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[摘要]船闸水力学实验是《渠化工程》课程教学的重要环节。目前，国内各高校在船闸水力学实验教学方面尚未完全使用电测设备，尤其是基于新型的船闸——省水船闸，采用较为先进的实验手段作为本科实验教学尚未开展，导致无法达到新形势下的实验教学要求。本文基于乌江银盘省水船闸水工模型，从带两级省水池省水船闸灌泄水运行方式实验及正常运行方式下闸室船舶系缆力测试两方面对船闸水力学实验教学改革进行了探讨。
[关键词]省水船闸 系缆力 实验教学 改革
[中图分类号]U641.1 [文献标志码]A
一、引言
船闸是通航建筑物的主要型式之一，它以技术上成熟，运行稳定可靠，营运成本低廉等优点得到了广泛应用。它由上下闸首、闸门、闸室及上下引航道等组成。船闸水力学实验教学一直是港口航道与海岸工程专业的重点教学内容，其目的是通过理论与实践相结合的方法，加深学生对船闸的认知，掌握船闸过闸原理、闸室水力特性曲线测绘、船舶系缆力测试等。近年来，船闸单级水头愈来愈高，为解决复杂的阀门水力学问题，船闸型式推陈出新。其中，省水船闸在国外已经有很多成功应用案例[1-2]。省水船闸不但降低了阀门工作水头，而且每次船舶过闸可大大减少耗水，以其独有的优势在高坝通航中应运而生。目前，全国高校通航船闸实验教学中并未涉及省水船闸这种新型式，渠化工程教学中对省水船闸也并未重点讲授，致使学生对这种新型式船闸的概念十分薄弱。而且开设的船闸水力学相关实验项目仍在使用浮筒水位计和弹簧拉力仪等一批老式实验设备，学生很难接触该领域最前沿的动向。因此，为了适应船闸发展新形势下的实验教学要求，更好地提升学生综合素质，船闸水力学实验教学改革具有重要的教学实践意义。
二、船闸水力学实验研究水平调研
为了解国内一线科研单位在通航建筑物水力学研究中的实验条件、先进设备和实验方法，进一步掌握该领域近年来的研究进展、研究成果和未来的发展方向，笔者对南京水利科学研究院进行了调研，考察了水工水力学研究所的船闸和通航试验厅，并与相关技术人员进行了深入交流，获得了宝贵的实验室建设经验、科学研究新方法和最新发展动向。水工所船闸试验厅主要是承担船闸水力学、过鱼建筑物水力学及拦鱼工程的研究任务（图1）。几十年来该厅完成了大量研究课题，包括长江三峡、葛洲坝、闽江水口、沅水五强溪、江西万安、以及苏北大运河等许多国家大型重点工程在内的共达100余项。厅内配有可同时进行8座通航建筑物水力学试验的设备及可进行非恒定流减压及常压船闸阀门水力学试验的专用装置1套（图2～图4）。而且，目前所有模型试验已全部采用了微机数据采集、处理和控制系统，配有各种非恒定水流的水位、流速、流量、水压力、噪声、掺气浓度等测量装置，大大提高了测试精度和工作效率。
通过此次调研，不难发现船闸水力学实验教学与该领域的科研水平差距十分明显，主要表现在实验条件、规模和设备方面。这与新形势下的教学要求不相符，从而导致了实验教学与科学研究的新方法、新动向见存在脱节和滞后现象。
三、省水船闸水力学实验教学改革探讨
基于乌江银盘省水船闸整体水工模型进行实验教学（图5），该船闸原型设计规模为120×12×4m（长×宽×门槛水深），最大设计水头为36.5m（215-178.54≈36.5m），要求输水时间小于12min[3-5]。针对省水船闸新型式，主要增设两部分实验内容：一是带两级省水池省水船闸灌泄水运行方式实验；二是不同灌泄水方式下闸室船舶系缆力（包括纵向和横向系缆力）测试实验。
（一）带两级省水池省水船闸灌泄水运行方式实验
通过与传统意义上船闸的灌泄水运行方式做对比，以便于让学生更深刻了解省水船闸灌泄水运行方式。此外，省水船闸是《渠化工程》课程中非重点讲授的内容，通过该实验的开展，有助于课堂教学和提升学生综合素质。
