CN117057282B - 船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法以及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法以及应用，属于水利工程枢纽通航水力学技术领域，发明提出以枢纽建筑物几何参数、河道来流水力参数来计算通闸运行期船闸侧分流比计算方法，本方法不仅在数据获取的准确性和计算的简易性方面具有明显优势，同时也为船闸通闸运行管理提供了一套高效实用的工具，能够提高船闸通闸运行管理效率，保障船舶过闸的安全性。这项创新将在水利工程领域产生深远而积极的影响。

Description

船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法以及应用

技术领域

本发明属于水利工程枢纽通航水力学技术领域，尤其涉及一种船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法以及应用。

背景技术

船闸是航运工程的关键节点，是保障船舶顺利通过航道的水工建筑物。根据船闸运行原理，利用上下游平水或落差较小的时段，可将船闸上下闸首的闸门同时开启，让船舶直接通行，这种情况称之为船闸通闸运行。船闸通闸方式，是在工程实践中总结出来的一种过闸方式，可显著提高船闸通过能力和船舶通航效率。然而，在通闸运行期间，上下闸首闸门敞开，上下闸首之间的闸室内所形成的是一段极小断面系数的限制性航道，闸室内的水流流态复杂。若闸室内的水流速度过大，将影响通过的船舶的操纵性能和舵效发挥，船舶在闸室范围内的航行安全需要特别关注。因此，对于具备通闸条件的船闸，如何快速预测船闸通闸运行期间船闸闸室内的水流条件，对于充分发挥枢纽航运功能、实现船闸运行效率最大化并保障船舶过闸安全具有重要意义。船闸通闸运行期间船闸闸室内的水流条件取决于河道的来流条件以及船闸侧的分流比。

具备通闸条件的船闸工程一般位于运河口门区域，其过流断面相对较为规则，枢纽建筑物包括船闸和节制闸。在通闸运行时，枢纽附近的水流状态可概化为规则断面两级短距离分汊流动（如图1）。水流先由河道分汊流入两侧汊道，然后经过一段短距离的顺直流动，最终再汇入主河道，其分流和汇入所流经的距离相对较短。

目前已有的分汊河道分流比预测方法多适用于长距离的天然分汊河道。由于天然河道的断面尺度多变，汊道水位难以准确推算，因此分流比预测公式往往包含了汊道水位等水力参数，同时需要在汊道内设置水文监测点，预测过程相对复杂且无法提前预知。相比之下，水流数学模型预测方法相对更为准确，且可以提前进行预测，但相对来说会消耗较多时间，效率低。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决传统方法在计算枢纽建筑物分流比时复杂繁琐、难以准确获取数据的问题的船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法以及应用。

本发明是这样实现的，一种船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法，其特征在于：采用以下公式计算通闸运行期船闸侧分流比，设所述船闸侧分流比为：

式中为河道来流断面水深，/>为河道来流转弯半径，/>为船闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为节制闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为船闸侧的过流断面面积，/>为节制闸侧的过流断面面积。

在上述技术方案中，优选地，所述船闸侧的过流断面面积和所述节制闸侧的过流断面面积/>采用如下公式计算：

式中为船闸侧的过流宽度，/>为节制闸侧的过流宽度，/>为船闸侧的闸室水深，为节制闸侧的过流水深。

在上述技术方案中，优选地，船闸侧分流比的公式推导过程如下：

式中为系数，/>为船闸侧分流面积占干流过流面积的比值；

其中，=0.9729，/>=1.6472，/>=1.0165，/>=-0.0187，/>=17.0541；

为枢纽上游河道来流偏转系数：

为船闸侧分汊角余弦值与节制闸侧分汊角余弦值的比值：

。

本发明提出了一种基于枢纽建筑物几何参数和干流来流水力参数的分流比计算方法，具有以下优点和效果：

首先，本发明依托于枢纽建筑物的几何参数和干流来流水力参数，使得分流比的计算变得高效而准确。通过准确获取这些参数，我们能够在短时间内得到一个可靠的分流比，相比传统复杂的计算方法，本发明具有显著的优势。

