對(duì)《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中引航道布置及尺度的討論

鄭寶友，戈龍仔，周華興

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

20世紀(jì)80年代交通部組織設(shè)計(jì)、科研、高等院校以及管理等有關(guān)單位，通過收集國內(nèi)外船閘工程布置、運(yùn)轉(zhuǎn)和科研資料，調(diào)研船閘工程，在總結(jié)建國40年來我國船閘建設(shè)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和科研成果及吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，于1987年制定了《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，促進(jìn)工程建設(shè)的發(fā)展.規(guī)范使用十余年后，在進(jìn)一步總結(jié)船閘建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)原規(guī)范中總體布置設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了修訂和增補(bǔ)，于2001年修訂成《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》出版［1］.近幾年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力的增強(qiáng)和科技水平的提高，有關(guān)設(shè)計(jì)、科研單位結(jié)合西部開發(fā)，對(duì)西江、嘉陵江、涪江、湘江等通航樞紐工程進(jìn)行水工模型試驗(yàn)研究，對(duì)樞紐中船閘引航道、口門區(qū)及連接段的布置，通航水流條件與航行條件的限值有了更深的認(rèn)識(shí)，也為船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范的再修訂提供了依據(jù).現(xiàn)將山區(qū)及丘陵地區(qū)河流航電(運(yùn))樞紐工程中船閘引航道布置的工程實(shí)踐［2-6］，與規(guī)范的布置要求進(jìn)行比較分析，提出山區(qū)河流船閘引航道的布置可有別于規(guī)范規(guī)定的觀點(diǎn)，重新確定了山區(qū)河流引航道的布置方法，供規(guī)范修訂時(shí)參考.

1 有關(guān)船閘引航道尺度的討論

1.1 引航道的長度

1.1.1 規(guī)范規(guī)定的引航道長度 《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 305—2001)中定義引航道長度由導(dǎo)航段L1，調(diào)順段L2，停泊段L3和制動(dòng)段L4等組成見圖1，引航道直線段長度L直=L1+L2+L3，對(duì)頂推船隊(duì)，該長度為(3.5～4.0)LC(LC為控制船隊(duì)的長度).而對(duì)引航道長度L=L1+L2+L3+(L4－L3)=L1+L2+L4，其中 L4為制動(dòng)段長度(內(nèi)包含停泊段).

圖1 引航道、口門區(qū)、連接段示意圖Fig.1 Sketch of the approach channel，entrance and connecting segment

按《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的設(shè)計(jì)原則，制動(dòng)段包括在引航道內(nèi)，“制動(dòng)段的長度應(yīng)滿足船舶、船隊(duì)制動(dòng)的需要，并根據(jù)口門區(qū)流速的大小、設(shè)計(jì)最大船舶、船隊(duì)的長度和性能確定”.這里提出的確定原則，除可定量的口門區(qū)流速大小、船隊(duì)的長度和船隊(duì)機(jī)組功率性能外，還與不可定量的船隊(duì)位置、駕引人員操作經(jīng)驗(yàn)及船舶進(jìn)出閘方式等因素有關(guān)，這就給引航道導(dǎo)航隔流堤長度設(shè)計(jì)帶來困難.

按規(guī)范要求，引航道長度應(yīng)大于直線段長度，即L＞(3.5～4.0)Lc.至此又提出當(dāng)“山區(qū)Ⅲ～Ⅶ級(jí)和平原Ⅳ～Ⅶ級(jí)的船閘，當(dāng)受地形等條件限制，不能滿足直線段長度要求時(shí)，可在滿足安全進(jìn)、出閘和通過能力要求的條件下，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證進(jìn)行布置，”這說明引航道長度可小于直線段長度.

1.1.2 樞紐工程船閘引航道長度［7］這里定義導(dǎo)航隔流堤(墻)內(nèi)側(cè)為引航道，堤頭上游或下游為口門區(qū).該“堤”長度就是引航道長度.統(tǒng)計(jì)了有關(guān)山區(qū)河流航運(yùn)樞紐船閘引航道的長度(表1)，可見那吉、大源渡、貴港、桂平、鳳儀場、馬回、孟洲壩、青居等船閘的上下游引航道直線段長度L直≥3.5Lc基本滿足規(guī)范要求;桐子壕、東西關(guān)、新政、金溪場、西津、七里垅等船閘的上下游引航道直線段長度L直＜3.5Lc，不滿足規(guī)范要求.

山區(qū)河流樞紐船閘引航道長度滿足L直≥3.5Lc時(shí)，Ⅲ級(jí)航道為560～640m，Ⅳ級(jí)航道為380～440m.要達(dá)到這個(gè)要求，已很困難.表中有的船閘大于該值，是地形條件決定的，并非考慮制動(dòng)段的要求.所以制動(dòng)段主要是上游引航道船舶(隊(duì))的沖程.

