基于船模的木京擴建船閘通航水流條件試驗研究

劉中峰，劉 達，黃本勝，邱 靜

(廣東省水利水電科學研究院，廣東省水動力學應用研究重點實驗室，河口水利技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東 廣州 510635)

隨著產業(yè)轉移和經濟社會發(fā)展，東江水運量大幅增加，對梯級樞紐船閘通航能力提出更高的要求。作為東江干流第九個梯級，木京樞紐左岸設單級船閘一座，最大通航船舶噸位僅100 t，亟需進行擴建以提升通航能力。在此背景下，開展木京樞紐擴建船閘工程前期工作并初步確定推薦方案。

由于是在已建樞紐上進行船閘擴建，空間、地形條件等諸多制約因素導致船閘上下游引航道通航水流條件十分復雜。相關研究及實踐經驗表明，引航道水流條件的好壞直接關系到船舶進出船閘的安全，一般都須進行專題研究，而船模通航試驗則是主要的研究手段之一[1-4]。因此，在木京樞紐擴建船閘水工模型推薦方案上開展船模試驗，研究分析上、下游引航道的船舶通行條件，分析航行難點并確定最高限制通航流量，確保船閘進、出船閘航行安全。

1 工程概況

木京樞紐位于東江干流的河源城區(qū)(新豐江交匯口)上游9.2 km處，壩址以上流域面積9 830 km2,正常蓄水位為42.74 m，是一座集發(fā)電、航運、防洪和供水為一體的綜合性低水頭電站。樞紐建筑物由發(fā)電廠房、攔河閘壩(14 m×15孔)、船閘及兩岸連接土壩組成。其中，船閘布置在樞紐左岸，閘首凈寬8.0 m，閘室尺度為100 m×14 m×2.3 m(長×寬×門檻水深)，設計通航100噸級船隊。

如圖1所示，根據航道規(guī)劃標準及現(xiàn)場條件，通過水工模型試驗初步確定了木京樞紐擴建船閘推薦方案[5]：廢除現(xiàn)有船閘，在其左側新建雙線船閘，設計代表船型為1 000 t機動貨駁船，船型尺度為85.0 m×10.5 m×2.0 m(總長×型寬×吃水)，閘室有效尺度分別為220 m×23 m×4.5 m和220 m×16 m×4.5 m，兩船閘軸線間距40.5 m。

圖1 推薦方案總體平面布置

2 船模試驗

2.1 模型設計

船模試驗在樞紐整體水工模型上開展，水工模型按重力相似、水流連續(xù)性相似和阻力相似準則設計為幾何正態(tài)模型，模型比尺選用1:80。船模按照本河段的實船船型(1 000 t機動貨駁船)設計，比尺與水工模型比尺相同，也為1:80。船模經精心設計、制作和率定試驗，操作性能符合操縱性能相似的要求，其主要參數見表1。

表1 實船與船模主要參數

2.2 試驗方法

船舶在航行過程中，其航行狀態(tài)的好壞取決于水流條件與船舶本身的動力特性及其操縱性能的優(yōu)劣。在一定的水流條件下，船舶的航行狀態(tài)一般由船舶的舵角、漂角、航速等航行參數來反映，因此船模試驗也主要根據這些參數對通航條件進行分析。目前，國內對船模試驗參數尚未制定明確的標準，分析中通常是采用早期研究確定的限值[6-7]，即最大舵角不大于25°，最小航速不小于0.40 m/s。當試驗中船模航行參數劣于上列數值時，則認為通航是不安全的。船模試驗中，針對任一試驗組次，均進行3～5次試驗，用其特征值進行成果分析，以減小試驗隨機誤差。

2.3 試驗方案及組次

本次船模試驗的上、下引航道布置為水工模型試驗確定的推薦方案。

根據實際水文情況和木京樞紐的運行方式，選定6個流量級進行船模試驗(表2)。為了對不同流量的通航條件進行對比分析，船模試驗采用固定靜水航速，即上行船模航速為0.50 m/s(實船航速為4.50 m/s)、下行船模航速為0.39 m/s(實船航速為3.50 m/s)，這與實際船舶行駛存在一定的差別。

