三峽—葛洲壩兩壩間汛期大樣本實(shí)船試驗(yàn)分析研究

陳冬元

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，宜昌 443000)

三峽—葛洲壩之間38 km河道，俗稱兩壩間河段?？菟?，河道具有庫區(qū)特性，航道條件較好；汛期，當(dāng)三峽下泄流量達(dá)到25 000 m3/s以上時(shí)，河道具有天然河道特性，受兩岸峽谷制約，水流不暢，流態(tài)紊亂，航行條件險(xiǎn)惡，船舶險(xiǎn)情頻發(fā)，一直是交通主管部門重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域[1]。兩壩間通航環(huán)境示意圖見圖1。

圖1 長(zhǎng)江三峽—葛洲壩兩壩間通航環(huán)境示意圖Fig.1 Navigation environment between the Three Gorges and the Gezhouba Project

1 概述

為保障三峽—葛洲壩之間汛期船舶航行安全，2008年，交通運(yùn)輸部頒布了《三峽工程初期運(yùn)行期通航管理辦法補(bǔ)充規(guī)定》(簡(jiǎn)稱《補(bǔ)充規(guī)定》)[2]，2013年，長(zhǎng)江航務(wù)管理局出臺(tái)《關(guān)于試行船舶主汛期通過兩壩間河段單位馬力拖帶量控制標(biāo)準(zhǔn)》(《簡(jiǎn)稱控制標(biāo)準(zhǔn)》)[3]，均對(duì)汛期大流量下通過兩壩間航道的船舶性能做出具體規(guī)定?！堆a(bǔ)充規(guī)定》和《控制標(biāo)準(zhǔn)》實(shí)施后，汛期當(dāng)三峽下泄流量超過25 000m3/s時(shí)，兩壩間航道開始實(shí)行限制性通航，河段汛期水上安全形勢(shì)得到好轉(zhuǎn)。但《補(bǔ)充規(guī)定》和《控制標(biāo)準(zhǔn)》在實(shí)際管理運(yùn)用過程中也存在一些不足。

一是近年來隨著船舶標(biāo)準(zhǔn)化、大型化和造船技術(shù)快速推進(jìn)，過壩運(yùn)輸船舶的船型結(jié)構(gòu)和運(yùn)輸組織方式發(fā)生了較大變化，船型發(fā)展呈現(xiàn)自航化、重載化、低速化趨勢(shì)，代表性過壩船舶的上灘能力和操縱性能發(fā)生變化，部分船舶對(duì)標(biāo)準(zhǔn)存在異議，認(rèn)為限制過嚴(yán)。二是三峽2008年左右岸電站26臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)運(yùn)行，2011-05～2012-07，6臺(tái)地下機(jī)組陸續(xù)投產(chǎn)運(yùn)行，滿發(fā)流量由24 000～26 000 m3/s增加到29 000～32 000 m3/s，汛期30 000 m3/s滿發(fā)可能成為常態(tài)，《補(bǔ)充規(guī)定》和《控制標(biāo)準(zhǔn)》以25 000 m3/s為限航起始流量是否合適，是否存在優(yōu)化空間以提高汛期通過能力值得進(jìn)一步深入研究。三是由于多種原因，多年來沒有進(jìn)行兩壩間全河段代表船舶(隊(duì))的實(shí)船試驗(yàn)測(cè)試(僅在1986年3月組織過萬噸級(jí)船隊(duì)通過石牌彎道的實(shí)船試驗(yàn))，《控制標(biāo)準(zhǔn)》缺乏最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

鑒于此，2013～2015年行業(yè)管理部門先后組織開展了汛期實(shí)船試航和隨船測(cè)試工作，本研究正是在汛期通航水流條件認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試船舶的航行數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，對(duì)《控制標(biāo)準(zhǔn)》完善的理論分析工作提出建議。

