一种闸墙错层短廊道侧支孔输水的防咸船闸

1.本发明属于船闸工程与生态保护技术领域，涉及一种闸墙错层短廊道侧支孔输水的防咸船闸。


背景技术：

2.我国沿海的主要内河入海口几乎都建有泄水防潮水闸，为解决河口设闸后的通航问题，一般需修建船闸。然而在船闸运行过程中，会伴有海水入侵引起淡水和咸水的混合，污染淡水域，这个过程可能会影响数十公里范围的内陆水质，严重影响沿河沿岸工农业生产和人民生活。该入海口船闸海水入侵的主要形式主要有异重流、水位差、闸阀门漏咸等。研究表明，咸水盐度达到7.8
‰
就会与淡水形成异重流，而入海口海水盐度一般在25
‰
附近。因此，异重流是入海口船闸主要的海水入侵形式，见图1。而为了解决入海口船闸的海水入侵问题，目前对于船闸工程的防咸措施主要有气幕法、集咸坑法、置换法和可升降的咸水厢法，但这些措施操作复杂，工程量大，且运转费用很高。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种行之有效的入海口防咸船闸，巧妙利用异重流的特点，使用闸墙错层短廊道侧支孔输水结构，以水治水，且不会对船闸的输水功能和通航条件产生较大影响，具有广阔的应用前景。
4.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供如下技术方案：
5.本发明拟公开一种闸墙错层短廊道侧支孔输水的防咸船闸，包括上闸首、闸室、下闸首、上闸门和下闸门，闸室在靠近上闸首的闸墙内设有与上闸门外河口通过灌水阀门连通的灌水短廊道、在靠近下闸首的闸墙内设有与下闸门外海口通过泄水阀门连通的泄水短廊道，闸墙上开设有闸室与灌水短廊道连通的灌水侧支孔及与泄水短廊道连通的泄水侧支孔，灌水侧支孔和泄水侧支孔相对于闸墙高度方向呈错层布置，且灌水侧支孔高于泄水侧支孔。采用上述方案，本防咸船闸巧妙地设计出闸墙错层短廊道侧支孔输水结构，并通过船闸本身的输水水力结构，充分利用异重流的分层特性，以水治水，达到更加有效的防咸效果。
6.进一步，泄水侧支孔靠近闸室闸底设置。有助灌水侧支孔与泄水侧支孔的错层结构设置，并在下闸首的泄水阀门开启泄水时，能够对闸室闸底的咸水进行有效排放。
7.进一步，灌水侧支孔和泄水侧支孔各自在闸室的同一水平高度的两侧闸墙上设置。相比于单侧闸墙向闸室灌水，可降低对闸室水体的扰动。
8.进一步，两侧闸墙上设置的灌水侧支孔错位布置。其错位布置的灌水侧支孔可以降低灌水对闸室内水位的扰动，有助于咸水层与淡水层的错位分层。
9.进一步，灌水侧支孔和泄水侧支孔均在闸室长度及高度方向的闸墙上设置为至少一排的多列孔阵结构。以形成多层出水，降低灌水对闸室内水位的扰动。
10.本发明的优点在于：本防咸船闸的设计是基于以水治水的设计理念，充分利用异
重流的分层特点，采用闸墙错层短廊道侧支孔输水结构，以将闸墙灌水短廊道布置在闸室咸水楔之上，闸墙泄水短廊道布置在闸室咸水楔底部，且灌水短廊道靠近上闸首，泄水短廊道靠近下闸首，以在船闸灌水的同时避免淡水和咸水大范围掺混，一方面，起到淡化闸室上部水体的作用；另一方面，咸水在重力作用下向闸室底部运动，维持闸室上部淡水、下部咸水的分层效果。之后咸水通过泄水短廊道泄入下游引航道，有效防止海水侵入至上游内河，达到船闸输水和防咸的双重目的。
11.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
12.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
13.图1为入海口船闸下闸门开启后异重流入侵瞬时模拟图片；
14.图2为本发明防咸船闸的立体结构图；
15.图3为图2的正面示意图；
16.图4为图2的俯视示意图；
17.图5为闸墙错层短廊道侧支孔输水结构灌水中咸水入侵瞬时模拟图片；
