基于船舶安全通航的廂廊急彎段航道整治研究*

王 斐，閆 濤，李少希，乾東岳

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456)

山區(qū)河流廣泛分布于我國(guó)西南、中南部地區(qū)，其航運(yùn)開(kāi)發(fā)對(duì)腹地經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著積極的推動(dòng)作用?！笆濉眹?guó)家內(nèi)河高等級(jí)航道網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃包含了川、渝、湘、黔等地的嘉陵江、岷江、烏江、湘江、沅水、南盤(pán)江以及兩廣地區(qū)的紅水河、柳江、黔江、北江等眾多山區(qū)河流。因山區(qū)河流具有河道狹窄、彎曲，枯水流量小、歷時(shí)長(zhǎng)，而洪水流量陡增，洪、枯水位變幅大等特點(diǎn)，山區(qū)河流航道建設(shè)常面臨彎、急、淺、險(xiǎn)等礙航問(wèn)題，特別是急彎河段航道，不僅自然彎曲而且非常狹窄，限制了航行船舶過(guò)彎尺度，增加了船舶操作難度[1-5]。本文以廂廊急彎段為研究對(duì)象，采用物理模型與船模試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段，分析研究水位變化、航道流速及航線布置等對(duì)船舶航行的影響，以期為類(lèi)似工程整治提供參考。

1 廂廊急彎段概況

廂廊急彎段位于珠江水系北江干流上源的武江段，是彎曲型的山區(qū)河流(圖1)。武江廂廊彎道急彎且河面較窄，彎頂航道轉(zhuǎn)向角較大，入彎和出彎段主流流速較大，船舶在上下行通過(guò)彎頂時(shí)也均需占用對(duì)向航道，在流量較大時(shí)上下行船舶無(wú)法通過(guò)廂廊急彎段?，F(xiàn)階段該航道維護(hù)等級(jí)為VI級(jí)，通航100噸級(jí)船舶，航道維護(hù)尺度為1.0 m×30 m×180 m(航深×航寬×彎曲半徑)，保證率為90%。航道整治目標(biāo)按內(nèi)河Ⅲ級(jí)、設(shè)計(jì)航道尺度2.5 m×60 m×270 m、通航1 000噸級(jí)船舶標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。其中整治流量192 m3/s，整治水位62.9 m，整治線寬度150～200 m。

圖1 武江廂廊急彎河段平面河勢(shì)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用1:100正態(tài)模型，模擬河段長(zhǎng)度5 km(圖2)，通過(guò)水面線、流速和流態(tài)的驗(yàn)證試驗(yàn)，模型與原體的水流運(yùn)動(dòng)達(dá)到了相似要求。選用的1 000噸級(jí)單船尺度為80 m×10.8 m×2.0 m(長(zhǎng)×寬×滿載吃水)。船模幾何比尺同為1:100。試驗(yàn)典型流量級(jí)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)典型流量級(jí)

圖2 模型模擬河段范圍

3 整治方案研究

3.1 凹岸開(kāi)挖

3.1.1方案布置

岸坡切除區(qū)域底高程58 m，坡度1:2.5，為防止岸坡沖刷，采取護(hù)岸工程措施提高岸坡的整體穩(wěn)定性。入彎口航寬由60 m擴(kuò)展至90 m，向下游直線段連接彎曲半徑為338 m，弧長(zhǎng)為1.1 km的圓弧段，出彎段與直線航道銜接，出彎段原開(kāi)挖區(qū)附近航寬60 m(圖3)。

3.1.2整治效果

試驗(yàn)結(jié)果表明：以橋址下游3 km處為分界，上半段出現(xiàn)了明顯的水位降落，且橋址處的降幅為最大。在中、枯水流量下，水流基本歸于航槽，出現(xiàn)大幅度水位降落，當(dāng)流量為605 m3/s時(shí)，水位最大降幅達(dá)1.2 m，1 200 m3/s時(shí)為0.98 m；2 010 m3/s時(shí)為0.95 m，沿程比降最大0.86‰。隨著流量的增大，歸槽水流流量占比下降，因而水位降幅也逐漸減小，至3 920 m3/s流量時(shí)，水位降幅為0.8 m。橋下3 km下游，水位與天然情況基本一致。航中線最大縱向流速位于入彎段，最大橫向流速位于在距橋址約3.1 km處。隨著流量的增加，航中線縱向、橫向流速逐漸增加，Q<2 010 m3/s時(shí)，整個(gè)航段vy均在3 m/s內(nèi)，vx均在0.8 m/s內(nèi)；Q=2 010 m3/s時(shí)，vymax為3.3 m/s，vxmax>1 m/s；Q=3 920 m3/s時(shí)，入彎段vy達(dá)4 m/s。在流量2 010 m3/s下，橋下3.1 km處航道內(nèi)vxmax>1 m/s。