2 試驗(yàn)航段及通航水流條件

兩壩間河段河岸邊坡陡峻、寬闊段和峽谷段相間，蜿蜓曲折。汛期，受峽谷河段地形條件制約，隨入庫流量增加，河段流速、比降迅速增大，水流湍急，流態(tài)紊亂，航行條件急劇惡化，尤其是水田角、喜灘、大沙壩、偏垴等洪水急流灘和石牌彎道、南津關(guān)彎道最為險(xiǎn)惡，是著名的兩壩間汛期礙航灘險(xiǎn)“四灘一彎一關(guān)”[4]。根據(jù)兩壩間水流條件原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，上述礙航灘險(xiǎn)河段水流特征如下：

(1)水田角河段河床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上口順直，在水田角處挑流，下游河道邊界左右突擴(kuò)，兩側(cè)出現(xiàn)大面積回流，河面水勢(shì)紊動(dòng)強(qiáng)烈，泡漩發(fā)育，成為著名的“蓮沱三漩”。Q=40 000m3/s時(shí)，表面流速最大值4.17 m/s；流量Q=45 000 m3/s時(shí)，水田角處表面流速最大值為4.40 m/s。

(2)喜灘河段航道順直，河面束窄，形似瓶頸，近岸均系陡巖及陡形石梁、石坡，河床床面不甚復(fù)雜，但邊壁極糙，陡竣高深。河段中段水流落差較大，下段因兩側(cè)邊界擴(kuò)大，局部有回流。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值為3.85 m/s；Q=45 000 m3/s時(shí)，表面流速最大值為4.32 m/s。

(3)大沙壩河段上口寬灘區(qū)為白馬沱彎道末端，在大沙壩區(qū)段左岸逐漸向河中收縮，而河床沿線左部高程變化不大，且略有抬高，水流在上口平順，但受左側(cè)收縮作用，左部水流逐漸右偏，形成范圍較大的強(qiáng)斜向流，呈剪刀水狀，下游左側(cè)區(qū)段出現(xiàn)大片回流、緩流區(qū)，河中及邊岸并拌有陣發(fā)性漩渦。Q=40 000 m3/s時(shí)，表面流速最大值為4.37 m/s；Q=45 000 m3/s時(shí)，表面流速最大值為4.10 m/s。

(4)石牌急彎河段，兩岸由石坡、陡巖及陡形石梁組成。南岸的石牌溪切于彎道方向入?yún)R，溪口下首有山腳潛伸江中，將深泓折向北岸，床面形成倒坡。受邊岸和河床地形影響，斷面流速分布很不均勻，中段轉(zhuǎn)彎段右側(cè)受挑流影響，河面近1/3河寬范圍表現(xiàn)為回流，左側(cè)石牌凸岸下游表現(xiàn)為挑流，成為本航段通航主要制約因素。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值為4.18 m/s；Q=45 000 m3/s，表面流速最大值為3.77 m/s。

(5)偏腦河段較順直，但河道狹窄，江面不足200 m，同時(shí)受石牌彎道影響，汛期水流湍急，邊岸有小范圍回流及小泡漩，局部有連串小泡漩發(fā)育。斷面流速分布總體均勻。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值為3.45 m/s；Q=45 000 m3/s，表面流速最大值為3.73 m/s。

(6)南津關(guān)彎道，為葛洲壩庫前段航道，受水庫蓄水、沖沙、泄洪等因素影響較大。中洪水期，巷子口有斜流，小蘭沱有回流，隨著流量增大，斜流、回流強(qiáng)度增大。由于流量為35 000 m3/s以下時(shí)，葛洲壩大江航道仍然通航，大江、三江進(jìn)出船舶以及黃柏河進(jìn)出大江船舶造成該水域通航環(huán)境復(fù)雜，該水域通視條件及水流條件對(duì)船舶航行安全產(chǎn)生較大影響。

