内河船闸集中输水系统输水过程优化研究

朱增伟 储伟杰

摘 要：本文在梳理内河船闸集中输水系统水动力学分析物理模型试验研究和原型观测研究的基础上，建立了输水过程优化模型，对其设计变量、目标函数以及约束条件等进行深入探讨，最终完成了内河船闸集中输水系统布置及其运行方式研讨，旨在为我国内河船闸航运体系中集中输水系统输水能力优化与提升带来更多参考和启迪。

关键词：船闸集中输水系统;输水过程;优化

中图分类号：U641.1           文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2020）10-0134-02

随着我国经济社会的快速发展和科技水平的不断提升，水利工程建筑施工规模进一步扩大，投资额度不断增加，船闸作为我国现当代内河航运建设中通用的建筑物结构形式，其集中输水系统效能的优劣直接关系到整个水利过程效率的高低，因此，对内河船闸集中输水系统出水过程的优化研究有其重要理论意义和现实价值。

1船闸集中输水系统概述

船闸是近年来我国内河航运建设和船舶通行采用模式最广的通航建筑物形式，船闸集中输水系统更是我国船闸工程建设最广泛的输水系统模式，主要应用于10米以下水深的船舶通航。由于内河船闸输水系统的设计不仅直接关系到船闸的实际通航能力，关系到船闸工程及其附属结构物的经济效益，更关系到内河过闸船舶的航运安全。因此，内河船闸输水系统相关问题的探讨与研究一直以来都是船闸工程建设的关键技术。一般而言，船闸输水系统主要包括闸坝、船闸和电站三部分，船闸往往布设在岸边。实际深度与内河通航船舶要求相适应，船闸上游最低通航水位与最高通航水位与当地气候条件相呼应，更需考虑水库正常蓄水状态、新修船闸过渡时期下游最低通航水位等诸多要素。在内河船闸通航输水系统设计过程中，闸室墙可采用坞市结构，最大限度保证船闸闸室底板结构安全，并在闸室底板上铺设钢筋混凝土盖板，以出水孔方式保证水流能从闸室底板流出闸室出水孔。为进一步对船闸集中输水系统的输水过程进行优化，本文建立了船闸模型，以重力相似基本原则涵盖了船闸、上下游引航道、进出水口、輸水廊道甚至消能工等诸多重要部分，将上游引航道长度与下游引航道长度直接与现实相协调，上下游水位借助溢流式平水槽调节控制，以阀门开启和关闭点击驱动方式实现船闸输水系统的自动开启与关闭。图1即为船闸输水系统模型布置图。

2输水过程优化模型的建立

2.1设计变量

一般而言，内河船闸输水系统设计时，主要考虑输水系统阀门匀速开启状态下的输水流量过程线，该过程线如图2所示。由图可知，在内河船闸输水系统阀门开启阶段，其输水流量过程主要呈现抛物线状态分布，tv为船闸输水系统阀门开启所需时间。当阀门开启完毕后，内河船闸输水系统输水流量过程线呈现直线分布状态，其斜率为定值题，T则为整个内河船闸输水系统的过水时间。由该水流量过程线分布可知，内河船闸输水系统初始阶段的实际流量增率和波浪率较大，而中期阶段的流量力、局部力和流速力也较大，整个内河船闸输水系统的输水时间较长。

在此基础上，想要对内河船闸输水过程进行优化改良，只能对阀门开启阶段进行不断优化，使优化后的tv与船闸阀门均匀开启时的tv值有所变化，图3即为船闸输水系统优化输水流量过程示意图。在阀门开启阶段，其船闸输水系统输水流量分为v时段，将各时段记为δti，内河船闸输水系统输水流量为Qi。