其次，分流比的精准计算使得我们可以真实地了解船闸通闸运行期间枢纽建筑物分流情况以及船闸闸室的水流条件。这对于船舶的安全通航提供了科学依据，降低了通航过程中可能发生事故的风险。

此外，本发明特别注重了船闸通闸方式为短距离分汊流动情况的特性。通过根据河道来流条件进行快速预测，我们可以高效地获得枢纽建筑物的分流比和船闸闸室通航水流条件。这一预测方法不仅有效简化了计算过程，也使得我们能够在实践中更好地掌握闸室水流条件的分布规律。

综上所述，本发明提出的分流比计算方法，不仅在数据获取的准确性和计算的简易性方面具有明显优势，同时也为船闸通闸运行管理提供了一套高效实用的工具，能够提高船闸通闸运行管理效率，保障船舶过闸的安全性。这项创新将在水利工程领域产生深远而积极的影响。

本发明的另一目的，提出一种应用上述方法预测通闸运行期船闸侧通航条件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.给定枢纽建筑物船闸和节制闸的几何尺寸参数，几何尺寸参数包括、/>、/>，、/>、/>，/>为河道来流断面水深，/>为河道来流转弯半径，/>为船闸侧分汊角，即是船闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为节制闸侧分汊角，即是节制闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为船闸侧的过流断面面积，/>为节制闸侧的过流断面面积；

S2.根据以下公式计算通闸运行期船闸侧分流比：

S3.根据下式计算通闸运行期船闸侧的分流量：

式中为河道来流流量；

S4.根据下式计算通闸运行期船闸侧平均流速：

式中为船闸侧的过流宽度，/>为船闸侧的闸室水深；

S5.给定通闸运行期船闸侧通航流速限值，将计算所得的/>与/>进行对比，若/>≤/>，通闸运行期船闸侧可以通航，若/>＞/>，则通闸运行期船闸侧不可以通航。

在上述技术方案中，优选地，=1.6m/s。

附图说明

图1是船闸通闸运行期枢纽建筑物附近概化流动状态；

图2是船闸侧分流比与两支汊分流面积比的关系；

图3是系数与枢纽上游来流偏转系数的关系；

图4是系数与两支汊分汊角余弦比的关系；

图5是应用实例枢纽平面布置图；

图6是应用实例船闸侧分流比公式计算值与模型实测值对比；

图7是应用实例船闸闸室流速公式预测结果；

图8是枢纽建筑物分流比及闸室通航水流条件预测流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为解决传统方法在计算枢纽建筑物分流比时复杂繁琐、难以准确获取数据的问题，本发明特提供一种船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法以及应用，本方法的优点在于快速、精准地计算枢纽建筑物分流比，以提高通闸运行管理效率，保障船舶通闸安全。为了进一步说明本发明的结构，结合附图详细说明书如下：

实施例一

一种船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法，用于计算在船闸通闸运行期，船闸侧分流量与河道来流总流量的比值。

枢纽建筑物船闸、节制闸均可过流，枢纽附近的概化流动状态如图1所示。船闸侧分流比为：

节制闸侧分流比为：

船闸侧分流比与枢纽上游来流条件、船闸和节制闸两汊的过流尺度及分汊角度有关，可描述成以下形式：

(1)

其中，

为河道来流的断面水深，单位为m；

为河道来流转弯半径，单位为m；

为船闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为节制闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角。即/>、/>分别为船闸、节制闸两支汊的分汊角；

、/>分别为船闸、节制闸两支汊的过流断面面积，单位为m²。

进一步的，，/>，/>、/>分别为船闸、节制闸两支汊的过流宽度，单位为m；/>、/>分别为船闸、节制闸两支汊的闸室水深，单位为m。

基于河道水流分汊流动情况和量纲和谐原理，进一步分析上式中各参数之间的相互影响。具体如下：

（1）根据已有的工程运行经验，船闸侧的分流比与河道来流量关系不大，同一航道水位下的分流比基本保持稳定。换言之，分流比不会随着来流速度的变化而变化，而是与来流水深有关。这一现象是由于上游弯道的地形与水流惯性相互作用所造成的。在枢纽的上游侧存在弯道地形，当水深较浅时，水流惯性作用较小，水流相对容易偏转，使得河道主流更趋向于船闸侧的凸岸，进而使得船闸方向的水流进流变得更为顺畅，最终导致船闸侧的分流比相对较大。相反地，当水深较深时，水流惯性作用增大，水流偏转相对困难，同时弯道对水流的离心作用减弱，凸岸壅水现象也相应减弱，导致船闸方向的水流进流相对减少，从而使得船闸侧的分流比相对较小。

