嘉陵江草街航電樞紐施工導(dǎo)流明渠通航船模試驗(yàn)研究

蔡 創(chuàng)，蔡新永，趙傳波

（重慶交通大學(xué),重慶 400074）

嘉陵江草街航電樞紐施工導(dǎo)流明渠通航船模試驗(yàn)研究

蔡 創(chuàng)，蔡新永，趙傳波

（重慶交通大學(xué),重慶 400074）

為了配合草街航電樞紐工程的設(shè)計(jì)和施工,論證工程布置的合理性和可行性，按照試驗(yàn)要求制作了船模，并對(duì)有關(guān)工程的設(shè)計(jì)布置方案進(jìn)行了優(yōu)化和研究。分別根據(jù)水工模型比較方案和推薦方案，進(jìn)行施工導(dǎo)流明渠及連接段的船模通航試驗(yàn)研究。根據(jù)船模試驗(yàn)最高安全限制的要求，結(jié)合相關(guān)水流條件的船模通航試驗(yàn)研究，對(duì)2個(gè)布置方案沖淤前后的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，比較各方案通航條件的優(yōu)劣，給出了通航推薦方案及建議。

導(dǎo)流明渠；船模；通航條件；試驗(yàn)研究

Biography：CAI Chuang（1968-），male，associate professor.

草街航電樞紐工程位于嘉陵江干流重慶合川草街鎮(zhèn)境內(nèi)，距合川27 km，是嘉陵江干流梯級(jí)渠化開發(fā)方案中自下而上的第二級(jí)。該工程是一個(gè)具有航運(yùn)、發(fā)電和灌溉等綜合利用效益的水利水電樞紐工程，船閘通航設(shè)計(jì)等級(jí)為III級(jí)。為了配合該工程的設(shè)計(jì)和施工，論證工程布置方案的合理性和可行性，在航電樞紐工程水工模型上進(jìn)行了施工導(dǎo)流明渠船模通航試驗(yàn)，提出航行的難點(diǎn)和建議。

1 船模試驗(yàn)通航衡量標(biāo)準(zhǔn)

用舵的衡量標(biāo)準(zhǔn)：為保證航行安全，內(nèi)河航行船舶一般用舵小于等于30°。水工模型和船模試驗(yàn)都有一定誤差，所以船模試驗(yàn)最大舵角安全限值一般設(shè)為25°，超過25°則認(rèn)為不安全。

最低航速的衡量標(biāo)準(zhǔn)：在川江和西南河流實(shí)船航行中，船舶上行的最低航速低于0.3～0.5 m/s時(shí)，很難保證航行安全。一般船模試驗(yàn)取其中間值0.4 m/s作為最低航速的衡量標(biāo)準(zhǔn)［1-2］。

2 試驗(yàn)概況

采用比尺λ=100進(jìn)行嘉陵江草街航電樞紐施工導(dǎo)流及通航正態(tài)水工模型試驗(yàn)。

2.1 船模概況

（1）船模比尺。船模和水工模型相同，采用λ=100的正態(tài)比尺［3-4］（表 1）。

（2）船模概況。試驗(yàn)采取河工物理模型、船模試驗(yàn)與原型實(shí)船試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法。經(jīng)對(duì)嘉陵江通航船舶的調(diào)查，擬定出明渠通航代表船型為56.8 m×7.6 m×1.5 m尺度的機(jī)動(dòng)駁，該船舶數(shù)量較多，上下行通常載重200～400 t。試驗(yàn)船模采用1+1×300 t頂推船隊(duì)，船隊(duì)靜水航速設(shè)定為4.0～5.0 m/s，舵角為左35°～右35°無(wú)級(jí)比例操舵（表2）。

（3）船模操縱性能。經(jīng)過操縱性能試驗(yàn)和尺度效應(yīng)修正，船模與實(shí)船操縱性能相似，且實(shí)船略偏安全。校正后的船模與實(shí)船操縱性指數(shù)見表3。