该项实验内容分为带两级省水池省水船闸灌水和泄水运行方式实验，旨在让学生对省水船闸形成初步概念，了解带两级省水池省水船闸灌泄水运行方式及其结构组成、省水和降低水头的功能。其灌水过程（图6）为：①打开A池输水阀门，将A池中的水灌至闸室；②打开B池输水阀门，将B池中的水灌至闸室；③打开上游输水阀门，将上游水灌至闸室，直到闸室水位与上游水位齐平，则灌水过程结束。具体的实验步骤为：①利用上、下游平水槽及水位测针调试上、下游水位，以保证模型中上、下游水位同原型相似；②开启系统，将闸室5个水位控制测针调至相应读数位置，此时水位指示器只有1#指示灯处于灯亮状态；③将阀门开启时间设为150s，开度设为100%；④通过阀门控制器将上闸阀门开启，并调到微机档；⑤将电机控制器设为自动启动状态；⑥通过显示器点击“船闸输水”命令按钮；⑦灌水完毕（4#指示灯亮）后点击“STOP”按钮；⑧关闭系统。相应于灌水过程及其实验步骤，泄水过程则与灌水过程相反。
（二）正常运行方式下闸室船舶系缆力测试实验
对停泊船舶缆绳拉力的测试，目前各高校开设的相关本科教学实验项目中，尤其是基于省水船闸新型式，尚未完全使用到电测设备。通过该项实验可加深学生对船舶系缆力测试过程的理解以及掌握相关仪器的操作，从而为从事船闸水力学实验研究奠定良好的基础。
1.实验设备
省水船闸水工模型测量系统集成了压力传感器（量程1m）、可无级调速的步进电机驱动启闭机、水动力学综合数据采集系统等。船闸模型上下游水位由升降式平水槽控制，各点水位由高精度测针观读（图7）。模型流量采用矩形薄壁堰测量，输水阀门采用可无级调速的步进电机驱动启闭机控制，信号放大系统采用YD-21型動态电阻应变仪（图8），数据采集和处理采用自行研制的计算机辅助系统（图9）。采用南京水利科学研究院研发的全环电阻式测力仪对正常运行方式下闸室船舶系缆力进行测定（图10）。
2.实验装置及步骤 首先在船模中轴线上的首尾处分别选择相应测点，同时在船首的测点处安装纵向和前横向全环电阻式测力仪，在船尾的测点处安装后横向全环电阻式测力仪。该测力仪是由测力环、矩形钢圈及滚轮组成，其中测力环上贴有应变片（图11）。测力仪安装完毕后，将船模安插在首尾的两根垂向圆形立柱上，立柱与滚轮直接接触并起到导向作用。当船模受水流作用时，滚轮首先受力并同时经矩形钢圈将其传至测力环上，通过测力环的变形而引起的应变信号由采集系统进行采集处理。
灌水实验步骤：①利用上、下游平水槽及水位测针调试上、下游水位，以保证模型中上、下游水位同原型相似；②安装船舶系缆力测试装置；③开启系统，将闸室5个水位控制测针调至相应读数位置，此时水位指示器只有1#指示灯处于灯亮状态；④将阀门开启时间设为150s，开度设为100%；⑤通过阀门控制器将上闸阀门开启，并调到微机档；⑥将电机控制器设为自动启动状态；⑦通过显示器点击“开始采样S”命令按钮，同时点击“船闸输水”命令按钮；⑧灌水完毕（4#指示灯亮）后点击“STOP”按钮；⑨实验数据存盘和整理；⑩关闭系统。
泄水实验步骤：①利用上、下游平水槽及水位测针调试上、下游水位，以保证模型中上、下游水位同原型相似；②安装船舶系缆力测试装置；③开启系统，将闸室5个水位控制测针调至相应读数位置，此时所有水位指示器指示灯处于灯亮状态；④将阀门开启时间设为150s，开度设为100%；⑤通过阀门控制器将下闸阀门开启，并调到微机档；⑥将电机控制器设为自动启动状态；⑦通过显示器点击“开始采样S”命令按钮，同时点击“船闸泄水”命令按钮；⑧泄水完毕（只有1#指示灯亮）后点击“STOP”按钮；⑨实验数据存盘和整理；⑩关闭系统。
（三）技术经济指标