3 試驗(yàn)船型選擇

3.1 汛期通航船舶類型及數(shù)量

根據(jù)2014年兩壩間航段船舶數(shù)據(jù)，汛期通航船舶11 123艘次，其中上行船舶5 876艘次，下行船舶5 247艘次。主要通航船舶類型為干散貨船，約占73%；液貨船和集裝箱船次之，分別約占10%和9%；客船、商品車船和其他船舶較少，共約占8%。

3.2 船舶載貨量

根據(jù)2014年兩壩間汛期通航船舶載貨量統(tǒng)計(jì)，兩壩間汛期通航船舶載貨量主要分布在3 000 t以上，約占55%；載貨量1 000～3 000 t船舶次之，約占37%；載貨量1 000 t以下船舶最少，僅約占8%。兩壩間汛期通航船舶重載化趨勢(shì)明顯。

3.3 船舶尺度

2014年兩壩間汛期通航船舶船長(zhǎng)主要為70～110 m；其他船長(zhǎng)尺度船舶較少，其中船長(zhǎng)小于50 m的一般為公務(wù)船、工程船等，船長(zhǎng)大于110 m的一般為商品車船、旅游客船。

兩壩間汛期通航船舶船寬主要為10～20 m；其他船寬尺度的船舶較少，其中船寬小于10 m的一般為公務(wù)船、工程船等，船寬大于20 m的一般為商品車滾裝船、旅游客船。

3.4 船舶功率

根據(jù)2014年兩壩間汛期通航船舶總體功率分布統(tǒng)計(jì)，兩壩間汛期通航船舶功率主要在630 kW以上，約占62%；440～630 kW和368～440 kW功率船舶次之，分別約占23%和10%；368 kW以下功率船舶占比不到5%。440 kW以上船舶占比達(dá)85%。隨著船舶大型化，汛期通航船舶功率大型化趨勢(shì)也相當(dāng)明顯。

3.5 船舶選擇原則

根據(jù)上述船舶現(xiàn)狀分析，試驗(yàn)和測(cè)試船舶選擇原則如下：(1)船舶需具有代表性且資料必須較為齊全；(2)應(yīng)基本涵蓋2012年交通運(yùn)輸部69號(hào)公告《關(guān)于公布長(zhǎng)江水系過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列及有關(guān)規(guī)定的公告》所規(guī)定的船型和尺度范圍[5]；(3)應(yīng)基本涵蓋目前兩壩間通航的船舶種類，并包括大型船舶、中型船舶、小型船舶、船隊(duì)，同時(shí)還包括自航自卸沙船、客船(含區(qū)間客船和旅游船)、客渡船等；(4)應(yīng)考慮船舶功率分布。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 實(shí)船試航

分兩階段開展了5個(gè)流量級(jí)19艘次船舶的實(shí)船試航試驗(yàn)。2013-07-23～07-27為第一階段，開展了25 000 m3/s、30 000 m3/s和35 000 m3/s三個(gè)流量級(jí)14艘次的實(shí)船試航，船型涉及1 000 t級(jí)單船及船隊(duì)、3 000 t級(jí)、4 000 t級(jí)、5 000 t級(jí)單船。2014-09-02～09-03為第二階段，開展了40 000 m3/s和45 000 m3/s 兩個(gè)流量級(jí)5艘次的實(shí)船試航，參試船舶為300TEU集裝箱船、800車位商品車、5 000 t級(jí)散貨船。上述各噸級(jí)船舶均進(jìn)行了上水、下水航向試驗(yàn)，船舶單位功率載量0.5～6.7 t/KW。實(shí)船試航的主要測(cè)試內(nèi)容如下：(1)航跡線測(cè)定：采用測(cè)向GPS和定位GPS結(jié)合進(jìn)行；(2)操縱性能測(cè)定：同步測(cè)量船舶航向變化和操舵情況。航向角和舵角的測(cè)量，分別測(cè)向GPS、舵角傳感器的動(dòng)態(tài)輸出信號(hào)，利用數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)記錄并儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中；(3)橫傾觀測(cè)：采用傾角傳感器進(jìn)行測(cè)定。傾角傳感器隨船舶運(yùn)動(dòng)變化動(dòng)態(tài)輸出信號(hào)，利用數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)記錄并儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)中；(4)航速測(cè)定：采用GPS測(cè)量船舶(隊(duì))在各測(cè)試段的航行速度；(5)歷時(shí)測(cè)定：采用計(jì)算機(jī)記錄的方式測(cè)定船舶(隊(duì))通過各灘段的總歷時(shí)。

