彎曲河段船閘口門區(qū)通航水流條件探討

葉玉康，劉曉平，張 宇，蘇天宇，羅鵬飛

(長沙理工大學 水利工程學院，長沙 410076)

彎曲河段船閘口門區(qū)通航水流條件探討

葉玉康，劉曉平，張 宇，蘇天宇，羅鵬飛

(長沙理工大學 水利工程學院，長沙 410076)

船閘口門區(qū)通航水流條件中的橫向流速指標是衡量船舶能否安全進出引航道口門區(qū)的主要標準之一。通過對位于彎曲河段的水利水電樞紐工程資料的收集分析，發(fā)現(xiàn)存在口門區(qū)局部區(qū)域流速測點橫向流速超過規(guī)范限值，但船模航行參數(shù)符合要求的現(xiàn)象。針對這一問題，以大源渡航電樞紐二線船閘口門區(qū)通航水流條件模型試驗和船模航行試驗為基礎，研究彎曲河段口門區(qū)船舶航行的特點，分析2種試驗結果的差異，提出了在衡量彎曲河段船閘口門區(qū)通航水流條件時應考慮船舶航行存在艏向角的因素，以及船舶的有效橫向流速應與規(guī)范中的限值進行比較的建議。

彎曲河段；船閘；口門區(qū)；通航水流條件；航行參數(shù)

1 研究背景

船閘宜布置在順直穩(wěn)定、河面寬闊的河段上。為保證船舶安全進出引航道，《內河通航標準》[1]與《船閘總體設計規(guī)范》[2]均對船閘引航道口門區(qū)通航水流條件作出了具體規(guī)定，見表1。

表1 口門區(qū)水流表面最大流速限值

然而對于丘陵地區(qū)或山區(qū)河流，受河勢、地形等因素制約，樞紐有時只好布置在微彎或彎曲河道上，其船閘引航道口門區(qū)或連接段往往位于彎曲河段上，如：大源渡航電樞紐、那吉航電樞紐、草街航電樞紐、金溪航電樞紐、飛來峽水利樞紐等。從眾多的通航水流條件和船模航行條件試驗成果發(fā)現(xiàn)：某些樞紐口門區(qū)在航道寬度外側邊緣測點的縱、橫向流速超過了規(guī)范限值，而其船舶模型航行條件參數(shù)又滿足相關規(guī)定[3-6]，并且樞紐建成后，經運營實踐也證明船舶可安全通航。筆者在大源渡航電樞紐二線船閘口門區(qū)通航水流條件模型試驗中也發(fā)現(xiàn)上述現(xiàn)象。為何在同一試驗條件下，2種試驗方法得到的結果存在差異，因此本文對彎曲河段樞紐水工模型試驗中船閘口門區(qū)橫向流速的分析方法進行探討。

2 大源渡航電樞紐二線船閘口門區(qū)通航水流條件模型試驗

2.1 大源渡航電樞紐概況

大源渡航電樞紐所在河段屬于彎曲河道，壩址位于彎道河段的彎頂處，上游口門區(qū)與連接段位于彎道凸岸，彎曲半徑約為1 000 m，河道與船閘軸線的夾角約為30°。樞紐下游有支流洣水入?yún)R，水流摻混區(qū)形成江心洲，枯水期水流分為左右兩汊。下游引航道出口處于向左汊深槽過渡的“S”形彎道，兩彎道的直線過渡段較短[7]?？傮w平面布置見圖1。

圖1 大源渡航電樞紐總體平面布置

2.2 上游引航道布置及模型試驗

經大源渡二線船閘口門區(qū)通航水流條件模型試驗，上游引航道布置方案為：設置225 m導航調順段，520 m直線段，280 m停泊段，375 m制動段；為防止船舶誤入庫區(qū)，設置300 m安全防護段(每隔25 m設1座防護墩，墩與墩之間由防護網(wǎng)連接)，具體平面布置見圖2。

