狹窄連續(xù)彎道河段航電樞紐船舶通航安全研究

王斐，張玉倩，安曉宇，孔憲衛(wèi)

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，天津 300456）

0 引言

在地處山區(qū)和半山區(qū)的河流上往往難以選擇到理想的河道順直、河面寬闊的壩址河段，只得建在平面彎曲、河面狹窄河段[1]，航電樞紐船舶的安全通航問題尤為突出。解決山區(qū)樞紐通航問題多選擇物理模型和自航船模相結(jié)合的手段[2-3]，但在狹窄連續(xù)彎道河段船閘通航研究中的應(yīng)用較少，隨著船舶操縱模擬器在通航安全評(píng)估、沿海碼頭工程通航及航線布置中的應(yīng)用愈加成熟[4-5]，其在解決船閘口門區(qū)及連接段的通航條件問題中的應(yīng)用研究更加迫切。本文以狹窄連續(xù)彎道河段土谷塘航電樞紐為研究對(duì)象，采用物理模型、自航船模試驗(yàn)和船舶操縱模擬器相結(jié)合的手段，分析研究了船閘上下游口門區(qū)、連接段水流特性，船舶操縱航行參數(shù)變化以及自航船模試驗(yàn)和船模操縱模擬結(jié)果的對(duì)比，以期為類似工程的通航安全研究提供理論依據(jù)。

1 土谷塘航電樞紐概況

土谷塘航電樞紐以通航為主，兼有發(fā)電、灌溉、改善濱水景觀等綜合效益。主要建筑物包括3臺(tái)機(jī)組、1孔排污閘、17孔泄水閘及1 000噸級(jí)船閘。土谷塘樞紐工程為低水頭徑流式電站、泄水閘式閘壩、槽蓄型水庫(kù)。本試驗(yàn)船閘上下游以引航道口門區(qū)、連接段及其與上游相連的急彎河段為主要試驗(yàn)區(qū)。按照J(rèn)TJ 305—2001《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]要求及船閘上游河勢(shì)，將船閘上游連接段區(qū)域定義為口門區(qū)末端至上游彎道入口處，具體長(zhǎng)度見表1。

表1 船閘引航道、口門區(qū)、連接段及急彎河段長(zhǎng)度一覽表Table 1 Length list of lock approach channel,entrance area,connection section and sharp bend river m

2 模型設(shè)計(jì)

2.1 物理模型設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用比尺為1∶100正態(tài)模型，模擬原型河道長(zhǎng)度約為8 km，其中壩址上游長(zhǎng)約4.6 km，壩址下游長(zhǎng)約3.4 km，寬度為400～800 m不等。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[7]。

土谷塘航電樞紐設(shè)計(jì)通航船隊(duì)由397 kW（540匹馬力）推輪頂推2個(gè)千噸級(jí)分節(jié)駁組成，船隊(duì)排列形式為1排1列式。船隊(duì)的編隊(duì)形式及平面主尺度見圖1。其中，推輪吃水1.8 m，駁船吃水2.0 m（按載重量1 045 t設(shè)計(jì)）。船模幾何比尺同為1∶100。

圖1 設(shè)計(jì)船隊(duì)隊(duì)形及平面主尺度示意圖（m）Fig.1 Schematic diagram of design fleet type and plane main scale（m）

2.2 模擬器模型的建立

對(duì)航向穩(wěn)定性指標(biāo)、航向改變性指標(biāo)及定常旋回性指標(biāo)進(jìn)行率定，率定結(jié)果均滿足JTT 258—2021《長(zhǎng)江運(yùn)輸船舶操縱性衡準(zhǔn)》[8]的要求。

模擬器中土谷塘河段三維地理信息系統(tǒng)包括3方面的內(nèi)容：1）代表船型模型包含在模擬器的船舶數(shù)據(jù)庫(kù)中；2）三維視景模型包含在模擬器的視景數(shù)據(jù)庫(kù)中；3）水流條件包含在模擬器的水流條件數(shù)據(jù)庫(kù)中。物理模型試驗(yàn)與模擬器試驗(yàn)選擇的流量如表2所示。

表2 模擬器中土谷塘河段選擇流量級(jí)Table 2 Flow levels selected for the Tugutang reach in the simulator

