長(zhǎng)江下游某潛壩局部區(qū)域船舶自航上灘能力計(jì)算研究

唐翠

摘要：在長(zhǎng)江下游可通航水域?qū)嵤搲喂こ讨?，由于潛壩頂部局部水流流速及水面比降的增大，?huì)增加船舶航行的阻力，航道內(nèi)的最大縱向表面流速和局部比降能否滿足設(shè)計(jì)船型或船隊(duì)自航上灘的要求，需對(duì)其通航水力指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而判斷船舶能否正常航行通過潛壩水域。

關(guān)鍵詞：船舶航行阻力;自航上灘;通航水力指標(biāo)

1前言

長(zhǎng)江下游某分汊河段為確保主汊航道暢通，擬在支汊上行航道內(nèi)建設(shè)一座潛壩工程，用以調(diào)節(jié)河道分流比，抑制支汊發(fā)展。潛壩工程壩頂高程-10m，壩頂寬10m，壩長(zhǎng)959m。工程河段通航船型主要為1000t級(jí)、2000t級(jí)、5000t級(jí)單船及1000t級(jí)船隊(duì)。

根據(jù)水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算，潛壩工程實(shí)施后，各流量工況下潛壩頂部流速及潛壩處水面比降增大，詳見表1。上行航行船舶除要克服水流阻力外，還要克服水面比降引起的坡降阻力，流速及水面比降增大會(huì)增加上行船舶的航行阻力?，F(xiàn)行《航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中沒有明確航道內(nèi)最大流速及坡降最大限制要求，但要求航道內(nèi)的最大縱向表面流速和局部比降宜滿足設(shè)計(jì)船型或船隊(duì)自航上灘的要求。

長(zhǎng)江中下游一般河段自然比降在0.01‰～0.1‰，局部河段在0.1‰～0.5‰，比降較小，基本不存在急灘急流的問題，但長(zhǎng)江上游流急坡陡，因此，國(guó)內(nèi)關(guān)于船舶航行坡降、流速的水力指標(biāo)研究成果均為針對(duì)上游的。一般是通過各種流速～比降組合情況下進(jìn)行航行阻力與船舶推力的受力平衡，即可計(jì)算得到通航水力指標(biāo)。本文參照長(zhǎng)江上游川江通航水力條件計(jì)算方法，結(jié)合工程河段代表船型基本參數(shù)，對(duì)各代表船型通航水力指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算，并根據(jù)模型計(jì)算得到的各流量工況下潛壩位置的表面流速及坡降結(jié)果，進(jìn)而判斷船舶能否正常上駛航行。

2通航水力指標(biāo)計(jì)算方法

2.1船舶推力計(jì)算方法

船舶推力計(jì)算主要有單位推力估算法、簡(jiǎn)化計(jì)算法和綜合計(jì)算法，根據(jù)本工程特征，采用簡(jiǎn)化計(jì)算法。簡(jiǎn)化法計(jì)算船舶推力公式為：

（1）

式中，e為有效推力系數(shù);Pe為船舶功率;Vs為船舶對(duì)水航速（m/s），Vs=V+Va;V為灘面流速（m/s）;Va為船舶對(duì)岸航速（m/s）;其余參數(shù)同前。參照川江現(xiàn)有大量研究，取有效推力系數(shù)e=0.38。

2.2船舶阻力計(jì)算方法

船舶航行阻力由水流阻力和坡降阻力組成。我國(guó)內(nèi)河水流阻力通常采用前蘇聯(lián)茲萬科夫公式結(jié)構(gòu)形式計(jì)算，并結(jié)合船型情況進(jìn)行適當(dāng)修正。

1、水流阻力的計(jì)算

水流阻力主要由機(jī)動(dòng)船水流阻力和駁船水流阻力兩部分構(gòu)成。

（1）機(jī)動(dòng)船的水流阻力

3通航水力指標(biāo)計(jì)算

3.1計(jì)算方法

為全面分析潛壩工程建設(shè)后潛壩位置各通航船型能否正常上行行駛，針對(duì)各代表船型特點(diǎn)，對(duì)各代表船型的流速-比降組合進(jìn)行了計(jì)算。

計(jì)算的方法和過程：根據(jù)載重和船型確定吃水、水線長(zhǎng)、浸水面積等→給定比降（0～3‰）→計(jì)算坡降阻力→給定上灘流速→計(jì)算對(duì)水航速→計(jì)算航行阻力R→根據(jù)功率、航速等相關(guān)參數(shù)計(jì)算船舶推力T→判定航行阻力R是否等于船舶推力T，如相等則給定的比降和流速即為急灘通航水力指標(biāo)，否則需重新假定流速，直到阻力和推力平衡為止。

3.2計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)上述計(jì)算過程，獲取了代表船舶正常上行行駛的臨界流速-比降組合，同時(shí)列出了航行阻力和船舶推力進(jìn)行對(duì)比。

各代表船型各流量工況下流速-比降與通航水力指標(biāo)關(guān)系對(duì)比見下圖。從圖中可以看出，對(duì)于各單船，潛壩建設(shè)后潛壩位置處流速-比降均在計(jì)算通航水力指標(biāo)范圍內(nèi)，即船舶均能正常自航上行行駛，但是對(duì)于1000噸級(jí)船隊(duì)，在平灘流量46000m?/s及其以下流量條件下，1000噸級(jí)船隊(duì)均能正常航行行駛，但是在流量86800m?/s條件下，即最高通航水位條件下，潛壩處流速-比降超出了計(jì)算通航水力指標(biāo)線，1000噸級(jí)船隊(duì)不能正常上行行駛。針對(duì)該情況，報(bào)告對(duì)長(zhǎng)江流量為60000m?/s條件下潛壩處的水流條件進(jìn)行了補(bǔ)充計(jì)算，當(dāng)長(zhǎng)江流量為60000m?/s條件下，潛壩位置最大表面流速為2.15m/s，最大水面比坡降為1.35‰，該條件下流速-比降滿足計(jì)算通航水力指標(biāo)要求，1000噸級(jí)船隊(duì)能正常上行行駛，即在流量60000m?/s及其以下流量條件下，1000噸級(jí)船隊(duì)均能正常航行自航上灘。

4結(jié)論

本文通過對(duì)通航水力指標(biāo)的計(jì)算，判斷潛壩工程實(shí)施之后，航道內(nèi)的最大縱向表面流速和局部比降能否滿足設(shè)計(jì)船型或船隊(duì)自航上灘的要求，其計(jì)算方法對(duì)長(zhǎng)江下游類似工程有一定的參考意義。

參考文獻(xiàn)

[1]《航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS181-2016）;

[2]《航道工程手冊(cè)》（長(zhǎng)江航道局，人民交通出版社）;

[3]《內(nèi)河船舶航行阻力計(jì)算方法討論》（水道港口，李一兵，2002，23（1）：7-11）;

[4]《船舶原理（下）》（盛振邦，劉應(yīng)中，上海交通大學(xué)出版社，2004）。

（作者單位：南京沐航交通科技有限公司）