口门区几种典型流态的相关分析及研究进展

摘要：船闸引航道口门区水流条件跟船舶的安全通航息息相关。本文结合前人在丁坝、单边突扩水流作用等方面的研究，对回流、横流、斜流的相关研究成果进行了总结，以期为后续研究提供参考。

关键词：引航道；口门区；水流条件；不利流态

船闸引航道与河流湖泊相连的口门区，是船舶进出引航道的必经之路。在过去的的研究中，物理模型试验得到了广泛的应用，但是这些试验大部分都是为具体工程实例服务，得到的成果具有一定的局限性。对于回流、横流、纵流等引航道口门区水流现象的理论分析，极少见到相关的报道。因此很有必要对前人在相关领域（丁坝、单边突扩水流作用）下的成果进行简略的总结，为本研究提供借鉴[1-2]。

1 回流研究

回流是指在河流弯道或者在口门区的斜流作用下，产生的分离性涡旋。它的研究近百年历史了。在20世纪初，世界上第一个河工实验室由H·Engels建立，并在其中进行了清淤工程的模型试验，初探了消减回流的措施；随后，J.R. Freeman在理论层面上对回流的产生进行了初步分析，提出回流是由边界与水流边界分离产生的观点；20世纪中叶，随着航运事业的迅猛发展，盲肠回流水流运动规律的研究愈显迫切，V.M.Pone等研究了空腔回流边壁阻力的分布，提出了回流平面流场的概念；1989年刘青泉[3]基于物理模型试验，从理论层面对挟沙力、盲肠回流进行了详尽的探索。

以上的专家学者的研究填补了回流理论领域的空白，解决了许多实际工程问题，为下一步深入研究口门区水流条件和水流结构打下来坚实的基础。

2 斜流研究

我们通常称在动水与静水交界处形成的，与航槽线呈一定角度，不利于通航的流态为斜流。斜流可以分为横向流速与纵向流速。横向、纵向流速可以表示为：

V1=Vsinβ（1） V2=Vcosβ（2）

式中：V1为横向流速；V为斜流；V2为纵向流速；β为斜流与航线之间的夹角（下同）。

3通航水流条件标准

通航水流条件规范要求的标准值，是船只能否安全通航的惟一标准，并且限值的大小关乎通航建筑物的布置、投资及吞吐量。对此，国内外专家学者进行了大量的研究。

3.1 国内的研究状况

上世纪50年代，我国在进行京杭运河船闸建设期间，进行了船闸通航水流条件初始探究：船闸口门区纵向流速V2≯2.0-2.5m/s ，横向流速V1≤0.2-0.3 m/s ，回流流速≤0.4m/s ，引航道轴线与水流流线夹角要介于15°到20°之间，并提出了舵效指标、横移指标等水力指标；1971年5月开工兴建的葛洲坝船闸，通过水工和船模试验后，研究出改善水流条件的方法，并且规定：船闸上游口门区的V2≤2 m/s ，V1≤0.3 m/s。在此项目中，遥控自航船模得到首次应用，由此研究提出了漂角、操舵角的规定[4]，如操舵角δ≤ 20°；80年代开始，船闸的通航水流条件得到了更深入的研究，进行了水工和船模动水校核等项试验，由此得到顶推船队在不同航速时对应的横向流速限值（V=8.51 V1），并要求船舶在不均匀的横流航行区域，在发生偏转运动时，横向流速对船体的转动力矩应该小于船舶舵的转动力矩；在论证三峡水利枢纽船闸的过程中，采用了遥控自航船模与整体物理模型相结合的方法，研究了各个枢纽布置方案的通航水流条件。特别是采用物模和数模对中间渠道的不稳定流的研究，取得了可喜的成果，填补了空白。这些成果都为后期规范的制定提供了依据。根据04年施行的规范[5]的规定，口门区水面最大流速限值如表1所示。

表1 引航道口门区水面最大流速限值表

3.2 国外的研究状况

在船闸口门区通航水流条件研究中，前苏联、西德、美国等国家走在了前列。

苏联米哈依洛夫[6]最早提出了安全通航的概念，规定航道轴线与水流方向间夹角要介于15°到20°之间，横向流速V1=0.2～0.3m/s。前苏联规范几易其稿，现在采用规范的规定更加详实，且允许值有适当调高（见表2）。

表2 前苏联船闸引航道及连接段水面最大流速限值表

西德联邦水工研究所在的研究中，为找到最佳的口门布置，进行了大量的试验研究，得出口门区横向流速控制在0.3米/秒时，对船舶航行影响程度较小。J.W 迪次随后在模型试验中，对横流流速进行了系统的研究，认为水流、航道宽度、船舶的传动功率等因素有利的情况下，横向流速可超过0.3米/秒。

4存在的问题与研究方向

由于口门区的几种典型流态影响因素众多，现如今的研究工作还有其他因素没有考虑到，因此以后我们的研究工作可以从以下几个方面着手：

（1）虽然目前施行的规范对船闸通航水流条件的限值做了具体规定，但由于水流条件、的复杂性，周华兴等撰文对限值的合理性进行了讨论，提出规范标准值的大小还有待修正。

（2）根据上面第三章的可知，有关理论还不够系统。例如有关横向流速的概念模糊，容易与瞬时速度、平均速度混淆，如果是瞬时速度，每个测点都满足规范要求是困难的。

参考文献：

[1]朱红，郝品正.导流墩改善船闸引航道口门区水流条件试验研究[D].长沙：长沙理工大学，2006.

[2]李伟，刘晓平.透空隔流堤对船闸引航道口门区水流条件影响研究[D].长沙：长沙理工大学，2007.

[3]刘青泉. 回流饱和挟沙力[J]. 水利学报， 1996， （6）：39-47.

[4]周华兴，郑宝友.船闸口门外连接段通航水流条件标准的初探[J].水运工程， 2004， （4）：62-67.

[5]GB50139-2004，内河通航标准[S].

[6]米哈依洛夫.华东水利学院等译.船闸[M].上海：上海科学技术出版社，1957.

推荐访问： 研究进展 几种 典型 分析 相关

---