2.3 船舶航行參數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于進(jìn)出船閘的船舶或船隊(duì)，航行時(shí)操舵角和漂角一般情況均應(yīng)較小，若出現(xiàn)較大的操舵角和漂角說(shuō)明水流條件較差，有偏離航道的危險(xiǎn)，尤其是通過(guò)口門時(shí)，還有觸及導(dǎo)流堤的危險(xiǎn)，容易發(fā)生海損事故[9]。因此，為了使船舶或船隊(duì)安全進(jìn)出口門，船舶航行時(shí)應(yīng)保持一定的船位和航向，為了判別航行條件的優(yōu)劣，船舶的操舵角和航行漂角均需要有控制范圍，參照相同試驗(yàn)研究采用航行標(biāo)準(zhǔn)：船隊(duì)在口門區(qū)航行時(shí)，操舵角應(yīng)不大于20°，航行漂角應(yīng)不大于10°[3]。

3 設(shè)計(jì)方案船舶航行模擬

3.1 設(shè)計(jì)方案及模擬工況

規(guī)模為Ⅲ（2）級(jí)船閘，布置在右岸臺(tái)地上，為單線單級(jí)船閘，船閘有效尺度為180 m×23 m×3.5 m（長(zhǎng)×寬×門檻水深），上、下閘首各長(zhǎng)30 m；引航道寬度為45 m，口門區(qū)寬度為60 m；上引航道停泊段位于導(dǎo)航墻內(nèi)側(cè)，引航道與上游主航道以1 200 m的轉(zhuǎn)彎半徑相連；下引航道停泊段位于導(dǎo)航墻內(nèi)側(cè)，引航道與下游主航道以1 040 m的轉(zhuǎn)彎半徑相連；泄水閘設(shè)17孔，每閘孔凈寬20 m，總泄流寬度為340 m；電站布置在河床左側(cè)，為河床式廠房，進(jìn)廠公路和開關(guān)站布置在下游側(cè)，總裝機(jī)容量80 MW。平面布置形式如圖2所示。主要設(shè)計(jì)船型為一頂二艘千噸級(jí)船隊(duì)。

圖2 土谷塘樞紐設(shè)計(jì)方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of the design scheme of Tugutang junction

3.2 上游口門區(qū)及連接段船舶航行模擬分析

1）電站發(fā)電、泄水閘關(guān)閉工況下：由于只有左岸機(jī)組過(guò)流，處于右岸的上游口門區(qū)及連接段水流條件很好，船舶只需用小于10°的舵角克服航線彎曲的影響，就可以順利上下行進(jìn)出口門區(qū)。

2）泄水閘和電站聯(lián)合運(yùn)行工況下：在Q=5 400 m3/s流量時(shí)，口門區(qū)及連接段航道縱向流速為1.57 m/s，橫向流速一般在0.25～0.4 m/s，不滿足規(guī)范要求。船舶下行時(shí)，舵角達(dá)到18°，漂角達(dá)到17°，勉強(qiáng)可以進(jìn)入船閘。上行時(shí)，船舶出閘后沿直線加速航行，到達(dá)連接段的拐彎段時(shí)，控制速度為2.5 m/s，拐彎進(jìn)入主航道，船舶操縱較容易。

3）電站關(guān)閉、泄水閘敞泄工況下：在Q=8 700 m3/s時(shí)，口門區(qū)附近航道橫向流速一般在0.35～0.6 m/s以內(nèi)，最大橫向流速0.72 m/s，縱向流速大多2.0 m/s以上，最大縱向流速2.49 m/s。船舶上行時(shí)逆流而行，航速慢而舵效好，操縱較為容易，但船舶在下行進(jìn)入連接段及口門區(qū)航道時(shí)順流而下采用打斜方式進(jìn)入口門區(qū)，則進(jìn)入口門區(qū)后調(diào)順船位困難而使船舶撞上右岸；在Q=13 500 m3/s時(shí)，上行船舶舵角達(dá)到-12°，漂角達(dá)到11°，船舶操縱比較困難。

3.3 下游口門區(qū)及連接段船舶航行模擬分析

1）電站發(fā)電、泄水閘關(guān)閉工況下：在Q=446 m3/s時(shí)，口門區(qū)及連接段內(nèi)橫向流速及縱向流速都非常小，船舶上下行航行過(guò)程中舵角、漂角及橫移速度都很小，船舶進(jìn)出口門容易。在Q=1 340 m3/s時(shí)，由于口門區(qū)存在回流，船舶在上行進(jìn)入連接段航道時(shí)，先逆流航行，船舶左偏，在進(jìn)入口門區(qū)航道后順流航行，船舶右偏，且口門區(qū)航道主要為彎曲航道，航行時(shí)舵角達(dá)到18°，漂角達(dá)到7.5°，航行操縱比較困難。

