大运河旅游船闸设计理念与设计方法.pdf

水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期Water Resources and Hydropower Engineering Vol.54 No.S2范子训,李中华,李君超,等.大运河旅游船闸设计理念与设计方法J.水利水电技术(中英文),2023,54(S2):194-199.FAN Zixun,LI Zhonghua,LI Junchao,et al.Design concept and method of the tourist ship lock of the Grand CanalJ.Water Resources and Hydropower Engineering,2023,54(S2):194-199.大运河旅游船闸设计理念与设计方法范子训1,李中华2,李君超3,巩 媚1,穆永梅1(1.北京市水务规划研究院,北京 100048;2.南京水利科学研究院,江苏 南京 210029;3.永定河流域投资公司,北京 100091)收稿日期:2023-05-11作者简介:范子训(1964),男,正高级工程师,学士,从事水利、水运工程设计工作。E-mail:bjwnb2011 摘 要:发展旅游航运是大运河文化带建设的重点内容之一。在分析旅游船闸设计难点的基础上,结合大运河北京段旅游通航定位、游客需求、游船选型尺寸,确定了旅游船闸规模和总体布置。针对旅游船闸输水效率高、游船吃水浅、表层水流影响明显等特点,设计了适合旅游特点的船闸输水系统,并通过 1 15 物理模型对船闸输水水力特性、船舶停泊条件和旅客舒适性进行了探讨。最后对大运河旅游船闸的景观设计理念和联合调度系统进行了简要介绍。关键词:船闸;旅游;大运河;输水系统DOI:10.13928/ki.wrahe.2023.S2.031中图分类号:U641文献标志码:A文章编号:1000-0860(2023)S2-0194-06Design concept and method of the tourist ship lock of the Grand CanalFAN Zixun1,LI Zhonghua2,LI Junchao3,GONG Mei1,MU Yongmei1(1.Beijing Institute of Water,Beijing 100048,China;2.Nanjing Hydrolic Research Institute,Nanjing 210029,Jiangsu,China;3.Yongding River Investment Co.,Ltd.,Beijing 100091,China)Abstract:The development of tourist navigation is the main content of cultural construction of the Grand Canal.This paper ana-lyzes the difficulties in the design of a tourist ship lock and determines the scale and overall layout of the grand Canal tourist ship lock,based on the navigation orientation,the demand of tourists and the selection of tourist ships.In view of the high efficiency of tourist ship lock,shallow draft of tourist ship and the influence of surface flow,a filling and emptying system in consideration of the tourism characteristics is designed,and the hydraulic characteristics of the ship lock,the conditions of berth and the passengers comfortableness are discussed with 1 15 physical model test.At the final part of this paper,the design concept of landscape and the co-schedule system of the Grand Canal tourist ship lock are briefly introduced.Keywords:ship lock;tourist;Grand Canal;filling and emptying system0 引 言0 引 言 旅游船闸是以旅游、休闲为主要目的,建设在城市水系、人工运河以及 VI 级以下航道的特殊专用船闸。