船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

[中圖分類號(hào)]U641.1[文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

一、引言

船閘是通航建筑物的主要型式之一，它以技術(shù)上成熟，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，營(yíng)運(yùn)本錢低廉等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。它由高低閘首、閘門、閘室及高低引航道等組成。船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)一直是港口航道與海岸項(xiàng)目專業(yè)的重點(diǎn)教學(xué)內(nèi)容，其目的是通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的辦法，加深學(xué)生對(duì)船閘的認(rèn)知，掌握船閘過(guò)閘原理、閘室水力特性曲線測(cè)繪、船舶系纜力測(cè)試等。近年來(lái)，船閘單級(jí)水頭愈來(lái)愈高，為解決復(fù)雜的閥門水力學(xué)問(wèn)題，船閘型式推陳出新。其中，省水船閘在國(guó)外已經(jīng)有很多成功應(yīng)用案例[1-2]。省水船閘不但降低了閥門工作水頭，而且每次船舶過(guò)閘可大大減少耗水，以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)在高壩通航中應(yīng)運(yùn)而生。目前，全國(guó)高校通航船閘實(shí)驗(yàn)教學(xué)中并未波及省水船閘這種新型式，渠化項(xiàng)目教學(xué)中對(duì)省水船閘也并未重點(diǎn)講授，致使學(xué)生對(duì)這種新型式船閘的概念十分單薄。而且開(kāi)設(shè)的船閘水力學(xué)相關(guān)實(shí)驗(yàn)工程仍在使用浮筒水位計(jì)和彈簧拉力儀等一批老式實(shí)驗(yàn)設(shè)備，學(xué)生很難接觸該領(lǐng)域最前沿的動(dòng)向。因此，為了適應(yīng)船閘開(kāi)展新形勢(shì)下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求，更好地提升學(xué)生綜合素質(zhì)，船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革具有重要的教學(xué)實(shí)踐意義。

二、船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究水平調(diào)研

為了解國(guó)內(nèi)一線科研單位在通航建筑物水力學(xué)研究中的實(shí)驗(yàn)條件、先進(jìn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)辦法，進(jìn)一步掌握該領(lǐng)域近年來(lái)的研究進(jìn)展、研究成果和未來(lái)的開(kāi)展方向，筆者對(duì)南京水利科學(xué)研究院進(jìn)行了調(diào)研，考察了水工水力學(xué)研究所的船閘和通航試驗(yàn)廳，并與相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行了深入交流，獲得了珍貴的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、科學(xué)研究新辦法和最新開(kāi)展動(dòng)向。水工所船閘試驗(yàn)廳主要是承當(dāng)船閘水力學(xué)、過(guò)魚建筑物水力學(xué)及攔魚項(xiàng)目的研究任務(wù)〔圖1〕。幾十年來(lái)該廳完成了大量研究課題，包括長(zhǎng)江三峽、葛洲壩、閩江水口、沅水五強(qiáng)溪、江西萬(wàn)安、以及蘇北大運(yùn)河等許多國(guó)家大型重點(diǎn)項(xiàng)目在內(nèi)的共達(dá)100余項(xiàng)。廳內(nèi)配有可同時(shí)進(jìn)行8座通航建筑物水力學(xué)試驗(yàn)的設(shè)備及可進(jìn)行非恒定流減壓及常壓船閘閥門水力學(xué)試驗(yàn)的專用裝置1套〔圖2～圖4〕。而且，目前所有模型試驗(yàn)已全部采用了微機(jī)數(shù)據(jù)采集、處理和控制系統(tǒng)，配有各種非恒定水流的水位、流速、流量、水壓力、噪聲、摻氣濃度等測(cè)量裝置，大大提高了測(cè)試精度和工作效率。

通過(guò)此次調(diào)研，不難發(fā)現(xiàn)船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與該領(lǐng)域的科研水平差距十清楚顯，主要表現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)條件、規(guī)模和設(shè)備方面。這與新形勢(shì)下的教學(xué)要求不相符，從而導(dǎo)致了實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)研究的新辦法、新動(dòng)向見(jiàn)存在脫節(jié)和滯后現(xiàn)象。

三、省水船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探討

基于烏江銀盤省水船閘整體水工模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)〔圖5〕，該船閘原型設(shè)計(jì)規(guī)模為120×12×4m〔長(zhǎng)×寬×門檻水深〕，最大設(shè)計(jì)水頭為36.5m〔215-178.54≈36.5m〕，要求輸水時(shí)間小于12min[3-5]。針對(duì)省水船閘新型式，主要增設(shè)兩局部實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：一是帶兩級(jí)省水池省水船閘灌泄水運(yùn)行方式實(shí)驗(yàn)；二是不同灌泄水方式下閘室船舶系纜力〔包括縱向和橫向系纜力〕測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

