海船闸气幕防咸设计

翟建国，刘庆茶，黄筱云，胡勇虎，伍炳坤

（1.中交武汉港湾工程设计研究院有限公司，湖北 武汉 430040；2.长沙理工大学 水利工程学院，湖南 长沙 410114）

引 言

在入海河口地区，特别是径流量小的河流，潮水上溯造成河道咸化。若存在海船闸，海水也会在船舶通过时向上游入侵。为避免这种问题，海船闸会布置多种防咸措施，如淡水冲洗法、气幕法、水幕法、咸淡水置换法等。对于已建成的海船闸，气幕法或水幕法通常为优先防咸措施。

海船闸的气幕防咸效果与供气量有关。现有供气量计算的Abraham[1-2]理论忽略了气幕羽流的特性，简化了气幕羽流作用下咸水入侵机制，造成计算结果偏保守。本文在Keetels 试验数据[3]的基础上，修正Abraham 理论公式，以获得更加准确的气幕供气量计算结果。

1 海水入侵机理

船闸开启时，海水会在重力作用下向淡水入侵。船闸尺度越大、过往船舶越密集，海水侵入量就越多。海水入侵量取决于闸室与外部港口之间水体密度差异、水位、水深、船闸尺寸和闸门开启时间。

海水入侵的方式有两种。第一种方式出现在海平面高于闸室水位时，海水侵入量等于闸室投影面积乘以水位差；第二种方式更为常见，海水因密度较大，会向下侵入淡水底部，形成咸淡水交换，如果船闸开启时间足够长，闸室内淡水会完全被海水置换。

一般采用相对交换率S 作为第二种海水入侵的评估指标：

式中： ρΔ 为咸淡水密度差；ρ 为淡水密度；h为水深。

单位宽度海水入侵通量：

2 气幕防咸机理

气泡帷幕是一种向上运动的气泡羽流，该羽流会在水面处发生偏转，形成水平流动，并在气幕两侧形成环流。当海水以异重流形式向淡水入侵时，淡水则位于咸水之上，向外运动。气幕阻碍了淡水向外运动，从而导致海水置换速度变慢，海水入侵量减少。

一般采用咸水透过系数N 来量化气幕帘隔离效果，N 定义为有无气幕时海水入侵量的比值。气泡帷幕作用下，相对交换率：

3 气泡防咸帷幕设计

3.1 Abraham 方法[1-2]

气泡羽流向上速度以开孔管为中心向两侧呈高斯分布，即：

式中：k 为常数，一般取32；cw 为气泡羽流中心速度。若气泡相对上升速度远小于羽流速度，则：

其中，0q 为相同压力下单位时间内自由出流的气量。

因此，气幕羽流沿程通量为：

若0h 为标准大气压水柱高度，根据Bulson[4]试验结果，表层水流厚度为：

Abraham 通过现场试验，观测到10 m 水深下气幕产生的水平流厚度约为水深的1/4，即：

水平流以下，气幕羽流通量沿程变化率ξ 可认为是常数，即：

闸门开启后，表面水平流动层以下、海水一侧的水流速度为：

而淡水一侧的水流速度为：

其中，au 和bu 的方向均以指向气幕为正， hΔ 为闸门开启前淡咸水水位差：

单位时间内海水透过气幕的量为：

定义咸水透过系数：

定义无量纲气幕羽流强度φ：

该参数表示征气幕羽流强度与异重流速度的比值。两者之间的关系为：

3.2 Keetels 方法[3]

Keetels 认为气幕咸水透过系数N 与气幕羽流产生的环量相关。定义无量纲环量C 表示为：

式中：Γ 为气幕羽流两侧涡旋环量；E 为单位

Keetels 等收集不同气幕、水幕防咸试验的数据以分析无量纲环量与咸水透过系数的关系。表1 给出这些试验的相关信息。

表1 Keetels 所采用的数据[3]

3.3 讨论

将式(26)代入到式(17)中，绘制不同水深下N ～ 1C关系曲线（如图1 所示）。从图1 可以看出，Abraham 公式结果与Keetels 数据相比偏保守。这是由于Abraham 方法未考虑气幕羽流的特性，即羽流宽度随水深减小而增大。根据Keetels 数据，本文取：

将式(27)代入式(17)，得：

图1 Keetels 所述试验的N 与C 值以及根据式(26) 获得的不同水深下 1N C～ 关系曲线

4 结 语

1）水下气幕能够有效减少船闸内海水入侵；

2）水下气幕防咸效果与气幕羽流强度有关；

3）经典Abraham 方法的结果偏保守，本文提出的半经验公式与实际结果更吻合；

4）新的半经验公式可为船闸气幕防咸设计提供参考。