弯曲河段船闸口门区通航水流条件探讨
2017-06-19叶玉康刘晓平苏天宇罗鹏飞
叶玉康，刘晓平，张 宇，苏天宇，罗鹏飞
(长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410076)
弯曲河段船闸口门区通航水流条件探讨
叶玉康，刘晓平，张 宇，苏天宇，罗鹏飞
(长沙理工大学 水利工程学院，长沙 410076)
船闸口门区通航水流条件中的横向流速指标是衡量船舶能否安全进出引航道口门区的主要标准之一。通过对位于弯曲河段的水利水电枢纽工程资料的收集分析，发现存在口门区局部区域流速测点横向流速超过规范限值，但船模航行参数符合要求的现象。针对这一问题，以大源渡航电枢纽二线船闸口门区通航水流条件模型试验和船模航行试验为基础，研究弯曲河段口门区船舶航行的特点，分析2种试验结果的差异，提出了在衡量弯曲河段船闸口门区通航水流条件时应考虑船舶航行存在艏向角的因素，以及船舶的有效横向流速应与规范中的限值进行比较的建议。
弯曲河段；船闸；口门区；通航水流条件；航行参数
1 研究背景
船闸宜布置在顺直稳定、河面宽阔的河段上。为保证船舶安全进出引航道，《内河通航标准》[1]与《船闸总体设计规范》[2]均对船闸引航道口门区通航水流条件作出了具体规定，见表1。
表1 口门区水流表面最大流速限值
然而对于丘陵地区或山区河流，受河势、地形等因素制约，枢纽有时只好布置在微弯或弯曲河道上，其船闸引航道口门区或连接段往往位于弯曲河段上，如：大源渡航电枢纽、那吉航电枢纽、草街航电枢纽、金溪航电枢纽、飞来峡水利枢纽等。从众多的通航水流条件和船模航行条件试验成果发现：某些枢纽口门区在航道宽度外侧边缘测点的纵、横向流速超过了规范限值，而其船舶模型航行条件参数又满足相关规定[3-6]，并且枢纽建成后，经运营实践也证明船舶可安全通航。笔者在大源渡航电枢纽二线船闸口门区通航水流条件模型试验中也发现上述现象。为何在同一试验条件下，2种试验方法得到的结果存在差异，因此本文对弯曲河段枢纽水工模型试验中船闸口门区横向流速的分析方法进行探讨。
2 大源渡航电枢纽二线船闸口门区通航水流条件模型试验
2.1 大源渡航电枢纽概况
大源渡航电枢纽所在河段属于弯曲河道，坝址位于弯道河段的弯顶处，上游口门区与连接段位于弯道凸岸，弯曲半径约为1 000 m，河道与船闸轴线的夹角约为30°。枢纽下游有支流洣水入汇，水流掺混区形成江心洲，枯水期水流分为左右两汊。下游引航道出口处于向左汊深槽过渡的“S”形弯道，两弯道的直线过渡段较短[7]。总体平面布置见图1。
图1 大源渡航电枢纽总体平面布置
2.2 上游引航道布置及模型试验
经大源渡二线船闸口门区通航水流条件模型试验，上游引航道布置方案为：设置225 m导航调顺段，520 m直线段，280 m停泊段，375 m制动段；为防止船舶误入库区，设置300 m安全防护段(每隔25 m设1座防护墩，墩与墩之间由防护网连接)，具体平面布置见图2。
图2 上游引航道及模型试验段示意图Fig.2 Schematic diagram of upstream approach channeland model test section
根据《船闸总体设计规范》要求，选取隔水墙末端后长200 m、宽125 m作为上游口门区范围，连接段长约650 m。试验观测1#—8#断面(间距50 m)上的流速分布，每个断面从岸边向河床依次布置5个测点(测点1—测点5)。船模航行试验观测上游口门区、连接段。船模航行参数参考三峡船闸引航道口门区的通航条件时的试验标准，船模航行过程中的舵角及漂角值所作的相应条件：口门区舵角<20°，漂角<10°，连接段舵角<25°。
2.3 模型试验结果
本文选取枢纽最大通航流量(Q=11 500 m3/s)的试验结果，分析比较上游口门区通航水流条件试验数据和船舶模型在相应航段的航行试验数据。
2.3.1 口门区通航水流条件试验
2.3.1.1 试验结果
水流条件试验结果表明：在该流量下，口门区局部区域(1#—3#断面上靠引航道中心线外侧区域)水流夹角较大，多个点位的横向流速不满足规范限值(0.3 m/s)要求(具体超标点位流速值见表2，整体流场如图3所示)。
2.3.1.2 试验结果分析
大源渡上游口门区及连接段位于弯道上，水流过弯道顶后，受离心惯性力作用，有脱离岸边向凹岸流动趋势。同时，口门区是引航道静水与河流动水的交界水域，受上游隔水墙边界的影响，此处河道断面变窄，存在较大的流速梯度，水流弯曲形成斜向水流。1#—3#断面的测点3，4，5靠近实体隔水墙，隔水墙头分流点附近，水流呈跌流式涡流，该区域的水流夹角较大，导致横向流速偏大。
表2 上游口门区超标准点位流速测量值
注：α为水流与设定航线间的夹角。
图3 上游引航道口门区流速分布Fig.3 Velocity distribution in the upstreamapproach entrance area
2.3.2 口门区船模航行条件试验
