三峽庫區(qū)急流灘代表船舶自航上灘水力指標(biāo)研究

張 鵬，胡 江

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶，400074)

三峽庫區(qū)急流灘代表船舶自航上灘水力指標(biāo)研究

張 鵬，胡 江

(重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶，400074)

三峽水庫蓄水以后，庫區(qū)航道通航條件大為改善，對(duì)上游經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的促進(jìn)作用。但在汛期庫尾洪水急流灘，由于水流較急通航能力受限，遏制了庫區(qū)通航能力全面提升。針對(duì)3000噸級(jí)代表船舶在庫尾洪水急流灘自航上灘的實(shí)測資料，結(jié)合川江水力指標(biāo)理論研究方法，確定了三峽庫區(qū)洪水急流灘河段3000噸級(jí)船舶自航上灘的水力指標(biāo)。為庫尾洪水急流灘的規(guī)劃、設(shè)計(jì)及整治提供理論依據(jù)。

三峽庫區(qū);急流灘;3 000噸級(jí)船舶;通航水力指標(biāo)

三峽水庫蓄水以后，庫區(qū)通航能力大幅提高，涪陵以下“窄、彎、淺、險(xiǎn)”航道得到根本改善。長江干線實(shí)現(xiàn)全線夜航，成為優(yōu)良的庫區(qū)航道。2010年5月，三峽過壩船舶中，3000噸級(jí)以上船舶的比例由2009年同期的14.52%提高至28.42%，1000噸級(jí)以下船舶由34.13%降至20.92%，單次過閘平均噸位明顯增加。船舶標(biāo)準(zhǔn)化、大型化發(fā)展趨勢明顯。

但在長江汛期，變動(dòng)回水區(qū)內(nèi)水庫出現(xiàn)天然河道的狀態(tài)［1］，洪水急流灘水流較急，船舶航行困難，成為提高壩上航道整體通航能力的瓶頸。為了確定汛期洪水急流灘通航水流條件，筆者結(jié)合船舶在洪水急流灘自航上灘的實(shí)測資料與理論分析，確定了三峽庫區(qū)洪水急流灘3000噸級(jí)船舶自航上灘的水力指標(biāo)。

1 三峽庫區(qū)現(xiàn)有水力指標(biāo)

交通運(yùn)輸部給出了萬噸級(jí)船隊(duì)自航上灘的水力指標(biāo)見表1［2］。2004年5月，長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院確定了1000噸級(jí)船隊(duì)自航上灘的水力指標(biāo)［3］見表1。而3000噸級(jí)船型是目前庫區(qū)的主要通航船型，沒有相關(guān)的規(guī)范或研究成果。筆者主要基于3000噸級(jí)船型在上灘時(shí)的實(shí)測資料分析，通過理論計(jì)算公式確定庫區(qū)3000噸級(jí)船型自航上灘水力指標(biāo)，為庫區(qū)3000噸級(jí)通航安全提供理論依據(jù)。

表1 船隊(duì)自航上灘的水力指標(biāo)Table 1 Navigable hydraulic parameters of ships

2 3000噸級(jí)船型水力指標(biāo)確定

2.1 代表船舶參數(shù)

2008年8月，在和尚灘、觀音灘、銅鑼?shí){和黃草峽等4處洪水急流灘，調(diào)查了“重慶三峽816”和“渝申2505”兩艘3000噸級(jí)船舶自航上灘相關(guān)情況。依據(jù)自航上灘的能力對(duì)比分析，選擇“重慶三峽816”為3000噸級(jí)船舶的代表船型進(jìn)行計(jì)算，其船舶參數(shù)見表2。

表2 “重慶三峽816”船舶參數(shù)Table 2 Parameters of“ChongqingThree Gorges 816”

2.2 研究方法

急流灘通航水力指標(biāo)的計(jì)算需要以船舶航行阻力為基礎(chǔ)［4］。錢徐濤，等［5］以1∶25 的船模研究了天然河流船舶阻力與下沉量的關(guān)系。長江航道局［6］根據(jù)船模資料和川江實(shí)船修正茲萬科夫法得到川江水力指標(biāo)理論計(jì)算方法。目前，以長江上游山區(qū)航道船型特征建立起來的船舶阻力計(jì)算方法已較完善，并經(jīng)過川江一些大型船舶的驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果基本符合實(shí)際情況［7-8］。

