大风气象条件下三峡枢纽过闸船舶通航条件

孔凡军，程升鹏，张明敏

(长江三峡通航管理局，湖北 宜昌 443002)

据统计，近年来三峡船闸大风停航时间在10 d左右。究其原因，水库上方空气湿度增大，近坝峡谷上方的过风面积缩小、风压增强，导致大风天气增多。在观察分析大风天气对通航条件影响现象的基础上，三峡局提出了在不违背规范性文件强制性规定的前提下，采取控制性通航措施减少三峡船闸的停闸时间，继续挖掘通航潜力的命题。即通过深入开展相关通航条件的原型观测，进行相应的理论计算分析等方法，论证出现间歇性大风气象天气后，其航道适航条件与船舶适航条件(船闸引航道及闸室水域)能否持续性封闭式通航的可行性。

1 大风气象概况

据观测统计,三峡坝区大风对近坝水域通航影响最大，因而本文仅分析坝上通航条件。

根据现场观测，三峡坝区6级(强风，风速10.8～13.8 ms)以上大风主要分布于九畹溪至三峡大坝之间区域，在蓄水前就是长江有名的风口。时间主要集中在春秋两季昼夜气温变化较大时期，尤其是在连续低温天气后，天气转暖，温度骤然上升时，连续爆发。相关拟合曲线见图1、2。

图1 气象信息检索结果

图2 太平溪风向分析

2 三峡枢纽近坝水域不同航段适航性能

根据在庙河、仙人桥、太平溪、船闸引航道设置的测风仪同步数据显示，庙河、仙人桥、太平溪发生大风时，风力逐步减弱。根据常年经验：当庙河8级大风时，仙人桥可能只有7级风，太平溪则有6级风，船闸引航道则可能6级以下。

尽管衡量风力指标的风速能够达到6级风速指标(10.80～13.80 ms)，但其波高均小于0.60 m，仅相当于海域3级风波高值，达不到6级风对应的海域波高3.0 m。相较于宽阔水域的大风，近坝水域的大风缺乏风时与风场，对船舶通航影响相应较小。

在太平溪观测点，由上游向下游辐射，风向约为290°～310°，几乎与三峡船闸引航道平行。也就是说，进出船闸引航道及闸室船舶受风影响主要是正对船首或船尾受力，顺航道行驶船舶侧面受风影响小。

近年来大风天气情况下，引航道顺航道行驶的船舶应急通航的实践表明，受周围185 m高程及以上遮蔽物影响，该水域大风小于近坝水域6级以上大风的风力，通航环境方面对船舶操纵影响较小。

根据《船舶设计手册》[1]第4章关于风速取值的论述“河道风力测试取值来源于水面以上10 m上空”的数据，三峡船闸导航墙及人字门高度均大于10 m，因此在10 m以上遮挡物下船舶逆风航行受风影响远小于没有遮挡物的空旷水域影响。

因此，船体两侧受力小、倾侧力矩也小，加之引航道左侧堤岸及船闸一闸首高程不低于185 m，船舶在船闸水域所受风力明显低于6级风影响。

大风气象条件下，不同航段适航性能的关键性指标是船舶航向稳定，对岸安全航速、单向双向航宽符合《内河通航标准》[2]强制性要求。见表1。

表1 大风天气下船舶引航道航行统计

3 大风气象条件下代表性船型船舶耐波差异性分析

3.1 代表船型受风影响大小

风压稳性衡准数Kf的定义为：

(1)

或者

(2)

式中：Mq为风压倾侧力矩；Mf为风压复原力矩；lq为风压倾侧力臂；lf为风压复原力臂。

依据风压稳性衡准数定义可知：船舶的抗风能力一方面取决于船舶的最小倾侧力矩，另一方面取决于船舶的风压倾侧力矩的大小。因此，假设所有船舶最大复原力矩是一定的，那么船舶的风压倾侧力矩较小的船舶的抗风能力更强。

采用B级航区6级高风压计算代表船型倾侧力臂情况，见表2。

表2 B级航区6级高风压计算代表船型倾侧力臂情况

由表2可知，商品车滚装船、集装箱船、散货船的风压倾侧力臂lf商>lf集>lf散。考虑到影响船舶的风压倾侧力矩的因素：1)上层建筑越丰满的船舶，风压倾侧力矩越大；2)船舶排水量越大的船舶，风压倾侧力矩越小；3)中大形散货船排水量较大、上层建筑物相对较小，该类型船舶的风压倾侧力矩普遍较小，抗风能力较其他类型船舶强。