表1 比尺概況表Tab.1 Statistics of scales

表2 船模概況表Tab.2 Main dimensions of ship model

表3 操縱性指數(shù)Tab.3 Maneuverability index

2.2 測(cè)控設(shè)備及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用CMZ-3B船模自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用激光掃描儀器對(duì)船模運(yùn)動(dòng)進(jìn)行非接觸快速檢測(cè)，用微機(jī)對(duì)船模運(yùn)行姿態(tài)和操縱要素進(jìn)行實(shí)時(shí)遙測(cè)、控制、計(jì)算，自動(dòng)完成船模試驗(yàn)，能進(jìn)行船模航行試驗(yàn)、船模Z形試驗(yàn)及回轉(zhuǎn)試驗(yàn)，并能試后復(fù)演船模試驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過程。

按試驗(yàn)要求制作船模，在試驗(yàn)水工模型的明渠內(nèi)對(duì)船模進(jìn)行率定，用遙控設(shè)備操縱船模在水工模型相應(yīng)航段進(jìn)行航行。船模的航行要素（船跡、船位、航速、漂角）由激光快速掃描遙測(cè)，CMJ-3無(wú)線電接口遙測(cè)模型的用車、用舵等操縱要素，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)繪圖和計(jì)算［5］。最后結(jié)合不同水流條件下的試驗(yàn)成果進(jìn)行綜合分析，比較各方案的優(yōu)劣，并提出建議和意見，優(yōu)化有關(guān)工程的設(shè)計(jì)布置方案，實(shí)現(xiàn)通航的安全性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性［6］。

2.3 船模試驗(yàn)方案、航段、流量級(jí)

對(duì)水工模型比較方案（有基坑）和水工模型推薦方案（無(wú)基坑）進(jìn)行了沖淤前后的船模試驗(yàn)。試驗(yàn)航段為施工導(dǎo)流明渠及連接段，長(zhǎng)約1 300 m。分別進(jìn)行了2 120 m3/s、5 440 m3/s和7 400 m3/s三個(gè)不同流量級(jí)的船模試驗(yàn)［6］。

3 船模試驗(yàn)成果及分析

為方便對(duì)不同航段、流量的船模試驗(yàn)成果進(jìn)行分析比較，規(guī)定試驗(yàn)中船模船隊(duì)的靜水航速均為上水航行 5.0 m/s，實(shí)際船隊(duì)為 18.0 km/s，下水航行 4.0 m/s，實(shí)際船隊(duì)為 14.4 km/s［7］。

3.1 沖淤前明渠通航船模試驗(yàn)情況

（1）水工模型推薦方案（無(wú)基坑）試驗(yàn)。

船模試驗(yàn)表明，在Q=2 120 m3/s時(shí)，船隊(duì)上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模試驗(yàn)最低航速限值0.4 m/s，只要操縱得當(dāng)，可自航通過施工導(dǎo)流明渠及連接段。由于左岸明渠導(dǎo)墻處水深較淺，船隊(duì)不能靠近導(dǎo)墻，無(wú)法充分利用左岸附近的緩流區(qū)上行，富裕水深較小，淺底效應(yīng)對(duì)船隊(duì)航行也有一定影響，這也是船隊(duì)在此流量級(jí)下航行的困難之處。

在Q=5 440 m3/s時(shí)，船隊(duì)上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模試驗(yàn)最低航速限值0.4 m/s，只要操縱得當(dāng)，可自航通過施工導(dǎo)流明渠及連接段（圖1）。此流量下的困難在于：航道流速比降加大，船隊(duì)上行困難，表現(xiàn)出船隊(duì)航行的舵角漂角均大于Q=2 120 m3/s時(shí)。但由于左岸水深加大，船隊(duì)可以適當(dāng)靠近導(dǎo)墻，充分利用左岸附近的緩流區(qū)上行，所以船隊(duì)上行的航速并不低于Q=2 120 m3/s時(shí)。船隊(duì)靠左岸上行到明渠左導(dǎo)墻堤頭附近無(wú)法上行時(shí)，需逐漸過江到右岸才能繼續(xù)上行，此時(shí)出現(xiàn)了船隊(duì)上行的最大舵角和漂角。