通过省水船闸两种不同的运行方式，证实了带两级省水池省水船闸运用于高坝通航中是合理可行的。该类船闸型式的运用，不但减小了阀门的工作水头，大大简化阀门的结构，从而节省了工程造价；更重要的是，船舶每次过闸，可节省约48%的水量，这对国民经济的发展具有深远的意义，经济价值突出。
四、创新特色
本实验是基于省水船闸整体水工模型，在全国范围内从未对本科生使用过，具有一定的创新性，对港口航道与海岸工程专业的“卓越工程师”培养计划意义重大；省水船闸闸室船舶系缆力测试实验，本身是一个较为复杂的课题，实验通过一套闸阀门自动控制的实验系统，采用全环电阻式测力仪测定缆绳拉力，使学生对本学科的最新量测手段以及科学研究方法都有一个较为系统的了解，从而大大提高了学生的动手操作能力和应用水平，而且可保障该领域的实验教学水平能适应新形势下的教学要求。
五、展望
结合船闸水力学实验教学现状及本文提出的教学改革思路，笔者认为可从以下两方面进一步完善教学内容：
1）基于省水船闸的灌泄水过程，可补充水力特性曲线的测试内容，以进一步提高学生对省水船闸功能的理解、仪器设备的应用能力和数据处理能力；
2）基于省水船闸正常运行方式下的闸室船舶系缆力测试实验，可补充不同运行方式下的闸室船舶系缆力测试实验，以开拓学生在通航水力学方面的研究手段和思路。
基金项目：重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室暨国家内河航道整治工程技术研究中心开放基金（SLK2011A01）；重庆交通大学实验教学与改革研究基金课题（SYJ201102）
[参考文献]
[1]王健.省水船闸水力特性研究[D].重庆交通大学硕士论文，2008.
Wang Jian. Study on the Hydraulic Characteristics of Water-Saving Shiplock [D]. Chongqing Jiaotong University，2008.
[2]海显盛.银盘省水船闸省水池水力特性研究[D].重庆交通大学硕士论文，2009.
Hai Xiansheng. Study on the Hydraulic Characteristics of Water-Saving Pool in Yinpan Water-Saving Shiplock[D]. Chongqing Jiaotong University，2009.
[3]陈明栋，杨斌，杨忠超.乌江银盘船闸输水系统选型研究[J].重庆建筑大学学报，2006，28（5）：30-34.
Chen Mingdong，Yang Bin，Yang Zhongchao. Studies on the Type Selection of the Filling and Emptying System of Yinpan Lock on Wujiang River[J].Journal of Chongqing Jianzhu University， 2006，28（5）：30-34.
[4]杨忠超，陈明栋，杨斌，胡雪梅.乌江银盘水利枢纽省水船闸运行方式研究[J].水运工程，2009（6）：112-116.
Yang Zhongchao， Chen Mingdong，Yang Bin，Hu Xuemei. Operation Scheme for Yinpan hydro-junction’s water-saving lock in Wujiang River[J].Port & Waterway Engineering， 2009（6）：112-116.
[5]杨忠超，陈明栋，杨斌.乌江银盘省水船闸整体水力学模型试验研究[J]，水利水运工程学报， 2010（2）：62-65.