18.图6为闸墙底廊道输水结构灌水中咸水入侵瞬时模拟图片；
19.图7为闸墙错层短廊道输水结构灌水中不同时刻水体密度随距闸底距离变化图；
20.图8为闸墙底廊道输水结构灌水中不同时刻水体密度随距闸底距离变化图；
21.附图中标记如下：上闸首1，闸室2，下闸首3，灌水短廊道4，灌水侧支孔5，泄水短廊道6，泄水侧支孔7，灌水阀门8，泄水阀门9，上闸门10，下闸门11。
具体实施方式
22.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
23.如图2
‑
4所示，本实施例中提供的一种闸墙错层短廊道侧支孔输水的防咸船闸，包括上闸首1、闸室2、下闸首3、灌水阀门8、泄水阀门9、上闸门10和下闸门11，灌水阀门8和上闸门安装于上闸首1，泄水阀门9和下下闸门安装在下闸首3，闸室2在靠近上闸首1的闸墙内设有与上闸门10外河口通过灌水阀门8连通的灌水短廊道4、在靠近下闸首3的闸墙内设有与下闸门11外海口通过泄水阀门9连通的泄水短廊道6，闸墙上开设有闸室2与灌水短廊道4连通的多个灌水侧支孔5及与泄水短廊道6连通的多个泄水侧支孔7，灌水侧支孔5和泄水侧支孔7相对于闸墙高度方向呈错层布置，且灌水侧支孔5高于泄水侧支孔7。
24.具体的，对于内河入海口船闸而言，船舶上行时，当闸室水位与海平面相平时，船闸下闸门打开，由于海水咸水密度大于内河淡水密度，形成异重流。异重流随潮从闸底侵入，淡水从表层泄入海中，形成盐水楔。由于盐分扩散到水体中而导致盐楔驱动减弱，前锋速度减小，淡水集中在闸室上部，咸水受重力作用集中在闸室底部，形成淡咸水分层。并将闸墙灌水短廊道布置在闸室咸水楔之上，闸墙泄水短廊道布置在闸室咸水楔底部。当在船舶进入闸室后，下闸门关闭，上闸首的灌水阀门打开，开始灌水。这时，上游淡水通过闸墙的灌水短廊道的灌水侧支孔在闸室上部灌入闸室中，淡水不会与盐水楔形成大面积对流而发生大量掺混，基本维持闸室上部淡水、下部咸水的分层效果。因此闸室上部水体含盐量极低。当闸室水面与上游水面齐平时，上闸门打开，船舶进入内河，此时入侵内河的水体含盐量较低或几乎没有。当船舶下行时，闸室底部咸水通过下闸首的泄水短廊道泄入海洋。由于河流入海口水头较小，灌水、泄水短廊道的设计既能够使其避免与盐水楔顶部接触而发生淡盐水大量掺混，同时又极大缩减了船闸输水系统的施工量。
25.下面举例来说明，设计的船闸尺度为：闸室有效长度100m，闸室有效宽度12m，闸室高度30m，设计水头15m。根据《jtj 306
‑
2001船闸输水系统设计规范》设计规范要求，阀门断面处廊道断面面积ω＝12.74m2，取单侧进水口面积为12.74
×
1.8/2＝14.81m2,宽和高均为3.39m；单侧主廊道断面面积为12.74
×
1.3/2＝8.28m2，宽和高均为2.88m；单侧廊道出水断面总面积为12.74
×
1.6/2＝10.19m2，单侧短廊道布置12个出水孔，单孔出水断面面积为10.19/12＝0.85m2，宽和高均为0.92m。同时在进水过后设置鹅颈转弯段，断面面积形式与主廊道相同。
26.根据研究成果，在已知船闸尺度、水深、水质盐度的条件下，可以计算任何时刻入侵闸室的咸水体积v和盐量w，m为进入闸室的咸水水体闸室水体的百分数(成为交换系数)，n为无因次数，l为闸室有效长度，这里取l＝100m，闸室宽度b＝12m，水深h＝10m，海侧闸门开闸前闸室水质初始盐度s
0闸
＝4
‰
，开闸前海侧水质盐度s
海
＝25
‰
，海水密度ρ1＝1030kgf/m3,淡水密度ρ0＝1000kg/m3，开闸及船舶驶入闸室和停靠时间t＝30min；则
[0027][0028]
当0≤n≤4时，m＝0.215n；
[0029]
当4≤n≤8时，m＝0.72+0.024n；
[0030]