京杭大运河自北京至杭州全长约 1 794 km,黄河以南段已经全部通航。2019 年 2 月,国家发布了大运河文化保护传承利用规划纲要,提出要推动北京段、天津段、河北段优先实现旅游通航。大运河北京段全线通航,京冀段互连互通,自上而下规划建设甘棠船闸、榆林庄船闸、杨洼船闸、曹店船闸 4 座旅游491范子训,等/运河旅游船闸设计理念与设计方法水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期船闸。与传统河流上以货运为主的普通船闸不同,旅游船闸对通航的安全性和舒适性要求较高。结合上海、广州、重庆等城市游船业发展实际,汪德贵1对我国城市内河游船发展存在的困难和未来发展进行了研究。李晓华2通过梳理江西通航旅游产业的现状,发现在发展过程中存在的问题,并针对这些问题提出相关建议。黄学伟等3介绍了北运河流域基本情况、北运河旅游通航标准和通航时间,计算了北运河旅游通航需水量,从北运河水资源量、配置、径流量等角度分析了水源条件。然而,目前对旅游通航船闸的设计方案研究甚少,为此结合旅游船闸设计难点,本文对船闸规模、输水系统布置、输水水力特性、闸室停泊安全以及梯级调度等一系列相关内容进行研究。1 北运河概况1 北运河概况 北运河以北关拦河闸为起点,南流至通州区牛牧屯出境,北京段河道长度 40.1 km。沿途有凉水河、丰字沟、减运沟、凤港减河及凤河等汇入,自上而下依次有北关拦河闸、甘棠水闸、榆林庄水闸、杨洼水闸 4 座拦河建筑物,过杨洼水闸后出北京市境入河北,曹店橡胶坝为河北省境内首座拦水建筑物。北运河河道常年有水,正常水深 2.04.0 m,主河槽底宽140200 m,经过测算,水资源量、最小转弯半径等均满足航道级别要求。为了确保北关闸下游至杨洼闸上游段河道的全线旅游通航,实现船舶航行过闸的目的,需在现状拦河闸处修建通航建筑物,逐级克服水头差。图 1 水位高差示意(单位:m)2 旅游船闸设计难点2 旅游船闸设计难点2.1 船闸闸室规模确定 目前内河通航标准和船闸设计规范,对城市水系以旅游休闲为主的船舶和船闸尺度无相关明确要求。按照船闸总体设计规范(JTJ 3052001)4中 VI级航道船闸规模设计,船闸规模与船型不匹配,一方面导致船闸闸室面积大量浪费,另一方面会导致游船过闸时间过长,游客体验差,需要结合该区域通行游船尺度,确定船闸闸室尺寸。此外,为满足灵活调度、高效通畅的基本要求,旅游船闸一般采用双线布置。目前,我国的旅游船闸基本均为此类布置,双线单次过闸船舶数量多为 4 艘(见表 1)。表 1 国内部分旅游船闸规模情况工程名称船闸规模桂林春天湖船闸双线船闸,每线闸室有效长度 18.00 m,有效宽度 9.00 m,每线可同时通过旅游船 2 只,双线通航能力总计 4 艘桃花江肖家船闸双线船闸,每线闸室有效长度 38 m,有效宽度 6 m。双线通航能力总计 4 艘桃花江徐家船闸双线船闸,双线通航能力总计 4 艘济南大明湖船闸双线船闸,每线闸室有效长度 21.5 m,有效宽度 5 m,每线可同时通过旅游船 2 只,双线通航能力总计 4 艘2.2 输水系统型式选择 为提升游客体验,需要大幅压缩过闸时间,实现快速充泄水,但旅游客轮吃水较浅,重心偏高,船舶受闸室充泄水表层水流影响明显,且旅游通航对过闸舒适性和安全性要求较高(见表 2),需要对船闸输水系统进行合理布置,选择消能效率高的输水系统,以使闸室水流流态及水面升降具有更好的平稳性,保障游船安全、舒适、快速通过。表 2 船舶过闸舒适性指标参考值垂向加速度/g横向加速度/g横摇幅值/()人员分类0.200.106.0船长、船员0.150.074.0船员、水手0.100.053.0船上工作人员0.050.042.5一般旅客0.020.032.0游船旅客2.3 生态景观要求 生态景观功能是旅游船闸设计必须考虑的问题,主要包括船闸在生态、文化、艺术、环境友好、用户体验等方面的综合作用。