〔一〕帶兩級(jí)省水池省水船閘灌泄水運(yùn)行方式實(shí)驗(yàn)

通過(guò)與傳統(tǒng)意義上船閘的灌泄水運(yùn)行方式做比照，以便于讓學(xué)生更深刻了解省水船閘灌泄水運(yùn)行方式。此外，省水船閘是?渠化項(xiàng)目》課程中非重點(diǎn)講授的內(nèi)容，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)的發(fā)展，有助于課堂教學(xué)和提升學(xué)生綜合素質(zhì)。

該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分為帶兩級(jí)省水池省水船閘灌水和泄水運(yùn)行方式實(shí)驗(yàn)，旨在讓學(xué)生對(duì)省水船閘形成初步概念，了解帶兩級(jí)省水池省水船閘灌泄水運(yùn)行方式及其結(jié)構(gòu)組成、省水和降低水頭的功能。其灌水過(guò)程〔圖6〕為：①翻開(kāi)A池輸水閥門，將A池中的水灌至閘室；②翻開(kāi)B池輸水閥門，將B池中的水灌至閘室；③翻開(kāi)上游輸水閥門，將上游水灌至閘室，直到閘室水位與上游水位齊平，那么灌水過(guò)程結(jié)束。具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：①利用上、下游平水槽及水位測(cè)針調(diào)試上、下游水位，以保證模型中上、下游水位同原型相似；②開(kāi)啟系統(tǒng)，將閘室5個(gè)水位控制測(cè)針調(diào)至相應(yīng)讀數(shù)位置，此時(shí)水位指示器只有1#指示燈處于燈亮狀態(tài)；③將閥門開(kāi)啟時(shí)間設(shè)為150s，開(kāi)度設(shè)為100%；④通過(guò)閥門控制器將上閘閥門開(kāi)啟，并調(diào)到微機(jī)檔；⑤將電機(jī)控制器設(shè)為自動(dòng)啟動(dòng)狀態(tài)；⑥通過(guò)顯示器點(diǎn)擊“船閘輸水〞命令按鈕；⑦灌水完畢〔4#指示燈亮〕后點(diǎn)擊“STOP〞按鈕；⑧關(guān)閉系統(tǒng)。相應(yīng)于灌水過(guò)程及其實(shí)驗(yàn)步驟，泄水過(guò)程那么與灌水過(guò)程相反。

〔二〕正常運(yùn)行方式下閘室船舶系纜力測(cè)試實(shí)驗(yàn)

對(duì)停泊船舶纜繩拉力的測(cè)試，目前各高校開(kāi)設(shè)的相關(guān)本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)工程中，尤其是基于省水船閘新型式，尚未完全使用到電測(cè)設(shè)備。通過(guò)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可加深學(xué)生對(duì)船舶系纜力測(cè)試過(guò)程的理解以及掌握相關(guān)儀器的操作，從而為從事船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究奠定良好的根底。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)備

省水船閘水工模型測(cè)量系統(tǒng)集成了壓力傳感器〔量程1m〕、可無(wú)級(jí)調(diào)速的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)啟閉機(jī)、水動(dòng)力學(xué)綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。船閘模型高低游水位由升降式平水槽控制，各點(diǎn)水位由高精度測(cè)針觀讀〔圖7〕。模型流量采用矩形薄壁堰測(cè)量，輸水閥門采用可無(wú)級(jí)調(diào)速的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)啟閉機(jī)控制，信號(hào)放大系統(tǒng)采用YD-21型動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀〔圖8〕，數(shù)據(jù)采集和處理采用自行研制的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)〔圖9〕。采用南京水利科學(xué)研究院研發(fā)的全環(huán)電阻式測(cè)力儀對(duì)正常運(yùn)行方式下閘室船舶系纜力進(jìn)行測(cè)定〔圖10〕。

2.實(shí)驗(yàn)裝置及步驟首先在船模中軸線上的首尾處罰別選擇相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在船首的測(cè)點(diǎn)處安裝縱向和前橫向全環(huán)電阻式測(cè)力儀，在船尾的測(cè)點(diǎn)處安裝后橫向全環(huán)電阻式測(cè)力儀。該測(cè)力儀是由測(cè)力環(huán)、矩形鋼圈及滾輪組成，其中測(cè)力環(huán)上貼有應(yīng)變片〔圖11〕。測(cè)力儀安裝完畢后，將船模安插在首尾的兩根垂向圓形立柱上，立柱與滾輪直接接觸并起到導(dǎo)向作用。當(dāng)船模受水流作用時(shí)，滾輪首先受力并同時(shí)經(jīng)矩形鋼圈將其傳至測(cè)力環(huán)上，通過(guò)測(cè)力環(huán)的變形而引起的應(yīng)變信號(hào)由采集系統(tǒng)進(jìn)行采集處理。