當(dāng)流量Q≤1 200 m3/s時(shí)，代表船型上、下行均能夠通過(guò)彎道段，且均可沿各自的設(shè)計(jì)航線航行，會(huì)船時(shí)航跡帶距離滿足安全航行要求；流量Q=2 010 m3/s時(shí)，船舶航行通過(guò)彎道段時(shí)漂角最大為-18.41°，航跡帶寬度最大約為31.94 m，通過(guò)該段航道時(shí)船舶最大對(duì)岸航速為6.69 m/s，操控風(fēng)險(xiǎn)較大。

3.2 凸岸開(kāi)挖

3.2.1方案布置

切除區(qū)域底高程取58 m，坡度1:2.5。本河段來(lái)沙量不大，沖淤變幅有限，若凸岸開(kāi)挖后發(fā)生累積性淤積，可通過(guò)維護(hù)性疏浚保證整治效果。入彎口上行航線以半徑480 m，弧長(zhǎng)為300 m的圓弧逐漸與原航線分離，下接150 m直線段，與半徑300 m，弧長(zhǎng)610 m的圓弧段連接，出彎段與原航線直線段銜接(圖4)。

圖4 凸岸開(kāi)挖方案布置

3.2.2整治效果

方案實(shí)施后，當(dāng)流量為605 m3/s時(shí)，水位最大降幅達(dá)1.2 m，隨著流量的增大，水位降幅基本保持在1 m左右，如1 200 m3/s流量時(shí)水位最大降幅為1.01 m；2 010 m3/s流量時(shí)水位最大降幅為1.05 m；至3 920 m3/s流量時(shí)，水位降幅為0.85 m。在2 010 m3/s及以上流量時(shí)，橋址下游3 km內(nèi)河段出現(xiàn)了5～10 cm的水位降幅，沿程比降最大0.81‰。

下行航中線的縱、橫向流速較上行航線大，與天然情況相比，上、下行航線的通航水流條件明顯改善。1)上行航中線，Q<2 010 m3/s時(shí)，vy均在3 m/s內(nèi)，vx基本在0.6 m/s內(nèi)；在Q=2 010 m3/s時(shí)，vy均在3 m/s內(nèi)，vx在0.9 m/s內(nèi)；在3 920 m3/s下，僅在入彎段流速超3 m/s，其余航段vy均小于3 m/s。2)下行航中線，Q<2 010 m3/s時(shí)，vy均在3 m/s內(nèi)，vx均在1.0 m/s內(nèi)；Q=2 010 m3/s時(shí)，vy大部分在3 m/s內(nèi)；在3 920 m3/s下，vymax接近4 m/s，vxmax超過(guò)1.5 m/s；而橋下3.1 km處vxmax超過(guò)1 m/s；在2 010 m3/s流量下，距橋下2.7～3.2 km范圍航道內(nèi)vx超0.7 m/s。

當(dāng)流量Q≤1 200 m3/s時(shí)，代表船型上、下行均能夠通過(guò)廂廊彎道段，且均可沿各自設(shè)計(jì)航線航行，會(huì)船時(shí)距離滿足安全航行要求；流量Q=2 010 m3/s時(shí)，當(dāng)船舶以4.0 m/s航速下行時(shí)，航行漂角最大為-18.81°，航跡帶寬度最大時(shí)約為30.42 m。同時(shí)，由于船舶靜水航速較大，致使船舶航行于廂廊彎道段時(shí)對(duì)岸航速較大，最大時(shí)為6.54 m/s，船舶雖能順利通過(guò)廂廊彎道，但對(duì)岸航速過(guò)快將加大船舶操控難度，存在安全隱患；流量Q=2 010 m3/s時(shí)，廂廊彎道入彎段(橋下約1.8 km處)由于水流流速較大，使得船舶上行通過(guò)此航道時(shí)急流區(qū)段船舶無(wú)法上行，須尋找緩流區(qū)通過(guò)，對(duì)岸航速最小時(shí)為0.46 m/s。