表2 船模試驗水文組次

3 上引航道試驗

3.1 方案布置

雙線船閘共用上引航道，引航道寬度為90 m。

為減輕水閘泄水吸流影響，在引航道與水閘之間設置長122 m、寬2 m的隔墻(圖2)。為降低隔墻末端繞流強度，上游墻段采用底部透空式，并將墻端設計為圓頭。透空式隔墻長64 m，底部設有9個同等大小的透水孔，每個透水孔的長4.5 m、高3.44 m，每孔相隔的實體段長度2.5 m，透水孔的頂緣高程為38.75 m(圖3)。

圖2 上引航道布置方案

圖3 隔流墻結構(單位： m)

3.2 試驗結果分析

3.2.1通航水流條件

水工模型試驗表明，上引航道口門區(qū)及連接段(上3～上7)縱向流速基本沒有超過2.0 m/s的規(guī)范限值，水體偏流不大，橫向流速基本在0.30 m/s以下，滿足安全通航要求。但轉彎段(上9～上11)橫向流速仍較大，6個試驗流量級下航道內最大橫向流速依次為0.46、0.35、0.29、0.20、0.16和0.09 m/s，可見在較大的兩級流量下橫向流速有所超標，對行船安全不利。在最大流量級Q=4 880 m3/s時，上引航道的流速分布情況見圖4。

圖4 上引航道流速分布(Q=4 880 m3/s)

3.2.2船舶試驗成果

上引航道船舶航行試驗成果見表3。從表3可知，船舶出閘上行時,6級流量試驗的最大舵角和最大漂角均隨流量增加而加大、最小航速則隨流量增加而減小。原因在于隨著流量增加，彎道水流作用增強，導致上引航道轉彎位置橫向流速加大，上行船舶的操縱難度增加。從具體參數上看，各級流量上行試驗的最小航速均高于最低航速安全限值(0.4 m/s)，但當流量大于3 900 m3/s(P=20%)時，最大舵角超過船模試驗舵角安全限值(25°)，此時船舶通航安全已無法得到保障。

船舶下行進閘時，6級流量試驗的最大舵角和最大漂角均隨流量增加而加大，表明下行船舶的操縱難度隨著流量增加而加大。當流量小于3 000 m3/s時，最大舵角不會超過安全限值(25°)，但流量達到3 900 m3/s(P=20%)時，其最大舵角為25.86°，船舶操縱難度極大，通航安全無法得到保障。

由表3可知，船閘下行進閘時各級流量的最大舵角、最大漂角均比出閘上行時大，表明船舶下行進閘難度大于出閘上行。分析其原因主要是因為船舶出閘上行是由狹窄水域駛向寬廣水域，且為逆水航行，航速相對較低，舵效較好，操縱難度相對較?。欢滦羞M閘情況正好相反，操縱難度相對較大。

表3 上引航道船模航行試驗成果

3.2.3最高限制通航流量及通航難點

綜合通航水流條件及船模試驗成果，將上引航道的最高限制通航流量定為3 000 m3/s，在此流量及以下時，航行船舶可安全上、下行通過連接段和口門區(qū)進出引航道，滿足通航要求。該流量下的船舶上、下行航跡線見圖5，操縱舵角、漂角和航速過程見圖6。

圖5 上引航道船模航跡線(Q=3 000 m3/s)

圖6 上引航道船模操縱舵角、漂角和航速過程線

船模試驗表明：上引航道航行難點在于船閘口門區(qū)上游的彎道河段，彎道水流極易造成船舶偏轉和漂移，船位和船向控制難度較大；同時彎道對船舶操縱人員視野的限制，還給駕駛預判和提前操作造成一定影響，特別是下行船舶，駛過彎道后馬上要進入限制性航道，對船舶操縱技術要求較高。

4 下引航道試驗研究

4.1 方案布置

由圖7可以看出，由于天然彎道河勢影響，水閘下泄水流及電站尾水對下引航道產生直沖影響，導致引航道水體向左岸方向偏轉，船舶安全通過該彎道的難度極大。因此，為保護船舶安全通過引航道轉彎段，從隔流堤末端開始，沿彎道方向修建一條長922 m、寬2 m的導墻，墻頂高程按最高通航水位0.5 m控制。同時，為保證導墻內引航道寬度(90.0 m)，將左岸岸線適當后退并將其設計為直立岸墻。

