中的水流特征

帶門底間隙的人字門在啟閉運(yùn)行初期和末期的局部水流流速分布如圖4所示。

圖4 人字門啟閉運(yùn)行初期和末期的典型流速分布

開門初期，門前一部分水體逐步遠(yuǎn)離門體，一部分水體則通過門底、門頭及門尾的間隙繞過人字門，垂向水流交換特征顯著。人字門門前水流垂向流速向下，門后垂向流速向上。開門末期，在門庫邊界與人字門門體的共同作用下，門前水位壅高，水流受擠壓向門底、門頭及門尾的間隙處流動(dòng)，門前水流垂向流速向下，水平流速向門體門頭及門尾兩側(cè)；門后水流的垂向流速同樣向下，水平流速向門頭及門尾兩側(cè)，阻礙各縫隙出口的水體交換。受門庫、門體邊界及閘室漩渦的綜合影響，門庫內(nèi)水流流動(dòng)不暢，產(chǎn)生振蕩波動(dòng)。

關(guān)門初期，人字門門庫內(nèi)水位下降，門體前后面產(chǎn)生較大水位差，門前水體由門底、門頭及門尾處的間隙向門庫補(bǔ)水。受門庫體型及布置影響，人字門前后水體交換不暢，并在門庫中往復(fù)振蕩形成水面波動(dòng)。關(guān)門末期，門頭間隙變小，門底間隙受門檻阻擋，水體再次交換不暢，門前形成水位壅高，部分水流通過門頭、門尾處的間隙流向門后，流速較大，同時(shí)在門后形成大范圍水流漩渦。

分析可知，人字門啟閉運(yùn)行初期和末期，門體前后水流流動(dòng)不暢，易形成局部水位壅高，人字門前后產(chǎn)生水位差，從而導(dǎo)致較大的動(dòng)水阻力矩峰值。人字門在相同淹沒水深下，門庫型式及其特征尺寸、門底間隙等邊界條件是影響動(dòng)水阻力矩峰值的主要因素。

4 門庫邊界條件對動(dòng)水阻力矩的影響

4.1 門庫體型與布置

根據(jù)設(shè)計(jì)初步布置，船閘人字門門庫邊界尺寸如圖5所示。為便于描述，定義門位來表示人字門啟閉過程所處的位置。當(dāng)人字閘門處于全關(guān)位時(shí)，門位為0；當(dāng)人字門處于全開位時(shí)，門位為1；當(dāng)人字門啟閉過程處于全關(guān)位與全開位之間時(shí)，根據(jù)門體運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度不同，門位介于0～1之間。

圖5 船閘人字門門庫初步布置(單位：m)

4.2 門底間隙對動(dòng)水阻力矩的影響

針對人字門門庫初步布置，在人字門淹沒水深為26.29 m，啟、閉時(shí)間均為180 s的條件下，研究了門底間隙對人字門動(dòng)水阻力矩的影響，開、關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值如圖6所示。

圖6 動(dòng)水阻力矩峰值隨門底間隙的變化規(guī)律

開門階段，當(dāng)門底間隙由1.0 m增加到2.0 m時(shí)，開門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別下降5%和1%；當(dāng)門底間隙由1.0 m增加到2.5 m時(shí)，開門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值下降均為7%；當(dāng)門底間隙由2.5 m繼續(xù)增大時(shí)，動(dòng)水阻力矩峰值降低幅度不再明顯。

關(guān)門階段，當(dāng)門底間隙由1.0 m增加到2.0 m時(shí)，關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別下降3%和31%；當(dāng)門底間隙由1.0 m增加到2.5 m時(shí)，關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別下降3%和36%；當(dāng)門底間隙由2.5 m繼續(xù)增大時(shí)，動(dòng)水阻力矩峰值降低幅度同樣不再明顯。

對比結(jié)果說明，門底間隙對開門初期和關(guān)門末期的動(dòng)水阻力矩峰值影響較為明顯，主要是因?yàn)槿俗珠T處于開門初期和關(guān)門末期時(shí)，兩扇閘門門頭間縫隙小。若門底間隙過小，此階段閘門前后的水位差必然迅速增大，產(chǎn)生較大的動(dòng)水阻力矩峰值，因此門底間隙不宜太小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，關(guān)門末期的動(dòng)水阻力矩峰值對門底間隙的變化更為敏感。