枢纽上游来流水力参数可用一个综合参数河道来流偏转系数表示，定义为：

由上式可以看出，当枢纽上游为顺直段，即转弯半径无限大时，偏转系数趋近于1。

（2）根据分汊入口处的水流分流情况，船闸侧过流尺度越大，其过流量越大，采用过流面积综合表示过流宽度、高度等几何尺度的影响，则船闸侧分流面积是船闸侧分流比的主要决定因素，即船闸侧分流比与船闸侧过流面积占总过流面积的比值呈正相关。分流面积对分流比的影响可用船闸侧分流面积占干流过流面积的比值表示：

（3）船闸支汊的分汊角越大，惯性作用下，水流改变运动方向越困难，船闸侧过流量相对越小，分汊角对分流比的影响可用船闸侧分汊角余弦值与节制闸侧分汊角余弦值的比值表示：

，

当船闸侧分汊角为90°时，船闸侧分流比为0。

综上，式(1)可简化成以下形式

(2)

基于典型船闸通闸概化模型（见图1）试验模拟结果，分析各影响因素对船闸侧分流比的影响：

以两支汊分流面积比值为横坐标，以船闸侧分流比为纵坐标，绘制曲线得到图2。可以看出，船闸侧分流面积占比越大，其分流比越大，船闸侧分流比与其分流面积占比呈线性正相关关系。据此，船闸侧分流比可表示成其分流面积比的线性函数，式(2)可表示成以下形式：

(3)

其中，为系数，与枢纽上游来流水力参数和两支汊的分汊角度相关。

以枢纽上游来流偏转系数为横坐标，以系数为纵坐标，绘制曲线得到图3。可以看出，枢纽上游来流偏转程度越小，船闸侧分流比越大，系数/>与枢纽上游来流偏转系数/>大致呈幂函数分布关系。

以两支汊分汊角余弦比值为横坐标，以系数为纵坐标，绘制曲线得到图4。可以看出，船闸侧分流比随着两支汊分汊角余弦比的增大而增大，且在/>附近存在明显拐点。当船闸侧分汊角小于节制闸侧时，分流比增幅相对较大，而当船闸侧分汊角大于节制闸侧时，分流比增幅相对较小。船闸过流中心线与河道来流中心线的夹角越小，船闸侧分流比越大，船闸侧分流比与两支汊分汊角余弦比大致呈幂函数分布关系。

综上，系数与枢纽上游来流水力参数和两支汊分汊角余弦值的关系可表示成以下形式

(4)

其中，为系数，/>。采用最小二乘法拟合可得/>=0.9729，/>=1.6472，/>=1.0165，/>=-0.0187，/>=17.0541。

将以上系数取值代入式(3)和式(4)，可得船闸侧分流比与枢纽上游来流条件、船闸和节制闸两汊过流尺度及分汊角度的关系表达式，如下

(5)

船闸侧分流比公式计算结果与概化模型试验实测结果的相关系数为0.98。因此，当船闸采用通闸方式运行时，船闸侧分流比，可以根据河道来流断面水深/>，河道来流转弯半径/>及船闸、节制闸两支汊分汊角/>、/>，船闸、节制闸两支汊的过流断面面积/>、/>用公式(5)进行近似估算。

