向家壩升船機(jī)下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件研究

高 策

(中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

向家壩一級(jí)升船機(jī)位于四川省宜賓市和云南省水富市交界的金沙江下游河段，主要由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等五部分組成，最大提升高度114.20 m，機(jī)型采用全平衡齒輪齒條爬升、長(zhǎng)螺母柱短螺桿保安式。按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)[1]，設(shè)計(jì)代表船型為2×500 t級(jí)一頂二駁船隊(duì)(111.0 m×10.8 m×1.6 m(長(zhǎng)×寬×吃水深，下同))，同時(shí)兼顧1 000 t級(jí)單船(85.0 m×10.8 m×2.0 m)[2]，根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[3]和《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]，下游引航道口門(mén)區(qū)長(zhǎng)度約為220 m，寬度約60 m。由于向家壩電站所處山區(qū)河道受自身天然地形條件限制，升船機(jī)下游引航道布置離泄洪設(shè)施較近，電站泄洪水流斜沖下游引航道口門(mén)區(qū)及連接段，口門(mén)區(qū)橫向流速、回流流速、波高較大，船舶航行受電站泄洪流量影響明顯。升船機(jī)自試通航驗(yàn)收之際，其通航流量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定，尤以泄洪工況下，可通航流量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)定，一直廣受行業(yè)專(zhuān)家、主管部門(mén)、船方等關(guān)注，爭(zhēng)議較大。為摸清下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件規(guī)律，開(kāi)展了原型觀測(cè)試驗(yàn)。向家壩水電站樞紐布置平面示意圖見(jiàn)圖1。

1 試驗(yàn)工況、內(nèi)容及觀測(cè)方法

1.1 試驗(yàn)工況

結(jié)合電站投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)(2012年—2017年度)機(jī)組出力及電站泄洪情況，選取枯水期機(jī)組最小出力、豐水期機(jī)組滿(mǎn)發(fā)出力(不泄洪、泄洪)+機(jī)組不滿(mǎn)發(fā)出力(不泄洪、泄洪)等多種典型常遇工況進(jìn)行?？菟谠陀^測(cè)通航流量范圍為1 600 m3/s～4 600 m3/s，電站未泄洪，上游航道水位375.70 m～373.75 m，下游航道水位269.45 m～265.96 m。汛期原型觀測(cè)通航流量范圍為6 800 m3/s～9 500 m3/s，其中泄洪流量范圍為1 000 m3/s～3 100 m3/s，上游航道水位376.1 m～374.21 m，下游航道水位273.6 m～271.55 m。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1)升船機(jī)下游引航道口門(mén)區(qū)表面流速流向(橫向、縱向和回流)觀測(cè)。

2)下游引航道口門(mén)區(qū)水位波動(dòng)測(cè)量。

3)船舶航跡線、航速、航向角、漂角、微傾等測(cè)量。

1.3 觀測(cè)方法

1)口門(mén)區(qū)通航水流條件觀測(cè)。

枯水期原型觀測(cè)期間，由于電站不泄洪，采用船舶定位接觸測(cè)量方法定點(diǎn)觀測(cè)表面流速點(diǎn)處流速。汛期原型觀測(cè)期間，口門(mén)區(qū)觀測(cè)條件惡劣，之前采用的船舶定位接觸測(cè)量方法已不可行，通過(guò)多次試驗(yàn)和優(yōu)化，發(fā)明了隨水流跟隨性很好的浮子，利用GPS系統(tǒng)定位浮子的位置，計(jì)算其運(yùn)動(dòng)速度和方向，以獲得水流的流速，同時(shí)，設(shè)計(jì)了無(wú)人機(jī)全自動(dòng)浮子拋投系統(tǒng)，應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)流速測(cè)量。

2)引航道水位波動(dòng)觀測(cè)。

枯水期原型觀測(cè)期間，由于上下游水位波動(dòng)較小，通過(guò)在下閘首右岸296.0 m平臺(tái)各布置一支量程為35.0 m的雷達(dá)水位計(jì)，觀測(cè)引航道水面波動(dòng)。汛期原型觀測(cè)期間，下游引航道內(nèi)水位波動(dòng)較大，在下游引航道岸邊沿程布置5支水位計(jì)，觀測(cè)下游引航道口門(mén)區(qū)水面波動(dòng)。引航道后門(mén)區(qū)水位計(jì)布置平面示意圖如圖2所示。