圖2 上游引航道及模型試驗段示意圖Fig.2 Schematic diagram of upstream approach channeland model test section

根據(jù)《船閘總體設計規(guī)范》要求，選取隔水墻末端后長200 m、寬125 m作為上游口門區(qū)范圍，連接段長約650 m。試驗觀測1#—8#斷面(間距50 m)上的流速分布，每個斷面從岸邊向河床依次布置5個測點(測點1—測點5)。船模航行試驗觀測上游口門區(qū)、連接段。船模航行參數(shù)參考三峽船閘引航道口門區(qū)的通航條件時的試驗標準，船模航行過程中的舵角及漂角值所作的相應條件：口門區(qū)舵角<20°，漂角<10°，連接段舵角<25°。

2.3 模型試驗結果

本文選取樞紐最大通航流量(Q=11 500 m3/s)的試驗結果，分析比較上游口門區(qū)通航水流條件試驗數(shù)據(jù)和船舶模型在相應航段的航行試驗數(shù)據(jù)。

2.3.1 口門區(qū)通航水流條件試驗

2.3.1.1 試驗結果

水流條件試驗結果表明：在該流量下，口門區(qū)局部區(qū)域(1#—3#斷面上靠引航道中心線外側區(qū)域)水流夾角較大，多個點位的橫向流速不滿足規(guī)范限值(0.3 m/s)要求(具體超標點位流速值見表2，整體流場如圖3所示)。

2.3.1.2 試驗結果分析

大源渡上游口門區(qū)及連接段位于彎道上，水流過彎道頂后，受離心慣性力作用，有脫離岸邊向凹岸流動趨勢。同時，口門區(qū)是引航道靜水與河流動水的交界水域，受上游隔水墻邊界的影響，此處河道斷面變窄，存在較大的流速梯度，水流彎曲形成斜向水流。1#—3#斷面的測點3，4，5靠近實體隔水墻，隔水墻頭分流點附近，水流呈跌流式渦流，該區(qū)域的水流夾角較大，導致橫向流速偏大。

表2 上游口門區(qū)超標準點位流速測量值

注：α為水流與設定航線間的夾角。

圖3 上游引航道口門區(qū)流速分布Fig.3 Velocity distribution in the upstreamapproach entrance area

2.3.2 口門區(qū)船模航行條件試驗

在同樣的試驗條件下，又進行了船舶模型航行條件試驗，船舶上行靠近河側航線，下行靠近岸側航線。試驗觀測數(shù)據(jù)表明，船模航行參數(shù)均在相應限值以內，可安全進出引航道口門區(qū)，試驗結果如表3所示。

表3 上游口門區(qū)船舶航行參數(shù)觀測值

注：以上船模航行參數(shù)表均為：①舵角、漂角均取區(qū)段最大值，其中左舵為“-”，右舵為“+”；②漂角左漂為“-”，右漂為“+”

對比大源渡上游口門區(qū)通航水流條件試驗與船模試驗的結果可知：在通航水流條件局部不滿足規(guī)范限值的情況下，船舶模型試驗卻可以滿足通航要求。水流條件試驗結果與船舶模型試驗結果不一致，不能確定船舶航行的安全性。

3 彎曲河段口門區(qū)橫向流速及對船舶的有效作用

3.1 彎曲河段船舶航行特點分析

圖4 船舶回轉運動Fig.4 Schematic diagramof ship rotary motion

在靜水中，若用0舵角以一定速度航行，船舶便保持直航狀態(tài)，即具有一定的航向穩(wěn)定性；操舵后，船艏朝操舵一側偏轉，此時船舶中心線與設定航線切線間便存在一定的夾角，即艏向角。當進入定?；剞D階段時，船舶便以固定回轉半徑做勻速圓周運動[8]。對于彎曲半徑為R的靜水彎道河段，船舶沿曲線航線航行相當于回轉運動中的某一弧段時的狀態(tài)，船艏偏向彎道凸岸(回轉圓心位于彎道凸岸側)，以某一個固定艏向角即可繞彎航行。