在同样的试验条件下，又进行了船舶模型航行条件试验，船舶上行靠近河侧航线，下行靠近岸侧航线。试验观测数据表明，船模航行参数均在相应限值以内，可安全进出引航道口门区，试验结果如表3所示。
表3 上游口门区船舶航行参数观测值
注：以上船模航行参数表均为：①舵角、漂角均取区段最大值，其中左舵为“-”，右舵为“+”；②漂角左漂为“-”，右漂为“+”
对比大源渡上游口门区通航水流条件试验与船模试验的结果可知：在通航水流条件局部不满足规范限值的情况下，船舶模型试验却可以满足通航要求。水流条件试验结果与船舶模型试验结果不一致，不能确定船舶航行的安全性。
3 弯曲河段口门区横向流速及对船舶的有效作用
3.1 弯曲河段船舶航行特点分析
图4 船舶回转运动Fig.4 Schematic diagramof ship rotary motion
在静水中，若用0舵角以一定速度航行，船舶便保持直航状态，即具有一定的航向稳定性；操舵后，船艏朝操舵一侧偏转，此时船舶中心线与设定航线切线间便存在一定的夹角，即艏向角。当进入定常回转阶段时，船舶便以固定回转半径做匀速圆周运动[8]。对于弯曲半径为R的静水弯道河段，船舶沿曲线航线航行相当于回转运动中的某一弧段时的状态，船艏偏向弯道凸岸(回转圆心位于弯道凸岸侧)，以某一个固定艏向角即可绕弯航行。
因此，船舶于弯曲河段航行时，为使船位保持在弧形航线上，船舶需主动保持一定的艏向角绕弯航行。见图4。
3.2 横向流速分析及艏向角的确定
斜向水流是影响口门区通航水流条件的主要因素[9]，其中横向流速是衡量船舶能否安全进出引航道口门的主要标准之一。依据现行规范，通常将斜向水流分解为平行于航线的纵向流速与垂直于航线的横向流速，即横向流速为
(1)
式中：Vx表示横向流速；V为斜向水流流速。
当船舶沿直线航线作无艏向角航行时，船舶轴线与航线一致，这样处理没有问题。然而，对于弯曲河道，船舶航行存在艏向角的特点，斜流对船舶的作用力会发生变化。如图5所示，船舶沿凸岸口门区上行，船艏偏向凸岸，此时水流与船身的夹角为(α-θ)，斜流对船舶的作用力削减。同样，船舶沿凸岸下行，船艏偏向凸岸，此时水流与船身的夹角为(α+θ)，斜流对船舶的作用力增强。由此可见，船舶以一定艏向角航行时，若只是将斜向水流直接分解为垂直、平行于航线的流速分量，而不考虑水流与船舶轴线的夹角，就无法真实体现水流对船舶的作用。实际引起船舶偏航的横流应是垂直于船舶轴线的横向流速。这即是水流条件试验与船模航行试验结果不一致的原因。因此，笔者建议在弯曲河道水工模型试验中，应以垂直于船舶轴线的横向流速与规范中的横向流速限值作比较。
图5 船舶航行所受流速分解Fig.5 Velocity decomposition for ship navigation
本文定义垂直于船舶轴线的横向流速为有效横向流速，即
(2)
式中V′x为有效横向流速，“±”选取与船闸所在弯道凹凸岸、上下游及船舶航向有关，艏向角θ的取值与弯道半径与船长的比值R/L和横向水流等因素相关。弯曲河段口门区船舶航行时的艏向角为完成弯曲回转的基本角度θ0和为抵御较大横向水流作用而增加的角度θ1的叠加，即
(3)
根据郑涛[10]的研究，一般情况下，船舶在弯道航行时，船舶纵轴线与航行轨迹的切线的夹角主要受R/L及对岸航速和静水航速VH/Vs比值影响，回归方程如下：
(4)
在静水弯道航行，没有水流因素影响，VH/Vs比值趋于1，可由上式计算口门区完成弯曲回转的基本角θ0。
船模试验发现，当口门区横向流速<0.3m/s，保持θ0即可完成绕弯曲航线航行。当口门区横向流速超过上述值时，需加大艏向角，加大的角度θ1根据试验数据统计，在5°～10°之间。
3.3 有效横向流速的确定
根据上节的分析，下文应用有效横向流速的概念，对大源渡上游口门区航线范围内的点位流速测量值分别按船舶上行和下行情况进行修正，修正结果见表4、表5。
对比表4、表5的修正结果可知，在弯道河段口门区内，作用于船舶的有效横流V′x并不等于垂直于设定航线横向流速Vx。大源渡上游口门区船舶上行时，船身与水流间的夹角为(α-θ)，作用于右舷的横向流速减小，所受V′x
表4 上游口门区上行航行区域点位横向流速测量值修正
表5 上游口门区下行航行区域点位横向流速测量值修正(测点2)
以修正后的有效横向流速与规范限值比较，水流条件试验结果满足通航水流条件要求，且与船模航行试验结果具有一致性。
4 结论与建议
本文分析了弯曲河段船闸口门区通航水流模型试验结果与船模航行试验结果存在差异的原因，对弯曲河段船闸口门区水工模型试验中的横向流速确定方法进行了探讨，并以大源渡口门区水工模型试验结果进行验证，得到以下几个结论：
(1) 应用水工模型试验通航水流条件结果判断弯曲河道引航道口门区船舶航行安全性，与船模航行试验结果存在差异。
(2) 处于弯曲河道上的引航道口门区，船舶航行存在艏向角。在进行水工模型试验水流条件判定时，应以实际垂直作用于船舶的有效横向流速值与规范比较，以衡量口门区通航水流条件。有效横向流速计算，参见公式(2)。
