狭窄连续弯道河段航电枢纽船舶通航安全研究

王斐，张玉倩，安晓宇，孔宪卫

（交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456）

0 引言

在地处山区和半山区的河流上往往难以选择到理想的河道顺直、河面宽阔的坝址河段，只得建在平面弯曲、河面狭窄河段[1]，航电枢纽船舶的安全通航问题尤为突出。解决山区枢纽通航问题多选择物理模型和自航船模相结合的手段[2-3]，但在狭窄连续弯道河段船闸通航研究中的应用较少，随着船舶操纵模拟器在通航安全评估、沿海码头工程通航及航线布置中的应用愈加成熟[4-5]，其在解决船闸口门区及连接段的通航条件问题中的应用研究更加迫切。本文以狭窄连续弯道河段土谷塘航电枢纽为研究对象，采用物理模型、自航船模试验和船舶操纵模拟器相结合的手段，分析研究了船闸上下游口门区、连接段水流特性，船舶操纵航行参数变化以及自航船模试验和船模操纵模拟结果的对比，以期为类似工程的通航安全研究提供理论依据。

1 土谷塘航电枢纽概况

土谷塘航电枢纽以通航为主，兼有发电、灌溉、改善滨水景观等综合效益。主要建筑物包括3台机组、1孔排污闸、17孔泄水闸及1 000吨级船闸。土谷塘枢纽工程为低水头径流式电站、泄水闸式闸坝、槽蓄型水库。本试验船闸上下游以引航道口门区、连接段及其与上游相连的急弯河段为主要试验区。按照JTJ 305—2001《船闸总体设计规范》[6]要求及船闸上游河势，将船闸上游连接段区域定义为口门区末端至上游弯道入口处，具体长度见表1。

表1 船闸引航道、口门区、连接段及急弯河段长度一览表Table 1 Length list of lock approach channel,entrance area,connection section and sharp bend river m

2 模型设计

2.1 物理模型设计

本试验采用比尺为1∶100正态模型，模拟原型河道长度约为8 km，其中坝址上游长约4.6 km，坝址下游长约3.4 km，宽度为400～800 m不等。通过水面线、流速和流态的验证试验，模型与原体的水流运动达到了相似要求[7]。

土谷塘航电枢纽设计通航船队由397 kW（540匹马力）推轮顶推2个千吨级分节驳组成，船队排列形式为1排1列式。船队的编队形式及平面主尺度见图1。其中，推轮吃水1.8 m，驳船吃水2.0 m（按载重量1 045 t设计）。船模几何比尺同为1∶100。

图1 设计船队队形及平面主尺度示意图（m）Fig.1 Schematic diagram of design fleet type and plane main scale（m）

2.2 模拟器模型的建立

对航向稳定性指标、航向改变性指标及定常旋回性指标进行率定，率定结果均满足JTT 258—2021《长江运输船舶操纵性衡准》[8]的要求。

模拟器中土谷塘河段三维地理信息系统包括3方面的内容：1）代表船型模型包含在模拟器的船舶数据库中；2）三维视景模型包含在模拟器的视景数据库中；3）水流条件包含在模拟器的水流条件数据库中。物理模型试验与模拟器试验选择的流量如表2所示。

表2 模拟器中土谷塘河段选择流量级Table 2 Flow levels selected for the Tugutang reach in the simulator

2.3 船舶航行参数判别标准

对于进出船闸的船舶或船队，航行时操舵角和漂角一般情况均应较小，若出现较大的操舵角和漂角说明水流条件较差，有偏离航道的危险，尤其是通过口门时，还有触及导流堤的危险，容易发生海损事故[9]。因此，为了使船舶或船队安全进出口门，船舶航行时应保持一定的船位和航向，为了判别航行条件的优劣，船舶的操舵角和航行漂角均需要有控制范围，参照相同试验研究采用航行标准：船队在口门区航行时，操舵角应不大于20°，航行漂角应不大于10°[3]。

3 设计方案船舶航行模拟

3.1 设计方案及模拟工况

规模为Ⅲ（2）级船闸，布置在右岸台地上，为单线单级船闸，船闸有效尺度为180 m×23 m×3.5 m（长×宽×门槛水深），上、下闸首各长30 m；引航道宽度为45 m，口门区宽度为60 m；上引航道停泊段位于导航墙内侧，引航道与上游主航道以1 200 m的转弯半径相连；下引航道停泊段位于导航墙内侧，引航道与下游主航道以1 040 m的转弯半径相连；泄水闸设17孔，每闸孔净宽20 m，总泄流宽度为340 m；电站布置在河床左侧，为河床式厂房，进厂公路和开关站布置在下游侧，总装机容量80 MW。平面布置形式如图2所示。主要设计船型为一顶二艘千吨级船队。

