庫區(qū)急彎航段船舶通航模擬試驗*

陳明慧，閆 濤，李曉松

(1.湖南省水運(yùn)建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410011；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

天然情況下，急彎河道由于邊界條件的突變，在水流向下運(yùn)動過程中，其流速分布發(fā)生重新調(diào)整，特別當(dāng)河道狹窄、流量較大時，急彎河道內(nèi)常常出現(xiàn)掃彎水、橫斷面環(huán)流與二次流等多種水流結(jié)構(gòu)[1-2]，形成急險灘段威脅通航安全，急彎段通航一直是航道和海事部門關(guān)注的重點[3]。處于庫區(qū)的急彎段河道，隨著壩前蓄水位的升高，庫區(qū)彎道水動力減弱，水深、流速和流態(tài)與蓄水前相比出現(xiàn)較大變化，如在三峽大壩蓄水至175 m后，大壩上游至重慶港660 km的庫區(qū)航道，隨著平均河寬增大、水深增加以及流速趨緩，原本急險礙航灘段轉(zhuǎn)化為優(yōu)良河段，通航條件大幅改善[4]。而當(dāng)水庫處于消落期或汛期低水位運(yùn)行時，庫區(qū)河段水動力增強(qiáng)，急彎段多種復(fù)雜水流結(jié)構(gòu)又隨之出現(xiàn)，水流運(yùn)動特性向天然急彎段趨勢發(fā)展，不利于通航安全[5-7]。因此水庫低水位運(yùn)行時的水流條件成為庫區(qū)急彎段航道的通航控制條件。

與天然急彎段航道整治相比，庫區(qū)急彎段航道整治具有其特殊性。當(dāng)水庫低水位運(yùn)行時，位于常年庫區(qū)的急彎段仍處于壅水狀態(tài)，若采取常規(guī)的急彎段整治工程，如凹岸側(cè)丁壩、填槽、凸岸開挖等強(qiáng)約束工程措施，不僅工程量較大，整治效果難以保證，而且易對庫區(qū)泥沙淤積和泄洪造成不利影響[8-9]?？紤]到庫區(qū)急彎段受壩前水位調(diào)控影響，其不利通航水流條件的持續(xù)時間處于可控范圍。本研究選擇湘江中游位于常年庫區(qū)的碼頭嶺急彎段作為典型河段，采用數(shù)學(xué)模型結(jié)合船舶操縱模擬器的手段，針對這類僅在汛期低水位運(yùn)行時礙航的庫區(qū)急彎段，探討滿足船舶安全航行要求的非工程措施。

1 庫區(qū)急彎段概況

湘江干流兩岸多為蜿蜒起伏的丘陵，梯級樞紐的建立極大地改善了干流通航條件。浯溪樞紐位于湘江干流中游，是湘水干流梯級開發(fā)的第三級，上下分別與瀟湘、湘祁樞紐實現(xiàn)通航水位銜接，其通航建筑物可過千噸級船舶。碼頭嶺急彎段位于浯溪樞紐上游約2 km，屬于常年回水區(qū)。從平面上看，碼頭嶺急彎段呈反“S”形，河面寬度較上下游小，最窄處河寬不足250 m，河心自然彎曲半徑約200 m。碼頭嶺急彎彎頂下游存在一處建庫前形成的沖刷深潭，范圍約300 m×400 m，最低點高程與周邊河床相比低20 m左右(圖1)。

圖1 庫區(qū)碼頭嶺急彎段平面形態(tài)及凹岸深槽斷面

碼頭嶺急彎段受水庫壅水影響，總體上水流條件較好，但隨著入庫流量的增大和壩前水位的降低，彎道段的水流條件呈現(xiàn)天然特性，導(dǎo)致通航條件逐漸惡化。較小的彎曲半徑和狹窄的航槽，導(dǎo)致下彎道段凸岸及河心區(qū)域出現(xiàn)明顯的掃彎水，凹岸則出現(xiàn)較大面積的回流區(qū)，極易造成船舶偏轉(zhuǎn)和偏移，而出現(xiàn)落彎、掉鉤或打搶等事故。

2 通航模擬試驗

2.1 數(shù)學(xué)模型試驗

建立庫區(qū)急彎段平面二維水流數(shù)學(xué)模型，計算樞紐不同運(yùn)行方式下碼頭嶺急彎段的水動力條件，根據(jù)通航水流條件判斷通航不利工況。

數(shù)學(xué)模型的模擬范圍定為樞紐上游約8 km河段，計算域進(jìn)、出口位于順直河段。模型采用曲線正交網(wǎng)格計算水流運(yùn)動，網(wǎng)格尺度20 m×8 m，工程區(qū)局部河段加密至5 m×2 m。模型進(jìn)口邊界由入庫流量控制；出口邊界由壩前水位控制；岸邊界采用非劃移邊界，其邊壁流速給定為零。模型采用實測資料反求的方法確定床面綜合阻力系數(shù)，取值為0.030～0.036，模型采用Smagorinsky公式計算紊動黏性系數(shù)，取值為1。