Yang Zhongchao，Chen Mingdong，Yang Bin.Experimental studies on the overall hydraulic model of Yinpan saving basin ship lock in Wujiang River[J].Hydro-Science and Engineering， 2010（2）：62-65.
（作者單位：重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室 重庆）
[关键词]省水船闸 系缆力 实验教学 改革
[中图分类号]U641.1 [文献标志码]A
一、引言
船闸是通航建筑物的主要型式之一，它以技术上成熟，运行稳定可靠，营运成本低廉等优点得到了广泛应用。它由上下闸首、闸门、闸室及上下引航道等组成。船闸水力学实验教学一直是港口航道与海岸工程专业的重点教学内容，其目的是通过理论与实践相结合的方法，加深学生对船闸的认知，掌握船闸过闸原理、闸室水力特性曲线测绘、船舶系缆力测试等。近年来，船闸单级水头愈来愈高，为解决复杂的阀门水力学问题，船闸型式推陈出新。其中，省水船闸在国外已经有很多成功应用案例[1-2]。省水船闸不但降低了阀门工作水头，而且每次船舶过闸可大大减少耗水，以其独有的优势在高坝通航中应运而生。目前，全国高校通航船闸实验教学中并未涉及省水船闸这种新型式，渠化工程教学中对省水船闸也并未重点讲授，致使学生对这种新型式船闸的概念十分薄弱。而且开设的船闸水力学相关实验项目仍在使用浮筒水位计和弹簧拉力仪等一批老式实验设备，学生很难接触该领域最前沿的动向。因此，为了适应船闸发展新形势下的实验教学要求，更好地提升学生综合素质，船闸水力学实验教学改革具有重要的教学实践意义。
二、船闸水力学实验研究水平调研
为了解国内一线科研单位在通航建筑物水力学研究中的实验条件、先进设备和实验方法，进一步掌握该领域近年来的研究进展、研究成果和未来的发展方向，笔者对南京水利科学研究院进行了调研，考察了水工水力学研究所的船闸和通航试验厅，并与相关技术人员进行了深入交流，获得了宝贵的实验室建设经验、科学研究新方法和最新发展动向。水工所船闸试验厅主要是承担船闸水力学、过鱼建筑物水力学及拦鱼工程的研究任务（图1）。几十年来该厅完成了大量研究课题，包括长江三峡、葛洲坝、闽江水口、沅水五强溪、江西万安、以及苏北大运河等许多国家大型重点工程在内的共达100余项。厅内配有可同时进行8座通航建筑物水力学试验的设备及可进行非恒定流减压及常压船闸阀门水力学试验的专用装置1套（图2～图4）。而且，目前所有模型试验已全部采用了微机数据采集、处理和控制系统，配有各种非恒定水流的水位、流速、流量、水压力、噪声、掺气浓度等测量装置，大大提高了测试精度和工作效率。
通过此次调研，不难发现船闸水力学实验教学与该领域的科研水平差距十分明显，主要表现在实验条件、规模和设备方面。这与新形势下的教学要求不相符，从而导致了实验教学与科学研究的新方法、新动向见存在脱节和滞后现象。
三、省水船闸水力学实验教学改革探讨
基于乌江银盘省水船闸整体水工模型进行实验教学（图5），该船闸原型设计规模为120×12×4m（长×宽×门槛水深），最大设计水头为36.5m（215-178.54≈36.5m），要求输水时间小于12min[3-5]。针对省水船闸新型式，主要增设两部分实验内容：一是带两级省水池省水船闸灌泄水运行方式实验；二是不同灌泄水方式下闸室船舶系缆力（包括纵向和横向系缆力）测试实验。
（一）带两级省水池省水船闸灌泄水运行方式实验
通过与传统意义上船闸的灌泄水运行方式做对比，以便于让学生更深刻了解省水船闸灌泄水运行方式。此外，省水船闸是《渠化工程》课程中非重点讲授的内容，通过该实验的开展，有助于课堂教学和提升学生综合素质。