3.3 凹岸與凸岸開(kāi)挖相結(jié)合

單側(cè)開(kāi)挖方案在Q=2 010 m3/s下，船舶航行于彎道段時(shí)存在操控風(fēng)險(xiǎn)，隨后開(kāi)展研究凹岸與凸岸開(kāi)挖相結(jié)合的方案。通過(guò)對(duì)方案實(shí)施后急彎段的水位變化和航道水流條件進(jìn)行研究，得到滿足通航要求的布置方案。

3.3.1方案布置

將單側(cè)開(kāi)挖方案相疊加，凸岸回填原方案開(kāi)挖量的1/2。凹岸開(kāi)挖方案的航道左邊線為本方案航道左邊線，航道右邊線沿凸岸開(kāi)挖坡底線，向河內(nèi)移動(dòng)10 m。航寬由入彎段60 m逐漸加大至150 m，彎曲半徑382 m，隨后在出彎段緩慢過(guò)渡至60 m，并且將出彎段左側(cè)岸線進(jìn)一步平順(圖5)。

圖5 凹岸與凸岸結(jié)合開(kāi)挖方案布置

3.3.2整治效果

1)當(dāng)流量為1 200 m3/s和2 010 m3/s時(shí)，在橋址下游0～2 km范圍內(nèi)均出現(xiàn)水位下降，降幅在0.15～0.35 m，沿程局部比降最大達(dá)0.57‰；而在橋址下游2～5.5 km河段，凹岸與凸岸結(jié)合開(kāi)挖方案的沿程水位與前述幾組方案趨于一致。

2)上行航中線流速變化。船舶靠右抱凸岸上行。在2 010 m3/s流量以下，vy均在3 m/s內(nèi)，vx基本在0.5 m/s內(nèi)。當(dāng)流量不超過(guò)2 010 m3/s時(shí)，急彎段航中線vy基本在3 m/s以?xún)?nèi)；遇5 a一遇洪水3 140 m3/s及10 a一遇洪水3 920 m3/s流量，彎道上半段(橋下2.5 km航道)流速超過(guò)3 m/s，其余航段航中線vy均小于3 m/s。橫向流速方面，當(dāng)流量不超過(guò)2 010 m3/s時(shí)，急彎段航中線vx基本在0.8 m/s以?xún)?nèi)。與單側(cè)開(kāi)挖方案橫向流速(>0.9 m/s)相比，上行航線的通航水流條件改善明顯。

3)下行航中線流速變化。下行航線更靠近凹岸，在2 010 m3/s流量以下，vy均在2 m/s內(nèi)，vx基本在1 m/s內(nèi)。當(dāng)流量為2 010 m3/s時(shí)，航中線vy值均小于3 m/s；當(dāng)流量增大至5 a一遇洪水流量3 140 m3/s和10 a一遇洪水流量3 920 m3/s時(shí)，急彎段航中線vymax接近4 m/s。從橫向流速變化看，1 200 m3/s流量以?xún)?nèi)，急彎段航道航中線流速均小于1 m/s，隨著流量的增大，2 010 m3/s流量下vxmax為1.1 m/s，3 920 m3/s流量下航中線vxmax1.57 m/s。較單側(cè)開(kāi)挖方案下行航線的通航水流條件有所改善。

4)航道橫向流速分布。當(dāng)流量在2 010 m3/s時(shí)，橋下2.5～3.1 km航段出現(xiàn)大范圍橫向流速超過(guò)0.7 m/s的情況，橋下3.1 km處vxmax超過(guò)1 m/s。

5)船模試驗(yàn)。船模航行試驗(yàn)參數(shù)漂角、航跡帶寬度及最大對(duì)岸航速均有改善。當(dāng)流量Q≤1 200 m3/s時(shí)，代表船型上、下行均能夠通過(guò)廂廊彎道段航道，且均可沿各自設(shè)計(jì)航線航行，會(huì)船時(shí)距離滿足安全航行要求；當(dāng)流量Q=2 010 m3/s時(shí)，船舶航行通過(guò)彎道段航道時(shí)漂角最大為-18.74°，航跡帶寬度最大時(shí)約為29.08 m。船舶下行通過(guò)彎道段航道時(shí)船舶最大對(duì)岸航速為5.87 m/s。