4.2 隨船測(cè)試

除采用專人指揮的實(shí)船試航方式外，還采用不影響船舶正常運(yùn)行的隨船測(cè)試方法擴(kuò)充船舶航行數(shù)據(jù)樣本庫。根據(jù)流量情況，測(cè)試工作分多次進(jìn)行。本次共開展了11個(gè)流量級(jí)、98艘次船舶試航任務(wù)。2014-07-22～07-24，25 000～30 000 m3/s流量級(jí)； 2014-09-02～09-04，40 000～45 000 m3/s流量級(jí)； 2014-09-16～09-24，30 000～40 000 m3/s流量級(jí)； 2015-07-20～07-28，25 000～35 000 m3/s流量級(jí)； 2015-08-19～07-25，30 000～40 000 m3/s流量級(jí)。參試船舶基本覆蓋目前兩壩間通航船舶種類和噸位，除散貨船和集裝箱船外，還包括自航自卸沙船、客船(含區(qū)間客船和旅游船)、客渡船等。隨船測(cè)試的主要測(cè)試內(nèi)容如下：(1)航跡線測(cè)定：采用AIS或GPS系統(tǒng)進(jìn)行；(2)船舶航行狀態(tài)：采用手動(dòng)、攝像及傳感器記錄等方式記錄(操舵、航速、主機(jī)工況)及船舶橫傾變化等。

5 汛期船舶航行操縱性能數(shù)據(jù)分析

試航及測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明，船舶在上、下行通過兩壩間航道時(shí)船舶的橫傾變化不大，均在±1°以內(nèi)；上行試航船舶由于主機(jī)使用功率和裝載量不同，通過兩壩間航道的總歷時(shí)約為3～6 h，部分船舶由于是輕載用時(shí)較少。絕大多數(shù)下行船舶通過兩壩間航道的總歷時(shí)均在2 h以內(nèi)。

5.1 汛期船舶上水操縱性能數(shù)據(jù)分析

根據(jù)兩壩間航道水流條件和船舶航行實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，船舶自航安全上行需滿足兩個(gè)條件[6]：船舶(隊(duì))通過險(xiǎn)灘時(shí)主機(jī)儲(chǔ)備功率不小于額定功率的30%；船舶(隊(duì))通過險(xiǎn)灘時(shí)平均對(duì)岸航速不低于4 km/h。

試航及測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，(1)船舶上行通過兩壩間航道時(shí)，不同船舶由于船型不同和駕引操作存在技術(shù)細(xì)節(jié)差異，使用主機(jī)負(fù)荷的百分比也不同，在南津關(guān)等六個(gè)灘段中，大部分試航船舶在通過水田角段時(shí)使用負(fù)荷最大，最大主機(jī)負(fù)荷達(dá)到74.9%。(2)從航速來看，試航船舶通過各灘段的對(duì)岸平均航速一般超過4 km/h，但瞬時(shí)最小航速會(huì)低于4 km/h，甚至?xí)陀? km/h，如圖2所示。

2-a萬港騰達(dá)916(35000m3/s，上水，單位功率載量4．762t/kw)2-b新平江1021(35000m3/s，上水，單位功率載量1．714t/kw)圖2 參試船舶對(duì)岸航速變化圖Fig．2Changeaboutspeedtoshoreoftestship