该项实验内容分为带两级省水池省水船闸灌水和泄水运行方式实验，旨在让学生对省水船闸形成初步概念，了解带两级省水池省水船闸灌泄水运行方式及其结构组成、省水和降低水头的功能。其灌水过程（图6）为：①打开A池输水阀门，将A池中的水灌至闸室；②打开B池输水阀门，将B池中的水灌至闸室；③打开上游输水阀门，将上游水灌至闸室，直到闸室水位与上游水位齐平，则灌水过程结束。具体的实验步骤为：①利用上、下游平水槽及水位测针调试上、下游水位，以保证模型中上、下游水位同原型相似；②开启系统，将闸室5个水位控制测针调至相应读数位置，此时水位指示器只有1#指示灯处于灯亮状态；③将阀门开启时间设为150s，开度设为100%；④通过阀门控制器将上闸阀门开启，并调到微机档；⑤将电机控制器设为自动启动状态；⑥通过显示器点击“船闸输水”命令按钮；⑦灌水完毕（4#指示灯亮）后点击“STOP”按钮；⑧关闭系统。相应于灌水过程及其实验步骤，泄水过程则与灌水过程相反。
（二）正常运行方式下闸室船舶系缆力测试实验
对停泊船舶缆绳拉力的测试，目前各高校开设的相关本科教学实验项目中，尤其是基于省水船闸新型式，尚未完全使用到电测设备。通过该项实验可加深学生对船舶系缆力测试过程的理解以及掌握相关仪器的操作，从而为从事船闸水力学实验研究奠定良好的基础。
1.实验设备
省水船闸水工模型测量系统集成了压力传感器（量程1m）、可无级调速的步进电机驱动启闭机、水动力学综合数据采集系统等。船闸模型上下游水位由升降式平水槽控制，各点水位由高精度测针观读（图7）。模型流量采用矩形薄壁堰测量，输水阀门采用可无级调速的步进电机驱动启闭机控制，信号放大系统采用YD-21型動态电阻应变仪（图8），数据采集和处理采用自行研制的计算机辅助系统（图9）。采用南京水利科学研究院研发的全环电阻式测力仪对正常运行方式下闸室船舶系缆力进行测定（图10）。
2.实验装置及步骤 首先在船模中轴线上的首尾处分别选择相应测点，同时在船首的测点处安装纵向和前横向全环电阻式测力仪，在船尾的测点处安装后横向全环电阻式测力仪。该测力仪是由测力环、矩形钢圈及滚轮组成，其中测力环上贴有应变片（图11）。测力仪安装完毕后，将船模安插在首尾的两根垂向圆形立柱上，立柱与滚轮直接接触并起到导向作用。当船模受水流作用时，滚轮首先受力并同时经矩形钢圈将其传至测力环上，通过测力环的变形而引起的应变信号由采集系统进行采集处理。
灌水实验步骤：①利用上、下游平水槽及水位测针调试上、下游水位，以保证模型中上、下游水位同原型相似；②安装船舶系缆力测试装置；③开启系统，将闸室5个水位控制测针调至相应读数位置，此时水位指示器只有1#指示灯处于灯亮状态；④将阀门开启时间设为150s，开度设为100%；⑤通过阀门控制器将上闸阀门开启，并调到微机档；⑥将电机控制器设为自动启动状态；⑦通过显示器点击“开始采样S”命令按钮，同时点击“船闸输水”命令按钮；⑧灌水完毕（4#指示灯亮）后点击“STOP”按钮；⑨实验数据存盘和整理；⑩关闭系统。
泄水实验步骤：①利用上、下游平水槽及水位测针调试上、下游水位，以保证模型中上、下游水位同原型相似；②安装船舶系缆力测试装置；③开启系统，将闸室5个水位控制测针调至相应读数位置，此时所有水位指示器指示灯处于灯亮状态；④将阀门开启时间设为150s，开度设为100%；⑤通过阀门控制器将下闸阀门开启，并调到微机档；⑥将电机控制器设为自动启动状态；⑦通过显示器点击“开始采样S”命令按钮，同时点击“船闸泄水”命令按钮；⑧泄水完毕（只有1#指示灯亮）后点击“STOP”按钮；⑨实验数据存盘和整理；⑩关闭系统。
（三）技术经济指标
通过省水船闸两种不同的运行方式，证实了带两级省水池省水船闸运用于高坝通航中是合理可行的。该类船闸型式的运用，不但减小了阀门的工作水头，大大简化阀门的结构，从而节省了工程造价；更重要的是，船舶每次过闸，可节省约48%的水量，这对国民经济的发展具有深远的意义，经济价值突出。