結(jié)合與2017年地形同期實測的1 150、6 300 m3/s兩級流量下水面線和斷面流速分布，對模型進(jìn)行率定。結(jié)果表明，模型計算水位與實測水位誤差在±0.1 m內(nèi)，模型計算流速與實測流速分布規(guī)律基本一致，數(shù)學(xué)模型的驗證精度可以滿足研究的計算要求。

樞紐不同運(yùn)行方式下的水動力計算結(jié)果表明，按照目前馬頭嶺急彎段航線布置，各級流量下航道水深、航道內(nèi)局部比降和縱向流速均可滿足通航要求，但橫向流速方面，當(dāng)來流量在2 000～4 000 m3/s時，樞紐為控泄?fàn)顟B(tài)，航道橫向流速在0.20～0.53 m/s；當(dāng)來流量Q≥7 550 m3/s時，樞紐為低水位運(yùn)行工況，庫區(qū)水流流動加劇，急彎段航道橫向流速為1.21～1.51 m/s(圖2)。馬頭嶺急彎段影響通航的主要因素是樞紐低水位運(yùn)行時急彎航段橫向流速過大。從平面流速分布看，樞紐低水位運(yùn)行工況下，碼頭嶺彎頂附近存在一個范圍較大的緩流區(qū)，其位置與沖刷深潭的位置基本一致(圖3)。

圖2 低水位運(yùn)行工況下碼頭嶺急彎段航道橫向流速分布

圖3 7 550 m3/s流量下急彎段流場分布

2.2 船舶模擬試驗

基于船舶操縱模擬器，建立碼頭嶺急彎河段研究范圍內(nèi)的水深和模擬實景圖，選取湘江干流1 000噸級船舶作為代表船型，其主尺度為85.0 m×10.8 m×2.0 m(長×寬×滿載吃水)，通過優(yōu)化相關(guān)參數(shù)進(jìn)行船舶模型旋回、保向、停船率定，使模擬船操縱特性與參考原型船操縱特性具有相似性。

將數(shù)學(xué)模型計算得到的水動力結(jié)果作為邊界條件，進(jìn)行樞紐低水位運(yùn)行工況下設(shè)計方案(設(shè)計航線、閘前錨地)船舶航行操縱模擬試驗。模擬試驗選取的洪水期入庫流量分別為7 550、9 980和11 730 m3/s，代表了2 a一遇、5 a一遇和10 a一遇入庫流量。從結(jié)果可以看出，采用設(shè)計航線與規(guī)劃的閘前錨地，下行進(jìn)閘船舶的通航風(fēng)險主要體現(xiàn)在2個方面。

對設(shè)計航線而言，當(dāng)入庫流量為7 550 m3/s時，下行通過碼頭嶺急彎段的船舶在彎道水域航行時最大橫移速度可達(dá)0.85 m/s；當(dāng)入庫流量為11 730 m3/s時，在彎道水域航行時最大橫移速度可達(dá)1.41 m/s，所壓舵角最大為35°且持續(xù)時間較長。按照設(shè)計航線航行時存在較大的通航風(fēng)險。7 550 m3/s和11 730 m3/s流量下船舶通過急彎段的航行軌跡見圖4。

圖4 不同流量下急彎段下行船舶航行軌跡

設(shè)計的閘前錨地位于右岸，上距碼頭嶺急彎段彎頂約1.2 km，下距樞紐泄水閘約1.4 km。當(dāng)入庫流量為7 550 m3/s時，下行船舶在進(jìn)入規(guī)劃錨地的過程中需占用較大的水域掉頭，影響范圍約為250 m，且航跡帶距離泄水閘較近，掉頭迎流拋錨存在較大風(fēng)險(圖5)；而從錨地起錨進(jìn)閘過程中，船舶掉頭占用的水域較小，起錨進(jìn)閘的風(fēng)險相對較低，航行姿態(tài)優(yōu)于進(jìn)入錨地拋錨的情況。

3 航行方案優(yōu)化

3.1 過彎航線優(yōu)化

在中、洪水時，設(shè)計航線無法滿足船舶在急彎河段的安全航行要求，所以對過彎航線及航行方案進(jìn)行優(yōu)化。按照航線與水流平順的原則，結(jié)合數(shù)模流場計算結(jié)果，充分利用彎頂處較大范圍的緩流區(qū)，在保證航道水深滿足要求的前提下，考慮船舶入彎后先沿右岸駛?cè)刖徚鲄^(qū)，在此水域降速轉(zhuǎn)向后出彎，進(jìn)而駛?cè)氪l。圖6為急彎段航行優(yōu)化線路及7 550 m3/s流量下操縱模擬試驗獲得的船舶航行軌跡。

