船闸充泄水运行过程中引航道流速和波动的调节方法与流程

本发明属于通航调度，特别涉及一种船闸充泄水运行过程中引航道流速和波动的调节方法。

背景技术：

1、人工运河是陆海新通道建设的重要载体，与天然运河相比，人工运河具有断面尺度较小的特点，船闸充、泄水运行时引航道内会产生的水位波动与水面比降不仅影响船舶在引航道内的航行阻力，也会引起船舶在引航道停泊段靠泊时的系缆力变化，引航道及口门区的流速分布影响也较为复杂。

2、为了保证引航道内水流流动及波动不会对船舶航行和停泊安全造成影响，本领域的技术人员针对人工运河的结构特点，展开了深入的专题研究，结合一维大范围模型、二维数学模型以及三维水力模型相互结合的方式，探索出了多维耦合模型与通航水流条件的关系。为大型跨水系运河通航安全提供了有力的数据、技术支撑。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：针对现有技术存在的人工运河在船闸充、泄水过程中致使引航道内巨大的水流流速和波动对船舶通航和停泊过程造成的不利影响，提供一种船闸充泄水运行过程中引航道流速和波动的调节方法。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、船闸充泄水运行过程中引航道流速和波动的调节方法，包括以下步骤：

4、步骤1、对第一船闸至第二船闸之间的区间进行区段划分；从第一船闸至第二船闸的方向，依次划分为第一区段、第二区段和第三区段；

5、步骤2、分别对步骤1划分的三个区段进行测点布置，通过设置第一船闸、第二船闸的不同计算工况条件，分别进行数学模型模拟，获取模拟试验数据；

6、步骤3、通过步骤2的试验数据确定引起引航道波高和流速分别增大的工况条件，并确定波高和流速的最大值；

7、步骤4、通过引航道最大流速估算公式和最大波动估算公式进行估算并对不同工况条件的数学模型模拟结果进行验证；

8、

9、

10、其中，vmax为引航道最大流速，zmax为引航道最大波高，qmax为闸首输水最大流量，b为引航道宽度，h为引航道水深，c为重力波波速；c为闸室水域面积，h为闸首输水廊道工作水头，t为闸首输水时间，tv为闸首输水阀门开启时间；

11、步骤5、将波高和流速的标准规范值分别带入估算公式中，获取标准规范值下的闸首输水最大流量qmax，当上述两个公式计算得出的闸首输水最大流量qmax不一样的时候取较小值作为闸首输水最大流量qmax计算值；

12、步骤6、将双线错时时间t和闸首输水最大流量的关系通过数学模型模拟进行模拟；结合第一船闸、第二船闸的情况得到通航水流条件并获得降低引航道流速、引航道波动的双线错时时间t。

13、本发明的技术方案中，以理论分析及多维耦合仿真模拟为手段，具体的，采用一维数值仿真模型模拟长距离河段的非恒定流波动特性，通过沿水深平均的二维波动模型研究引航道及口门区的流速分布及波动特性，利用三维素流仿真计算模型研究引航道内停泊段及导航、调顺段的流速分布及波动情况，系统分析第一船闸和第二船闸引航道及区间航道内的通航水流条件，明确船闸运行对引航道内流速分布、水面比降的影响，获得船闸充泄水非恒流作用下区间航道水位波动的变化规律。提出优化通航水流条件以及合理的船闸运行调度措施。

14、根据式1和式2可知，流速和波高均和闸首输水最大流量呈正相关，由此可知，通过降低闸首输水最大流量能够有效的降低流速和波高。结合数学建模计算分析，能够进一步的确认影响闸首输水最大流量的因素。通过建立该因素与闸首输水最大流量之间的关系可以找出有效降低闸首输水最大流量的通航水流条件。

15、作为本发明的优选方案，规定第一船闸为上游船闸，第二船闸为下游船闸，步骤1中，所述第一区段为第一船闸上游区段，所述第二区段为第一船闸和第二船闸之间的区段，所述第三区段为第二船闸下游区段。

16、在进行多维耦合仿真模拟过程中，对于第一区段：

17、一维数学模型模拟的范围包括第一船闸上游水库库区至第一船闸之间的沿线，上游库区为水位边界，下游船闸侧采用船闸充水过程中输水流量过程线作为边界条件。

18、二维数学模型模拟范围以一维模型计算得到的水位过程为上游控制条件，以第一船闸的枢纽充水流量为控制边界条件。采用渐变方式结构化网格，在船闸闸首附近网格尺寸为2.5-3.5m，远离船闸航道位置网格最大尺寸为10-15m进行建模。

19、三维数学模型模拟主要针对闸首导航段及进水口附近具有强三维特性水流条件的区域进行重点模拟。

20、第二区段包括二维数学模型模拟和三维数学模型模拟。

21、第三区段包括一维、二维和三维的数学模型模拟。测点布置思路与第一区段近似。

22、具体的，对于第二区段，二维数学模型模拟范围为第一船闸下闸首至第二船闸上闸首之间的区段，采用渐变方式结构化网格进行建模，并增加水位检测点用于统计水面比降和单点波动过程；三维数学模型模拟范围为第一船闸下游引航道距离船闸右侧靠船墩、一二线船闸中心线以及船闸左侧靠船墩区域进行断面检测。