四、创新特色
本实验是基于省水船闸整体水工模型，在全国范围内从未对本科生使用过，具有一定的创新性，对港口航道与海岸工程专业的“卓越工程师”培养计划意义重大；省水船闸闸室船舶系缆力测试实验，本身是一个较为复杂的课题，实验通过一套闸阀门自动控制的实验系统，采用全环电阻式测力仪测定缆绳拉力，使学生对本学科的最新量测手段以及科学研究方法都有一个较为系统的了解，从而大大提高了学生的动手操作能力和应用水平，而且可保障该领域的实验教学水平能适应新形势下的教学要求。
五、展望
结合船闸水力学实验教学现状及本文提出的教学改革思路，笔者认为可从以下两方面进一步完善教学内容：
1）基于省水船闸的灌泄水过程，可补充水力特性曲线的测试内容，以进一步提高学生对省水船闸功能的理解、仪器设备的应用能力和数据处理能力；
2）基于省水船闸正常运行方式下的闸室船舶系缆力测试实验，可补充不同运行方式下的闸室船舶系缆力测试实验，以开拓学生在通航水力学方面的研究手段和思路。
基金项目：重庆交通大学水利水运工程教育部重点实验室暨国家内河航道整治工程技术研究中心开放基金（SLK2011A01）；重庆交通大学实验教学与改革研究基金课题（SYJ201102）
[参考文献]
[1]王健.省水船闸水力特性研究[D].重庆交通大学硕士论文，2008.
Wang Jian. Study on the Hydraulic Characteristics of Water-Saving Shiplock [D]. Chongqing Jiaotong University，2008.
[2]海显盛.银盘省水船闸省水池水力特性研究[D].重庆交通大学硕士论文，2009.
Hai Xiansheng. Study on the Hydraulic Characteristics of Water-Saving Pool in Yinpan Water-Saving Shiplock[D]. Chongqing Jiaotong University，2009.
[3]陈明栋，杨斌，杨忠超.乌江银盘船闸输水系统选型研究[J].重庆建筑大学学报，2006，28（5）：30-34.
Chen Mingdong，Yang Bin，Yang Zhongchao. Studies on the Type Selection of the Filling and Emptying System of Yinpan Lock on Wujiang River[J].Journal of Chongqing Jianzhu University， 2006，28（5）：30-34.
[4]杨忠超，陈明栋，杨斌，胡雪梅.乌江银盘水利枢纽省水船闸运行方式研究[J].水运工程，2009（6）：112-116.
Yang Zhongchao， Chen Mingdong，Yang Bin，Hu Xuemei. Operation Scheme for Yinpan hydro-junction’s water-saving lock in Wujiang River[J].Port & Waterway Engineering， 2009（6）：112-116.
[5]杨忠超，陈明栋，杨斌.乌江银盘省水船闸整体水力学模型试验研究[J]，水利水运工程学报， 2010（2）：62-65.
Yang Zhongchao，Chen Mingdong，Yang Bin.Experimental studies on the overall hydraulic model of Yinpan saving basin ship lock in Wujiang River[J].Hydro-Science and Engineering， 2010（2）：62-65.
（作者單位：重庆交通大学 水利水运工程教育部重点实验室 重庆）