圖6 急彎段航行優(yōu)化線路及7 550 m3/s流量航跡

根據(jù)上述思路，進(jìn)行樞紐低水位運(yùn)行工況下三級洪水流量的船舶航行模擬試驗，同時統(tǒng)計急彎段航道沿程的舵角、漂角、漂移量及橫移速度等船舶航行參數(shù)，并與設(shè)計方案進(jìn)行對比(圖7、表1)。可以看出，三級洪水流量下，采用優(yōu)化后的航行方案，船舶在整個過彎過程中所操舵角最大為35°，與優(yōu)化前保持一致，但持續(xù)里程均為約2倍船長，遠(yuǎn)小于優(yōu)化前的600～1 000 m。過彎時最大橫移速度在7 550 m3/s流量下為0.39 m/s，在11 730 m3/s流量下增大至0.73 m/s，而優(yōu)化前最大橫移速度在7 550 m3/s時即達(dá)0.85 m/s。相應(yīng)地，優(yōu)化前后漂移量也有較大差異，前者在7 550 m3/s時達(dá)110 m，優(yōu)化后減小至46.0 m。可見，與優(yōu)化前相比，優(yōu)化后的航行方案在橫移速度和漂移量方面明顯改善。

圖7 優(yōu)化航行方案船舶過彎參數(shù)沿程變化

表1 船舶航行方案優(yōu)化前后參數(shù)對比

3.2 錨地布置優(yōu)化

船舶駛?cè)脲^地過程中須先航行至錨地下游彎頂水域進(jìn)行掉頭，然后航行至錨地靠船墩靠泊。當(dāng)前錨地存在的主要風(fēng)險為拋錨船舶轉(zhuǎn)彎半徑過大，且轉(zhuǎn)彎水域與樞紐泄水閘距離過于接近。優(yōu)化錨地布置同樣基于充分利用彎道水域緩流區(qū)的思路，優(yōu)化方案將待閘錨地上移至彎頂附近，與樞紐泄水閘距離由1.4 km增大為約3 km，同時建議在待閘錨地設(shè)置靠船墩。

圖8為1 000 t貨船在7 550 m3/s流量下駛?cè)牒婉偝鲥^地的航跡圖。船舶行至彎頂水域時，航速控制在4 kn以下，產(chǎn)生的橫移速度最大為0.4 m/s；到達(dá)彎頂水域時，利用車、舵并借助水流進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向占用的橫向距離約80 m；轉(zhuǎn)向完成后頂流進(jìn)入錨地進(jìn)行靠泊，靠泊過程中產(chǎn)生的橫移速度最大為0.3 m/s，靠泊風(fēng)險較低。

船舶從錨地靠船墩駛出過程中，待船舶離開靠船墩一段距離后進(jìn)行掉頭，掉頭完成后迅速駛?cè)牒降?，按照設(shè)計航線航行。圖8為起錨進(jìn)閘的航行軌跡，從圖中可以得出，在車、舵的協(xié)助下并借助水流的作用，船舶掉頭占用的水域較小，船舶從錨地起錨進(jìn)閘的航行風(fēng)險較低。

圖8 錨地優(yōu)化后7 550 m3/s流量下拋錨和起錨船舶軌跡

通過對比錨地優(yōu)化前后的航行參數(shù)發(fā)現(xiàn)(表2)，7 550 m3/s流量下進(jìn)入錨地過程中航行參數(shù)差異最大。將錨地位置優(yōu)化至彎頂緩流區(qū)后，船舶掉頭占用的水域范圍由250 m減小至80 m，僅為原方案的1/3，最大橫移速度由1.00 m/s降低至0.30 m/s。11 730 m3/s流量下進(jìn)入錨地過程中，錨地位置優(yōu)化至彎頂緩流區(qū)后，船舶掉頭占用的水域范圍由370 m減小至120 m，最大橫移速度由1.70 m/s降低至0.53 m/s。當(dāng)船舶駛出錨地時，2種方案的掉頭范圍和最大橫移速度相差不大。

表2 錨地優(yōu)化前后航行參數(shù)對比

4 結(jié)論

1)庫區(qū)急彎段航道的整治受壅水影響，采取常規(guī)的丁壩、填槽、開挖等強(qiáng)約束工程措施，不僅工程量較大、整治效果難以保證，而且對庫區(qū)泥沙淤積和泄洪易造成不利影響，因此研究采取非工程措施改善庫區(qū)急彎段通航具有現(xiàn)實意義。

2)碼頭嶺急彎段樞紐洪水期低水位運(yùn)行工況下，隨著庫區(qū)水動力增強(qiáng)，原有設(shè)計航線的橫向流速達(dá)1.21～1.51 m/s，使船舶產(chǎn)生的漂距和橫移速度均較大，航行風(fēng)險突出。利用凹岸緩流區(qū)對航行方式進(jìn)行優(yōu)化，可降低船舶的橫移速度和漂移量，通航條件得到改善。

3)設(shè)計的閘前錨地位于右岸，下距樞紐泄水閘約1.4 km，在樞紐洪水期低水位運(yùn)行工況下，下行船舶拋錨需占用較大的水域掉頭，且航跡帶距離泄水閘較近，存在較大的通航風(fēng)險。通過將待閘錨地上移至在彎頂附近的緩流區(qū)，不僅使船舶掉頭所占的水域面積大幅減小，且其軌跡遠(yuǎn)離泄水閘，降低了通航風(fēng)險。