嘉陵江草街航電樞紐施工導流明渠通航船模試驗研究

蔡 創(chuàng)，蔡新永，趙傳波

（重慶交通大學,重慶 400074）

嘉陵江草街航電樞紐施工導流明渠通航船模試驗研究

蔡 創(chuàng)，蔡新永，趙傳波

（重慶交通大學,重慶 400074）

為了配合草街航電樞紐工程的設計和施工,論證工程布置的合理性和可行性，按照試驗要求制作了船模，并對有關工程的設計布置方案進行了優(yōu)化和研究。分別根據(jù)水工模型比較方案和推薦方案，進行施工導流明渠及連接段的船模通航試驗研究。根據(jù)船模試驗最高安全限制的要求，結合相關水流條件的船模通航試驗研究，對2個布置方案沖淤前后的試驗結果進行分析，比較各方案通航條件的優(yōu)劣，給出了通航推薦方案及建議。

導流明渠；船模；通航條件；試驗研究

Biography：CAI Chuang（1968-），male，associate professor.

草街航電樞紐工程位于嘉陵江干流重慶合川草街鎮(zhèn)境內(nèi)，距合川27 km，是嘉陵江干流梯級渠化開發(fā)方案中自下而上的第二級。該工程是一個具有航運、發(fā)電和灌溉等綜合利用效益的水利水電樞紐工程，船閘通航設計等級為III級。為了配合該工程的設計和施工，論證工程布置方案的合理性和可行性，在航電樞紐工程水工模型上進行了施工導流明渠船模通航試驗，提出航行的難點和建議。

1 船模試驗通航衡量標準

用舵的衡量標準：為保證航行安全，內(nèi)河航行船舶一般用舵小于等于30°。水工模型和船模試驗都有一定誤差，所以船模試驗最大舵角安全限值一般設為25°，超過25°則認為不安全。

最低航速的衡量標準：在川江和西南河流實船航行中，船舶上行的最低航速低于0.3～0.5 m/s時，很難保證航行安全。一般船模試驗取其中間值0.4 m/s作為最低航速的衡量標準［1-2］。

2 試驗概況

采用比尺λ=100進行嘉陵江草街航電樞紐施工導流及通航正態(tài)水工模型試驗。

2.1 船模概況

（1）船模比尺。船模和水工模型相同，采用λ=100的正態(tài)比尺［3-4］（表 1）。

（2）船模概況。試驗采取河工物理模型、船模試驗與原型實船試驗相結合的研究方法。經(jīng)對嘉陵江通航船舶的調(diào)查，擬定出明渠通航代表船型為56.8 m×7.6 m×1.5 m尺度的機動駁，該船舶數(shù)量較多，上下行通常載重200～400 t。試驗船模采用1+1×300 t頂推船隊，船隊靜水航速設定為4.0～5.0 m/s，舵角為左35°～右35°無級比例操舵（表2）。

（3）船模操縱性能。經(jīng)過操縱性能試驗和尺度效應修正，船模與實船操縱性能相似，且實船略偏安全。校正后的船模與實船操縱性指數(shù)見表3。

表1 比尺概況表Tab.1 Statistics of scales

表2 船模概況表Tab.2 Main dimensions of ship model

表3 操縱性指數(shù)Tab.3 Maneuverability index

2.2 測控設備及試驗方法

試驗采用CMZ-3B船模自動試驗系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用激光掃描儀器對船模運動進行非接觸快速檢測，用微機對船模運行姿態(tài)和操縱要素進行實時遙測、控制、計算，自動完成船模試驗，能進行船模航行試驗、船模Z形試驗及回轉(zhuǎn)試驗，并能試后復演船模試驗的動態(tài)過程。

按試驗要求制作船模，在試驗水工模型的明渠內(nèi)對船模進行率定，用遙控設備操縱船模在水工模型相應航段進行航行。船模的航行要素（船跡、船位、航速、漂角）由激光快速掃描遙測，CMJ-3無線電接口遙測模型的用車、用舵等操縱要素，計算機自動記錄數(shù)據(jù)并進行數(shù)據(jù)處理、實時繪圖和計算［5］。最后結合不同水流條件下的試驗成果進行綜合分析，比較各方案的優(yōu)劣，并提出建議和意見，優(yōu)化有關工程的設計布置方案，實現(xiàn)通航的安全性、經(jīng)濟性和可靠性［6］。

2.3 船模試驗方案、航段、流量級

對水工模型比較方案（有基坑）和水工模型推薦方案（無基坑）進行了沖淤前后的船模試驗。試驗航段為施工導流明渠及連接段，長約1 300 m。分別進行了2 120 m3/s、5 440 m3/s和7 400 m3/s三個不同流量級的船模試驗［6］。

3 船模試驗成果及分析

為方便對不同航段、流量的船模試驗成果進行分析比較，規(guī)定試驗中船模船隊的靜水航速均為上水航行 5.0 m/s，實際船隊為 18.0 km/s，下水航行 4.0 m/s，實際船隊為 14.4 km/s［7］。