图2 土谷塘枢纽设计方案示意图Fig.2 Schematic diagram of the design scheme of Tugutang junction

3.2 上游口门区及连接段船舶航行模拟分析

1）电站发电、泄水闸关闭工况下：由于只有左岸机组过流，处于右岸的上游口门区及连接段水流条件很好，船舶只需用小于10°的舵角克服航线弯曲的影响，就可以顺利上下行进出口门区。

2）泄水闸和电站联合运行工况下：在Q=5 400 m3/s流量时，口门区及连接段航道纵向流速为1.57 m/s，横向流速一般在0.25～0.4 m/s，不满足规范要求。船舶下行时，舵角达到18°，漂角达到17°，勉强可以进入船闸。上行时，船舶出闸后沿直线加速航行，到达连接段的拐弯段时，控制速度为2.5 m/s，拐弯进入主航道，船舶操纵较容易。

3）电站关闭、泄水闸敞泄工况下：在Q=8 700 m3/s时，口门区附近航道横向流速一般在0.35～0.6 m/s以内，最大横向流速0.72 m/s，纵向流速大多2.0 m/s以上，最大纵向流速2.49 m/s。船舶上行时逆流而行，航速慢而舵效好，操纵较为容易，但船舶在下行进入连接段及口门区航道时顺流而下采用打斜方式进入口门区，则进入口门区后调顺船位困难而使船舶撞上右岸；在Q=13 500 m3/s时，上行船舶舵角达到-12°，漂角达到11°，船舶操纵比较困难。

3.3 下游口门区及连接段船舶航行模拟分析

1）电站发电、泄水闸关闭工况下：在Q=446 m3/s时，口门区及连接段内横向流速及纵向流速都非常小，船舶上下行航行过程中舵角、漂角及横移速度都很小，船舶进出口门容易。在Q=1 340 m3/s时，由于口门区存在回流，船舶在上行进入连接段航道时，先逆流航行，船舶左偏，在进入口门区航道后顺流航行，船舶右偏，且口门区航道主要为弯曲航道，航行时舵角达到18°，漂角达到7.5°，航行操纵比较困难。

2）泄水闸和电站联合运行工况下：口门区及连接段航线与水流较顺直，航线上横流较小，满足规范要求。船舶上行时，最大舵角-8.5°，最大航行漂角-8.0°，航态较好，航行比较顺利；船舶下行时，最大舵角9.0°，最大航行漂角-6.0°，航行也比较顺利。

3）电站关闭、泄水闸敞泄工况下：枢纽下游河道内的流速随着流量的增加而增加，口门区及连接段纵、横向流速在逐渐加大，在Q=13 500 m3/s时，最大纵向流速达到2.2 m/s，最大横向流速达到0.51 m/s，代表船型上行最大舵角-22°，最大漂角为-7.1°。代表船型下行时，最大舵角11°，最大漂角为-6.7°。船舶操纵有一定难度。

4 优化方案船舶航行模拟

4.1 优化方案及试验条件

由于设计方案下船闸口门区、连接段船舶航行安全得不到保障，需采用工程措施保障船舶通航安全，通过对设计方案的研究分析，得到了优化方案。优化方案平面布置见图3。

图3 优化方案工程布置图Fig.3 Engineering layout of optimization scheme

为消除上游右岸突嘴挑流对上游引航道口门区通航水流条件造成不利影响，将右岸山体突嘴部分进行切除，为顺应切除后的右岸河势及水流，将口门区航道向右岸进行了相应调整；口门区由直线段改为半径为2 835 m的圆弧段，口门区长度仍为400 m、宽度仍为70 m。

为改善船闸下游引航道口门区的通航水流条件，在堤头下游口门区航道的左侧布置4个楔形导流墩，斜角45°，每个导流墩长22 m、厚3 m、顶高程为63.0 m，第1个导流墩与堤头的间距为15 m，导流墩之间的间距为22 m。下游引航道口门区及连接段布置与设计方案相同。

根据枢纽运行方式以及不同流量时上、下游口门区及连接段水流条件试验结果分析，上、下游共进行了2个特征流量级，即Q=1 340 m3/s以及Q=13 500 m3/s。

4.2 上游口门区及连接段船舶航行试验结果

1）电站发电、泄水闸关闭：Q=1 340 m3/s时，在设计方案下，由于只有左岸机组过流，处于右岸的上游口门区及连接段水流条件很好，修改方案口门区及连接段航道更靠近岸边，上游口门区及连接段水流条件更好，船舶只需用小于10°的舵角克服航线弯曲的影响，就可以顺利上下行进出口门区。

