船閘布置在彎道凹凸岸附近時通航條件分析

曹玉芬，周華興

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

山區(qū)河流蜿蜒曲折，順直河段相對較短，沿程河床縱橫形態(tài)和岸線不規(guī)則，通航建筑物在樞紐中的布置受地形、地質(zhì)、水文泥沙等條件的制約，船閘布置要求的直線段長度較難滿足，以Ⅲ級航道的船閘為例，直線段長度為閘室+上下閘首+上下游引航道+上下游口門區(qū)，總長度約2km.樞紐往往布置在彎道附近或2個彎道之間，此時船閘布置在彎道的凸岸一側(cè)或凹岸一側(cè)，引航道口門區(qū)位于彎道附近，連接段會位于彎道上.鑒于凹凸岸邊界條件、水流條件的差異，彎道水流結(jié)構與斜向水流的共同作用會增大口門區(qū)與連接段橫向流速，影響船舶(隊)進出口門的安全，所以，有必要分析凹凸岸通航水流條件和航行條件的利弊，為船閘在樞紐布置中相對位置的確定提供設計依據(jù).

1 國內(nèi)樞紐中通航建筑物布置現(xiàn)狀

由于樞紐在河段選址中受地質(zhì)、地形、水文、泥沙等影響，船閘在樞紐中的布置千差萬別，統(tǒng)計國內(nèi)近30座水利、水電和航運樞紐工程［6］.可見，樞紐基本布置在彎道附近或2個彎道之間，船閘布置凹、凸岸的情況約各占一半，為此，對船閘布置在凹岸或凸岸的利弊作綜合分析比較.

2 樞紐中船閘布置的有關規(guī)定

(1)在《內(nèi)河通航標準》［1］中要求:①船閘宜布置在順直和穩(wěn)定的河段.當船閘布置在彎曲河段或河道外的引渠內(nèi)時，河床穩(wěn)定，并與主航道平順連接.②船閘宜臨岸布置、不應布置在2個過水建筑物之間.③船閘引航道口門區(qū)及連接段應布置在泥沙不易淤積的部位.

(2)在《船閘總體設計規(guī)范》［2］中要求:①必須與樞紐總體設計相協(xié)調(diào)，處理好通航與水利、水電和城市建設的關系，做到水資源的綜合利用，遠近結(jié)合和留有余地;②必須保證船舶(隊)的安全暢通過閘;船閘宜臨岸布置，上下游引航道口門區(qū)宜位于深泓線一側(cè);并與主航道平順連接;③當船閘布置在彎曲河段時，引航道口門區(qū)均應在河床穩(wěn)定部位，應滿足通航條件.

(3)在《渠化工程樞紐總體布置設計規(guī)范》［3］中規(guī)定:①當壩址處河面開闊，河床內(nèi)能同時布置擋水、泄水建筑物、通航建筑物及電站等水工建筑物時的集中布置方式，通航建筑物布置在主河槽的凹岸一側(cè)，其下游引航道出口應與下游主航道平順銜接.②當壩址處河面較窄、彎曲，其凸岸適宜布置通航建筑物時;或當壩址處河面雖開闊、順直，但將通航建筑物及電站布置在岸上開挖的渠道內(nèi)，經(jīng)論證可采用分散布置方式時，若通航建筑物位于凸岸的渠道中，船閘宜置于渠道的中段或中下段;當擋水、泄水建筑物與電站布置在河床內(nèi)，通航建筑物宜布置在凸岸的渠道中.

(4)在《船閘設計》［4］中建議，船閘引航道口門區(qū)盡可能布置在順直穩(wěn)定的河段，避免布置在不穩(wěn)定或過彎的河段，避開凸岸淤積區(qū)和樞紐下泄水流攜帶沖積物的淤積區(qū)及回流、緩流淤積區(qū).

表1 國內(nèi)樞紐通航建筑物的布置Tab.1 Arrangement of navigation structures in domestic hydroprojects

3 通航建筑物布置在凹凸岸的邊界、水流及航行條件

3.1 邊界條件

彎曲航道按所處地域，可分為山區(qū)、平原和河網(wǎng)地區(qū)的彎曲航道，這里僅討論山區(qū)彎曲航道.一般山區(qū)河流蜿蜒曲折，沿程河岸邊界不規(guī)則，河道彎曲半徑較小，河岸坡陡;河床大都為石質(zhì)或沙礫石組成，邊界較穩(wěn)定;凹岸的曲率半徑大于凸岸，河床地形邊界由凸岸(淺)向凹岸方向逐漸加深，橫斷面成不對稱三角形或拋物線形;彎曲航道由單一彎曲、連續(xù)彎曲和彎曲分汊幾種類型.