為便于比較，以實(shí)船試航船舶為例，按主機(jī)負(fù)荷70%估算部分試航船舶在水田角段的最小航速，估算結(jié)果見表1?？梢钥闯?，試航船舶在兩壩間上行時(shí)，大部分船舶對(duì)岸平均航速均超過8 km/h，有較大的富余度。但部分試航船舶瞬時(shí)對(duì)岸航速較小，主要是由于過河變向引起船舶航速速降造成，通過短時(shí)加車或改變上灘路線以利過灘。

5.2 汛期船舶下水操縱性能數(shù)據(jù)分析

兩壩間航道船舶下行安全主要受船舶操縱性能影響?！八臑┮粡澮魂P(guān)”中，石牌彎道由于其航道彎曲度小于90°，屬于船舶下行最為困難航段。下行船舶在石牌彎道處舵角變化最大，達(dá)到30°，其余航段的最大操舵角均小于15°。各試航船舶由于各船舶(隊(duì))絕對(duì)尺度和操縱性能的差異，航跡曲率半徑各不相同，各船舶(隊(duì))在通過石牌灣道時(shí)曲率半徑最大為475 m，小于石牌彎道的彎曲半徑(750 m)；在通過各灘段時(shí)最大航跡帶占比為32.3%。參試船舶在流量小于35 000 m3/s時(shí)可采用持續(xù)操左舵或左右舵配合控制轉(zhuǎn)向角速度下行通過石牌彎道(圖3)；在流量大于35 000 m3/s時(shí)只能采用左右舵配合控制轉(zhuǎn)向角速度通過石牌彎道。

表1 實(shí)船試航船舶對(duì)岸最小航速估算表(主機(jī)70%負(fù)荷)Tab.1 Estimation about minimum speed of ship to shore with 70% ship load

3-aQ=25000m3/s參試船舶13-bQ=45000m3/s參試船舶2圖3 參試船舶下行經(jīng)過石牌彎道舵角變向角圖Fig．3Changeaboutrudderangleandchangingdirectionangleofdownboundship

從汛期通航水流條件看，在石牌彎道，環(huán)流的作用使主流偏向凹岸掃彎而下，巨大的掃彎水使凹岸下半段水流形成泡漩、回流，導(dǎo)致該河段流態(tài)復(fù)雜紊亂，增加了船舶操縱難度，故船舶一般偏凸岸轉(zhuǎn)行。但由于石牌彎道段河道縱距較短，船舶若以較高的航速下行，水流沖擊的疊加作用將使船舶偏離預(yù)定航線，進(jìn)入泡漩回流區(qū)；若以太低的速度轉(zhuǎn)彎，舵效將降低，變向能力會(huì)下降，不能保持正常的航態(tài)通過石牌彎道。

表2 參試船舶單位功率載量超標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistics of excessive conditions about unit power load of test ship

5.3 船舶單位功率載量超標(biāo)情況分析

將參試船舶實(shí)際單位功率載量和《控制標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果見表2。由表可以看出：參試117航次中，共10航次超過了控制標(biāo)準(zhǔn)的限值，占比8.5%。雖總偏差樣本的單位功率載量差值的平均值為1.12，但若扣除第2、第7和第9的三組明顯偏差數(shù)據(jù)，單位功率載量差值的平均值僅為0.28，既說明現(xiàn)有控制標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際操縱情況是比較接近的，也說明隨著船舶大型化發(fā)展和操縱性能的提升，《控制標(biāo)準(zhǔn)》存在一定的優(yōu)化空間。下階段工作中需要在大樣本現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過理論模擬分析，完善《控制標(biāo)準(zhǔn)》。

6 主要認(rèn)識(shí)與建議

6.1 主要認(rèn)識(shí)

