澜沧江某渡槽内船行波分布规律研究及消能设施效果研究

赵文宾 管煜琼

摘 要：针对澜沧江某渡槽段可能出现船行波叠加、反射的问题，借助FLOW-3D三维数值模拟软件，模拟了渡槽建成后的船行波、流场分布情况，在此基础上，设计了防撞钢护木+消能格栅组合的消能设施。经数值模型检验，采用消能设施后，各工况下，最大船行波波高下降至0.28m，最大横流流速下降至0.20m/s，总体来看，消能效果十分明显，采用消能设施后渡槽段通航条件较好，可以保证渡槽内船舶正常通航。

关键词：渡槽段航道 船行波分布 数值模拟 消能格栅

1.前言

澜沧江是典型的山区河流，以“窄、急、险”而著称，河流大多流经深山峡谷，河谷狭窄，水流湍急，滩险众多，航道自然条件较差，船舶通行困难。为有效改善澜沧江航运条件，促进西南地区航运发展，我国交通部水运局及云南省政府拟实施澜沧江四级航道整治工程。其中，局部滩险航段通航能力较差，经设计方案比选，拟以渡槽形式进行整治。

本文以某渡槽航段为研究实例工程，分析不同工况下，渡槽内船行波分布规律，并针对地设计消能防波设施，研究消能效果。本文所有高程均为与糯扎渡电站坝前水位的相对高程。

2.消能设施设计

根据对渡槽内（不含消能设施）各工况数值模拟下船行波分布情况，针对的设置防撞钢护木+消能格栅组合的消能设施。渡槽处最高通航水位10.630m，最低通航水位8.330m，在渡槽两侧墙上高程8.33m～12.53m范围内设置防波、消能钢格栅，格栅间距为60×60cm，格栅沿垂直航道方向长度为16cm（略低于钢护木凸出墙面的高度），厚度10cm。

3.数模建立

3.1计算工况

根据对渡槽内（不含消能设施）各工况数值模拟下船行波、流场分布情况，考虑到篇幅有限，选择最不利组合工况进行示例计算，其余计算结果以列表形式展示（详见表1）。

3.2计算网格划分

工况2下计算网格划分以及消能设施概化模拟结果见图1。

4.数模计算

4.1船行波分布

两组工况下，水位等值线变化过程见图2，由于最高通航水位为10.63m，图中水位高程减去10.63m即为波高。分析可知：

（1）渡槽（不含消能措施）建成期工况下，单船行驶状态下，1拖6×500t拖带船队周边的船行波波高在0.02～0.08m的范围内，最大波高出现在船首前3.3m处；300吨级货船船行波波高在0.01～0.05m的范围内，最大波高出现在船首前2.1m处。1拖6×500t拖带船队与500t货船交汇过程中，波高范围在0.02～0.36m范围内，最大波高时刻出现在模型t=160s时刻。（2）渡槽（含消能措施）建成期工况下，单船行驶状态下，波高范围下降至0.01～0.07m，交汇过程中波高范围下降至0.02～0.28m。通航条件显著改善。（3）在增加消能格栅后，格栅结构有效抑制了船行波在槽壁处反射、叠加、传播，最大波高和平均波高均有所下降。其中其中最大波高由0.36m下降至0.28m，波浪规模明显下降，船舶通航条件较好。

4.2横流分布

两组工况下，横流等值线变化过程见图3。分析可知：

（1）工况1下，拖船及第一节货船之间存在部分水体交换，横流流速较大，分布在0.05～0.20m/s范围内，除此之外，其他区域横流流速趋近于0。通航条件良好，有利于船舶航行。

（2）工况2下，横流分布规律与工况1基本一致，横流大小略有下降，横流流速范围为0.04～0.18m/s。

4.3 船首偏角变化过程

各工况下，1拖6×500t拖带船队船首偏角变化过程见图4（1），300t货船船首偏角变化过程见图4（2）。图中，90～200s为船舶交汇过程。分析可知：工况1下，船首偏角在1.25°～1.70°范围内。增加消能设施后（工况2），1拖6×500t拖带船队船首偏角在1.20°～1.53°范围内；与未增加消能设施相比，船舶在渡槽段航行过程船首偏角有所下降，变化最大区域主要集中在交汇过程中。

4.4 数模分析小结

各工况下数模计算结果见表2，其中，工况Ⅰ不含消能设施，工况Ⅱ含消能设施。分析可知：

（1）最大船行波：在增加消能格栅后，格栅结构有效抑制了船行波在槽壁处反射、叠加、传播，最大波高和平均波高均有所下降。其中其中最大波高由0.36m下降至0.28m，波浪规模小于现状工况，船舶通航条件较好。

（2）横流分布：各工况下，拖船及第一节货船之间存在部分水体交换，横流流速较大，分布在0.05～0.22m/s范圍内，除此之外，其他区域横流流速趋近于0。通航条件良好，有利于船舶航行。

（3）船首偏角：在各工况下，各船型组合的船首偏角均较小（0.64～1.80°范围内），船舶航行条件较好。

（4）总体分析：在采用消能设施后，各船型组合通过时船行波较小，横流流速较小，水流缓慢，船首偏角趋近于0，通航条件可满足规范要求。

5.结论

本文建立了三维水流耦合模型，对澜沧江某渡槽采用消能设施前后的水流流场进行了模拟与分析，研究结果显示，渡槽段建成后各工况下最大波高为0.36m，横流流速为0.22m/s；采用消能设施后，各工况下最大波高下降至0.28m，最大横流流速下降至0.20m/s，总体来看，消能效果十分明显，采用消能设施后渡槽段通航条件较好。

参考文献：

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