23、对于第三区段，先重新进行第二船闸下游边界，选择距离第二船闸枢纽lm的位置；l根据式3-式4确定：

24、l＝v×t式3；

25、

26、其中，v为浅水波传播速度，t为浅水波传播至下游边界所需时间；g为重力加速度，h为航道水深；上游边界以第二船闸枢纽泄水流量过程为控制条件，下游以固定水位为控制条件，进行一维数学模型的建立；

27、二维数学模型以一维模型计算的水位过程为下游边界条件，以第二船闸枢纽泄水流量过程为上游边界控制条件进行建模；

28、三维数学模型区域包括第二船闸引航道、闸首进水口及部分输水系统廊道进行建模，并包括至少3个监测断面。

29、作为本发明的优选方案，步骤2中，所述计算工况包括：

30、第一船闸上下游引航道的不同水位组合条件下，单线、双线运行方式分别对引航道内波动情况、水面比降以及流速分布的影响；

31、第二船闸上下游引航道的不同水位组合条件下，单线、双线运行方式分别对引航道内波动情况、水面比降以及流速分布的影响。

32、所述第一船闸或第二船闸的运行方式包括双线充水/泄水、单线充水/泄水、双线错时。

33、通过上述不同水位组合条件下，与单线、双线运行方式以及阀门开启速度等多个条件下对引航道内波动情况、水面比降以及流速分布的监测结果能够得到船闸的平面流场模拟分布图。

34、作为较优选的技术方案，步骤2中，所述计算工况还包括每个船闸分别针对各自阀门开启速度的影响。

35、通过对不同的计算工况进行模拟统计出三个区段水位波动过程图以及船闸不同类型的充泄水运行条件下的通航水流条件。包括三个区段的水位波动与水面坡降统计信息、流速分布信息。

36、作为较优选的技术方案，通过获取步骤3的模拟结果确定出波高和流速的最大值，结合步骤4的估算公式进行验证分析。进一步优选的，通过引航道最大流速估算公式和最大波动估算公式进行流速、波动的检验计算。确定模拟结果的可靠性。由此得出的降低引航道流速和波动的方案才更具有可操作性。

37、优选的，通过式1和式2结合模拟试验数据等基础信息确定：降低引航道流速和波动的途径包括：通过降低两线船闸闸首输水最大流量；延长输水时间或放慢阀门开启速度，降低单线船闸闸首输水流量；增大引航道过水断面面积，包括加宽引航道宽度、降低引航道底高程抬高引航道初始水深等。

38、结合实际可操作性分析，延长输水时间或放慢阀门开启速度，降低单线船闸闸首输水流量会降低船闸运行效率，而降低两线船闸闸首输水最大流量负面效果更少，且通过模拟以及算式估算，能够得到影响闸首输水最大流量的因素，并加以控制，以实现最终的有效降低引航线波高和流速的目的。

39、通过不同工况组合下的数据统计比对分析发现：船闸双线同时运行下，引航道内流速与波动较大，容易超出船闸规定的最大标准值，造成不良的后果。而双线错时运行能够降低闸首输水最大流量，通过进一步的探索不同的双线错时运行与闸首输水最大流量之间的关系，找到最佳的降低流速和波动的错时运行条件。

40、作为较优选的技术方案，通过船闸不同错时时间条件和闸首输水最大流量之间的关系得出当双线错时不低于4.5min时，船闸闸首输水最大流量是双线同时运行的60％。在该条件下，引航道流速和波动值最低。通航水流条件较好。

41、上游引航道水流条件的控制工况为上下游最低通航水位组合，下游引航道流速和波动的最佳控制条件为上游最高通航水位和下游最低通航水位组合。

42、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

43、本发明的技术方案中，以理论分析及多维耦合仿真模拟为手段，具体的，采用一维数值仿真模型模拟长距离河段的非恒定流波动特性，通过沿水深平均的二维波动模型研究引航道及口门区的流速分布及波动特性，利用三维素流仿真计算模型研究引航道内停泊段及导航、调顺段的流速分布及波动情况，系统分析第一船闸和第二船闸引航道及区间航道内的通航水流条件，明确船闸运行对引航道内流速分布、水面比降的影响，获得船闸充泄水非恒流作用下区间航道水位波动的变化规律。提出优化通航水流条件以及合理的船闸运行调度措施。

44、本发明的技术方案中，通过多维耦合仿真模拟以及数学运算，获得船闸充泄水非恒流作用下区间航道水位波动的变化规律。能够进一步的确认影响闸首输水最大流量的因素。通过建立该因素与闸首输水最大流量之间的关系可以找出有效降低闸首输水最大流量的通航水流条件。