2）泄水閘和電站聯(lián)合運(yùn)行工況下：口門區(qū)及連接段航線與水流較順直，航線上橫流較小，滿足規(guī)范要求。船舶上行時(shí)，最大舵角-8.5°，最大航行漂角-8.0°，航態(tài)較好，航行比較順利；船舶下行時(shí)，最大舵角9.0°，最大航行漂角-6.0°，航行也比較順利。

3）電站關(guān)閉、泄水閘敞泄工況下：樞紐下游河道內(nèi)的流速隨著流量的增加而增加，口門區(qū)及連接段縱、橫向流速在逐漸加大，在Q=13 500 m3/s時(shí)，最大縱向流速達(dá)到2.2 m/s，最大橫向流速達(dá)到0.51 m/s，代表船型上行最大舵角-22°，最大漂角為-7.1°。代表船型下行時(shí)，最大舵角11°，最大漂角為-6.7°。船舶操縱有一定難度。

4 優(yōu)化方案船舶航行模擬

4.1 優(yōu)化方案及試驗(yàn)條件

由于設(shè)計(jì)方案下船閘口門區(qū)、連接段船舶航行安全得不到保障，需采用工程措施保障船舶通航安全，通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)方案的研究分析，得到了優(yōu)化方案。優(yōu)化方案平面布置見圖3。

圖3 優(yōu)化方案工程布置圖Fig.3 Engineering layout of optimization scheme

為消除上游右岸突嘴挑流對(duì)上游引航道口門區(qū)通航水流條件造成不利影響，將右岸山體突嘴部分進(jìn)行切除，為順應(yīng)切除后的右岸河勢(shì)及水流，將口門區(qū)航道向右岸進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整；口門區(qū)由直線段改為半徑為2 835 m的圓弧段，口門區(qū)長(zhǎng)度仍為400 m、寬度仍為70 m。

為改善船閘下游引航道口門區(qū)的通航水流條件，在堤頭下游口門區(qū)航道的左側(cè)布置4個(gè)楔形導(dǎo)流墩，斜角45°，每個(gè)導(dǎo)流墩長(zhǎng)22 m、厚3 m、頂高程為63.0 m，第1個(gè)導(dǎo)流墩與堤頭的間距為15 m，導(dǎo)流墩之間的間距為22 m。下游引航道口門區(qū)及連接段布置與設(shè)計(jì)方案相同。

根據(jù)樞紐運(yùn)行方式以及不同流量時(shí)上、下游口門區(qū)及連接段水流條件試驗(yàn)結(jié)果分析，上、下游共進(jìn)行了2個(gè)特征流量級(jí)，即Q=1 340 m3/s以及Q=13 500 m3/s。

4.2 上游口門區(qū)及連接段船舶航行試驗(yàn)結(jié)果

1）電站發(fā)電、泄水閘關(guān)閉：Q=1 340 m3/s時(shí)，在設(shè)計(jì)方案下，由于只有左岸機(jī)組過(guò)流，處于右岸的上游口門區(qū)及連接段水流條件很好，修改方案口門區(qū)及連接段航道更靠近岸邊，上游口門區(qū)及連接段水流條件更好，船舶只需用小于10°的舵角克服航線彎曲的影響，就可以順利上下行進(jìn)出口門區(qū)。

2）電站關(guān)閉、泄水閘敞泄：當(dāng)流量為最大通航流量Q=13 500 m3/s時(shí)，上游引航道口門區(qū)、連接段航道內(nèi)通航水流條件明顯改善，大部分區(qū)域均滿足橫流小于0.3 m/s，縱向流速小于2.0 m/s。船舶用舵角下行時(shí)，船舶的最大舵角9.5°，最大漂角-12.0°，船舶操縱比較困難。上游口門區(qū)連接段船舶航行統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 優(yōu)化方案上游口門區(qū)連接段船舶航行統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 3 Navigation statistical parameters of upstream entrance area and connecting section of the optimization scheme

4.3 下游口門區(qū)及連接段船舶航行試驗(yàn)結(jié)果

1）電站發(fā)電、泄水閘關(guān)閉：Q=1 340 m3/s時(shí)修改方案下，船舶航行條件得到了改善，船舶上行時(shí)，船舶的最大舵角-11°，最大漂角8°，船舶操縱比較容易。

2）電站關(guān)閉、泄水閘敞泄：Q=13 500 m3/s時(shí)修改方案下，船舶航行最大舵角-13.5°，最大漂角6.1°，船舶航態(tài)均較好，能夠順利上行進(jìn)入口門區(qū)，滿足航行安全要求。下游口門區(qū)連接段船舶航行統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表4。

表4 優(yōu)化方案下游口門區(qū)連接段船舶航行統(tǒng)計(jì)參數(shù)Table 4 Navigation statistical parameters of downstream entrance area and connecting section of the optimization scheme