3.1 沖淤前明渠通航船模試驗情況

（1）水工模型推薦方案（無基坑）試驗。

船模試驗表明，在Q=2 120 m3/s時，船隊上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模試驗最低航速限值0.4 m/s，只要操縱得當，可自航通過施工導流明渠及連接段。由于左岸明渠導墻處水深較淺，船隊不能靠近導墻，無法充分利用左岸附近的緩流區(qū)上行，富裕水深較小，淺底效應對船隊航行也有一定影響，這也是船隊在此流量級下航行的困難之處。

在Q=5 440 m3/s時，船隊上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模試驗最低航速限值0.4 m/s，只要操縱得當，可自航通過施工導流明渠及連接段（圖1）。此流量下的困難在于：航道流速比降加大，船隊上行困難，表現(xiàn)出船隊航行的舵角漂角均大于Q=2 120 m3/s時。但由于左岸水深加大，船隊可以適當靠近導墻，充分利用左岸附近的緩流區(qū)上行，所以船隊上行的航速并不低于Q=2 120 m3/s時。船隊靠左岸上行到明渠左導墻堤頭附近無法上行時，需逐漸過江到右岸才能繼續(xù)上行，此時出現(xiàn)了船隊上行的最大舵角和漂角。

在Q=7 400 m3/s時，由于航道流速比降過高，船隊無法自航上行通過施工導流明渠。

通過對這3個不同流量級的船模試驗數(shù)據(jù)對比分析可知，在Q≤5 440 m3/s范圍內(nèi)，水工模型推薦方案（無基坑）的導流明渠基本滿足1+300 t船隊通航要求［8］。

（2）水工模型比較方案（有基坑）試驗。

船模試驗表明，在Q=5 440 m3/s時，船隊上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模試驗最低航速限值0.4 m/s（圖2）。右岸有基坑與無基坑相比，上下行最大舵角、最大漂角均加大。由于基坑的存在，河道的有效過流斷面減小，在流量一定的條件下，航道流速增大。

圖1 無基坑沖淤前上行舵角、漂角（Q=5 440 m3/s）Fig.1 Upward process of rudder angle and drift angle before scouring and silting in non-based pit（Q=5 440 m3/s）

圖2 有基坑沖淤前上行舵角、漂角（Q=5 440 m3/s）Fig.2 Upward process of rudder angle and drift angle before scouring and silting in base pit（Q=5 440 m3/s）

河道有基坑與無基坑相比，船隊航行難度明顯增大。建議如有可能，盡量不要提前開挖基坑。

（3）沖淤前船模試驗結果（表4）。

表4 沖淤前船模試驗結果Tab.4 Ship model test results before scouring and silting

3.2 沖淤后明渠通航船模試驗情況

（1）水工模型推薦方案（無基坑）試驗。船模試驗表明，與沖淤前相比，最大舵角與最大漂角均減小，上行航速增大，下行航速減小。在Q=5 440 m3/s時，船隊上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行最低航速明顯大于船模試驗最低航速限值0.4 m/s。船隊只要操縱得當，可自航通過施工導流明渠及連接段。

（2）水工模型比較方案（有基坑）試驗。船模試驗表明，與沖淤前相比，船隊上、下行的最大舵角和最大漂角均減小，上行的最小航速增大，下行的最高航速減小，航行條件有所改善。與右岸無基坑時相比，由于基坑的存在，河道的有效過流斷面減小，航道的流速加大。船隊上、下行最大舵角與最大漂角均增大，上行的最小航速減小，下行的最高航速增大。有基坑與無基坑方案相比，船隊航行的難度明顯加大。

（3）沖淤后船模試驗結果見表5。

表5 沖淤后船模試驗結果Tab.5 Ship model test results after scouring and silting

3.3 通航的最佳航線、駕駛方式及航行難點

（1）船隊上行進入明渠前，先沿左岸流速相對較小的河段上行，逐步向明渠左岸下導墻堤頭靠攏。船隊駛?cè)朊髑螅拷髑蟀秾У蹋３志嘧蟀?0～40 m，盡量利用左岸緩流區(qū)上行。船隊上行到明渠上堤頭附近無法繼續(xù)上行時，再逐漸過江到明渠右岸，保持距右岸50～70 m繼續(xù)上行駛出明渠。

上行有3處難點：一是船隊進入明渠下口時，明渠左岸下堤頭附近較高的縱橫流速和比降導致操縱困難，此時船隊操舵頻繁；二是船隊上行到明渠左岸上堤頭過江時，出現(xiàn)了船隊上行的最大漂角；三是船隊過江到右岸后繼續(xù)上行時，該處較高的流速與比降使船隊上行困難，此時出現(xiàn)了船隊上行的最小航速。另外流量小于2 120 m3/s時，由于明渠左岸水深不足，船隊難以靠近左岸導堤，無法充分利用緩流區(qū)域上行。