船舶上灘阻力如圖1，當(dāng)船舶的有效推力與上水航行的航行阻力相等時(shí)，船舶就處于急流灘自航上灘的臨界狀態(tài)，相應(yīng)的灘口段水面比降、流速、水深就是自航上灘的水力指標(biāo);川江水力指標(biāo)理論計(jì)算方法通過建立有效推力和航行阻力的表達(dá)式，計(jì)算船舶自航上灘時(shí)不同比降對(duì)應(yīng)的流速得到流速-比降組合值［9］。

船舶有效推力和上水航行的航行阻力可以通過船舶試驗(yàn)測量得到，在沒有條件進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)的情況下，通常是按下式進(jìn)行有效推力和航行阻力的估算。

圖1 船舶上灘阻力簡化圖Fig.1 Resistances of ships ascending rapids

2.2.1 有效推力估算

式中:T0為船舶有效推力，N;e為有效推力系數(shù);Hp為主機(jī)總功率，W;Vs為上行船對(duì)水航速，m/s。

2.2.2 航行阻力估算

1)比降阻力Rj

式中:β1為比降的修正系數(shù)，中小型船舶取β1=1.1 ～1.2，大型船取β1=1.05;W為船舶排水總量，N;J為最洶水位灘口控制段水面比降。

2)水流阻力RV

機(jī)動(dòng)船水流阻力RV1:

式中:f為摩阻系數(shù);V1為修正后水流相對(duì)船舶速度，m/s，V1=ηVs(η為相對(duì)流速修正系數(shù)，通常取η =1.15～1.30);Ω 為船舶浸水面積，m2;δ為船舶方形系數(shù);Am為船舶浸水部分舯剖面面積，m2，Am=βBT(β為船舶橫斷面系數(shù);B為船寬，m;T為船舶吃水，m);ξ1、ξ2為機(jī)動(dòng)船、駁船的剩余阻力系數(shù)。

3)航行阻力R

式中:R為船隊(duì)航行阻力，N;Rj為比降阻力，N;σ為船隊(duì)編隊(duì)系數(shù);n為駁船數(shù)。

依據(jù)船舶“重慶三峽816”在急流灘的上灘調(diào)查結(jié)果，利用川江水力指標(biāo)理論計(jì)算分析方法得到“重慶三峽816”在最小航速時(shí)航行阻力與有效推力相等時(shí)的各水力指標(biāo)參數(shù):比降修正系數(shù)β1=1.05，摩阻系數(shù) f=0.17，相對(duì)流速修正系數(shù)η=1.15，方形系數(shù) δ=0.58，橫斷面系數(shù) β =0.93。

根據(jù)代表船舶“重慶三峽816”在急流灘上灘實(shí)測資料及船舶參數(shù)，計(jì)算出“重慶三峽816”各水力指標(biāo)要素，結(jié)果列于表3。

表3 “重慶三峽816”水力指標(biāo)要素Table 3 Hydraulic factors of“ChongqingThree Gorges 816”

2.3 水力指標(biāo)確定

依據(jù)水力指標(biāo)參數(shù)和水力指標(biāo)要素，通過前面所述分析方法分別計(jì)算了該船型以功率100%(600 kW)在載重為 50%(1 750 t)，75%(2 625 t)，100%(3 500 t)等3種情況下的流速-比降組合值，比降在0.01‰～2‰之間選取6種情況。計(jì)算過程見圖2。

1)根據(jù)載重和船型確定船舶吃水、水線長、浸水面積、舯剖面積等;

2)通過設(shè)定比降按照式(2)計(jì)算比降阻力;

3)設(shè)定上灘流速，計(jì)算船舶對(duì)水航速并按式(3)和式(5)計(jì)算水流阻力Rv和航行阻力R;

4)根據(jù)功率P、轉(zhuǎn)速n、船舶對(duì)水航速Vs及相關(guān)參數(shù)按照式(1)計(jì)算船舶推力T0;