3.2 船舶的耐波性

船舶在水上的航行性能,既决定于外部风浪的大小,也和船体本身的要素有密切关系。在规则波中,当船长与波长比值Lλ≈1 时,波浪的扰动力最大,纵摇和垂荡十分激烈。当Lλ> 1.3时,无论是否发生谐摇,纵摇和垂荡都不会很大。

实际观测中，三峡坝区水域受大风影响，江面所形成波浪较为规则，波长较短，一般都在10 m以下。除渔船、农用船、客渡船等船舶外，船长与波长比值都远远大于1.3，耐波性较好，几乎不受影响。波浪对大型船舶的影响几乎忽略不计。

另一方面，三峡坝前水域的“风时”与“风场”不够，刮风时间连续性不够，即为“阵风”，水域不如长江中下游宽阔，不能聚浪成潮。通过三峡大坝具有A级航区资格的船舶，船舶的稳性较高。而根据《钢质内河船舶建造规范》，船舶设计横倾角不得低于15°;通过B级航区的横倾角设计值一般小于12°，而大风气象条件下的原型观测数据表明，绝大多数船舶的横倾角往往低于5°。

4 大风气象条件下三峡枢纽通航核心水域船舶航行特性分析

根据《船舶原理》[4]，“风是产生风浪的主要原因，但是必须具有充分的风时和风区长度才能形成与风级相称的风浪级别”。如三峡坝上近坝水域风级6级以上大风风速在10.80～13.80 ms,其对应的浪级只是轻浪3级，浪高0.5 m ≤实际浪高≤1.25 m。

三峡枢纽成库以来，多年原型观测表明，近坝大风风速指标达标，但波高值不对应。因此，三峡水域大风对船舶操纵影响只是体现在风速上，而非浪高上。

船舶进入大风水域后，船舶操纵人员依据风向、风力、流、波浪、地形等要素综合考量，选择最优航路。

4.1 大风时船舶操作特性

三峡水域水流稳定，至上而下，风向虽然受到山势影响，在临山区域有所变化，但是主航道风向较为稳定。因此，船舶上下行主要采用顶风顶流、顺风顺流航行，已达到降低船舶风流压差角的作用，保证船舶在大风中安全航行。

4.2 船闸引航道水域船舶操纵特点

大风时，三峡船闸上引航道口门水域下行船较上行船困难。空载船、旅游船、集装箱船受影响较大。

下行船排队进入引航道水域，后船必须等待前船在靠船墩靠泊完毕，方能进车前进。此时船舶处于顺风状态，倒车效果差，加之航速较低，船舶抵抗风力和水流能力差，风流压差大，船舶易发生漂移，不易稳住航向，从而向禁航区漂移或者向隔流堤困边。

根据船舶设计规范，A级航区的船舶最大复原力臂所对应的横倾角θm应不小于15°。

综上可知：凡是符合建造规范的船舶，只要具备A级航区的资质，那么该船的横倾角不得低于15°。结合实际，通过三峡大坝的绝大部分船舶都具有A级航区资格，船舶的稳性拥有较高的要求。具备A级航区航行资格的过往船舶在6～7级大风条件下，其适航性能——耐波性是良好的。

5 结语

1)通过实船测试表明，在近坝水域出现6～7级大风气象条件下，三峡船闸及引航道水域与其连接段以上通航条件不同。即船闸水域航道适航条件——近坝水域出现6级以上大风时，受周围上遮蔽物影响，该水域大风风力小于6级，对船舶操纵影响较小；三峡坝上大风绝大多数是西北风，其引航道轴线方向与常年大风(风向290°～310°)夹角较小，倾侧力矩较小，满足安全通航要求。

2)数模计算表明：具备长江干线B级航区适航证书的船舶满足该气象条件下安全通航要求。三峡枢纽坝上大风与风浪形成的波长、波高的比值，与长江下游及海上风浪明显不同。三峡6级大风的波高只相当于长江下游3级风对应值；过闸船舶船长与波长比值都远远大于1.3，耐波性较好。