2）电站关闭、泄水闸敞泄：当流量为最大通航流量Q=13 500 m3/s时，上游引航道口门区、连接段航道内通航水流条件明显改善，大部分区域均满足横流小于0.3 m/s，纵向流速小于2.0 m/s。船舶用舵角下行时，船舶的最大舵角9.5°，最大漂角-12.0°，船舶操纵比较困难。上游口门区连接段船舶航行统计参数见表3。

表3 优化方案上游口门区连接段船舶航行统计参数Table 3 Navigation statistical parameters of upstream entrance area and connecting section of the optimization scheme

4.3 下游口门区及连接段船舶航行试验结果

1）电站发电、泄水闸关闭：Q=1 340 m3/s时修改方案下，船舶航行条件得到了改善，船舶上行时，船舶的最大舵角-11°，最大漂角8°，船舶操纵比较容易。

2）电站关闭、泄水闸敞泄：Q=13 500 m3/s时修改方案下，船舶航行最大舵角-13.5°，最大漂角6.1°，船舶航态均较好，能够顺利上行进入口门区，满足航行安全要求。下游口门区连接段船舶航行统计参数见表4。

表4 优化方案下游口门区连接段船舶航行统计参数Table 4 Navigation statistical parameters of downstream entrance area and connecting section of the optimization scheme

4.4 优化方案改善效果分析

通过土谷塘航电枢纽平面布置修改方案船闸上、下游引航道口门区及连接段船舶航行试验结果分析可以看出：

1）对上游右岸部分山体切除调整岸线，减小了水流与航线的夹角，同时拓宽了河道，减小了河道的流速，改善了口门区及连接段洪水流量下横向流速较大的问题，使流量Q=135 00 m3/s时，基本满足航行要求。

2）修改方案下游引航道导流堤堤头下设置导流墩，在各通航流量下，船舶均能顺利进出连接段及口门区。

3）研究表明，通过工程措施可以有效地改善右岸船闸方案口门区及连接段的通航条件，船舶的通航安全得到了保障。

5 船舶操纵模拟器研究结果与遥控自航船模试验结果对比分析

5.1 同一流量级下模拟器与遥控自航船模航行参数比较

对设计方案1 340 m3/s流量下模拟器与遥控自航船模的结果进行了比较，结果如表5所示，可以看出两者差别主要在于船闸进口门区连接段时模拟器的模拟结果对岸航速为0 m/s，而遥控自航船模最小对岸航速较大。这主要是因为模拟器结果中模拟了停船过程，停车制动使船舶达到靠船墩时速度为0 m/s，遥控自航船模中没有模拟这一点。总体看来，模拟器与遥控自航船模的结果比较吻合。

表5 1 340 m3/s流量设计方案口门区连接段航行统计参数比较表Table 5 Comparison table of navigation statistical parameters of the entrance area and connecting section under the design scheme of 1 340 m3/s flow

5.2 模拟器与遥控自航船模航行结果比较

1）设计方案下，对于上游口门区与连接段，遥控自航船模试验表明，河道内流量增至8 700 m3/s时，代表船型不能安全进出口门，模拟器研究表明，流量增至5 400 m3/s时代表船型不能安全进出口门；对于下游口门区及连接段，遥控自航船模试验表明，在满发电而不泄流的1 340 m3/s流量下，船舶进出口门比较困难，其他流量下基本能够满足安全航行要求。模拟器研究表明，在1 340 m3/s流量和13 500 m3/s流量下，船舶进出口门比较困难，其他流量下基本能够满足安全航行要求。

2）修改方案下，在试验的各级流量下均可顺利进出口门区和连接段。

3）模拟器与遥控自航船模的结果略有不同，但基本一致。

6 结语

1）设计方案存在的主要问题是口门区及连接段航道横流过大，代表船型很难安全从外航道进入连接段及口门区。优化方案采用切除、调整航线及布设导流墩的工程措施方案，在各通航流量下，船舶均能够安全进出连接段及口门区。

2）对上游急弯河段：船舶会遇宜选择左舷会遇，下行靠近河心，上行时靠近凸岸一侧，代表船型基本可以安全通过急弯河段。

3）在急弯河段通过调整船舶航行方式亦可以提高船舶的通航安全，系提高船舶通航安全的非工程措施。事实上，船舶通航安全是一个综合性的系统问题，驾引人员的素质、船舶的老旧状态等都是影响船舶通航安全的因素，只有多管齐下，船舶通航安全才能得到最大限度的保障。

4）将船舶操纵模拟器与遥控自航船模的模拟结果进行了比较，两者略有不同但基本一致；船舶操纵模拟器中代表船型的操纵特性满足国家相关规范的要求。将船舶操纵模拟器应用于急弯河段枢纽船舶通航安全研究是科学的，其结论是可信的。