[1]GB50139—2014,内河通航标准[S].北京:中国计划出版社,2014.
[2]JTJ305—2001,船闸总体设计规范[S].海口:南海出版社,2001.
[3] 周华兴,郑宝友. 再论《船闸引航道口门区通航水流条件限值的探讨》[J].水运工程,2005,(8):49-53.
[4] 涂启明. 船闸总体设计中的通航水流条件[J]. 水运工程,1985,(5):16-21.
[5] 李 焱, 郑宝友,卢文蕾，等. 引航道与河流主航道的夹角对通航条件影响试验[J].水道港口,2009,30(1):42-48.
[6] 王 列, 陈永奎. 五强溪枢纽通航水流条件试验与实船通航调研[J].长江科学院院报,1998,15(3):30-34.
[7] 刘晓平. 大源渡二线船闸口门区通航水流条件模型试验[R].长沙：长沙理工大学,2015.
[8] 苏兴翘. 船舶操纵性[M]. 北京:国防工业出版社,1989:45-50.
[9] 陈永奎,王 列,杨 淳，等.三峡工程船闸上游引航道口门区斜流特性研究[J].长江科学院院报，1999,12(2):1-6.
[10]郑 涛.弯曲河段航道宽度确定机理研究[D].重庆:重庆交通大学,2009.
(编辑：赵卫兵)
DiscussionontheFlowConditionsattheEntranceAreaofShipLockinCurvedReach
YE Yu-kang, LIU Xiao-ping, ZHANG Yu, SU Tian-yu, LUO Peng-fei
(School of Hydraulic Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410076, China)
Transverse velocity, indicating the flow condition in the entrance area of ship lock, is a major index determining the safety of ships entering or exiting the entrance area. Through collecting and analyzing the data of hydraulic engineering and hydropower project in curved reach, the transverse velocity at some measurement points in
the entrance area are found to be exceeding standard limit while ship model navigation parameters could meet requirements. In view of this, we conducted model test of navigation flow condition and ship model test for the second ship lock of Dayuandu navigation and electricity junction. We analyzed the characteristics of ship navigation in the entrance area of the curved reach and investigated the differences between the two test results. We propose to take the heading angle of ship navigation into consideration in research of navigation flow conditions at the entrance area of ship lock in curved reach. We also recommend to compare the effective transverse velocity which is relative to the ship with standard values.
curved reach; ship lock; entrance area; navigation flow condition; navigation parameters
2016-03-21；
2016-05-11
叶玉康(1992-)，男，福建霞浦人，硕士研究生，主要从事港口、航道及近海工程研究,(电话)18569070210(电子信箱)yeyukang163@163.com。
10.11988/ckyyb.20160255
2017,34(6):72-75,87
TV143
A
1001-5485(2017)06-0072-04