自然优先和生态文明是船闸591范子训,等/大运河旅游船闸设计理念与设计方法水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期景观设计要遵循的首要原则,一方面要注重保护自然景观资源,充分显露自然元素,展示自然生态,另一方面也要有地域化特征,注重工程的生态效益和价值。2.4 联合调度及智慧运行要求 为满足船舶快速过闸及舒适性要求,通常旅游船闸水头较低,且多为梯级布置。梯级联合调度能显著提升船闸运行效率,确保游船快速、安全、便捷通航。联合调度重点考虑船闸之间交通流问题、运行流程自动控制问题、整体调度和统一管理问题。智慧运行则主要包括船闸运行智能化、设备管理自动化、船舶互动便利化等原则,利用 5G、互联网+等技术提高梯级旅游船闸数值化运行管理水平。本文将以我国北运河梯级旅游船闸群为依托,说明旅游船闸的设计理念和方法,重点从水动力学角度解决船闸输水安全和船舶过闸舒适性难题。3 旅游船闸闸室规模确定3 旅游船闸闸室规模确定3.1 通航船舶尺度 目前国内外旅游、休闲船舶尺度没有统一的国家标准,为此研究调查了北京境内现有游船尺寸以及北运河更新改造游船尺寸,并调研国内已开展旅游通航的相关船闸案例,如桂林两江四湖船闸等。北京市目前旅游通航的主要河段有北运河甘棠以上河段、昆玉段以及密云水库库区,经调查各河段游船尺寸如表 3所列。表 3 北京市主要河段现有游船尺寸统计游 船北运河游船密云水库北京 1 号密云水库北京 2 号昆玉段游船尺寸(长宽)/mm276308256276目前,北运河甘棠闸上游河段正在运行游船均需改造为新能源动力船,计划新增游船及更新改造游船尺寸如表 4 所列。表 4 北运河计划更新改造游船尺寸统计游 船新增纯电动新能源船改造燃油动力船改造燃油动力高端接待船尺寸(长宽)/mm204.229.87.829.87.8综合上述船型资料,北运河(通州段)旅游船闸最大通航游船尺度为 30.0 m8.0 m(长宽),设计船舶吨级 300 t。3.2 通航客运量分析 根据内河通航标准(GB501392014)5,船闸通过能力应满足设计水平年内各期的客货运量和船舶过闸量要求。船闸的设计水平年应根据船闸的不同条件采用船闸建成后 2030 年;对增建、改建或扩建船闸困难的工程,应采用更长的设计水平年。根据北京市旅游发展委员会编写的北京市大运河文化带水上旅游产品规划设计及管理运营机制研究,通州北运河水上旅游未来市场潜力巨大,2021 年至 2025年,北运河水上旅游年均接待量 105 万人次,2026年至 2035 年,北运河水上旅游年均接待量 250 万人次。3.3 船闸规模尺度 结合表 1 所列我国类似旅游船闸布置型式,北运河各旅游船闸均采取双线布置,闸室平面有效尺寸为 65 m10 m(长宽),一次可通过 6 条 20 m4.2 m 的纯电动新能源船,或 2 条 30 m8 m 的大型游船。船闸规模既可满足当前需求,也照顾了远期需要,游船可一上一下,同上同下,调度灵活,运行保证率高。船闸门槛水深取 2.5 m,满足船闸总体设计规范(JTJ3052001)4对于最小门槛水深的要求。4 旅游船闸输水系统设计4 旅游船闸输水系统设计4.1 输水系统选型分析 北运河系列梯级枢纽水头最高的船闸设计水头为2.9 m,平均输水时间要求约 3.5 min,代入输水系统类型选择的比值系数计算公式后得 m=T/H=2.05。根据输水系统选型原则,可采用侧闸墙长廊道闸室横支廊道支孔出水和闸底长廊道侧支孔出水两种较复杂式分散输水系统,并根据输水系统性能和工程需求选定其一作为最终方案。4.2 输水系统方案比选4.2.1 单侧闸墙长廊道闸室横支廊道支孔出水型式由于船闸采用双向布置并同期建设,对单侧闸墙长廊道闸室横支廊道两区段布置方式进行研究,根据船闸输水系统设计规范(JTJ 3062001)6取单侧闸墙主廊道断面面积为(12.0)m2.4 m(宽高)=4.8 m2。充水阀门后船闸输水廊道采用顶扩平底体型。闸室内设置两个出水区段,每个出水区段布置两根横支廊道,为保证出水水流尽量均匀,横支廊道断面宽度沿水流方向逐渐递减。每根横支廊道每侧布置 4 个等面积侧向出水支孔,最小的支孔长度取为 0.8 m。支孔出口消能明沟宽度 2.1 m,明沟挡槛的高度 1.6 m。进、出水口均采用槛上多支孔型式。另外,由于船闸采用双线布置,双线船闸的闸墙主廊道需平行地布置在中隔墩内,中隔墩闸墙厚度至少要 11 m。