5)判斷航行阻力R是否等于船舶推力T0，如果相等，則給定的比降和流速即為該功率、該載重工況下的急流灘通航水力指標(biāo);否則，需再次假定流速重新計(jì)算，直到航行阻力和船舶推力達(dá)到平衡為止。

圖2 航行阻力法計(jì)算通航水力指標(biāo)過程Fig.2 Calculation process of navigable hydraulic parameters by sailing resistance method

表4列出了“重慶三峽816”在3種載重工況下計(jì)算得到的額定功率下的多種載重自航上灘的臨界流速-比降組合，即3000噸級(jí)船舶自航上灘急流灘通航水力指標(biāo)，表中同時(shí)還列出了航行阻力和船舶推力進(jìn)行對(duì)比。

表4 通航水力指標(biāo)計(jì)算Table 4 Calculation of navigable hydraulic parameters

“重慶三峽816”在3種載重工況下的庫區(qū)洪水急流灘自航上灘時(shí)的最大流速-比降組合。隨著載重和比降的增加，允許3000噸船舶能夠自航上灘的水流流速變小，通常所說的急流灘通航水力指標(biāo)是指在額定功率下，船舶以半載的情況下能夠在急流灘自航上灘的最大流速-比降組合。因此，筆者選用額定功率半載情況下對(duì)該工況進(jìn)行細(xì)化計(jì)算，得到庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)洪水急流灘3000噸級(jí)船舶額定通航水力指標(biāo)，見表5。

表5 庫尾急流灘3000噸級(jí)船舶額定通航水力指標(biāo)Table 5 Rated navigable hydraulic parameters of 3000-ton ships ascending rapids

3 結(jié)語

三峽庫區(qū)變動(dòng)回水區(qū)大致范圍為長壽到江津，屬于典型的河道型水庫。在枯水期，三峽蓄水以后庫區(qū)航道呈現(xiàn)優(yōu)良的水庫航道特征，壩前水位大幅度抬高、流速減緩，庫區(qū)航道通航條件得到改善。但在洪水期，三峽大壩壩前水位較低，庫尾變動(dòng)回水區(qū)呈現(xiàn)天然河道特點(diǎn)，庫尾急流灘在洪水期出現(xiàn)礙航特征，致使船舶上行困難，限制了庫區(qū)航道通航能力的全面提升。

筆者選取“重慶三峽816”作為3000噸級(jí)代表船型，根據(jù)“重慶三峽816”上灘能力調(diào)查結(jié)果及川江水力指標(biāo)理論計(jì)算方法，對(duì)“重慶三峽816”以功率100%在載重50%，75%，100%等共3種工況下比降從0.01‰～2‰等6種情況進(jìn)行了流速-比降組合計(jì)算。確定了三峽庫區(qū)典型洪水急流灘河段的3000噸級(jí)船舶自航上灘的水力指標(biāo)。為航道整治工程措施、提高庫區(qū)船舶的通航期和發(fā)揮三峽航運(yùn)效益有重要意義。

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Study on the Navigable Hydraulic Parameter of 3000-ton Ships at the Rapids of Three Gorges Reservoir Area

Zhang Peng，Hu Jiang
(School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

In the impoundment stage of Three Gorges reservoir，the improved conditions of navigation have played an important role in promoting the economic development of the upstream region.In the flood period，however，the rapids contained the promotion of reservoir navigation capacity due to the rapid flow.The 3000-ton ships are mainly navigation ships of Three Gorges Reservoir Area.However，there is no research about it.Therefore，this article was based on the actual measurement when the 3000-ton ships traveled the rapids of Three Gorges Reservoir Area and the theoretical calculation formula to determine the navigable hydraulic parameter of 3000-ton ships.The results of research contribute to the channel rectification project，the navigation period of the Reservoir Area and the Three Gorges shipping returns.

Three Gorges Reservoir Area;rapids;3000-ton ships;navigable hydraulic parameter

U61

A

1674-0696(2012)04-0877-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.34

2011-11-09;

2012-04-10

交通運(yùn)輸部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目(2007-328-000-89)

張 鵬(1987—)，男，重慶人，碩士研究生，主要從事航道整治方面的研究。E-mail:zhangpengcquc@163.com。