引水工程江渠交匯水域通航條件研究

郝媛媛，李君濤，孔憲衛(wèi)

(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)

水流交匯現(xiàn)象在天然河道和人工渠道中廣泛存在。與河(渠)道主干流相比，江渠交匯水域水流邊界條件、地形條件較為復(fù)雜，因此船舶是否能夠安全進出江渠交匯水域是引水工程通航建筑物設(shè)計需要解決的難點。天然河道干支流交匯口的水流特征[1-2]和支流河口航道整治的研究[3]是以往研究交匯水域的主要方向，而對于引水工程江渠交匯水域的通航研究在國內(nèi)外卻不多見。引江濟漢是在長江干流中開挖一條人工運河向其第一大直流漢江“補水”的工程，該工程從長江荊州段龍洲垸引水至漢江潛江段高石碑，全長67.1 km，主要任務(wù)是滿足漢江興隆以下生態(tài)環(huán)境用水、河道外灌溉、供水及航運用水要求。

引江濟漢工程為了保證引水干渠內(nèi)正常通航，通過渠道兩端進、出口引水閘對枯水期渠內(nèi)水位進行控制，可有效提高全年通航時間。干渠的進口與出口，分別與長江和漢江交匯，由于長江和漢江的水位與流量不同，因此對船舶安全航行的影響因素也不同。因此，如何改善和優(yōu)化兩端交匯水域的通航條件是該引水工程的重點，也是難點。本文采用大型船舶操縱模擬器為研究手段，以水流與船舶操縱運動數(shù)學模型偶合計算為基礎(chǔ)，對引江濟漢工程交匯水域平面布置進行了優(yōu)化，改善了通航條件，同時提出了引水工程交匯水域船舶避讓原則。

1 設(shè)計方案及代表船型

1.1 進口段平面布置

引江濟漢引水、通航工程進口位于長江沙市河段龍洲垸，上游距三峽水利樞紐約148 km，下游距沙市水文站11.76 km。設(shè)計方案將進口引水、通航渠道分開布置，分別位于長江的上游和下游，兩者相距1.6 km。由圖1可知，通航渠道船閘上游為天鵝公路橋，船閘下游為荊江大堤通航孔；通航渠道軸線與長江左岸岸線基本接近垂直，與引水渠道軸線夾角約25°[4]。

1.2 出口段平面布置

引江濟漢工程出口位于漢江高石碑，位于漢江興隆樞紐下游3.5 km[5]。由圖2可以看出，出口段通航渠道和引水渠道分別設(shè)計為專用渠道，在入?yún)R口，通航和引水設(shè)計為共用渠道形式，渠道走向與上游主流夾角呈55°。出口段分為上下游兩條航線，其中與漢江主航道上游連接的彎曲半徑為480 m，與下游連接的彎曲半徑為1 000 m。

1.3 代表船型

圖1 進口段設(shè)計方案平面布置圖 圖2 出口段設(shè)計方案平面布置圖Fig.1 Layout sketch of the design entrance Fig.2 Layout sketch of the design export

本工程的設(shè)計代表船型為1頂2的雙排單列式船隊，駁船等級為1 000 t級，船舶尺度為67.5 m×10.8 m×2 m(長×寬×吃水)。由于代表船型沒有實測資料，主要根據(jù)《長江運輸船舶操縱性衡準》(JTT258-2004)對其操縱性進行率定[6-7]。率定結(jié)果表明試驗船型的定常旋回性、航向改變性及航向穩(wěn)定性均滿足《長江運輸船舶操縱性衡準》的相關(guān)要求[8]。

2 設(shè)計方案通航條件分析

2.1 進口段通航條件

根據(jù)水位和流量的關(guān)系，進口河段設(shè)計最高通航水位所對應(yīng)的長江流量為45 000 m3/s，因此取該流量為進口處最大通航流量，同時選取最不利條件并結(jié)合調(diào)水原則進行研究通航條件。

圖3 1頂2船隊雙向航行航跡帶圖(長江Q=15 000 m3/s)Fig.3 Two-way navigation of fleets (Yangtze River Q=15 000 m3/s)

在引水河段內(nèi)，長江航道流速隨流量的加大而逐漸增加，主流位于右岸，長江河道內(nèi)的流速遠大于通航渠道內(nèi)的流速。根據(jù)水流數(shù)學計算結(jié)果，通航干渠進口存在一小范圍的逆時針回流區(qū)，回流范圍和回流強度隨長江干流流速加大而增大增強。到45 000 m3/s流量時，上游航線上最大縱、橫向流速分別達到2.08 m/s和1.58 m/s，下游航線上最大縱、橫向流速分別達到2.08 m/s和1.64 m/s。

船舶操縱模擬實驗表明：設(shè)計方案在滿足代表船隊安全航行(船舶航行參數(shù)滿足要求，下同)的條件下，沿進口上游航線順流進、逆流出通航干渠的上限流量是15 000 m3/s(航跡見圖3)；沿進口下游航線逆流進、順流出通航干渠的上限流量是25 000 m3/s；船隊進入干渠時，順流比逆流要困難，主要在于是舵效不同，即順行船隊航速快不易操縱，逆流船隊航速慢易操縱。

圖4 流量1頂2船隊上游航線航跡帶圖(漢江 Q=800 m3/s)Fig.4 Two-way navigation of fleets (Hanjiang River Q=800 m3/s)