691范子训,等/运河旅游船闸设计理念与设计方法水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 2 单侧闸墙长廊道闸室横支廊道支孔出水示意4.2.2 闸底长廊道侧支孔出水型式根据船闸输水系统设计规范(JTJ 3062001)6计算闸底主廊道断面面积为 1.8 m2.8 m(高宽)=5.04 m2。为了减小闸室底板厚度,采用侧支孔出水及明沟消能布置,闸底主廊道均为两区段出水布置,共布置 20 个出水支孔,每区段两侧各布置 5 个出水支孔。为保证出水支孔水流较平顺并减小出水支孔的形状阻力,支孔长度 L=1.0 m。利用两侧闸墙挡槛对水流进一步消能,档槛的高度1.3 m。进、出水口均采用导墙上多支孔型式。4.2.3 比选结论闸底长廊道输水系统由于不需要在闸墙内布置主廊道,闸室输水时水流直接由布置在闸室底部长廊道上的支孔流入(出)闸室,该型式具有以下优点:(1)对船闸闸墙结构尺寸没有要求;(2)输水时水流由底部进入闸室,水流消能条件较好,可较好地适应阀门单边或不同步开启的工况。由于闸底长廊道侧支孔出水可减少两线船闸中隔墩宽度,结构简单,水力特性较为优越,故北运河甘棠和榆林庄船闸以此为输水系统布置方案。4.3 输水水力特性 通过模型比尺 L=15 的物理模型,对水头最高的榆林庄船闸(H=2.9 m)输水系统进行了试验研究,试验主要考虑两种水位组合工况,船闸输水水力特征值如表 5 所列。表 5 中试验结果表明,最大设计水头条件下,船闸充水阀门采用13 min 开启时闸室充水时间为 3.48 4.36 min,充水最大流量为 17.89 14.22 m3/s;相应的阀门段廊道断面最大流速 4.303.42 m/s;闸 室 水 面 最 大 上 升 速 度 不 超 过 1.28 m/min,惯性超高降约 0.10 m,其他运行水位组合下,船闸各项水力指标均较最大设计水头时更低。根据表 5 试验结果,阀门开门速度 tv=2 min,船闸平均充、泄水时间仅需 4.05 min,达到了旅游船闸快速输水的目标。4.4 船舶停泊条件 通过物理模型对输水过程闸室船舶停泊条件进行了试验(见表 6),最大设计水头条件下,充水阀门开启时间 tv1=12 min 时,300 t 级船舶纵向系缆力最大值为 11.31 kN,约为其允许值的 62.83%;横向系缆力最大值为 4.28 kN,约为其允许值的 47.56%,表明输水系统性设计合理,消能效果较好,能保障闸室船舶停泊安全。4.5 船舶过闸舒适性 根据表 2 中船舶过闸舒适性指标参考值,船闸乘员舒适度取决于船舶垂向、横向加速度和横摇角度。对于旅游船闸,舒适性指标应参照游船旅客指标。实际上,对于北运河船闸所采用的闸底长廊道侧支孔出水明沟消能输水系统,闸室出流在纵向和横向上的均匀性是能够得到保障的,闸室船舶系缆力不足规范允许值的 70%能说明在船闸充泄水过程中船舶在纵向和横向上的加速度是较小。为此,重点讨论船舶垂向加速度对舒适性的影响。船闸充泄水过程中,船舶与闸室水位同步升降,假定船舶在升降过程中无垂向窜动,则船体沿垂向的运动速度和闸室水面升降相同,且二者在时间尺度上运动一致,即有ab=aw(1)式中,ab为船舶垂向加速度;aw为水面升降加速度。图 3 闸底长廊道侧支孔出水型式示意791范子训,等/大运河旅游船闸设计理念与设计方法水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期表 5 闸室输水水力特征值输水方式水位组合/m试验编号tv/minT/minQmax/m3s-1Umax/mmin-1Ua/mmin-1Vmax/ms-1Vimax/ms-1d/m充 水16.513.616.014.0PF0113.4817.891.280.834.301.400.11PF0223.9115.961.150.743.841.250.10PF0334.3614.221.000.673.421.110.10PF0413.0015.021.010.673.611.170.10PF0523.4612.140.880.582.920.950.09PF0633.9210.590.780.512.550.830.09泄 水16.513.616.014.0PE0113.7717.161.220.774.131.340.10PE0224.1815.101.100.693.631.180.09PE0334.6213.560.990.633.261.060.09PE0413.1814.340.960.633.451.120.09PE0523.6011.880.850.562.860.930.08PE0634.0710.310.750.492.480.810.08 注:Qmax为最大流量;Umax为闸室水面最大上升(下降)速度;Ua为闸室水面平均上升(下降)速度;Vmax为输水阀门处廊道断面平均最大流速;Vimax为进水口最大断面平均流速;d 为惯性超高(降)。