根據(jù)表1航運(yùn)樞紐的工程實(shí)踐［8-10］，引航道長度就是直線段長度的有那吉、貴港、大源渡樞紐工程;而其他樞紐工程的導(dǎo)航隔流堤均比引航道直線段短，則口門區(qū)就是原引航道長度中的制動(dòng)段.

表1 工程實(shí)踐中引航道長度Tab.1 Length of the approach channel in engineering practices

1.2 引航道寬度

在《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的5.5.2.1款中對(duì)引航道的寬度作了規(guī)定，對(duì)單線船閘的引航道寬度與布置型式有關(guān)，對(duì)于反對(duì)稱和不對(duì)稱型的引航寬度B0=3.5bc，對(duì)稱型式B0=5bc，bc為代表船舶、船隊(duì)的寬度.但在5.3.1條中，“船閘引航道、口門區(qū)與連接段見圖5.3.1(即本文圖1).口門區(qū)的寬度應(yīng)與引航道口門有效寬度相同(見該圖B1)”.同時(shí)在圖中隔流堤堤頭處標(biāo)注了，當(dāng)?shù)填^處寬度大于有效寬度的部分，為無效寬.

這樣，對(duì)于引航道寬度的設(shè)計(jì)在5.5.1.2款已是很明確，而在圖5.3.1中出現(xiàn)了引航道口門有效寬度，B1－B0=ΔB，該ΔB如何確定，未作交待，使規(guī)范操作困難.希望在規(guī)范修訂時(shí)給予明確.筆者翻閱了原《船閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ 261—87))，該規(guī)范交待了 ΔB 的取值，ΔB=B1－BO，B1=1.5BO，ΔB=0.5BO.同時(shí)筆者統(tǒng)計(jì)了國內(nèi)部分船閘引航道寬度與口門寬(見表2).從表2可見:B1/BO在1.0～1.8之間變化，ΔB=(0～0.8)B0.若取0.5B0是合適的.

對(duì)于隔流堤堤頭處的無效寬問題，在規(guī)范修訂時(shí)建議取消，用ΔB≥0.5B0表示即可，因?yàn)樘热舻匦螚l件許可適當(dāng)增加口門的寬度，對(duì)船舶由寬闊水域進(jìn)入狹窄航道也是有幫助的.由于水流運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻變化，以及船舶航行時(shí)常發(fā)生搖擺、傾側(cè)、波動(dòng)等現(xiàn)象，在一般水流條件下，船舶也會(huì)偏離航線.當(dāng)船舶從較寬的水域進(jìn)入限制性航道時(shí)會(huì)發(fā)生岸吸、低吸、風(fēng)、浪和錯(cuò)船干擾以及人的心理因素等影響，因此引航道口門應(yīng)適當(dāng)加寬，并在平面和立面上設(shè)漸變段，以緩和水流對(duì)船舶航行的影響;口門加寬值與水流條件、船舶條件、航道尺度、運(yùn)行方式等有關(guān).

表2 工程實(shí)踐中引航道寬度Tab.2 Width of the approach channel in engineering practices

1.3 制動(dòng)段

從工程實(shí)踐而言，制動(dòng)段中的停泊段有的在引航道內(nèi)，有的在口門區(qū)內(nèi)，而真正意義上制動(dòng)段既在引航道又在口門區(qū)內(nèi).對(duì)于上游引航道，船舶(隊(duì))進(jìn)閘會(huì)形成沖程，船舶(隊(duì))必須制動(dòng)(減速)，但難以確定能否在靠船墩處停泊.美國密西西比河委員會(huì)1971年10月出版的《密西西比河航運(yùn)》中，介紹該河流航運(yùn)情況時(shí)，曾提到“船隊(duì)的制動(dòng)距離為0.5～1哩(1哩=1609.3m)，具體數(shù)值應(yīng)視船隊(duì)大小、推輪功率性能與航向而定”.另，在“船模航行試驗(yàn)引航道口門區(qū)允許流速”報(bào)告中，提到“美國則是采用船模航行實(shí)驗(yàn)來判斷口門水流是否礙航，也就是在水工模型上，口門上游一定地點(diǎn)，使模型船隊(duì)停機(jī)后，順?biāo)髯孕?，若船?duì)模型能順利進(jìn)入口門，說明航態(tài)滿足要求”.因此，船舶能否在靠船墩處停泊，有待積累資料和深入研究.

上游與下游引航道口門區(qū)設(shè)置制動(dòng)段有所區(qū)別.由于船舶(隊(duì))從上游順流而下，受水流的影響，舵效很難發(fā)揮;當(dāng)推輪停機(jī)后，船隊(duì)受縱向水流的影響，產(chǎn)生沖程，因此對(duì)上游口門區(qū)一定要考慮船舶(隊(duì))的制動(dòng).至于下游引航道，船舶出閘時(shí)的速度較小，一般約在1.0m∕s，且下行時(shí)又不在靠船墩處停泊;對(duì)于船舶(隊(duì))上行進(jìn)閘，船隊(duì)逆流而上，速度易控制.至于船舶(隊(duì))能否在下游引航道靠船墩處順利安全停泊，取決于口門區(qū)的流態(tài)、回流的大小與強(qiáng)度，該流態(tài)與泄洪流量及泄洪閘開啟方式有關(guān)，一般通過模型試驗(yàn)，通航水流條件能得到改善.