3)船舶航行特性觀測(cè)。

采用SDI-600GI慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS/INS組合導(dǎo)航設(shè)備，內(nèi)部有3個(gè)陀螺、3個(gè)加速度計(jì)和NovAtel OEMV3接收機(jī))，直接測(cè)量獲得船舶航速、橫傾、縱傾、方位角及位置經(jīng)緯度，并通過(guò)后處理獲得船舶航跡線及漂角。

2 試驗(yàn)成果

2.1 口門(mén)區(qū)水流條件

《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，引航道口門(mén)區(qū)水面最大流速限值，對(duì)Ⅰ級(jí)～Ⅳ級(jí)船閘，Vy≤2 m/s，Vx≤0.3 m/s，V回≤0.4 m/s?？菟谠陀^測(cè)期間，下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件整體較好，下游引航道口門(mén)區(qū)最大縱向流速均小于2 m/s，且有較大余量；最大橫向流速小于0.3 m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求，最大回流流速雖然大于0.4 m/s，但是超標(biāo)區(qū)域集中在口門(mén)區(qū)下游岸坡附近，橫向?qū)挾葍H15 m，且該區(qū)域已遠(yuǎn)離航線，故對(duì)船舶進(jìn)出引航道的航行安全性影響不大。汛期原型觀測(cè)期間，口門(mén)區(qū)最大縱向流速2.81 m/s，最大橫向流速0.9 m/s，最大回流流速0.64 m/s，下游引航道口門(mén)區(qū)通航水流條件指標(biāo)略有超標(biāo)。

2.2 引航道水位波動(dòng)

枯水期原型觀測(cè)期間，通航流量均為電站機(jī)組出流，引航道內(nèi)水位無(wú)明顯的漲落，波動(dòng)范圍在0.05 m～0.07 m，波動(dòng)主要由引航道內(nèi)水位整體的微幅振蕩、風(fēng)力作用和恒定狀態(tài)下的水流紊動(dòng)、船行波等因素造成，波動(dòng)整體較小。汛期原型觀測(cè)期間，下游引航道水位最大波高與泄洪流量基本呈線性關(guān)系，泄洪流量越大，最大波高也越大，泄洪流量小于2 500 m3/s時(shí)，引航道內(nèi)水位波動(dòng)小于0.5 m，引航道口門(mén)處水位波動(dòng)與中部基本一致，口門(mén)區(qū)中部水位波動(dòng)小于0.65 m，引航道末端波動(dòng)略大，但均低于0.85 m，最大波高0.84 m(見(jiàn)表1)。

表1 不同工況下引航道及口門(mén)區(qū)最大波高

2.3 船舶航行特性

枯水期原型觀測(cè)期間，船舶下行航速大于上行航速，上行最大航速在3.0 m/s左右，下行最大航速在6.0 m/s左右；重載貨船通過(guò)口門(mén)區(qū)船舶縱傾和橫傾均較小，橫傾約0.3°～1.7°，縱傾約0.02°～0.4°；船舶下行漂角最大在30°內(nèi)，上行漂角偏大，這與船舶行駛路徑相關(guān)。汛期原型觀測(cè)期間，上行最大航速在5.0 m/s左右，下行最大航速在8.0 m/s左右，船舶下行航速大于上行航速；通過(guò)口門(mén)區(qū)時(shí)，橫傾約±3.5°，變幅約7°，縱傾變幅約2°，隨流量增大，船舶橫傾和縱傾有增大的趨勢(shì)；船舶下行漂角最大在15°內(nèi)，上行漂角偏大，這與船舶行駛路徑相關(guān)，上行過(guò)程船舶受水流影響運(yùn)行路徑較為曲折(見(jiàn)圖3)，導(dǎo)致漂角較大，而下行過(guò)程則較平順(見(jiàn)圖4)。