4.2 試驗結果分析

4.2.1通航水流條件

圖8以最大流量級Q=4 880 m3/s為例，給出下引航道的流速分布情況。從圖8可知，導墻保

護范圍內的引航道近于靜水狀態(tài)，流速普遍不大，可滿足船舶安全進出閘的要求。出導墻保護區(qū)域后，航道即開始向河道中央靠攏，口門區(qū)的通航水流條件也基本滿足船舶正常航行的要求；至下15和下16斷面，受上游來流橫向擴散影響，橫向流速有所增加，6個試驗流量級下該處航道內最大橫向流速依次為0.55、0.46、0.30、0.27、0.25和0.13 m/s，較大兩級流量下有所超標，對船舶通航安全具有一定的影響。再向下游，流速方向與航道線交角逐漸減小，橫向流速值均在0.30 m/s以下。

圖7 下引航道布置方案

圖8 下引航道流速分布(Q=4 880 m3/s)

4.2.2船舶試驗成果

上引航道船舶航行試驗成果見表4。船舶上行進閘時，6級流量試驗的最大舵角和最大漂角均隨流量增加而加大、最小航速則隨流量增加而減小，這是由于流量增加導致下引航道導墻末端繞流強度增大，橫向流速變大，上行船舶的操縱難度增加。從具體參數上看，各級流量上行試驗的最小航速均高于最低航速安全限值(0.4 m/s)，但當流量為4 880 m3/s(P=10%)時，最大舵角為25.56°，超過船模試驗舵角安全限值(25°)，此時船舶通航安全已無法得到保障。

船舶出閘下行時，6級流量試驗的最大舵角和最大漂角均隨流量增加而加大，表明下行船舶的操縱難度隨著流量增加而加大。在各級試驗流量下，最大舵角均未超過安全限值(25°)，表明下行水流條件較好，船舶操縱難度不大，可保障通航安全。

由表4可知，船閘上行進閘時各級流量的最大舵角、最大漂角均比出閘下行時大，表明船舶上行進閘難度大于出閘下行。原因主要在于船舶出閘下行是由狹窄水域駛向寬廣水域，操縱難度相對較小，而下行進閘情況正好相反。

表4 下引航道船模航行試驗成果

4.2.3最高限制通航流量及通航難點

綜合水流條件及船模試驗成果，將下引航道的最高限制通航流量定為3 000 m3/s，在此流量及以下時，航行船舶可安全上下行通過連接段和口門區(qū)進出引航道，滿足通航要求。該流量下的船舶上下行航跡線見圖9，操縱舵角、漂角和航速過程見圖10。

圖9 下引航道船模航跡線(Q=3 000 m3/s)

船模試驗表明，下引航道航行難點在于長導墻末端附近，當下泄流量較大時，墻端繞流在附近形成一定的斜橫流，造成船舶偏轉和漂移，因此船舶通過時應注意控制好船位和保持好航向，避免發(fā)生擦碰堤岸事故。

圖10 下引航道船模操縱舵角、漂角和航速過程線

5 結論

1)船閘上引航道航行難點在于口門區(qū)上游的彎道河段，且船舶下行進閘難度大于出閘上行，下行通航條件是通航控制條件。當Q≤3 000 m3/s(邊發(fā)電邊棄水)時，船舶下行的最大舵角不會超過安全限值(25°)，船舶可安全通航；當流量達到3 900 m3/s(P=20%，泄水閘控泄)時，下行最大舵角超過安全限值(25°)，船舶操縱難度極大，通航安全無法得到保障。

2)船閘下引航道航行難點在于長導墻末端附近，且船舶上行進閘難度大于出閘下行，上行通航條件是通航控制條件。當Q≤3900 m3/s(P=20%，泄水閘控泄)時，船舶上行的最大舵角和最小航速均滿足船模試驗安全限值條件，船舶可安全通航；當流量達到4 880 m3/s(P=10%，泄水閘敞泄)時，上行最大舵角超過安全限值(25°)，難以保障通航安全。

3)綜合上、下引航道的通航條件試驗成果，建議將Q=3 000 m3/s(邊發(fā)電邊棄水)作為木京樞紐擴建船閘的最高限制通航流量。