因此，船舶于彎曲河段航行時，為使船位保持在弧形航線上，船舶需主動保持一定的艏向角繞彎航行。見圖4。

3.2 橫向流速分析及艏向角的確定

斜向水流是影響口門區(qū)通航水流條件的主要因素[9]，其中橫向流速是衡量船舶能否安全進出引航道口門的主要標準之一。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，通常將斜向水流分解為平行于航線的縱向流速與垂直于航線的橫向流速，即橫向流速為

(1)

式中：Vx表示橫向流速；V為斜向水流流速。

當船舶沿直線航線作無艏向角航行時，船舶軸線與航線一致，這樣處理沒有問題。然而，對于彎曲河道，船舶航行存在艏向角的特點，斜流對船舶的作用力會發(fā)生變化。如圖5所示，船舶沿凸岸口門區(qū)上行，船艏偏向凸岸，此時水流與船身的夾角為(α-θ)，斜流對船舶的作用力削減。同樣，船舶沿凸岸下行，船艏偏向凸岸，此時水流與船身的夾角為(α+θ)，斜流對船舶的作用力增強。由此可見，船舶以一定艏向角航行時，若只是將斜向水流直接分解為垂直、平行于航線的流速分量，而不考慮水流與船舶軸線的夾角，就無法真實體現(xiàn)水流對船舶的作用。實際引起船舶偏航的橫流應是垂直于船舶軸線的橫向流速。這即是水流條件試驗與船模航行試驗結果不一致的原因。因此，筆者建議在彎曲河道水工模型試驗中，應以垂直于船舶軸線的橫向流速與規(guī)范中的橫向流速限值作比較。

圖5 船舶航行所受流速分解Fig.5 Velocity decomposition for ship navigation

本文定義垂直于船舶軸線的橫向流速為有效橫向流速，即

(2)

式中V′x為有效橫向流速，“±”選取與船閘所在彎道凹凸岸、上下游及船舶航向有關，艏向角θ的取值與彎道半徑與船長的比值R/L和橫向水流等因素相關。彎曲河段口門區(qū)船舶航行時的艏向角為完成彎曲回轉的基本角度θ0和為抵御較大橫向水流作用而增加的角度θ1的疊加，即

(3)

根據(jù)鄭濤[10]的研究，一般情況下，船舶在彎道航行時，船舶縱軸線與航行軌跡的切線的夾角主要受R/L及對岸航速和靜水航速VH/Vs比值影響，回歸方程如下：

(4)

在靜水彎道航行，沒有水流因素影響，VH/Vs比值趨于1，可由上式計算口門區(qū)完成彎曲回轉的基本角θ0。

船模試驗發(fā)現(xiàn)，當口門區(qū)橫向流速<0.3m/s，保持θ0即可完成繞彎曲航線航行。當口門區(qū)橫向流速超過上述值時，需加大艏向角，加大的角度θ1根據(jù)試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在5°～10°之間。

3.3 有效橫向流速的確定

根據(jù)上節(jié)的分析，下文應用有效橫向流速的概念，對大源渡上游口門區(qū)航線范圍內的點位流速測量值分別按船舶上行和下行情況進行修正，修正結果見表4、表5。

對比表4、表5的修正結果可知，在彎道河段口門區(qū)內，作用于船舶的有效橫流V′x并不等于垂直于設定航線橫向流速Vx。大源渡上游口門區(qū)船舶上行時，船身與水流間的夾角為(α-θ)，作用于右舷的橫向流速減小，所受V′xVx。然而由于下行航線貼岸，受岸壁掩護，流速較小，水流夾角較小，有效橫向流速值也符合規(guī)范要求，測點1受岸壁掩護基本為靜水，下行航線貼近測點2，因此表5只給出對測點2進行修正的結果。