实施例二

应用上述方法预测通闸枢纽的运行期船闸侧通航条件的方法，采用以下步骤：

S1.给定枢纽建筑物船闸和节制闸的几何尺寸参数，几何尺寸参数包括、/>、/>，、/>、/>。即根据枢纽平面布置，确定枢纽建筑物船闸、节制闸的相关几何尺度。具体包括河道来流的断面水深/>、枢纽上游河道弯曲半径/>，船闸及节制闸的分汊角度/>和/>、船闸及节制闸过流宽度/>、/>及闸室底板高程/>、/>，以确定船闸、节制闸两支汊的过流断面面积/>、/>。

S2.计算河道来流偏转系数。河道来流偏转系数可综合反映枢纽上游河势对水流偏转的影响，当枢纽上游为顺直段，即转弯半径无限大时，偏转系数趋近于1。

计算两支汊分汊角余弦比。分汊角指支汊过流中心线与河道来流中心线的夹角，两支汊分汊角余弦比可反映两支汊分汊角的相对大小，当船闸侧分汊角为90°时，船闸侧分流比为0。

计算两支汊分流面积比。不考虑枢纽位置水面比降，即枢纽上游河道和枢纽处的水位相等，则船闸、节制闸过流断面水深等于河道水位与其相应闸室底板高程的差值。

根据以下公式计算船闸侧分流比：

S3.采用已得到的分流比计算船闸侧分流量，。

S4.根据船闸侧分流量和闸室几何参数，计算闸室平均流速，。

船闸闸室平均流速为船闸侧分流量与闸室过流断面面积的比值，已知船闸侧分流量，即可对船闸闸室流速进行预测。

S5.若≤1.6m/s，闸室通航水流条件可满足船舶航行安全要求，闸室可通航；若＞1.6m/s，闸室通航水流不满足船舶航行安全要求，闸室不可通航。

根据已有工程运行经验，船闸通闸运行期，为保障船舶航行安全，闸室控制段最大允许流速为1.6m/s。

实施例三，一种实施例一所述的船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法的验证方法：包括以下步骤：

S1.根据船闸通闸运行期枢纽建筑物的特征水位及特征流量分布，确定船闸通闸运行期水位以及流量参数组次作为研究对象。

在这一步骤中，通过选择典型的水位和流量条件，来确定船闸通闸运行的工况。特征水位是指在运行水位区间内典型洪水重现期对应的洪水位，特征流量是指在运行流量区间内典型洪水重现期对应的洪峰流量。通过选择不同的水位和流量组合，可以模拟不同的运行情况，进而进行后续的计算和分析，以评估船闸的通航条件和安全性能。这一步骤的目的是为了限定船闸通闸运行的参数范围，为后续的结果对比提供基础数据。

根据枢纽航运规划和调度方式，确定船闸通闸运行水位及流量区间。枢纽航运规划包括船闸等级、设计船舶吨级、闸室有效尺度、通航水位等，枢纽调度方式包括枢纽调度原则，船闸及节制闸的运用条件等。

S2.以上一步确定的水位以及流量参数作为基础，分别通过物理模拟实验以及实施例一所述的计算方法得到物理模拟船闸侧分流比和公式预测船闸侧分流比。

S3.将物理模拟船闸侧分流比和计算船闸侧分流比得到公式预测误差。

应用实例

某典型运河航运枢纽工程，其平面布置如图5所示。枢纽主要建筑物包括船闸和节制闸。船闸等级为II级，设计船舶吨级2000t，船闸尺度为280m×23m×5.2m（长×宽×门槛水深），闸室底板高程为0.6m，船闸最高通航水位取20年一遇洪水位10.6m、最低通航水位取98%保证率水位5.8m。船闸、节制闸平行布置，两建筑物中心距155m，上、下游采用分流岛隔离开。节制闸按排洪流量1000m³/s确定，共计5孔，4孔边孔净宽9.5m，中孔净宽14m，闸室底板高程2.3m。枢纽上游为弯道河段，弯曲半径540m。船闸通闸运行期闸室通航水流条件预测如下：

确定船闸通闸运行水位及流量区间。当枢纽上、下游水位满足通航要求时，船闸运行，节制闸原则上处于敞开状态，船闸两侧水位相平，具备通闸运行条件。船闸通闸运行水位区间为5.8m～10.6m，流量区间为0～804m³/s（20年一遇洪峰流量）。