当8≤n≤15时，m＝0.875+0.005n；
[0031]
计算得m＝0.220,盐量w＝(s
海
‑
s
0闸
)lbhm＝68.65t，盐水体积v＝lbhm＝3269.16m3，咸水平均高度δ＝2.7m。为达到防咸的目的，灌水廊道出口高度需高于海水侵入到闸室中的平均高度，取为7.5m，灌水廊道长度取100/3＝34m。泄水廊道尺寸与灌水廊道相同，安装在闸室底部靠近下闸首处。
[0032]
概化物理模型试验：概化物理模型按1：100的比尺设计制作实体模型，包括上闸首、下闸首、灌水短廊道、泄水短廊道、溢流板、潜水泵、蓄水桶等，由有机玻璃制作的三个水槽作为船闸上闸首、下闸首和闸室，为提高物理模型的精确度，闸墙错层短廊道侧支孔输水结构采用3d打印方式，使用溢流板和潜水泵保持上游水位一定，保证灌水短廊道具有稳定的进口条件。在实验开始前，下闸首内是盐度为25
‰
的盐水，并使用蓝色染色剂着色，上闸
首和闸室内是清水。之后模拟船闸运行过程，通过闸室水体各部颜色的变化，展示船闸海水入侵过程，观察闸墙错层短廊道输水结构的防咸效果。从实验过程中可以看到，如前所述，打开闸门后咸水以异重流的形式侵入闸室内；灌水时，清水与咸水几乎不发生掺混，分层稳定，闸室上部水体颜色明显较浅，颜色较浓的水体被排挤到闸室下部；泄水时，闸室下部颜色较浓的水体通过泄水短廊道泄出。由此可见，闸墙错层短廊道侧支孔输水结构的防咸效果明显。
[0033]
数值模拟分析：为了进一步验证闸墙错层短廊道侧支孔输水结构的防咸效果，利用fluent软件对异重流的入侵与本输水结构的灌水过程进行三维数值模拟，多相流紊流模型采用k
‑
ε双方程。模型参数设置如下：模型全长100m，宽12m，高30m。淡水密度为1000kg/m3，粘度为0.001003kg/(m
·
s)，海水密度为1030kg/m3、粘度为0.001056kg/m
‑
s。模型两侧布置输水口共24个，单个侧支孔面积为0.8m2，侧支孔距闸底6m，输水总流量为51m3/s。闸室内初始水位设置为10m，当闸室水位达到20m后停止输水。为了对比闸墙错层短廊道侧支孔输水结构与闸墙底廊道输水结构的防咸优势，同样利用fluent软件对闸墙底廊道输水结构进行数值模拟。在数值模拟结束后输出闸室内靠近上闸首处的密度数据。对比工况参数设置如下：两侧布置侧支孔共24个，单个侧支孔面积为0.8m2，输水口距闸底1m，输水总流量为51m3/s。闸室内初始水位设置为10m，当闸室水位达到20m后停止输水。
[0034]
如图5、6所示，对比闸墙错层短廊道侧支孔输水结构和闸墙底廊道输水结构的盐水入侵瞬时图像定性分析。前者在灌水时，盐水与淡水分层明显，水流流态稳定，几乎不发生大量掺混，闸室上部水体盐度极低；反观后者，在灌水时，流态混乱，盐水与淡水掺混明显，闸室上部水体掺入较多盐水。
[0035]
如图7、8所示，同时，从距离闸底不同高度的密度监测点摘取的密度量值定量分析，绘制t＝3s、102s、240s时刻水体密度随距闸底距离变化图。闸墙错层短廊道侧支孔输水结构灌水时，闸室内水体密度随着高度的上升而逐渐减小，在距闸底约3m的位置水体达到1000kg/m3，该处可作为盐水与淡水分层位置，且随着灌水时间的推进，分层位置几乎不发生变化。反观闸墙底廊道输水结构灌水时，灌水时间达到240s时，距闸底10m位置处水体密度仍大于淡水密度且震荡不定；而灌水时间不同，淡水和盐水分层位置也相差悬殊，最高可达9m。
[0036]
综上所述，闸墙错层短廊道侧支孔输水结构极大程度地消减了淡水与盐水掺混，维持闸室内淡水和咸水的稳定分层状态，使得闸室上部水体密度接近淡水密度，从而有效防止咸水侵入上游内河，因此，防咸效果显著。
[0037]
上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。