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樞紐引航道口門區(qū)利航流態(tài)的實(shí)現(xiàn)研究

2024-01-15 04:48:56歐陽天庭魏必文
運(yùn)輸經(jīng)理世界 2023年33期
關(guān)鍵詞:引航道口門流態(tài)

歐陽天庭、魏必文

(江西省路港工程有限公司,江西南昌 330000)

0 引言

引航道是在樞紐所在水域設(shè)定的用來引導(dǎo)船舶沿著安全航線進(jìn)入或離開樞紐的專業(yè)航道[1]。受樞紐建筑空間分配的制約,樞紐引航道的水域空間相對狹窄,且嚴(yán)格受到航道墻線形的約束。其內(nèi)部流態(tài)密切關(guān)系和影響船舶通航或靠泊的使用安全,尤其是引航道口門區(qū),該區(qū)域是引航道水域與樞紐河道水域的鄰接區(qū),擾流較多,流態(tài)復(fù)雜,是樞紐引航道建設(shè)的重點(diǎn)質(zhì)量控制區(qū)域,也一直是樞紐引航道科研和工程控制的關(guān)注點(diǎn)[2-5]。

文章基于工程案例,借助有限容積積分法二維流仿真模擬技術(shù),介紹原設(shè)計(jì)方案和兩種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案下引航道口門區(qū)流態(tài)模擬分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)等,最終確定實(shí)施具有較優(yōu)利航流態(tài)的改進(jìn)方案2 進(jìn)行二線引航道續(xù)建,期望相關(guān)設(shè)計(jì)和分析成果能夠?yàn)闃屑~引航道利航流態(tài)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概述

案例為北江上的一處集調(diào)水、防洪、發(fā)電、航運(yùn)等多項(xiàng)功能于一體的樞紐工程。其壩址控制流域總面積約16750km2,二類工程級別,三類主體建筑,按照洪水50 年一遇設(shè)計(jì),主體為洪水校核500 年一遇,土壩重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域?yàn)榍暌挥?。樞紐布局從左到右為:左岸土石壩、電站廠房、13 口泄水閘、船閘、右岸連接壩段。樞紐船閘引航道采取雙線設(shè)計(jì),先后兩個工期建設(shè)。

一線船閘為V 級船閘,閘室臨界水深、寬度、長度分別為2.00m、14.00m、140.00m,可通航300t 級船舶。上游最低和最高通航水位分別為41.32m、45.82m,最大水頭9.00m,通航凈空8.00m。船舶上下水閘采取彎進(jìn)直出設(shè)計(jì)。上游引航道右側(cè)主航道墻全長205.80m,其中包括182.40m 的直線段和23.40m 的擴(kuò)展段,左側(cè)副航道墻包括長80.00m 直線航道墻段和42.00m 的圓弧航道墻段,上游引航道的底高程為38.82m。

二線船閘為Ⅲ級船閘,閘室臨界水深、寬度、長度分別為4.50m、23m、220.00m,可通航1000t 級船舶。兩座船閘布置在同一岸側(cè),兩座船閘之間的軸向距離為80.00m,引航道寬度50.00m。上游引航道右航道墻為563.80m 的主導(dǎo)航墻,包括靠泊段415.00m 和直線導(dǎo)航段148.80m??坎炊伟? 個靠泊碼頭和15 個系船柱。左側(cè)為全長約224.50m 的副導(dǎo)航墻,采取52.73m 半徑和49°圓心角的弧形延伸段設(shè)計(jì),后接長160.00m 的直航段,引航道底高程為36.82m。

2 原設(shè)計(jì)方案

2.1 船閘平面布置

該樞紐的二線船閘擴(kuò)改建工程按三級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),閘室長×寬×高為220.00m×23.00m×4.50m,可通過1000t 級船舶。根據(jù)周圍環(huán)境和河道地形條件,將新船閘設(shè)計(jì)在原一線船閘的右岸側(cè),兩船閘軸線距離為80.00m,新閘引航道采取向左側(cè)擴(kuò)大的不對稱形式,開挖一線閘右岸山體形成所需航道空間,新閘盡量不影響舊閘的通航條件。船舶上行采取直入曲出的方式,新船閘上游引航道底高程為36.82m,寬度為50.00m。上游引航道右側(cè)的航道墻為主航道墻,全長563.80m,包括直行段148.80m,靠泊段415.00m??坎炊卧O(shè)6 個靠泊碼頭,15 個系船柱。主航道墻的頂高程為48.50m。左側(cè)輔助導(dǎo)航堤采取52.73m 半徑、49°圓心角的弧形擴(kuò)張段,后接直線導(dǎo)航段160.00m,副導(dǎo)航堤也是隔流堤,全長約224.50m,其頂面高程475.20m,齊平于一線閘的右側(cè)導(dǎo)航墻。