在Q=7 400 m3/s時(shí)，由于航道流速比降過高，船隊(duì)無(wú)法自航上行通過施工導(dǎo)流明渠。

通過對(duì)這3個(gè)不同流量級(jí)的船模試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，在Q≤5 440 m3/s范圍內(nèi)，水工模型推薦方案（無(wú)基坑）的導(dǎo)流明渠基本滿足1+300 t船隊(duì)通航要求［8］。

（2）水工模型比較方案（有基坑）試驗(yàn)。

船模試驗(yàn)表明，在Q=5 440 m3/s時(shí)，船隊(duì)上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模試驗(yàn)最低航速限值0.4 m/s（圖2）。右岸有基坑與無(wú)基坑相比，上下行最大舵角、最大漂角均加大。由于基坑的存在，河道的有效過流斷面減小，在流量一定的條件下，航道流速增大。

圖1 無(wú)基坑沖淤前上行舵角、漂角（Q=5 440 m3/s）Fig.1 Upward process of rudder angle and drift angle before scouring and silting in non-based pit（Q=5 440 m3/s）

圖2 有基坑沖淤前上行舵角、漂角（Q=5 440 m3/s）Fig.2 Upward process of rudder angle and drift angle before scouring and silting in base pit（Q=5 440 m3/s）

河道有基坑與無(wú)基坑相比，船隊(duì)航行難度明顯增大。建議如有可能，盡量不要提前開挖基坑。

（3）沖淤前船模試驗(yàn)結(jié)果（表4）。

表4 沖淤前船模試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Ship model test results before scouring and silting

3.2 沖淤后明渠通航船模試驗(yàn)情況

（1）水工模型推薦方案（無(wú)基坑）試驗(yàn)。船模試驗(yàn)表明，與沖淤前相比，最大舵角與最大漂角均減小，上行航速增大，下行航速減小。在Q=5 440 m3/s時(shí)，船隊(duì)上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行最低航速明顯大于船模試驗(yàn)最低航速限值0.4 m/s。船隊(duì)只要操縱得當(dāng)，可自航通過施工導(dǎo)流明渠及連接段。

（2）水工模型比較方案（有基坑）試驗(yàn)。船模試驗(yàn)表明，與沖淤前相比，船隊(duì)上、下行的最大舵角和最大漂角均減小，上行的最小航速增大，下行的最高航速減小，航行條件有所改善。與右岸無(wú)基坑時(shí)相比，由于基坑的存在，河道的有效過流斷面減小，航道的流速加大。船隊(duì)上、下行最大舵角與最大漂角均增大，上行的最小航速減小，下行的最高航速增大。有基坑與無(wú)基坑方案相比，船隊(duì)航行的難度明顯加大。

（3）沖淤后船模試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 沖淤后船模試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Ship model test results after scouring and silting

3.3 通航的最佳航線、駕駛方式及航行難點(diǎn)

（1）船隊(duì)上行進(jìn)入明渠前，先沿左岸流速相對(duì)較小的河段上行，逐步向明渠左岸下導(dǎo)墻堤頭靠攏。船隊(duì)駛?cè)朊髑?，要靠近明渠左岸?dǎo)堤，保持距左岸30～40 m，盡量利用左岸緩流區(qū)上行。船隊(duì)上行到明渠上堤頭附近無(wú)法繼續(xù)上行時(shí)，再逐漸過江到明渠右岸，保持距右岸50～70 m繼續(xù)上行駛出明渠。

上行有3處難點(diǎn)：一是船隊(duì)進(jìn)入明渠下口時(shí)，明渠左岸下堤頭附近較高的縱橫流速和比降導(dǎo)致操縱困難，此時(shí)船隊(duì)操舵頻繁；二是船隊(duì)上行到明渠左岸上堤頭過江時(shí)，出現(xiàn)了船隊(duì)上行的最大漂角；三是船隊(duì)過江到右岸后繼續(xù)上行時(shí)，該處較高的流速與比降使船隊(duì)上行困難，此時(shí)出現(xiàn)了船隊(duì)上行的最小航速。另外流量小于2 120 m3/s時(shí)，由于明渠左岸水深不足，船隊(duì)難以靠近左岸導(dǎo)堤，無(wú)法充分利用緩流區(qū)域上行。

