大風氣象條件下三峽樞紐過閘船舶通航條件

孔凡軍，程升鵬，張明敏

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

據(jù)統(tǒng)計，近年來三峽船閘大風停航時間在10 d左右。究其原因，水庫上方空氣濕度增大，近壩峽谷上方的過風面積縮小、風壓增強，導致大風天氣增多。在觀察分析大風天氣對通航條件影響現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，三峽局提出了在不違背規(guī)范性文件強制性規(guī)定的前提下，采取控制性通航措施減少三峽船閘的停閘時間，繼續(xù)挖掘通航潛力的命題。即通過深入開展相關(guān)通航條件的原型觀測，進行相應(yīng)的理論計算分析等方法，論證出現(xiàn)間歇性大風氣象天氣后，其航道適航條件與船舶適航條件(船閘引航道及閘室水域)能否持續(xù)性封閉式通航的可行性。

1 大風氣象概況

據(jù)觀測統(tǒng)計,三峽壩區(qū)大風對近壩水域通航影響最大，因而本文僅分析壩上通航條件。

根據(jù)現(xiàn)場觀測，三峽壩區(qū)6級(強風，風速10.8～13.8 ms)以上大風主要分布于九畹溪至三峽大壩之間區(qū)域，在蓄水前就是長江有名的風口。時間主要集中在春秋兩季晝夜氣溫變化較大時期，尤其是在連續(xù)低溫天氣后，天氣轉(zhuǎn)暖，溫度驟然上升時，連續(xù)爆發(fā)。相關(guān)擬合曲線見圖1、2。

圖1 氣象信息檢索結(jié)果

圖2 太平溪風向分析

2 三峽樞紐近壩水域不同航段適航性能

根據(jù)在廟河、仙人橋、太平溪、船閘引航道設(shè)置的測風儀同步數(shù)據(jù)顯示，廟河、仙人橋、太平溪發(fā)生大風時，風力逐步減弱。根據(jù)常年經(jīng)驗：當廟河8級大風時，仙人橋可能只有7級風，太平溪則有6級風，船閘引航道則可能6級以下。

盡管衡量風力指標的風速能夠達到6級風速指標(10.80～13.80 ms)，但其波高均小于0.60 m，僅相當于海域3級風波高值，達不到6級風對應(yīng)的海域波高3.0 m。相較于寬闊水域的大風，近壩水域的大風缺乏風時與風場，對船舶通航影響相應(yīng)較小。

在太平溪觀測點，由上游向下游輻射，風向約為290°～310°，幾乎與三峽船閘引航道平行。也就是說，進出船閘引航道及閘室船舶受風影響主要是正對船首或船尾受力，順航道行駛船舶側(cè)面受風影響小。

近年來大風天氣情況下，引航道順航道行駛的船舶應(yīng)急通航的實踐表明，受周圍185 m高程及以上遮蔽物影響，該水域大風小于近壩水域6級以上大風的風力，通航環(huán)境方面對船舶操縱影響較小。

根據(jù)《船舶設(shè)計手冊》[1]第4章關(guān)于風速取值的論述“河道風力測試取值來源于水面以上10 m上空”的數(shù)據(jù)，三峽船閘導航墻及人字門高度均大于10 m，因此在10 m以上遮擋物下船舶逆風航行受風影響遠小于沒有遮擋物的空曠水域影響。

因此，船體兩側(cè)受力小、傾側(cè)力矩也小，加之引航道左側(cè)堤岸及船閘一閘首高程不低于185 m，船舶在船閘水域所受風力明顯低于6級風影響。

大風氣象條件下，不同航段適航性能的關(guān)鍵性指標是船舶航向穩(wěn)定，對岸安全航速、單向雙向航寬符合《內(nèi)河通航標準》[2]強制性要求。見表1。

表1 大風天氣下船舶引航道航行統(tǒng)計

3 大風氣象條件下代表性船型船舶耐波差異性分析

3.1 代表船型受風影響大小

風壓穩(wěn)性衡準數(shù)Kf的定義為：

(1)

或者

(2)

式中：Mq為風壓傾側(cè)力矩；Mf為風壓復(fù)原力矩；lq為風壓傾側(cè)力臂；lf為風壓復(fù)原力臂。

依據(jù)風壓穩(wěn)性衡準數(shù)定義可知：船舶的抗風能力一方面取決于船舶的最小傾側(cè)力矩，另一方面取決于船舶的風壓傾側(cè)力矩的大小。因此，假設(shè)所有船舶最大復(fù)原力矩是一定的，那么船舶的風壓傾側(cè)力矩較小的船舶的抗風能力更強。

采用B級航區(qū)6級高風壓計算代表船型傾側(cè)力臂情況，見表2。

表2 B級航區(qū)6級高風壓計算代表船型傾側(cè)力臂情況

由表2可知，商品車滾裝船、集裝箱船、散貨船的風壓傾側(cè)力臂lf商>lf集>lf散。考慮到影響船舶的風壓傾側(cè)力矩的因素：1)上層建筑越豐滿的船舶，風壓傾側(cè)力矩越大；2)船舶排水量越大的船舶，風壓傾側(cè)力矩越小；3)中大形散貨船排水量較大、上層建筑物相對較小，該類型船舶的風壓傾側(cè)力矩普遍較小，抗風能力較其他類型船舶強。

