船闸总体布置中航道与闸室结构协同优化研究

在内河航运中，船闸作为突破水位落差限制的关键设施，对保障通航效率与区域经济发展意义重大。然而，航道与闸室结构间存在的匹配问题、水流与结构的相互作用，制约着船闸效能的充分发挥。为解决这些问题，实现航道与闸室结构协同优化迫在眉睫。本研究聚焦二者协同机制，综合运用水流模拟、结构分析、多目标优化及信息化技术等，探索高效协同方案，为构建安全、经济、可持续的船闸系统提供理论支撑与实践路径。

1 船闸在航运工程中的重要性

船闸是内河航运的“咽喉要道”，对突破天然水位落差限制、保障船舶安全通航具有不可替代的作用。以长江三峡船闸为例，其通过五级梯级设计， 米级水 1.6 亿吨，占长江干线货运量30%以上，成为连接中西部与沿海 影响航运效率：采用分散输水系统的现代船闸，可在 10 分钟内 实现单闸次通过时间缩短 30%，昼夜通航能力提升一倍。此外，船闸的布 域经济协调发 ，如京杭运河苏北段船闸的统一管理，使内河与海运网络无缝衔接，推动沿岸产业带年产值增长超千亿元

2 航道与闸室结构协同优化的必要性

航道与闸室结构的协同优化是提升通航能力的关键。若闸室尺寸与航道等级不匹配，会导致船舶“大船卡小闸”或“小闸空运转”，如某Ⅱ等航电 米 使单闸次载货量提升50%。技术层面，航道水流条件与闸室结构的适配性 率半径，将船舶操控难度降低40%；采用整体式闸墙结构配合分散输水系统 横向作用 范围内。管理上，协同优化需打破部门壁垒，如珠江水系通过联合调度中心统 调度规则，使船舶候闸时 缩短60%，年通过量提升30%，实现“航道-闸室-调度”三位一体的高效运转。

3 航道与闸室结构相互作用机制

3.1 航道水流对闸室结构的影响

航道水流是闸室结构设计的核心边界条件。在船舶进出闸过程中，航道水流的速度、方向及紊流强度会通过闸首开口形成复杂的水动力场。例如，当航道水流流速超过1.5m 时， 闸室灌泄水过程中易产生立面漩涡和横向环流，导致闸墙侧向压力分布不均， 能引发结构裂缝或混 三峡船闸通过物理模型试验发现，若引航道与闸室的连接段曲率半径 宽度，船舶操控难度增加 0%，同时水流对闸门的冲击力会提升25%。此外，航道水位变幅直接影 输水系统的效率：在低水位条件下，分散输水系统的出水口易暴露于空气中，导致灌水效率下降30%，延长船舶候闸时间。

3.2 闸室结构对航道水流的反作用

闸室结构的布局与运行方式会显著改变航道的水力特性。闸室灌泄水过程中，大量水流通过闸首阀门快速进出，会在引航道末端形成局 某船闸为例 ，其闸室单次灌水量达12 万立方米，导致引航道末端水位在1 定性。为缓解这种影响，现代船闸常采用“长引航道+消能 宽度的 ，并设置消能坎等结构，使水流能量耗散率提升60%，将航道水 以内。此外 ，闸室边墙的形状设计（如弧形边墙）可引导水流平稳过渡，减少对航道主流的干扰，使船舶进出闸时的横向作用力降低50%。

4 航道与闸室结构协同优化关键技术

4.1 水流模拟与预测技术

水流模拟是协同优化的基础，需构建高精度、多尺度的水动力模型。传统方程适用于长距离航道的水位推算，但难以捕捉闸室灌泄水过程 计算流体动力学）与DEM（离散元法）耦合模型，例如三峡船闸 结合 分数法）追踪自由水面，可精确模拟灌水初期闸首门下的气水两相流，预测 。针对动态边界条件，需开发实时水流预测系统。珠江航道管理局建立的“数字孪生航道 平台，集成ADCP （声学多普勒流速仪）与水位传感器数据，通过LSTM 神经网络训练，实现未来2 小时航道流速与水位预测准确率达92%，为闸室调度提供决策依据。

4.2 结构分析与设计技术

闸室结构需满足抗冲刷、抗疲劳及耐久性要求。基于有限元法的结构分析可量化水流冲击下的应力分布，例如西江某船闸采用 ABAQUS 软件模拟闸门启闭过程中的动力响应，发现闸墩根部应力集中系数达 2.3，据此优化配筋方案，使混凝土裂缝宽度控制在0.2mm 以内。

针对岩质地基，需开展地质-结构耦合分析。乌江构皮滩船闸通过三维地质建模，识别闸基软弱夹层，采用抗滑桩+预应力锚索复合支护体系，将结构抗滑稳定安全系数从1.2 提升至1.5。

4.3 多目标优化与决策技术

协同优化需平衡通航效率、建设成本与生态影响等多重目标。遗传算法（GA）与粒子群优化（PSO）的混合算法被广泛应用于闸室尺寸优化，例如赣江某航电工程以年通过量、工程造价及淹没面积为优化目标，通过NSGA-II 算法生成帕累托前沿，最终选择闸室长180m、宽23m 的方案，使单位货运成本降低18%。决策支持系统（DSS）可整合技术、经济与环境指标。长江黄金水道协同优化平台纳入 LCA（生命周期评估）模型，量化不同结构方案的全生命周期碳排放，指导某船闸采用装配式建造技术，减少现场施工碳排放22%。

4.4 信息化与智能化技术应用

物联网与大数据技术实现航道-闸室状态的实时感知。西江干线船闸群部署的500 余个传感器，可每5 分钟上传闸门开度、水位及船舶位置数据， 点实现本地预警，将结构异常响应时间缩短至 30 秒内。人工智能技术推动调度决策智能化 度模型在珠江水系试点，通过与历史调度数据的对抗训练，可动态调整过闸顺序，使船舶平均候闸时间从6 小时降至2.5 小时。

5.结语

综上，船闸总体布置中航道与闸室结构的协同优化需以水流模拟为输入、结构设计为支撑、多目标优化为框架、智能化技术为驱动，形成“感知-分析-决策-执行”的闭环系统。未来，随着数字孪生与 AI 技术的深度融合，可实现航道-闸室系统的自适应优化，推动内河航运向高效、绿色、智能方向转型。

参考文献：

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[3]夏小迪,汤建宏.省水船闸的布置方案与结构设计[J].水运工程,2022,(S1):124-12

作者简介：刘琦，男，1993.10，汉族，河南省永城人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：船闸总平面设计