(1)試航船舶在上行通過兩壩間航道時(shí)，在6個(gè)灘段中通過水田角航段時(shí)的主機(jī)負(fù)載率最高，通過其他5個(gè)灘段時(shí)的主機(jī)負(fù)載率基本在30%～60%，隨著三峽下泄流量加大，主機(jī)負(fù)載率逐漸加大，大部分船舶主機(jī)儲(chǔ)備功率仍然有富裕，少數(shù)船舶在水田角河段存在主機(jī)功率超70%負(fù)荷現(xiàn)象；(2)試航船舶在兩壩間上行通過各灘段時(shí)的對(duì)岸平均航速一般超過4 km/h，但最低航速會(huì)低于4 km/h，甚至?xí)档? km/h以下；個(gè)別船舶大流量下瞬時(shí)對(duì)岸航速不夠可通過短時(shí)加車沖過險(xiǎn)灘。(3)試航船舶在下行通過兩壩間航道時(shí)，在6個(gè)灘段中通過石牌航段時(shí)的操舵角最大，船舶操縱技術(shù)要求較高。通過其他5個(gè)灘段時(shí)除過河點(diǎn)外其余直線航段的最大操舵角均小于15°。(4)試航船舶在上、下行通過兩壩間航道時(shí)船舶的橫傾變化不大，均在±1°以內(nèi)，上行試航船舶由于主機(jī)使用功率和裝載量不同，通過兩壩間航道的總歷時(shí)約為3～6 h。下行試航船舶通過兩壩間航道的總歷時(shí)在2 h以內(nèi)。(5)通過大樣本統(tǒng)計(jì)，超標(biāo)準(zhǔn)船舶單位功率載量超標(biāo)率8.5%，扣除明顯偏差數(shù)據(jù)后平均超標(biāo)限值偏差0.28 t/kW，說明《控制標(biāo)準(zhǔn)》與實(shí)際情況比較符合，部分船舶的限航流量存在優(yōu)化空間。(6)在完善《控制標(biāo)準(zhǔn)》的理論分析過程中，需要關(guān)注上灘過程中瞬時(shí)對(duì)岸航速明顯低于4 km/h和主機(jī)功率負(fù)載率超過70%對(duì)限航標(biāo)準(zhǔn)的影響；需要關(guān)注大流量石牌彎道下水操縱性對(duì)限航標(biāo)準(zhǔn)的影響。

6.2 建議

由于實(shí)船試驗(yàn)每個(gè)流量級(jí)所選取的試驗(yàn)船舶的船型和主機(jī)功率覆蓋面較小，而且部分試航船舶裝載量沒有達(dá)到《控制標(biāo)準(zhǔn)》的限定值，僅根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果不能確定其他船型在汛期的通過能力。建議在實(shí)船試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展對(duì)其他船型的理論計(jì)算分析研究，確定其他船型在汛期通過兩壩間航道的能力，為進(jìn)一步優(yōu)化《控制標(biāo)準(zhǔn)》提供全面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

[1]長(zhǎng)江三峽通航管理局.洪水期兩壩間船舶航行操作要點(diǎn)[Z].2012.

[2]交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航務(wù)管理局. 三峽工程初期運(yùn)行期通航管理辦法補(bǔ)充規(guī)定[Z]. 2008-06.

[3]交通運(yùn)輸部長(zhǎng)江航務(wù)管理局.關(guān)于試行船舶主汛期通過兩壩間河段單位馬力拖帶量控制標(biāo)準(zhǔn)的批復(fù)(2013年第253號(hào))[Z]. 2013-06.

[4]郝品正.三峽兩壩間大流量復(fù)雜水流下航運(yùn)安全關(guān)鍵技術(shù)研究總報(bào)告[R]. 天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2011.

[5]中華人民共和國(guó)交通運(yùn)輸部，交通運(yùn)輸部關(guān)于公布長(zhǎng)江水系過閘運(yùn)輸船舶標(biāo)準(zhǔn)船型主尺度系列及有關(guān)規(guī)定的公告(2012年第69號(hào))[Z]. 2012.

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