确定枢纽建筑物船闸、节制闸的相关几何尺度。枢纽上游河道弯曲半径=540m，船闸、节制闸两支汊分汊角/>=/>=0°，船闸、节制闸两支汊过流宽度/>=23m、/>=9.5*4+14=52m，船闸、节制闸两支汊闸室底板高程分别为0.6m、2.3m。

确定船闸通闸运行研究工况。在通闸运行水位区间内选取7个典型水位，针对每个水位进行系列流量级试验。考虑节制闸设计排洪流量标准，研究流量区间扩大至0～1000m³/s。研究工况设置见表1和表2。

计算河道来流偏转系数、两支汊分汊角余弦比、两支汊分流面积比等参数，根据式(5)计算船闸侧分流比。采用物理模型实测结果进行验证，模型比尺为1:30。船闸侧分流比公式计算结果与物理模型实测结果对比见表1，并将结果绘制成图6。可以看出，船闸侧分流比公式计算结果与物理模型实测结果基本吻合，通闸运行水位区间5.8m～10.6m范围内，公式预测误差在3%以内。

表1 应用实例船闸侧分流比公式计算值与模型实测值对比

计算船闸侧分流量及船闸闸室平均流速。闸室流速计算结果见表2，并将结果绘制成图7。可以看出，船闸闸室流速随河道来流量的增加而增大，同一河道来流量情况下，河道水位越高、船闸闸室流速越小。船闸通闸运行期，为保障船舶航行安全，闸室控制段最大允许流速为1.6m/s，据此判定各工况是否可以通航，不可通航工况见表2（下标为“不”）文字及图7标示。

表2 应用实例船闸闸室流速公式预测结果

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法，其特征在于：采用以下公式计算通闸运行期船闸侧分流比，设所述船闸侧分流比为：

式中为河道来流断面水深，/>为河道来流转弯半径，/>为船闸侧分汊角，即是船闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为节制闸侧分汊角，即是节制闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为船闸侧的过流断面面积，/>为节制闸侧的过流断面面积。

2.根据权利要求1所述的船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法，其特征在于：所述船闸侧的过流断面面积和所述节制闸侧的过流断面面积/>采用如下公式计算：

式中为船闸侧的过流宽度，/>为节制闸侧的过流宽度，/>为船闸侧的闸室水深，/>为节制闸侧的过流水深。

3.根据权利要求2所述的船闸通闸运行期枢纽建筑物分流比计算方法，其特征在于：船闸侧分流比的公式推导过程如下：

式中为系数，/>为船闸侧分流面积占干流过流面积的比值；

其中，=0.9729，/>=1.6472，/>=1.0165，/>=-0.0187，/>=17.0541；

为枢纽上游河道来流偏转系数：

为船闸侧分汊角余弦值与节制闸侧分汊角余弦值的比值：

。

4.一种应用权利要求1-3任一项所述方法预测通闸运行期船闸侧通航条件的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.给定枢纽建筑物船闸和节制闸的几何尺寸参数，几何尺寸参数包括、/>、/>，/>、、/>，/>为河道来流断面水深，/>为河道来流转弯半径，/>为船闸侧分汊角，即是船闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为节制闸侧分汊角，即是节制闸侧的过流中心线与河道来流中心线的夹角，/>为船闸侧的过流断面面积，/>为节制闸侧的过流断面面积；

S2.根据以下公式计算通闸运行期船闸侧分流比：

S3.根据下式计算通闸运行期船闸侧的分流量：

式中为河道来流流量；

S4.根据下式计算通闸运行期船闸侧平均流速：

式中为船闸侧的过流宽度，/>为船闸侧的闸室水深；

S5.给定通闸运行期船闸侧通航流速限值，将计算所得的/>与/>进行对比，若/>≤/>，通闸运行期船闸侧可以通航，若/>＞/>，则通闸运行期船闸侧不可以通航。

5.根据权利要求4所述的预测通闸运行期船闸侧通航条件的方法，其特征在于：=1.6m/s。