3.2 船舶的耐波性

船舶在水上的航行性能,既決定于外部風浪的大小,也和船體本身的要素有密切關(guān)系。在規(guī)則波中,當船長與波長比值Lλ≈1 時,波浪的擾動力最大,縱搖和垂蕩十分激烈。當Lλ> 1.3時,無論是否發(fā)生諧搖,縱搖和垂蕩都不會很大。

實際觀測中，三峽壩區(qū)水域受大風影響，江面所形成波浪較為規(guī)則，波長較短，一般都在10 m以下。除漁船、農(nóng)用船、客渡船等船舶外，船長與波長比值都遠遠大于1.3，耐波性較好，幾乎不受影響。波浪對大型船舶的影響幾乎忽略不計。

另一方面，三峽壩前水域的“風時”與“風場”不夠，刮風時間連續(xù)性不夠，即為“陣風”，水域不如長江中下游寬闊，不能聚浪成潮。通過三峽大壩具有A級航區(qū)資格的船舶，船舶的穩(wěn)性較高。而根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》，船舶設(shè)計橫傾角不得低于15°;通過B級航區(qū)的橫傾角設(shè)計值一般小于12°，而大風氣象條件下的原型觀測數(shù)據(jù)表明，絕大多數(shù)船舶的橫傾角往往低于5°。

4 大風氣象條件下三峽樞紐通航核心水域船舶航行特性分析

根據(jù)《船舶原理》[4]，“風是產(chǎn)生風浪的主要原因，但是必須具有充分的風時和風區(qū)長度才能形成與風級相稱的風浪級別”。如三峽壩上近壩水域風級6級以上大風風速在10.80～13.80 ms,其對應(yīng)的浪級只是輕浪3級，浪高0.5 m ≤實際浪高≤1.25 m。

三峽樞紐成庫以來，多年原型觀測表明，近壩大風風速指標達標，但波高值不對應(yīng)。因此，三峽水域大風對船舶操縱影響只是體現(xiàn)在風速上，而非浪高上。

船舶進入大風水域后，船舶操縱人員依據(jù)風向、風力、流、波浪、地形等要素綜合考量，選擇最優(yōu)航路。

4.1 大風時船舶操作特性

三峽水域水流穩(wěn)定，至上而下，風向雖然受到山勢影響，在臨山區(qū)域有所變化，但是主航道風向較為穩(wěn)定。因此，船舶上下行主要采用頂風頂流、順風順流航行，已達到降低船舶風流壓差角的作用，保證船舶在大風中安全航行。

4.2 船閘引航道水域船舶操縱特點

大風時，三峽船閘上引航道口門水域下行船較上行船困難。空載船、旅游船、集裝箱船受影響較大。

下行船排隊進入引航道水域，后船必須等待前船在靠船墩靠泊完畢，方能進車前進。此時船舶處于順風狀態(tài)，倒車效果差，加之航速較低，船舶抵抗風力和水流能力差，風流壓差大，船舶易發(fā)生漂移，不易穩(wěn)住航向，從而向禁航區(qū)漂移或者向隔流堤困邊。

根據(jù)船舶設(shè)計規(guī)范，A級航區(qū)的船舶最大復(fù)原力臂所對應(yīng)的橫傾角θm應(yīng)不小于15°。

綜上可知：凡是符合建造規(guī)范的船舶，只要具備A級航區(qū)的資質(zhì)，那么該船的橫傾角不得低于15°。結(jié)合實際，通過三峽大壩的絕大部分船舶都具有A級航區(qū)資格，船舶的穩(wěn)性擁有較高的要求。具備A級航區(qū)航行資格的過往船舶在6～7級大風條件下，其適航性能——耐波性是良好的。

5 結(jié)語

1)通過實船測試表明，在近壩水域出現(xiàn)6～7級大風氣象條件下，三峽船閘及引航道水域與其連接段以上通航條件不同。即船閘水域航道適航條件——近壩水域出現(xiàn)6級以上大風時，受周圍上遮蔽物影響，該水域大風風力小于6級，對船舶操縱影響較??；三峽壩上大風絕大多數(shù)是西北風，其引航道軸線方向與常年大風(風向290°～310°)夾角較小，傾側(cè)力矩較小，滿足安全通航要求。

2)數(shù)模計算表明：具備長江干線B級航區(qū)適航證書的船舶滿足該氣象條件下安全通航要求。三峽樞紐壩上大風與風浪形成的波長、波高的比值，與長江下游及海上風浪明顯不同。三峽6級大風的波高只相當于長江下游3級風對應(yīng)值；過閘船舶船長與波長比值都遠遠大于1.3，耐波性較好。