2.2 船閘上游引航道水流狀態(tài)

通過有限容積積分法二維流仿真模擬,獲得原設(shè)計(jì)方案下一、二線閘上游引航道的最大流速分布情況(見表1 和表2)。數(shù)據(jù)顯示,原設(shè)計(jì)方案、保持水庫正常蓄水和各級中小流量運(yùn)行條件下,船閘上游引航道口門區(qū)的流速都比較小,滿足安全通航要求。但當(dāng)流量≥1500m3/s、壩前按44.32m 汛限水位或者開啟全閘敞泄洪水時(shí),受泄流和外導(dǎo)墻堤頭水流的影響,一線閘上游引航道口門區(qū)幾乎被橫流覆蓋,二線閘上游引航道口門區(qū)附近橫流也相對較大,影響船舶安全進(jìn)出。這時(shí)二線閘的右導(dǎo)墻靠泊段基本全部暴露在動水中,流速較快,使船舶靠泊風(fēng)險(xiǎn)提高,有必要進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

表1 原設(shè)計(jì)方案下二線閘上游引航道的最大流速分布表(m/s)

表2 原設(shè)計(jì)方案下一線閘上游引航道的最大流速分布表(m/s)

模擬分析顯示,原設(shè)計(jì)方案下,因二線船閘的外導(dǎo)墻,即一、二線船閘的隔離墻較短,嚴(yán)重受到樞紐泄流、二線閘外導(dǎo)航墻的堤頭擾流影響。當(dāng)流量≥1500m3/s、壩前汛限44.32m 時(shí),一線閘上游引航道口門區(qū)存在較大的橫流,幾乎被橫流覆蓋。二線船閘右側(cè)的導(dǎo)墻靠泊段此時(shí)暴露在動水中,流速很大,可能影響船舶的通航安全,因此有必要通過優(yōu)化方案來調(diào)節(jié)隔離墻長度,以控制和減少引航道口門區(qū)的擾流和橫流等問題。

3 共用引航道(改進(jìn)方案1)

3.1 船閘平面布置

為了改善一線船閘上游引航道的水流條件,并大幅取消或縮短二線船閘上游引航道的外導(dǎo)墻,取消一線閘原上游引航道的外導(dǎo)墻圓弧段,并將直線段長度加長,以屏蔽和控制主河槽左側(cè)動水的影響,進(jìn)而改善上游引航道的水流狀態(tài)。該上游引航道的底高程為36.82m,寬度為98.50m。

取消上游引航道外導(dǎo)墻圓弧段的同時(shí),也取消一、二線船閘隔墻的直線段,但保留其拓寬圓弧段。同時(shí)按4.50 倍典型船長的標(biāo)準(zhǔn),將一線閘外導(dǎo)航墻的直線段從80.00m 加長至304.00m,以利于在洪水期降低樞紐泄流和外導(dǎo)墻擾流的干擾,改善口門外側(cè)區(qū)域的通航水流狀態(tài)。

3.2 船閘上游引航道水流狀態(tài)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,方案1 改進(jìn)條件下,正常流量2760m3/s 運(yùn)行時(shí),引航道口門區(qū)的縱向和橫向流速較小,未發(fā)生回流。流量處于2760~6630m3/s 時(shí),受樞紐泄流、外導(dǎo)墻頭擾流影響,引航道口門區(qū)外側(cè)的橫向流速逐步加大,超過了設(shè)計(jì)要求。引航道口門區(qū)內(nèi)側(cè)這時(shí)的縱向和橫向流速較小,水流平緩,可保證通航安全。上游引航道口門區(qū)縱向和橫向流速雖然呈隨流量增加而增加的趨勢,但其橫向流速以及超標(biāo)范圍均有所降低,說明方案1 優(yōu)于初始設(shè)計(jì)方案。但方案1 改進(jìn)后,右側(cè)停泊區(qū)上段60.00~100.00m 的區(qū)間內(nèi)仍存在縱向流速較大的情況,無法滿足安全靠泊的流態(tài)需求。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),共用上游引航道的外導(dǎo)航墻要處在深水庫區(qū),作業(yè)難度和投資均相對較大,且這樣的布局不利于汛期行洪,有必要探討更優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案。

4 分用引航道(改進(jìn)方案2)

4.1 船閘平面布置

方案2 是在方案1 的基礎(chǔ)上,分開配置船閘上游引航道,是考慮外導(dǎo)航墻配置狀態(tài)作出的一種新選擇,即在外導(dǎo)航墻上段約100.00m 范圍配置8 個透空導(dǎo)流孔,孔口高4.00m,寬2.70m,孔頂高程40.82m,底高程36.82m,且與導(dǎo)墻的直線段呈27°夾角,相鄰孔的中心間距設(shè)為12.00m。開孔墻體選擇插板式隔流墻,各孔插板由徑值2.50m 的灌注樁基礎(chǔ)連接。該方案的二線船閘上游引航道的外導(dǎo)墻全長375.00m。并且,在右岸上游彎道附近配置塊石填回護(hù)坡,既利于在彎道處調(diào)順?biāo)鞣较?,又能夠大幅度消化工程石渣棄方問題。右岸上游側(cè)塊石護(hù)坡段約500.00m,坡比1∶2.50,采取2 級回填方式,中間配置寬2.00m 的馬道,回填第1 級的頂高程為43.13m,回填第2 級的頂高程為47.50m。