灌水實(shí)驗(yàn)步驟：①利用上、下游平水槽及水位測(cè)針調(diào)試上、下游水位，以保證模型中上、下游水位同原型相似；②安裝船舶系纜力測(cè)試裝置；③開(kāi)啟系統(tǒng)，將閘室5個(gè)水位控制測(cè)針調(diào)至相應(yīng)讀數(shù)位置，此時(shí)水位指示器只有1#指示燈處于燈亮狀態(tài)；④將閥門開(kāi)啟時(shí)間設(shè)為150s，開(kāi)度設(shè)為100%；⑤通過(guò)閥門控制器將上閘閥門開(kāi)啟，并調(diào)到微機(jī)檔；⑥將電機(jī)控制器設(shè)為自動(dòng)啟動(dòng)狀態(tài)；⑦通過(guò)顯示器點(diǎn)擊“開(kāi)始采樣S〞命令按鈕，同時(shí)點(diǎn)擊“船閘輸水〞命令按鈕；⑧灌水完畢〔4#指示燈亮〕后點(diǎn)擊“STOP〞按鈕；⑨實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存盤和整理；⑩關(guān)閉系統(tǒng)。

泄水實(shí)驗(yàn)步驟：①利用上、下游平水槽及水位測(cè)針調(diào)試上、下游水位，以保證模型中上、下游水位同原型相似；②安裝船舶系纜力測(cè)試裝置；③開(kāi)啟系統(tǒng)，將閘室5個(gè)水位控制測(cè)針調(diào)至相應(yīng)讀數(shù)位置，此時(shí)所有水位指示器指示燈處于燈亮狀態(tài)；④將閥門開(kāi)啟時(shí)間設(shè)為150s，開(kāi)度設(shè)為100%；⑤通過(guò)閥門控制器將下閘閥門開(kāi)啟，并調(diào)到微機(jī)檔；⑥將電機(jī)控制器設(shè)為自動(dòng)啟動(dòng)狀態(tài)；⑦通過(guò)顯示器點(diǎn)擊“開(kāi)始采樣S〞命令按鈕，同時(shí)點(diǎn)擊“船閘泄水〞命令按鈕；⑧泄水完畢〔只有1#指示燈亮〕后點(diǎn)擊“STOP〞按鈕；⑨實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存盤和整理；⑩關(guān)閉系統(tǒng)。

〔三〕技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

通過(guò)省水船閘兩種不同的運(yùn)行方式，證實(shí)了帶兩級(jí)省水池省水船閘運(yùn)用于高壩通航中是合理可行的。該類船閘型式的運(yùn)用，不但減小了閥門的工作水頭，大大簡(jiǎn)化閥門的結(jié)構(gòu)，從而節(jié)省了項(xiàng)目造價(jià)；更重要的是，船舶每次過(guò)閘，可節(jié)省約48%的水量，這對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的開(kāi)展具有深遠(yuǎn)的意義，經(jīng)濟(jì)價(jià)值突出。

四、創(chuàng)新特色

本實(shí)驗(yàn)是基于省水船閘整體水工模型，在全國(guó)范圍內(nèi)從未對(duì)本科生使用過(guò)，具有一定的創(chuàng)新性，對(duì)港口航道與海岸項(xiàng)目專業(yè)的“卓越項(xiàng)目師〞培養(yǎng)方案意義重大；省水船閘閘室船舶系纜力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，本身是一個(gè)較為復(fù)雜的課題，實(shí)驗(yàn)通過(guò)一套閘閥門自動(dòng)控制的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用全環(huán)電阻式測(cè)力儀測(cè)定纜繩拉力，使學(xué)生對(duì)本學(xué)科的最新量測(cè)伎倆以及科學(xué)研究辦法都有一個(gè)較為系統(tǒng)的了解，從而大大提高了學(xué)生的動(dòng)手操作能力和應(yīng)用水平，而且可保障該領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平能適應(yīng)新形勢(shì)下的教學(xué)要求。

五、展望

結(jié)合船閘水力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀及本文提出的教學(xué)改革思路，筆者認(rèn)為可從下列兩方面進(jìn)一步完善教學(xué)內(nèi)容：

1〕基于省水船閘的灌泄水過(guò)程，可補(bǔ)充水力特性曲線的測(cè)試內(nèi)容，以進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)省水船閘功能的理解、儀器設(shè)備的應(yīng)用能