基于船模的木京扩建船闸通航水流条件试验研究

刘中峰，刘 达，黄本胜，邱 静

(广东省水利水电科学研究院，广东省水动力学应用研究重点实验室，河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东 广州 510635)

随着产业转移和经济社会发展，东江水运量大幅增加，对梯级枢纽船闸通航能力提出更高的要求。作为东江干流第九个梯级，木京枢纽左岸设单级船闸一座，最大通航船舶吨位仅100 t，亟需进行扩建以提升通航能力。在此背景下，开展木京枢纽扩建船闸工程前期工作并初步确定推荐方案。

由于是在已建枢纽上进行船闸扩建，空间、地形条件等诸多制约因素导致船闸上下游引航道通航水流条件十分复杂。相关研究及实践经验表明，引航道水流条件的好坏直接关系到船舶进出船闸的安全，一般都须进行专题研究，而船模通航试验则是主要的研究手段之一[1-4]。因此，在木京枢纽扩建船闸水工模型推荐方案上开展船模试验，研究分析上、下游引航道的船舶通行条件，分析航行难点并确定最高限制通航流量，确保船闸进、出船闸航行安全。

1 工程概况

木京枢纽位于东江干流的河源城区(新丰江交汇口)上游9.2 km处，坝址以上流域面积9 830 km2,正常蓄水位为42.74 m，是一座集发电、航运、防洪和供水为一体的综合性低水头电站。枢纽建筑物由发电厂房、拦河闸坝(14 m×15孔)、船闸及两岸连接土坝组成。其中，船闸布置在枢纽左岸，闸首净宽8.0 m，闸室尺度为100 m×14 m×2.3 m(长×宽×门槛水深)，设计通航100吨级船队。

如图1所示，根据航道规划标准及现场条件，通过水工模型试验初步确定了木京枢纽扩建船闸推荐方案[5]：废除现有船闸，在其左侧新建双线船闸，设计代表船型为1 000 t机动货驳船，船型尺度为85.0 m×10.5 m×2.0 m(总长×型宽×吃水)，闸室有效尺度分别为220 m×23 m×4.5 m和220 m×16 m×4.5 m，两船闸轴线间距40.5 m。

图1 推荐方案总体平面布置

2 船模试验

2.1 模型设计

船模试验在枢纽整体水工模型上开展，水工模型按重力相似、水流连续性相似和阻力相似准则设计为几何正态模型，模型比尺选用1:80。船模按照本河段的实船船型(1 000 t机动货驳船)设计，比尺与水工模型比尺相同，也为1:80。船模经精心设计、制作和率定试验，操作性能符合操纵性能相似的要求，其主要参数见表1。

表1 实船与船模主要参数

2.2 试验方法

船舶在航行过程中，其航行状态的好坏取决于水流条件与船舶本身的动力特性及其操纵性能的优劣。在一定的水流条件下，船舶的航行状态一般由船舶的舵角、漂角、航速等航行参数来反映，因此船模试验也主要根据这些参数对通航条件进行分析。目前，国内对船模试验参数尚未制定明确的标准，分析中通常是采用早期研究确定的限值[6-7]，即最大舵角不大于25°，最小航速不小于0.40 m/s。当试验中船模航行参数劣于上列数值时，则认为通航是不安全的。船模试验中，针对任一试验组次，均进行3～5次试验，用其特征值进行成果分析，以减小试验随机误差。

2.3 试验方案及组次

本次船模试验的上、下引航道布置为水工模型试验确定的推荐方案。

根据实际水文情况和木京枢纽的运行方式，选定6个流量级进行船模试验(表2)。为了对不同流量的通航条件进行对比分析，船模试验采用固定静水航速，即上行船模航速为0.50 m/s(实船航速为4.50 m/s)、下行船模航速为0.39 m/s(实船航速为3.50 m/s)，这与实际船舶行驶存在一定的差别。