表4 上游口門區(qū)上行航行區(qū)域點位橫向流速測量值修正

表5 上游口門區(qū)下行航行區(qū)域點位橫向流速測量值修正(測點2)

以修正后的有效橫向流速與規(guī)范限值比較，水流條件試驗結果滿足通航水流條件要求，且與船模航行試驗結果具有一致性。

4 結論與建議

本文分析了彎曲河段船閘口門區(qū)通航水流模型試驗結果與船模航行試驗結果存在差異的原因，對彎曲河段船閘口門區(qū)水工模型試驗中的橫向流速確定方法進行了探討，并以大源渡口門區(qū)水工模型試驗結果進行驗證，得到以下幾個結論：

(1) 應用水工模型試驗通航水流條件結果判斷彎曲河道引航道口門區(qū)船舶航行安全性，與船模航行試驗結果存在差異。

(2) 處于彎曲河道上的引航道口門區(qū)，船舶航行存在艏向角。在進行水工模型試驗水流條件判定時，應以實際垂直作用于船舶的有效橫向流速值與規(guī)范比較，以衡量口門區(qū)通航水流條件。有效橫向流速計算，參見公式(2)。

[1]GB50139—2014,內河通航標準[S].北京:中國計劃出版社,2014.

[2]JTJ305—2001,船閘總體設計規(guī)范[S].?？?南海出版社,2001.

[3] 周華興,鄭寶友. 再論《船閘引航道口門區(qū)通航水流條件限值的探討》[J].水運工程,2005,(8):49-53.

[4] 涂啟明. 船閘總體設計中的通航水流條件[J]. 水運工程,1985,(5):16-21.

[5] 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,2009,30(1):42-48.

[6] 王 列, 陳永奎. 五強溪樞紐通航水流條件試驗與實船通航調研[J].長江科學院院報,1998,15(3):30-34.

[7] 劉曉平. 大源渡二線船閘口門區(qū)通航水流條件模型試驗[R].長沙：長沙理工大學,2015.

[8] 蘇興翹. 船舶操縱性[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,1989:45-50.

[9] 陳永奎,王 列,楊 淳，等.三峽工程船閘上游引航道口門區(qū)斜流特性研究[J].長江科學院院報，1999,12(2):1-6.

[10]鄭 濤.彎曲河段航道寬度確定機理研究[D].重慶:重慶交通大學,2009.

(編輯：趙衛(wèi)兵)

DiscussionontheFlowConditionsattheEntranceAreaofShipLockinCurvedReach

YE Yu-kang, LIU Xiao-ping, ZHANG Yu, SU Tian-yu, LUO Peng-fei

(School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076, China)

Transverse velocity, indicating the flow condition in the entrance area of ship lock, is a major index determining the safety of ships entering or exiting the entrance area. Through collecting and analyzing the data of hydraulic engineering and hydropower project in curved reach, the transverse velocity at some measurement points in

the entrance area are found to be exceeding standard limit while ship model navigation parameters could meet requirements. In view of this, we conducted model test of navigation flow condition and ship model test for the second ship lock of Dayuandu navigation and electricity junction. We analyzed the characteristics of ship navigation in the entrance area of the curved reach and investigated the differences between the two test results. We propose to take the heading angle of ship navigation into consideration in research of navigation flow conditions at the entrance area of ship lock in curved reach. We also recommend to compare the effective transverse velocity which is relative to the ship with standard values.

curved reach; ship lock; entrance area; navigation flow condition; navigation parameters

2016-03-21；

2016-05-11

葉玉康(1992-)，男，福建霞浦人，碩士研究生，主要從事港口、航道及近海工程研究,(電話)18569070210(電子信箱)yeyukang163@163.com。

10.11988/ckyyb.20160255

2017,34(6):72-75,87

TV143

A

1001-5485(2017)06-0072-04