根據(jù)以上分析可知，門底間隙設(shè)置為2.5 m較為合理。

4.3 門庫體型優(yōu)化

除門底間隙外，門庫本身的體型及尺寸將直接影響到人字門啟閉過程的水流流態(tài)，關(guān)系到人字門啟閉運(yùn)行初期和末期的水流是否流暢，進(jìn)而影響到動(dòng)水阻力矩峰值。為此，進(jìn)一步研究了門庫體型，從門庫深度(即：人字門全開位時(shí)距離門庫邊墻的間隙)、全開位門頭距上游閘墻的尺度以及局部連接形式等方面，提出圖7中的4種門庫優(yōu)化體型，分別將門庫深度由原方案的0.64 m增大到1.0、1.5、2.0和2.5 m，并進(jìn)行了局部連接方式的優(yōu)化調(diào)整。

圖7 4種人字門門庫優(yōu)化體型及布置(單位：m)

表1的計(jì)算結(jié)果表明，與原體型相比，人字門門庫4種優(yōu)化體型下，動(dòng)水阻力矩峰值均有不同程度的降低：體型1人字門運(yùn)行過程開門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低4%和40%，關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低18%和33%；體型2人字門啟閉過程開門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低6%和50%，關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低29%和47%；體型3人字門啟閉過程開門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低6%和50%，關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低35%和47%；體型4人字門啟閉過程開門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低6%和50%，關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別降低41%和46%。

表1 人字門門庫4種優(yōu)化體型動(dòng)水阻力矩峰值降低效果比較

分析可知，門庫深度及其周圍間隙的改變，對人字門開門末期、關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值影響較為明顯，但當(dāng)門庫深度大于1.5 m后，降低動(dòng)水阻力矩峰值的效果逐漸趨于穩(wěn)定，由此確定門庫深度為1.5 m。

4.4 推薦門庫體型

通過對比分析，在確定門底間隙和門庫深度分別為2.5 m和1.5 m的基礎(chǔ)上，為了更有利于人字門運(yùn)行時(shí)的門庫水體流動(dòng)，進(jìn)一步將門庫與上下游邊墻的連接段由垂直連接調(diào)整為圓弧連接，由此得到圖8中的推薦門庫體型。采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算了最終體型下人字門啟閉運(yùn)行時(shí)的動(dòng)水阻力矩，見圖9。在淹沒水深為26.29 m、勻速開啟或關(guān)閉運(yùn)行時(shí)間為180 s的條件下，人字門開門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別為7.05 MN·m和1.07 MN·m，關(guān)門初期和末期的動(dòng)水阻力矩峰值分別為9.12 MN·m和3.12 MN·m。推薦門庫體型下，人字門啟閉運(yùn)行各階段的動(dòng)水阻力矩峰值均獲得不同程度的降低，最大降低51%。研究表明，推薦門庫體型是科學(xué)合理的，人字門啟閉機(jī)設(shè)計(jì)容量是安全可靠的。

圖8 推薦門庫體型(單位：m)

圖9 推薦門庫體型的人字門運(yùn)行動(dòng)水阻力矩過程線

5 結(jié)語

1)帶門底間隙的人字門在啟閉過程中的局部水流具有明顯的三維特性，啟閉運(yùn)行初期和末期人字門前后水體交換不暢，導(dǎo)致動(dòng)水阻力矩峰值較大，門庫體型及其特征尺寸、門底間隙等邊界條件是影響動(dòng)水阻力矩峰值的主要因素。

2)人字門啟閉運(yùn)行過程的動(dòng)水阻力矩峰值隨著門底間隙、門庫深度等特征尺寸的增大而降低，并逐漸趨于穩(wěn)定，由此得到門庫特征尺寸的臨界值為：門底間隙2.5 m，門庫深度1.5 m。

3)人字門門庫與上、下游邊墻的連接方式宜采用圓弧連接，結(jié)合依托工程提出了科學(xué)合理的人字門門庫體型及具體布置，可有效降低動(dòng)水阻力矩峰值，有利于人字門啟閉機(jī)安全可靠運(yùn)行。