（2）船隊(duì)下行比上行操縱難度小，只要調(diào)整好航向和航線，沿明渠中部下行即可。在船隊(duì)下行進(jìn)入明渠時(shí)，要適當(dāng)用左舵抱明渠左岸凸邊，避免船隊(duì)在明渠下段被水流推到右邊凹岸；船隊(duì)駛到明渠下口前，要及時(shí)用右舵調(diào)整船隊(duì)航向，使船隊(duì)保持在明渠中部駛出明渠。

4 結(jié)論與建議

船模試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）水工模型推薦方案（右岸無(wú)基坑），在Q=5 440 m3/s時(shí)，船隊(duì)上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模試驗(yàn)最低航速限值0.4 m/s，只要操縱得當(dāng)，可自航通過施工導(dǎo)流明渠及連接段。在Q≤5 440 m3/s時(shí)，基本滿足1+1×300 t船隊(duì)通航要求。

（2）水工模型推薦方案（右岸無(wú)基坑），在Q=7 400 m3/s時(shí)，由于航道流速比降過高，船隊(duì)無(wú)法自航上行通過明渠。

（3）水工模型比較方案（右岸有基坑），在Q=5 440 m3/s時(shí)，基坑的存在減小了河道有效過流斷面，航道流速加大。與右岸無(wú)基坑相比，最大舵角與最大漂角均增大，上行的最小航速減小，下行的最高航速增大。有基坑與無(wú)基坑方案相比，船隊(duì)航行難度明顯加大。

（4）水工模型推薦方案（右岸無(wú)基坑），在Q=5 440 m3/s時(shí)，導(dǎo)流明渠沖淤后，水深加大，流速減小，船隊(duì)上、下行的最大舵角與最大漂角均減小，上行的最小航速增大，下行的最高航速減小，與沖淤前相比航行條件有所改善。

根據(jù)船模試驗(yàn)結(jié)果，提出以下3點(diǎn)建議：

（1）在小流量時(shí)，由于左岸明渠導(dǎo)墻處水較淺，船隊(duì)不能靠近導(dǎo)墻，無(wú)法充分利用左岸附近的緩流區(qū)域上行，航行難度增加。建議對(duì)明渠左岸導(dǎo)墻附近的航道適當(dāng)疏浚加深，改善小流量時(shí)的通航條件。

（2）右岸基坑的存在使河道的有效過流斷面減小，航道流速加大。有基坑與無(wú)基坑方案相比，船隊(duì)的航行難度明顯加大。建議如有可能，盡量不提前開挖基坑。

（3）通航的航線和船隊(duì)的駕駛方式是影響航行安全的2個(gè)重要因素，建議樞紐建成后，結(jié)合船模試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)船試驗(yàn)，在航道中設(shè)置航標(biāo)，制定安全可行的運(yùn)行方式，確保通航船舶安全。

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Research on navigable ship model experiment of Caojie Hydro-junction open diversion channel during construction period in Jialing River

CAI Chuang，CAI Xin-yong，ZHAO Chuan-bo
（Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

In order to demonstrate the availability and feasibility of the arrangement scheme of CaoJie Hydro-junction，the ship model was made on the basis of experimental requirements，and the related arrangement schemes were studied and optimized.The navigable ship model experiments of the open diversion channel during construction period and the connecting section were conducted based on the alternative scheme and recommended scheme.According to the highest security restrictions of ship model test and experimental study under the relevant flow conditions，the test results of the two schemes were analyzed，and the advantages and disadvantages of each scheme were compared.Finally，the recommended proposal and suggestion were put forward.

open diversion channel；ship model；navigation condition；experimental study

TV 133；U 661.73

A

1005-8443（2010）05-0492-05

重慶市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（CSTC2008BB6354）

蔡創(chuàng)（1968-），男，重慶市人，副研究員，主要從事通航小尺度船模及計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究。