表2 船模试验水文组次

3 上引航道试验

3.1 方案布置

双线船闸共用上引航道，引航道宽度为90 m。

为减轻水闸泄水吸流影响，在引航道与水闸之间设置长122 m、宽2 m的隔墙(图2)。为降低隔墙末端绕流强度，上游墙段采用底部透空式，并将墙端设计为圆头。透空式隔墙长64 m，底部设有9个同等大小的透水孔，每个透水孔的长4.5 m、高3.44 m，每孔相隔的实体段长度2.5 m，透水孔的顶缘高程为38.75 m(图3)。

图2 上引航道布置方案

图3 隔流墙结构(单位： m)

3.2 试验结果分析

3.2.1通航水流条件

水工模型试验表明，上引航道口门区及连接段(上3～上7)纵向流速基本没有超过2.0 m/s的规范限值，水体偏流不大，横向流速基本在0.30 m/s以下，满足安全通航要求。但转弯段(上9～上11)横向流速仍较大，6个试验流量级下航道内最大横向流速依次为0.46、0.35、0.29、0.20、0.16和0.09 m/s，可见在较大的两级流量下横向流速有所超标，对行船安全不利。在最大流量级Q=4 880 m3/s时，上引航道的流速分布情况见图4。

图4 上引航道流速分布(Q=4 880 m3/s)

3.2.2船舶试验成果

上引航道船舶航行试验成果见表3。从表3可知，船舶出闸上行时,6级流量试验的最大舵角和最大漂角均随流量增加而加大、最小航速则随流量增加而减小。原因在于随着流量增加，弯道水流作用增强，导致上引航道转弯位置横向流速加大，上行船舶的操纵难度增加。从具体参数上看，各级流量上行试验的最小航速均高于最低航速安全限值(0.4 m/s)，但当流量大于3 900 m3/s(P=20%)时，最大舵角超过船模试验舵角安全限值(25°)，此时船舶通航安全已无法得到保障。

船舶下行进闸时，6级流量试验的最大舵角和最大漂角均随流量增加而加大，表明下行船舶的操纵难度随着流量增加而加大。当流量小于3 000 m3/s时，最大舵角不会超过安全限值(25°)，但流量达到3 900 m3/s(P=20%)时，其最大舵角为25.86°，船舶操纵难度极大，通航安全无法得到保障。

由表3可知，船闸下行进闸时各级流量的最大舵角、最大漂角均比出闸上行时大，表明船舶下行进闸难度大于出闸上行。分析其原因主要是因为船舶出闸上行是由狭窄水域驶向宽广水域，且为逆水航行，航速相对较低，舵效较好，操纵难度相对较小；而下行进闸情况正好相反，操纵难度相对较大。

表3 上引航道船模航行试验成果

3.2.3最高限制通航流量及通航难点

综合通航水流条件及船模试验成果，将上引航道的最高限制通航流量定为3 000 m3/s，在此流量及以下时，航行船舶可安全上、下行通过连接段和口门区进出引航道，满足通航要求。该流量下的船舶上、下行航迹线见图5，操纵舵角、漂角和航速过程见图6。

图5 上引航道船模航迹线(Q=3 000 m3/s)

图6 上引航道船模操纵舵角、漂角和航速过程线

船模试验表明：上引航道航行难点在于船闸口门区上游的弯道河段，弯道水流极易造成船舶偏转和漂移，船位和船向控制难度较大；同时弯道对船舶操纵人员视野的限制，还给驾驶预判和提前操作造成一定影响，特别是下行船舶，驶过弯道后马上要进入限制性航道，对船舶操纵技术要求较高。

4 下引航道试验研究

4.1 方案布置

由图7可以看出，由于天然弯道河势影响，水闸下泄水流及电站尾水对下引航道产生直冲影响，导致引航道水体向左岸方向偏转，船舶安全通过该弯道的难度极大。因此，为保护船舶安全通过引航道转弯段，从隔流堤末端开始，沿弯道方向修建一条长922 m、宽2 m的导墙，墙顶高程按最高通航水位0.5 m控制。同时，为保证导墙内引航道宽度(90.0 m)，将左岸岸线适当后退并将其设计为直立岸墙。