2.2目标函数

内河船闸集中输水系统的输水过程优化是针对于船闸阀门均匀开启阶段，对其整个开启时间进行优化改良，保证船闸集中输水系统整体输水时间最短，从而得出其目标函数：

2.3约束条件

在内河船闸集中输水系统出水过程的优化目标函数设置完成后，对整个输水过程进行约束条件设置，首先是输水体积约束条件，优化后的输水流量过程线和横坐标所包含的几何图形面积应与内河船闸集中输水系统船舶通航所需输水体积完全相等。其次，就输水系统流量系数约束问题而言，在内河船闸集中输水过程中，输水量大小由于受到输水系统设备运输能力的限制，其流量系数不能超过船闸集中输水系统阀门完全开启后的流量系数。就内河船舶的停泊约束问题而言，由于船闸集中输水系统输水流量过程满足船闸过闸的停泊条件，影响船闸停泊条件因素主要通过船闸所受缆绳大小衡量，因此，在内河船闸集中输水系统输水过程优化时，船舶所受缆绳拉力必须小于允许的缆绳拉力值。

3输水系统布置及运行方式

内河船闸集中输水系统布置及运行方式主要包括输水系统布置、船闸运行方式以及水光模拟试验三大部分。就输水系统布置问题而言，主要包括船闸灌水系统和船闸泄水系统两大方面内容。灌水系统上闸首进水口往往采用挡洪平板钢闸门，进水口利用围墙顶层栅缝进水，在经过围墙后竖井分流至两边船闸底部水平环绕廊道，分别进入左右的道口下，形成由两侧部分分流的变化，以此调整船闸集中输水系统的过水孔面积及其横向变化，保证水流均匀分散并得到充分利用。

就内河船闸集中输水系统的泄水系统设置问题而言，由于集中输水系统的首次卸水时间大致为十分钟左右，而泄水系统的闸首结构和上闸首结构同属钢筋混凝土整体式结构。因此，需在内河船闸输水系统一面设置挡水钢板，一面设置平板检修门，确保船闸集中输水系统检修达成相应标准后启动排架柱，用抬车将其放置到标准位置。同时，考虑到内河船闸集中输水系统可能存在淤积问题导致的船舶吃水深度降低，进一步设置了船闸集中输水系统的下闸首最低通航位置和通航水位条件。就船闸实际运行方式而言，通常情况下的船闸运输方式为单向过闸，而单向过闸时间大致为40分钟左右。在内河船闸下游一字门打开且船舶进入闸室后，关闭下游一字门及其泄水工作设备，保证上游输水廊道工作门打开，使船闸处于水源充足状态。待闸内水位与上游水位齐平后开启上游平板工作门，使船闸进入上游引航道，完成单向过闸程序。

为进一步强化内河船闸集中输水系统输水过程优化模型的实际应用，本文对船闸整体水工室模型进行试验，测量了船闸上游、下游口门区的实际流速分布，分析了船闸上下游通航条件，表1即为内河船闸上下门区的最大流速统计表。由表可知，当上下游航道门区的实际通航条件满足安全运行规范及国家相关要求，即在保证纵向流速小于1.5米每秒、横向流速小于0.25米每秒、回流流速小于0.4每秒的状态下，船闸集中输水系统的整个输水过程便能得到强有力优化。

4结论

整个内河船闸集中输水系统输水过程的优化模型计算表明，在使用优化方案后，在船闸阀门的均匀开启过程中，能有效减少船闸集中输水系统输水时间，不断提高船闸实际通航能力。也就是说，在原有船闸实际出水时间相同的情况下，能大幅度改善船闸过闸船舶的实际停泊条件，在实施优化方案后能缩减20%左右的输水时间，能保证船闸集中输水过程中产生的能量值达到整个内河船闸集中输水系统阀门开启状况下的最大者，能够实现船闸集中输水过程的最大流量、最大能量和最大比能值。因此，在后续对内河船闸集中输水系统输水时间优化时，可不断强化约束条件控制值取值精确度，进一步完善船闸集中输水系统输水过程优化模型，扩大船闸集中输水过程优化模型实际应用范围，为不断挖掘船闸集中输水过程优化潜力和提高船闸通行能力提供更大支持。

参考文献：

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[2]王兆斌，徐奎，陈亮，张旭进.红岩子船闸输水系统优化设计[J].水运工程，2017，12（11）：166-168.