3.2 水流條件

3.2.1 彎道段水流 彎曲型河道的水流運動有其自身的特點，由于彎道的存在，水流發(fā)生彎曲，水流受到重力和離心慣性力的雙重作用而形成彎道環(huán)流，其等壓面不是水平的，而是與重力和離心慣性力的合力相垂直.因為水流沿橫向曲線變化，凹岸一側(cè)的水位恒高于凸岸一側(cè)，這一現(xiàn)象決定了彎道水流的結(jié)構特點:表層水流向凹岸，造成凹岸沖刷;從凹岸向下轉(zhuǎn)向凸岸的底層會攜帶部分泥沙，導致凸岸淤積.這種作用致使主流不斷向下游凹岸偏移，成為河道演變的必然趨勢［9］.

凹岸受彎道水流的影響，河床較深，主流偏向凹岸，而凸岸處水流受岸壁邊界影響，會分離形成回流和泥沙淤積，因此，從表層流態(tài)這一角度來看，凸岸復雜凹岸單一.但從水流流速的絕對值看，凹岸大于凸岸.

3.2.2 船閘分別位于彎道凹凸岸時口門區(qū)流態(tài) 船閘引航道口門區(qū)及連接段位于彎道附近時(圖1)，通航水流條件受斜向水流和彎道水流的共同作用.據(jù)文獻［6］的研究成果，船閘引航道口門區(qū)應距彎道有一定距離(2～2.5)lc(lc為船隊長度).

彎曲段航道的通航條件取決于2個方面:一是水流方向與船舶(隊)航線方向的差異，兩者不一致時，導致水流對船舶航行產(chǎn)生斜向作用，使船舶(隊)偏離航線，偏航程度的大小直接受橫向流速的影響，所以彎道段船舶(隊)航行難度比順直段要大;二是水面比降，彎道中水流的水深沿縱向、橫向都發(fā)生變化，這種不穩(wěn)定的橫向水面高差，必然造成橫向流動，形成縱向橫向立體空間比降，造成船舶(隊)航行阻力變化和航速的不穩(wěn)定.

山區(qū)河流樞紐一般布置在彎道附近或兩彎道間，船閘引航道口門區(qū)往往靠近彎道.如那吉航運樞紐工程，可行性研究階段船閘布置在河道的左岸，位于彎道的凸岸(圖1)，總體而言不順應河勢的發(fā)展，并且需要開挖原岸坡臺地，通航水流條件在口門區(qū)范圍內(nèi)，雖流速不大，但形成范圍較大的回流，回流長度接近300m.在5年一遇水位流量組合下，航線外側(cè)橫向流速最大達0.42m/s，Vx＞0.3m/s約占測點的17%，雖基本滿足水流條件要求，但不滿足船隊航行條件要求.

當船閘布置在彎道凹岸，水流順應主流流向，優(yōu)化后水流條件平順，也符合規(guī)范要求.

3.3 航行條件

根據(jù)量綱分析，船舶在彎曲航道段航行時，船舶航行漂角β=f(R/lc，VH/V，B/T，h/T，…)，受彎曲半徑R，船隊長度lc，對岸航速VH，對水航速V，航道寬度B，船舶吃水T和水深h的影響外，還受船隊隊形、風力和駕駛?cè)藛T的心理素質(zhì)等影響.船舶(隊)分別在凸岸或凹岸航行時，凹岸的航線曲率半徑大于凸岸，曲率半徑越大水流作用于船舶的角度越小，越有利于船舶航行.

圖1中航道為Ⅲ級航道，當船閘布置在凸岸時，要求航道最小彎曲半徑R=480m;若船閘布置在凹岸時，凹岸彎道的曲率半徑R=B0+480(m)(B0為彎道處河寬)，顯然船舶(隊)航線的彎曲度凸岸比凹岸大得多.