（2）船隊下行比上行操縱難度小，只要調(diào)整好航向和航線，沿明渠中部下行即可。在船隊下行進入明渠時，要適當用左舵抱明渠左岸凸邊，避免船隊在明渠下段被水流推到右邊凹岸；船隊駛到明渠下口前，要及時用右舵調(diào)整船隊航向，使船隊保持在明渠中部駛出明渠。

4 結論與建議

船模試驗結果表明：

（1）水工模型推薦方案（右岸無基坑），在Q=5 440 m3/s時，船隊上行和下行的最大舵角均未超過船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模試驗最低航速限值0.4 m/s，只要操縱得當，可自航通過施工導流明渠及連接段。在Q≤5 440 m3/s時，基本滿足1+1×300 t船隊通航要求。

（2）水工模型推薦方案（右岸無基坑），在Q=7 400 m3/s時，由于航道流速比降過高，船隊無法自航上行通過明渠。

（3）水工模型比較方案（右岸有基坑），在Q=5 440 m3/s時，基坑的存在減小了河道有效過流斷面，航道流速加大。與右岸無基坑相比，最大舵角與最大漂角均增大，上行的最小航速減小，下行的最高航速增大。有基坑與無基坑方案相比，船隊航行難度明顯加大。

（4）水工模型推薦方案（右岸無基坑），在Q=5 440 m3/s時，導流明渠沖淤后，水深加大，流速減小，船隊上、下行的最大舵角與最大漂角均減小，上行的最小航速增大，下行的最高航速減小，與沖淤前相比航行條件有所改善。

根據(jù)船模試驗結果，提出以下3點建議：

（1）在小流量時，由于左岸明渠導墻處水較淺，船隊不能靠近導墻，無法充分利用左岸附近的緩流區(qū)域上行，航行難度增加。建議對明渠左岸導墻附近的航道適當疏浚加深，改善小流量時的通航條件。

（2）右岸基坑的存在使河道的有效過流斷面減小，航道流速加大。有基坑與無基坑方案相比，船隊的航行難度明顯加大。建議如有可能，盡量不提前開挖基坑。

（3）通航的航線和船隊的駕駛方式是影響航行安全的2個重要因素，建議樞紐建成后，結合船模試驗結果和實船試驗，在航道中設置航標，制定安全可行的運行方式，確保通航船舶安全。

［1］張勇.三峽導流明渠通航條件淺析［R］.宜昌：長江三峽通航管理局，1998.

［2］GB50139-2004，內(nèi)河通航標準［S］.

［3］蔡創(chuàng)，蔡汝哲.嘉陵江沙溪樞紐引航道船模通航預報試驗研究［J］.水道港口，2009（6）：191-196.

CAI C，CAI R Z.Study on navigable ship model test of approach channel in Jialing Shaxi Project［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009（6）：191-196.

［4］蘇興翹.船舶的操縱性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1985.

［5］蔡創(chuàng).三峽樞紐通航船模試驗系統(tǒng)軟件開發(fā)［J］.重慶交通學院學報，2001，20（2）：110-115.

CAI C.The development of J GⅡ-V3.0 general software in Three Gorge pivot ship model experiment［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（2）：110-115.

［6］蔡汝哲.嘉陵江草街航電樞紐施工導流明渠船模通航試驗研究報告［R］.重慶：西南水運工程科學研究所，2004.

［7］王育林，李一兵，彭詩海，等.船模航行試驗技術及在航道工程中的應用［J］.水道港口，1997（4）：8-15.

WANG Y L，LI Y B，PENG S H，et al.Test Technique for Ship Model Navigation and Its Application in Waterway Engineering［J］.Journal of Waterway and Harbor，1997（4）：8-15.

［8］蔡創(chuàng).長江渝滬段灘險整治小尺度船模通航試驗研究［J］.中國港灣建設，2005（4）：29-32.

CAI C.Navigable Condition Testing by Small Scale Ship Model in Regulation of Shoaly Waterway between Chongqing and Luzhou in Changjiang River［J］.China Harbour Engineering，2005（4）：29-32.

Research on navigable ship model experiment of Caojie Hydro-junction open diversion channel during construction period in Jialing River

CAI Chuang，CAI Xin-yong，ZHAO Chuan-bo
（Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

In order to demonstrate the availability and feasibility of the arrangement scheme of CaoJie Hydro-junction，the ship model was made on the basis of experimental requirements，and the related arrangement schemes were studied and optimized.The navigable ship model experiments of the open diversion channel during construction period and the connecting section were conducted based on the alternative scheme and recommended scheme.According to the highest security restrictions of ship model test and experimental study under the relevant flow conditions，the test results of the two schemes were analyzed，and the advantages and disadvantages of each scheme were compared.Finally，the recommended proposal and suggestion were put forward.

open diversion channel；ship model；navigation condition；experimental study

TV 133；U 661.73

A

1005-8443（2010）05-0492-05

重慶市自然科學基金資助項目（CSTC2008BB6354）

蔡創(chuàng)（1968-），男，重慶市人，副研究員，主要從事通航小尺度船模及計算機應用研究。