4.2 试验结果分析

4.2.1通航水流条件

图8以最大流量级Q=4 880 m3/s为例，给出下引航道的流速分布情况。从图8可知，导墙保

护范围内的引航道近于静水状态，流速普遍不大，可满足船舶安全进出闸的要求。出导墙保护区域后，航道即开始向河道中央靠拢，口门区的通航水流条件也基本满足船舶正常航行的要求；至下15和下16断面，受上游来流横向扩散影响，横向流速有所增加，6个试验流量级下该处航道内最大横向流速依次为0.55、0.46、0.30、0.27、0.25和0.13 m/s，较大两级流量下有所超标，对船舶通航安全具有一定的影响。再向下游，流速方向与航道线交角逐渐减小，横向流速值均在0.30 m/s以下。

图7 下引航道布置方案

图8 下引航道流速分布(Q=4 880 m3/s)

4.2.2船舶试验成果

上引航道船舶航行试验成果见表4。船舶上行进闸时，6级流量试验的最大舵角和最大漂角均随流量增加而加大、最小航速则随流量增加而减小，这是由于流量增加导致下引航道导墙末端绕流强度增大，横向流速变大，上行船舶的操纵难度增加。从具体参数上看，各级流量上行试验的最小航速均高于最低航速安全限值(0.4 m/s)，但当流量为4 880 m3/s(P=10%)时，最大舵角为25.56°，超过船模试验舵角安全限值(25°)，此时船舶通航安全已无法得到保障。

船舶出闸下行时，6级流量试验的最大舵角和最大漂角均随流量增加而加大，表明下行船舶的操纵难度随着流量增加而加大。在各级试验流量下，最大舵角均未超过安全限值(25°)，表明下行水流条件较好，船舶操纵难度不大，可保障通航安全。

由表4可知，船闸上行进闸时各级流量的最大舵角、最大漂角均比出闸下行时大，表明船舶上行进闸难度大于出闸下行。原因主要在于船舶出闸下行是由狭窄水域驶向宽广水域，操纵难度相对较小，而下行进闸情况正好相反。

表4 下引航道船模航行试验成果

4.2.3最高限制通航流量及通航难点

综合水流条件及船模试验成果，将下引航道的最高限制通航流量定为3 000 m3/s，在此流量及以下时，航行船舶可安全上下行通过连接段和口门区进出引航道，满足通航要求。该流量下的船舶上下行航迹线见图9，操纵舵角、漂角和航速过程见图10。

图9 下引航道船模航迹线(Q=3 000 m3/s)

船模试验表明，下引航道航行难点在于长导墙末端附近，当下泄流量较大时，墙端绕流在附近形成一定的斜横流，造成船舶偏转和漂移，因此船舶通过时应注意控制好船位和保持好航向，避免发生擦碰堤岸事故。

图10 下引航道船模操纵舵角、漂角和航速过程线

5 结论

1)船闸上引航道航行难点在于口门区上游的弯道河段，且船舶下行进闸难度大于出闸上行，下行通航条件是通航控制条件。当Q≤3 000 m3/s(边发电边弃水)时，船舶下行的最大舵角不会超过安全限值(25°)，船舶可安全通航；当流量达到3 900 m3/s(P=20%，泄水闸控泄)时，下行最大舵角超过安全限值(25°)，船舶操纵难度极大，通航安全无法得到保障。

2)船闸下引航道航行难点在于长导墙末端附近，且船舶上行进闸难度大于出闸下行，上行通航条件是通航控制条件。当Q≤3900 m3/s(P=20%，泄水闸控泄)时，船舶上行的最大舵角和最小航速均满足船模试验安全限值条件，船舶可安全通航；当流量达到4 880 m3/s(P=10%，泄水闸敞泄)时，上行最大舵角超过安全限值(25°)，难以保障通航安全。

3)综合上、下引航道的通航条件试验成果，建议将Q=3 000 m3/s(边发电边弃水)作为木京枢纽扩建船闸的最高限制通航流量。