通過船舶操縱模擬實驗也可以看出，設(shè)計方案能夠使船舶安全航行的流量遠小于最大通航流量。其原因是船隊長度與進口寬度不相適應(yīng)，船隊長度較長，而進口寬度較窄。與單船相比，船隊的操作性要差，通航干渠的緩流區(qū)范圍較小，較長的船隊無法在有限的區(qū)域內(nèi)將船位調(diào)順，因此只能在長江主流區(qū)內(nèi)提前進行調(diào)整，但船位調(diào)整的時機不易掌握，過早或過晚，都會使船舶撞向岸邊。過早調(diào)整船位會撞上左岸，過晚調(diào)整受橫流影響，容易被推向右岸。

2.2 出口段通航條件

根據(jù)水位流量關(guān)系，出口河段設(shè)計最高通航水位對應(yīng)漢江流量為10 000 m3/s，因此取該流量為出口最大通航流量，同時選取最不利條件并結(jié)合調(diào)水原則進行研究通航條件。

在引水渠出口河段內(nèi)，漢江河道主槽位于右岸，出口河段以下河段彎道，主流靠近右側(cè)凹岸，過彎道后主流逐漸過渡到左岸。在漢江流量10 000 m3/s時，進出引水渠口門的上游航線上縱、橫向流速最大分別為1.37 m/s和0.61 m/s，下游航線與水流方向夾角較小，進出引水渠口門的下游航線上縱、橫向流速最大分別為0.26 m/s和0.11 m/s。

船舶操縱模擬實驗表明：影響船隊安全進出通航干渠的主要因素是出口段轉(zhuǎn)彎半徑過小，導(dǎo)致船隊沿漢江上游航線進出渠道時需要125°的較大轉(zhuǎn)向角，若轉(zhuǎn)向角過小則轉(zhuǎn)彎半徑不能滿足1頂2船隊的轉(zhuǎn)彎要求。

圖5 進口段優(yōu)化后平面布置及航線布設(shè)圖Fig．5Sketchoflayoutandrouteoftheoptimizedentrance圖6 出口段優(yōu)化后平面布置及航線布設(shè)圖Fig．6Sketchoflayoutandrouteoftheoptimizedexport

3 設(shè)計方案優(yōu)化

3.1 進口段平面布置優(yōu)化

將渠道進口與長江的銜接段調(diào)整為大圓弧的喇叭口平面形式，渠道左岸圓弧曲率半徑900 m，右岸圓弧曲率半徑600 m，渠道口門處寬度由設(shè)計的280 m拓寬至670 m。在調(diào)整后的平面形式下，進、出口門時的船隊航線轉(zhuǎn)彎半徑擴大，上游航線達到1 000 m，下游航線達到700 m。優(yōu)化后的進口段平面布置及航線設(shè)置見圖5[9-10]。

3.2 出口段平面布置優(yōu)化

在設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，將渠道與漢江的銜接段上游曲率半徑由480 m擴大到640 m，下游曲率半徑仍為1 000 m；同時將出口船閘與引水之間的隔流堤縮窄20 m，加大隔流堤與干渠左岸坡的距離、擴寬船閘引航道寬度。優(yōu)化后的出口段平面布置及航線設(shè)置見圖6。

表1 交匯水域船舶避讓方式結(jié)論Tab.1 Conclusion of the method for the navigation of ships in the confluence waters

3.3 優(yōu)化方案通航條件

渠道進口段兩側(cè)岸線與長江的銜接段平面形式調(diào)整為大圓弧喇叭口后，增大了交匯水域兩側(cè)岸線彎曲半徑，進口區(qū)域水面面積擴大，水流條件得到很大改善，渠道口門上游船舶航線上水流縱向流速最大減小了0.8 m/s，橫向流速最大減小0.3 m/s，船隊安全進出通航干渠的通航流量由15 000 m3/s提高至45 000 m3/s，滿足設(shè)計最大通航流量要求。

圖7 進口段航路示意圖 圖8 出口段航路示意圖Fig.7 Sketch of the entrance routes Fig.8 Sketch of the export routes

出口段通過擴大渠道與漢江的銜接段左岸曲率半徑、縮窄隔流堤等措施后，擴大了出口區(qū)域和船閘下游引航道水面面積，改善了通航水流條件，出口上、下行航線上水流縱向流速最大減小了0.6 m/s，橫向流速最大減小0.23 m/s，確保船舶(隊)順利駛?cè)胪ê礁汕⒛軌虬踩？吭诳看?，船隊安全進出通航干渠的通航流量提高至10 000 m3/s，滿足設(shè)計最大通航流量要求。

4 交匯水域船舶避讓方式

進出口段交匯水域的平面布置經(jīng)過優(yōu)化后，通航條件得到改善，滿足設(shè)計最大通航流量的要求。但是，由于交匯水域船舶存在多條航路，交通比較繁忙，極易出現(xiàn)交通事故。根據(jù)《中華人民共和國內(nèi)河避碰規(guī)則》(以下簡稱《內(nèi)規(guī)》)第十五條并結(jié)合本文上述研究成果，按照航行相對容易避讓航行相對困難的基本原則，提出本工程交匯水域船舶避讓方式(詳見表1)。進口段與出口段的航路示意圖見圖7和圖8。

5 結(jié)論

我國的引江濟漢工程是一特大引水工程，本文利用綜合技術(shù)手段對江渠交匯水域通航條件進行了研究，主要結(jié)論如下：

(1)利用大型船舶操縱模擬器，以水流與船舶操縱運動數(shù)學模型偶合計算的研究手段是一種比較科學合理的方法。

(2)增大進出口段兩側(cè)岸線彎曲半徑，擴大交匯水面面積，是改善引水工程交匯水域通航條件的重要措施。

(3)引水工程交匯水域存在多條航路，通航環(huán)境復(fù)雜，避讓基本原則為航行相對容易避讓航行相對困難的船舶。

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