4.2 船閘上游引航道水流狀態(tài)

4.2.1 方案2 對二線船閘通航水流條件的影響

當(dāng)流量≤6630m3/s 時(shí),二線船閘除上游引航道和入口區(qū)流速指標(biāo)有個別點(diǎn)超標(biāo)以外,通航安全基本可以得到保障;當(dāng)流量>6630m3/s 時(shí),二線閘上游引航道口門區(qū)外導(dǎo)墻堤區(qū)域存在橫流超標(biāo)。通過比較得知,相比于初始設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案1,方案2 形成的二線船閘引航道流態(tài)條件是三者中最好的,船舶安全靠泊長度較長。

4.2.2 方案2 對一線船閘通航水流條件的影響

方案2 采取的是分開布置一、二線船閘的上游引航道方案,二線船閘上游引航道由開挖右岸山體形成,其外導(dǎo)墻位處一線船閘的右岸邊,導(dǎo)航墻長375.00m,一線閘上游引航道入口區(qū)的外部狀態(tài)基本不變。方案2 的右岸河灣采用長約500.00m 的石砌防護(hù)墻,對改善一線船閘上游引航道口門區(qū)的水流條件有幫助。

2760m3/s 是維持電站滿發(fā)狀態(tài)下的樞紐流量狀態(tài),1500m3/s 是樞紐45.82m 常規(guī)水位運(yùn)行條件下的樞紐流量狀態(tài)。表3 數(shù)據(jù)顯示,二線船閘改造方案2實(shí)施前后,樞紐中小流量條件下,一線船閘上游庫區(qū)及上游引航區(qū)的流態(tài)保持完好。當(dāng)達(dá)到流量2760m3/s時(shí),一線引航道口門區(qū)的縱向和橫向流速峰值分別為1.12m/s 和0.34m/s,最大流速位處一線船閘外導(dǎo)流墻的堤頭附近,引航道口門區(qū)內(nèi)未發(fā)生回流,通航水流條件較好,基本與現(xiàn)狀一致。說明按修改方案2 建設(shè)二線閘后,一線閘上引航道的通航水流條件不會受到不利影響,前后基本保持不變。

表3 實(shí)施方案2 后一線閘口門區(qū)的流速改變數(shù)據(jù)表(m/s)

5 結(jié)論

文章結(jié)合案例樞紐工程實(shí)際情況,梳理原設(shè)計(jì)方案和兩個改進(jìn)設(shè)計(jì)方案下的船閘平面布置及對應(yīng)的船閘上游引航道水流狀態(tài)模擬分析結(jié)果。分析顯示:

其一,在原設(shè)計(jì)方案中,船閘上游引航道雙線采用分離式布置方案,在保持水庫正常蓄水和各級中小流量運(yùn)行條件下,船閘上游引航道口門區(qū)的流速都比較小,滿足安全通航要求。但當(dāng)流量≥1500m3/s、壩前按44.32m 汛限水位或者開啟全閘敞泄洪水時(shí),一線閘上游引航道口門區(qū)幾乎被橫流覆蓋,二線閘上游引航道口門區(qū)附近橫流也相對較大,影響船舶安全進(jìn)出,因此需要改進(jìn)設(shè)計(jì)。

其二,在改進(jìn)方案1 中,兩線船閘采取共用上游引航道的設(shè)計(jì)方案,雖然該方案優(yōu)于原設(shè)計(jì)方案,但仍存在右側(cè)停泊區(qū)縱向流速仍然相對較大的情況,無法滿足安全靠泊的流態(tài)需求;外導(dǎo)航墻要處在深水庫區(qū),作業(yè)難度和投資均相對較大;布局不利于汛期行洪等不足。

其三,改進(jìn)方案2 采取分開配置船閘上游引航道、加長引航道外航道墻的長度、整治右岸河灣坡岸、堤頭段配置8 個導(dǎo)流開孔等改進(jìn)措施。引航道口門區(qū)流態(tài)分析顯示,方案2 進(jìn)一步改善了之前方案不能充分解決的導(dǎo)航墻堤頭回流、斜流等不利流態(tài),且船舶安全靠泊區(qū)較長、工程投資小、施工難度低,因此工程最終采用該方案進(jìn)行二線船閘和引航道建設(shè)。

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