2 引航道布置形式的討論

在“山區(qū)河流渠化樞紐總體布置綜合研究”報(bào)告中，針對(duì)嘉陵江梯級(jí)渠化工程，提出了引航道半開敞直線布置型式(新政樞紐、金溪坊樞紐);引航道半開敞曲線布置形式(鳳儀場樞紐);限制性引航道的曲線布置型式(青居樞紐)以及引航道停泊段與調(diào)順段重合布置形式(見圖2).這些布置形式具有典型山區(qū)河流的特點(diǎn)，航道能充分利用一側(cè)的河岸地形和另一側(cè)的開闊水域.若以導(dǎo)航隔流堤(墻)頭范圍內(nèi)為引航道，則長度甚短，引航道向口門區(qū)延伸，引航道的一部分為開敞式，同時(shí)也成為口門區(qū)一部分，這種布置受航道河岸邊界條件的制約順應(yīng)河岸邊界的特點(diǎn)，導(dǎo)航隔流堤較短，停泊段在口門區(qū)，適合山區(qū)河流樞紐船閘引航道布置，并且在嘉陵江梯級(jí)開發(fā)的渠化樞紐工程中應(yīng)用，由于目前的船舶(隊(duì))尺度較小，尚未達(dá)到設(shè)計(jì)的代表船型及船隊(duì)，倘若通過原體實(shí)船檢驗(yàn)，可作為山區(qū)河流樞紐通航船閘布置及規(guī)范條文修改的依據(jù).

靠船墩在引航道工程實(shí)踐中的位置有3種類型:一是在引航道直線段上;二是在引航道擴(kuò)大段范圍內(nèi);三是在引航道口門外口門區(qū)范圍內(nèi).靠船墩的布置受地理、地質(zhì)、地形條件的影響，尤其受邊界條件的制約，山區(qū)河流河道彎曲，直線段很短，靠船墩布置在引航道口門外口門區(qū)范圍內(nèi)，如蒼溪、新政、金溪場、過軍渡、東西關(guān)、桐子壕、紅巖子等樞紐船閘;有些樞紐船閘工程靠船墩布置在引航道擴(kuò)大段處，如老口、那吉、貴港(上游)等;布置在引航道直線段內(nèi)的樞紐船閘工程有三峽、葛洲壩、金雞、長洲、青居(上游)等(見表3).不同停泊位置受水流條件的影響是有差異的，靠船墩在引航道直線段內(nèi)，受船閘充泄水在引航道內(nèi)產(chǎn)生長波運(yùn)動(dòng)，形成較大的水面比降的影響、船舶(隊(duì))的系纜力大，但風(fēng)浪影響小;靠船墩在口門外時(shí)，受泄水閘泄水波、風(fēng)浪及水流條件的影響大，而系纜力小;而靠船墩在擴(kuò)大段時(shí)，界于二者之間，因此從船舶(隊(duì))停泊條件的系纜力大小而論，船舶(隊(duì))停在口門外系纜力會(huì)減小.

圖2 船閘引航道布置型式Fig.2 Layout of the approach channel of ship lock

表3 工程實(shí)踐中靠船墩位置Tab.3 Locations of berthing pier in engineering practices

3 結(jié)語

(1)船閘引航道長度，按規(guī)范要求L直≥(3.5～4.0)Lc，但結(jié)合山區(qū)河流的實(shí)際，經(jīng)模型試驗(yàn)論證，可適當(dāng)縮短.

(2)引航道寬度一般均滿足規(guī)范要求，也未規(guī)定引航道一定要加寬.經(jīng)有關(guān)工程實(shí)踐的統(tǒng)計(jì)，若需加寬時(shí)，加寬值 ΔB≥0.5B0.

(3)在嘉陵江梯級(jí)渠化工程中，針對(duì)山區(qū)河流的特點(diǎn)，提出引航道半開敞直線、半開敞曲線及限制引航道曲線布置形式，若經(jīng)原體設(shè)計(jì)代表船型及船隊(duì)檢驗(yàn)，可供引航道布置和規(guī)范修訂時(shí)參考.

(4)制動(dòng)段影響引航道長度，對(duì)制動(dòng)段長度的確定尚需積累原體船舶(隊(duì))在各種水流條件下，船隊(duì)停機(jī)后沖程制動(dòng)距離方面的資料.

(5)鑒于山區(qū)河流彎曲或微彎河段組成引航道直線段長度很難滿足規(guī)范要求，直線段中的停泊段既可以安排在引航道內(nèi)或口門區(qū)內(nèi)，也可以直線布置或結(jié)合地形條件呈彎曲轉(zhuǎn)布置.

［1］JTJ 305—2001，船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.(JTJ 305—2001，Code for master design of shiplocks［S］.(in Chinese))

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