在工程實踐中，有近50%的樞紐工程位于凸岸，其中部分樞紐處在微彎河段或距彎道一定距離，故彎道水流對船舶(隊)航行影響較小.

船隊在彎道上航行，船隊的重心基本在航線上運動，然而船頭與船尾不可能同時在航線上運動，因為船不是柔性結(jié)構，不會隨圓弧改變自己的形狀，所以在彎道上航行存在一個艏向角.艏向角具有瞬時性質(zhì)，它在一個范圍內(nèi)變化，該范圍與航線的曲率半徑大小有關，曲率半徑越小艏向角越大［7］.

船舶(隊)在順直方向航行，當受斜向水流的作用時，船舶受到的縱向和橫向流速分別為Vy=Vcosα，Vx=Vsinα，V為斜向流速，α為斜向流速與航線的夾角.當船舶在彎道上航行，而口門區(qū)又位于彎道附近，船舶航行既受彎道水流的影響，又受斜向水流的作用，船舶重心位于航線上，船頭位于航線的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，相反，船尾位于航線的外側(cè)或內(nèi)側(cè)，此時的橫向流速Vx=Vsin(α+Δθ)，Δθ為船隊軸線與航線的夾角.Δθ的大小與河道的彎曲半徑、船舶或船隊長度寬度、航行漂角等有關，以Ⅲ級航道為例:彎道曲率半徑R=3lc，船隊長lc=160m，船隊寬Bc=10.8 m，設河道寬B0=380m，船隊靠近凸岸航行 Δθ≈10°，船隊靠凹岸航行，Δθ≈3°(見圖2)，顯然凸岸比凹岸要大很多;從這個角度上看，把通航建筑物布置在凹岸，對航行條件是有利的.

圖1 船閘分別位于彎道的凹凸岸時口門區(qū)流態(tài)Fig.1 Flow pattern in the channel entrance area when lock is located along the concave and convex banks of the bend channel

船舶上行(逆行)水流作用于船舶操舵上的壓力大，有利于舵效的發(fā)揮;而船舶下行，作用于舵上的作用力小，不利于舵效的發(fā)揮.

這里以那吉航運樞紐為例，當船閘布置在右岸(凹岸)水流順應主流流向，優(yōu)化后的通航水流條件平順，航行條件也較好，船隊順流而下，頂流而上，船隊進出口門較順利，船隊上下行的舵角漂角均在許可范圍內(nèi).若船閘布置在左岸(凸岸)，船隊下行進口門要經(jīng)90°的彎，會造成船頭下行時操作不當會碰岸或當船身向河心橫漂時船頭會碰堤頭，當水位流量組合為5a一遇或10a一遇時，船模下行進口門成功次數(shù)較少，且船隊的操舵角會大于20°，漂角大于10°.

3.4 綜合比較

(1)邊界條件:彎道曲率半徑凸岸R≥3lc，凹岸R≥3lc+B0;彎道的橫斷面呈不等三角形或拋物線形，凸岸淺凹岸深.

(2)水流條件:彎道的水深凹岸比凸岸深;彎道的流速凹岸大，凸岸小;彎道水流受離心力作用，水深沿縱向、橫向都發(fā)生變化，彎曲水面為一個扭曲面，從縱剖面看，凹岸水位線呈上凸曲線，凸岸水位線使整個水體向凹岸雍高，凸岸水面變低，產(chǎn)生面流指向凹岸，底流指向凸岸的螺旋狀水流向前運動.

(3)航行條件:①彎曲航道的曲率半徑，凸岸小，凹岸大.②彎曲航道縱向水流流向與航線存有差異，流向與航線軌跡難于一致，總是存在某種夾角，這種夾角不同于口門區(qū)由于邊界條件造成水流的收縮或擴大，而是形成水流的斜向效應.斜向流速分解成平行航線的縱向流速和垂直于航線的橫向流速，橫向流速使船舶產(chǎn)生橫向漂移，影響船舶(隊)進出口門.而彎道段的水流與航線的夾角，對船舶(隊)航行的影響，其性質(zhì)是一樣的，但由于彎道段水域?qū)掗?，危險程度比口門區(qū)要好.③船舶(隊)在彎曲航道段航行，存在艏向角，該角具有瞬時性質(zhì)，它與彎道段曲率半徑有關，一般凸岸處艏向角大，凹岸處小.