4 方案對(duì)比

4.1 沿程水位

凹岸開(kāi)挖方案中，由于開(kāi)挖區(qū)位于彎頂偏下，范圍有限且基本處于下游溢洲樞紐的回水淹沒(méi)范圍，故引起的水位變化有限。凸岸開(kāi)挖方案的水位在2 010 m3/s及以上的洪水流量下，略低于凹岸開(kāi)挖方案，幅度在5～8 cm。以橋址下游3 km處為分界，各方案下上半段出現(xiàn)明顯的水位降落，且橋址處降幅最大。當(dāng)流量為2 010 m3/s時(shí)，在橋址下游0～2 km航段內(nèi)，凹岸與凸岸結(jié)合開(kāi)挖方案的沿程水位較單側(cè)開(kāi)挖方案降落有所增大，最大降幅達(dá)0.29 m。同樣，在橋址下游2～5.5 km河段內(nèi)，幾組方案的水面線趨于一致(圖6)。

圖6 各方案Q=2 010 m3/s下沿程水位

4.2 航中線流速

航中線最大縱向流速位于入彎段，最大橫向流速位于在距橋址約3.1 km處。隨著流量的增加，航中線縱、橫向流速逐漸增加。凹岸開(kāi)挖下Q=2 010 m3/s時(shí)，vymax為3.3 m/s，vxmax超過(guò)1 m/s；在流量2 010 m3/s下，橋下3.1 km處航道內(nèi)vxmax超過(guò)1 m/s。

凸岸開(kāi)挖方案下，下行航中線的縱、橫向流速均較上行航線大。上行航中線，在流量2 010 m3/s時(shí)，vy均在3 m/s內(nèi)，vx在0.9 m/s內(nèi)；下行航中線，在流量2 010 m3/s時(shí)，vy大部分在3 m/s內(nèi)，而橋下3.1 km處vxmax超過(guò)1 m/s，凹岸與凸岸開(kāi)挖相結(jié)合方案下，船舶靠右抱凸岸上行。當(dāng)流量不超過(guò)2 010 m3/s時(shí)，急彎段航中線vy基本在3 m/s以?xún)?nèi)，vx基本在0.8 m/s以?xún)?nèi)。與單側(cè)開(kāi)挖方案橫向流速即超過(guò)0.9 m/s相比，上行航線的通航水流條件改善明顯。下行航線更靠近凹岸，當(dāng)流量為2 010 m3/s時(shí)，航中線vy值均小于3 m/s，vx最大1.1 m/s，較單側(cè)開(kāi)挖方案下行航線的通航水流條件有所改善。各方案Q=2 010 m3/s下航中線流速見(jiàn)圖7。

圖7 各方案Q=2 010 m3/s下航中線流速

4.3 最大航寬

凹岸開(kāi)挖方案的入彎口航寬由60 m擴(kuò)展至90 m，出彎段航寬逐步收窄至60 m；凸岸開(kāi)挖方案的入彎口上行航線分離，雙向最大航寬120 m，出彎段收窄至60 m；凹岸與凸岸結(jié)合開(kāi)挖方案的入彎段航寬由60 m擴(kuò)展至150 m，出彎段航寬逐步收窄至60 m。

5 結(jié)論

1)針對(duì)廂廊急彎段的雙向通航問(wèn)題，采用物理模型試驗(yàn)結(jié)合船模試驗(yàn)的研究手段，提出單側(cè)開(kāi)挖方案及兩岸同時(shí)開(kāi)挖方案的整治思路，形成3組能夠滿足廂廊急彎段雙向通航的布置方案，最大通航流量均可以達(dá)到1 200 m3/s。

2)從彎道可航水域范圍、下行航線縱向流速及下行時(shí)對(duì)岸航速大小，選定在凹岸與凸岸開(kāi)挖相結(jié)合的基礎(chǔ)上，凸岸回填1/2做為廂廊急彎段航道整治的推薦方案。該方案實(shí)施后，可航水面范圍最大航寬達(dá)150 m，較凹岸開(kāi)挖方案90 m航寬有較大增幅；下行航線縱向流速最大為1.74 m/s，較凹岸開(kāi)挖方案減小0.36 m/s；在流量Q=2 010 m3/s時(shí)，船舶通過(guò)彎道段航道時(shí)漂角、航跡帶寬度等都有所降低。推薦凹岸和凸岸相結(jié)合的開(kāi)挖方案。

3)本文提出的整治措施對(duì)環(huán)境影響較小，且施工工藝較為簡(jiǎn)便，可為類(lèi)似急彎段航道整治工程提供參考。