4.4 優(yōu)化方案改善效果分析

通過(guò)土谷塘航電樞紐平面布置修改方案船閘上、下游引航道口門區(qū)及連接段船舶航行試驗(yàn)結(jié)果分析可以看出：

1）對(duì)上游右岸部分山體切除調(diào)整岸線，減小了水流與航線的夾角，同時(shí)拓寬了河道，減小了河道的流速，改善了口門區(qū)及連接段洪水流量下橫向流速較大的問題，使流量Q=135 00 m3/s時(shí)，基本滿足航行要求。

2）修改方案下游引航道導(dǎo)流堤堤頭下設(shè)置導(dǎo)流墩，在各通航流量下，船舶均能順利進(jìn)出連接段及口門區(qū)。

3）研究表明，通過(guò)工程措施可以有效地改善右岸船閘方案口門區(qū)及連接段的通航條件，船舶的通航安全得到了保障。

5 船舶操縱模擬器研究結(jié)果與遙控自航船模試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

5.1 同一流量級(jí)下模擬器與遙控自航船模航行參數(shù)比較

對(duì)設(shè)計(jì)方案1 340 m3/s流量下模擬器與遙控自航船模的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如表5所示，可以看出兩者差別主要在于船閘進(jìn)口門區(qū)連接段時(shí)模擬器的模擬結(jié)果對(duì)岸航速為0 m/s，而遙控自航船模最小對(duì)岸航速較大。這主要是因?yàn)槟M器結(jié)果中模擬了停船過(guò)程，停車制動(dòng)使船舶達(dá)到靠船墩時(shí)速度為0 m/s，遙控自航船模中沒有模擬這一點(diǎn)?？傮w看來(lái)，模擬器與遙控自航船模的結(jié)果比較吻合。

表5 1 340 m3/s流量設(shè)計(jì)方案口門區(qū)連接段航行統(tǒng)計(jì)參數(shù)比較表Table 5 Comparison table of navigation statistical parameters of the entrance area and connecting section under the design scheme of 1 340 m3/s flow

5.2 模擬器與遙控自航船模航行結(jié)果比較

1）設(shè)計(jì)方案下，對(duì)于上游口門區(qū)與連接段，遙控自航船模試驗(yàn)表明，河道內(nèi)流量增至8 700 m3/s時(shí)，代表船型不能安全進(jìn)出口門，模擬器研究表明，流量增至5 400 m3/s時(shí)代表船型不能安全進(jìn)出口門；對(duì)于下游口門區(qū)及連接段，遙控自航船模試驗(yàn)表明，在滿發(fā)電而不泄流的1 340 m3/s流量下，船舶進(jìn)出口門比較困難，其他流量下基本能夠滿足安全航行要求。模擬器研究表明，在1 340 m3/s流量和13 500 m3/s流量下，船舶進(jìn)出口門比較困難，其他流量下基本能夠滿足安全航行要求。

2）修改方案下，在試驗(yàn)的各級(jí)流量下均可順利進(jìn)出口門區(qū)和連接段。

3）模擬器與遙控自航船模的結(jié)果略有不同，但基本一致。

6 結(jié)語(yǔ)

1）設(shè)計(jì)方案存在的主要問題是口門區(qū)及連接段航道橫流過(guò)大，代表船型很難安全從外航道進(jìn)入連接段及口門區(qū)。優(yōu)化方案采用切除、調(diào)整航線及布設(shè)導(dǎo)流墩的工程措施方案，在各通航流量下，船舶均能夠安全進(jìn)出連接段及口門區(qū)。

2）對(duì)上游急彎河段：船舶會(huì)遇宜選擇左舷會(huì)遇，下行靠近河心，上行時(shí)靠近凸岸一側(cè)，代表船型基本可以安全通過(guò)急彎河段。

3）在急彎河段通過(guò)調(diào)整船舶航行方式亦可以提高船舶的通航安全，系提高船舶通航安全的非工程措施。事實(shí)上，船舶通航安全是一個(gè)綜合性的系統(tǒng)問題，駕引人員的素質(zhì)、船舶的老舊狀態(tài)等都是影響船舶通航安全的因素，只有多管齊下，船舶通航安全才能得到最大限度的保障。

4）將船舶操縱模擬器與遙控自航船模的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者略有不同但基本一致；船舶操縱模擬器中代表船型的操縱特性滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范的要求。將船舶操縱模擬器應(yīng)用于急彎河段樞紐船舶通航安全研究是科學(xué)的，其結(jié)論是可信的。