2.4 通航安全分析

原型觀測(cè)表明，在樞紐泄洪工況下，向家壩升船機(jī)下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件較為復(fù)雜，除斜向水流、回流較大外，還存在較大的水面波動(dòng)，影響通航安全，已成為口門(mén)區(qū)通航水流條件的關(guān)鍵制約因素，規(guī)范對(duì)口門(mén)區(qū)的橫向流速、縱向流速和回流流速進(jìn)行了限制，但對(duì)船舶橫搖并沒(méi)有相關(guān)限定。從相關(guān)資料可知，關(guān)系船舶航行安全的容許橫搖角與船舶自身的穩(wěn)性有關(guān)，每條船舶均有其穩(wěn)性計(jì)算書(shū)，一般隨船攜帶，統(tǒng)計(jì)參式船舶穩(wěn)性計(jì)算書(shū)中相關(guān)參數(shù)，其滿(mǎn)載或空載的橫搖角均略大于10°，實(shí)測(cè)船舶通過(guò)口門(mén)區(qū)的橫搖角約3°～4°，從船舶工作人員舒適度考慮，橫搖角控制在4°以下是能夠接受的。

過(guò)機(jī)船舶相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，目前通過(guò)升船機(jī)船舶共78艘，A級(jí)航區(qū)J1航段船舶19艘，B級(jí)航區(qū)J1航段船舶58艘，C級(jí)航區(qū)J1航段船舶1艘，未出現(xiàn)J2航段船舶。結(jié)合原型觀測(cè)數(shù)據(jù)，按照《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》[5]規(guī)定，下游引航道口門(mén)區(qū)波高滿(mǎn)足目前在航的大部分船舶的安全航行要求(見(jiàn)表2)。

表2 航區(qū)航段灘上流速及波高對(duì)照表

3 結(jié)語(yǔ)

1)非泄洪工況下，下游引航道口門(mén)區(qū)最大縱向流速均小于1.0 m/s，最大橫向流速均小于0.3 m/s，滿(mǎn)足規(guī)范要求，回流流速局部超過(guò)規(guī)范規(guī)定的0.4 m/s，但超標(biāo)區(qū)域集中在口門(mén)區(qū)下游岸坡附近，橫向?qū)挾燃s15 m，該區(qū)域已遠(yuǎn)離航線，對(duì)船舶進(jìn)出引航道的航行安全影響不大。泄洪工況下，口門(mén)區(qū)最大縱向流速2.81 m/s，最大橫向流速0.9 m/s，最大回流流速1.18 m/s，口門(mén)區(qū)通航水流條件指標(biāo)略有超標(biāo)，按照《內(nèi)河船舶法定檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)則》相關(guān)規(guī)定，下游引航道口門(mén)區(qū)水流條件滿(mǎn)足目前在航的大部分船舶的安全航行要求。

2)非泄洪工況下，下游引航道內(nèi)及口門(mén)區(qū)水面平穩(wěn)，波動(dòng)不足10 cm。泄洪工況下，下游引航道水位最大波高與泄洪流量基本呈線性關(guān)系，且在泄洪流量相同情況下，出庫(kù)流量越大，最大波高也越大；口門(mén)區(qū)末端水位變幅最大；相同泄洪流量下，引航道中部水位波動(dòng)相對(duì)較小，引航道封閉段處水位波動(dòng)較中部略大；口門(mén)處水位波動(dòng)波高小于口門(mén)區(qū)。

3)非泄洪工況下，上行最大航速均在3.0 m/s左右，下行最大航速在6.0 m/s左右；重載貨船通過(guò)口門(mén)區(qū)船舶縱傾和橫傾均較小，橫傾約0.3°～1.7°，縱傾約0.02°～0.4°，船舶下行漂角最大在20°內(nèi)；泄洪工況下，上行最大航速在5.0 m/s左右，下行最大航速在8.0 m/s左右；通過(guò)下游引航道口門(mén)區(qū)時(shí)，橫傾約±3.5°，變幅約7°，縱傾變幅約2°；船舶下行漂角最大在15°內(nèi)。船舶通過(guò)口門(mén)區(qū)的最大橫傾角差異很小，基本保持在3°～4°。查閱相關(guān)資料，從安全方面考慮，通常認(rèn)為船舶橫搖角應(yīng)在10°以下，從船上工作人員舒適度考慮，橫搖角宜控制在4°以下是能夠接受的。