表 6 闸室内设计 300 t 游船停泊条件试验水位组合/m闸室内停泊位置阀门开启时间/min纵向系缆力/kN船首横向力/kN船尾横向力/kN向上游向下游向 左向 右向 左向 右16.513.6上半闸室1211.314.995.414.001.512.853.522.434.281.962.811.78下半闸室129.003.238.126.081.301.093.331.871.101.403.122.23 注:300 t 船舶的纵向力允许值为 18 kN,横向力允许值为 9 kN。图 4 给出了船闸在最大工作水头条件充水时的水位及流量变化过程,图 5 给出了水位变化过程对应的水面上升速度和加速度变化过程。结果表明,北运河船闸闸室水面上升及流量变化均较为平稳,闸室水面上升速度小于 0.025 m/s,水位上升加速度小于0.000 8 m/s2,远小于游船旅客所能接受的垂向加速度指标(0.2 m/s2),船闸输水过程游客在船舶具有较好的舒适性。图 4 北运河船闸闸室水位及输水流量5 船闸景观设计5 船闸景观设计 基于前述生态景观设计原则,结合船闸周边自然元素和生态环境特征,对各船闸进行特色景观设计。甘棠船闸位于首都城市副中心内,景观规划以轴图 5 北运河船闸闸室水位上升速度与加速度串点,形成三轴、十点的总体构架。游船展示轴、生态展示轴、水利展示轴以及十大节点共同构成船闸主题公园。以“甘棠锦鲤龙门跃,扶摇直上九万里”为设计理念,中岛形似锦鲤浮于运河上,运河督运浮雕墙及甘棠之舟中岛雕塑重现运河督运意境。榆林庄船闸所处区域自古生态环境优美、人文历史悠久。为发挥其景观特色功能,重点营造偏重生态观光、郊野自然的滨水空间,形成一舟一岛一雁一森,层次丰富、灵巧自然的总体景观构架。榆林之舟、生态之岛、榆林之雁、榆林之森下设八大节点共同构成规划中的榆林庄闸生态公园。杨洼船闸连接京津冀,是运河进出京通航门户船闸,北京与河北在下游分界,为京津冀一体化重要节891范子训,等/运河旅游船闸设计理念与设计方法水利水电技术(中英文)第 54 卷 2023 年第 S2 期图 6 北运河船闸联合调度系统架构点。杨洼船闸布置于河道右岸滩地,以“杨洼千帆”为设计主题,寓意北运河千帆竞发、熠熠生辉。6 船闸联合调度系统设计6 船闸联合调度系统设计 针对旅游船闸的特点,将自动化系统划分为船闸监控系统、船闸运维系统、进出闸引导系统、船闸调度管理系统、船舶服务系统五个子系统(见图 6)。采用 3D 扫描跟踪及智能引导等高科技手段,实现智能管控。采用新型人字门对中门缝视频检测装置,精确检测人字闸门对中错位。采用过闸引导系统新技术实现船舶进出闸 3D 扫描跟踪、船舶进出闸智能灯光引导,通过靠船墩数字标识、系船柱数字标识、激光禁停线标识等,确保船舶快速进出闸及靠泊,协同配合,保障船舶安全过闸。7 结 论7 结 论 (1)提出了旅游船闸设计难点,以北运河旅游通航系列船闸为例,提出了旅游船闸总体布置、输水系统设计、船闸景观设计方法及联合调度系统建设方案。(2)旅游船闸采用双线并列布置可使调度更为灵活,提高运行保证率。输水系统设计时除输水时间、船舶停泊条件等水力指标外,还需重点考虑船舶过闸舒适性问题和景观要求。参考文献:1 汪德贵.对我国内河游船发展的思考J.中国港口,2019(8):26-29.2 李晓华.江西通航旅游发展路径研究:基于全域旅游的视角J.市场周刊,2021,34(9):39-40.3 黄学伟,李永庆,刘江侠,等.北运河旅游通航水源条件分析J.海河水利.2021(5):5-7.4 中华人民共和国交通部.船闸总体设计规范:JTJ3052001S.北京:人民交通出版社,2001.5 中华人民共和国住房和城乡建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.内河通航标准:GB 501392014S.北京:中国计划出版社,2014.6 中华人民共和国交通部,人民交通出版社.船闸输水系统设计规范:JTJ 3062001S.北京:人民交通出版社 2001.(责任编辑 陈小敏)991