圖2 船舶(隊)在彎曲航道段凹岸與凸岸上行Fig.2 Shipping(team)navigating to the upstream along the concave bank of the bend channel

4 有待研究的內(nèi)容

船舶(隊)回轉(zhuǎn)半徑與操舵角的關系.船舶(隊)在彎曲航道段航行屬曲線運動，是按照一定曲率半徑運動，船舶(隊)曲線運動時，要預先給定一定的操舵角，該操舵角θ與船舶(隊)尺寸、航道曲率半徑、航速、水深等因素有關，即 θ=f(lc，Bc，Tc，δ，R，V1，h，V2)，式中:lc，Bc，Tc，δ為船舶(隊)的長度、寬度、吃水、方形系數(shù);R為航道的曲率半徑;V1為水流速度;h為水深;V2為航速等.當船舶(隊)尺度一定時，θ=f(R，V1，h，V2);當彎道為靜水時，θ=f(R，h，V2)，需尋求操舵角與有關因素的關系.

5 結(jié) 語

(1)當連接段處在彎曲航道段，航寬范圍內(nèi)的水流條件能滿足，并不等于航行條件也能滿足.對于彎道上的通航條件應以船隊的航行參數(shù)來衡量，因為船舶(隊)受到彎道水流與航線夾角和船隊軸線與航線夾角的共同作用，增加了航行難度.

(2)船閘口門區(qū)位于彎道段附近時，船舶(隊)會受斜向水流和彎道水流的共同作用，增加進出口門的難度，因此口門區(qū)應距彎道一定距離.

(3)對于山區(qū)河流，通航建筑物宜布置在凹岸.因此，在樞紐工程選址及樞紐中通航建筑物與電站相對位置確定時，應首先考慮將通航建筑物布置在凹岸，其次才是凸岸.

(4)船舶(隊)回轉(zhuǎn)半徑與操舵角的關系，有待進一步研究.

［1］GB 50139-2004，內(nèi)河通航標準［S］.(GB 50139-2004，Navigation standard of inland waterway［S］.(in Chinese))

［2］JTJ 305-2001，船閘總體設計規(guī)范［S］.(JTJ 305-2001，Code for master design of shiplocks［S］.(in Chinese))

［3］JTJ 220-1998，渠化工程樞紐總體布置設計規(guī)范［S］.(JTJ 220-1998，Design code for hydro-junction general layout of canallization works［S］.(in Chinese))

［4］王作高.船閘設計［M］.北京:水利電力出版社，1992.(WANG Zuo-gao.Ship lock design［M］.Beijing:Hydraulic and Electric Press，1992.(in Chinese))

［5］周華興.船閘通航水力學研究［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學出版社，2007.(ZHOU Hua-xing.Ship lock hydraulic research［M］.Harbin:Northeast Forestry University Press，2007.(in Chinese))

［6］李焱，鄭寶友，盧文蕾，等.引航道與河流主航道的夾角對通航條件影響試驗［J］.水道港口，2009(1):42-48.(LI Yan，ZHENG Bao-you，LU Wen-lei，et al.Test on navigation condition influenced by the angle between approach channel and main channel［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009(1):42-48.(in Chinese))

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［8］李焱，周華興，鄭寶友.那吉航運樞紐通航水流條件水工模型試驗報告［R］.天津:天津水運工程科學研究所，2003.(LI Yan，ZHOU Hua-xing，ZHENG Bao-you.The report of hydraulic model test on Naji hydro-junction navigable flow conditions［R］.Tianjin:Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，MOT，2003.(in Chinese))

［9］茆長勝.彎曲航道概化模型試驗研究報告［R］.武漢:長江航道規(guī)劃設計研究院，2008.(MAO Chang-sheng.Research report on bending waterway simplified model test［R］.Wuhan:Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute，2008.(in Chinese))

［10］李炎，李金和，周華興.那吉航運樞紐船閘布置及其通航條件試驗研究［J］.水運工程，2004(8):50-54.(LI Yan，LI Jin-he，ZHOU Hua-xing.Optimized arrangement of navigation structures and test study of navigation conditions of Naji hydrojunction［J］.Port＆ Waterway Engineering，2004(8):50-54.(in Chinese))