龍灘第二級升船機船舶出廂過程水力特性綜合研究*

陳瑩穎， 胡亞安， 李中華， 傅陸志丹

(南京水利科學研究院， 通航建筑物建設技術交通行業重點實驗室， 江蘇 南京210029)

龍灘水電站位于廣西天峨縣境內， 下游距天峨縣城15 km， 是紅水河干流上游具有發電、 防洪、 航運等綜合效益的大型水電樞紐工程[1]。 紅水河是滇、 黔、 桂沿江地區的交通要脈， 在龍灘水電站建成后， 可實現紅水河全面通航， 因此龍灘水電站通航建筑物在樞紐中具有重要地位。 龍灘水電站通航建筑物布置在右岸山體中， 為兩級帶中間渠道的垂直升船機。 兩級升船機最大提升高度分別為62.4 m 和93.6 m， 均采用全平衡卷揚式提升系統。 2 個升船機的船廂結構完全相同， 承船廂總長88 m， 設計有效尺度為73.0 m×12.2 m×3.5 m(長×寬×水深)。

龍灘升船機原規劃最大過壩船只為500 噸級， 后根據《國家發展改革委辦公廳關于加快推進龍灘樞紐通航建筑物建設方案調整前期工作的通知》， 其設計最大通航船舶噸級調整為1 000 t。根據2016 年《交通運輸部辦公廳關于報送紅水河1 000 噸級設計船型尺度的函》， 龍灘升船機代表船型尺度為68.0 m×11.0 m×2.40 m(總長×型寬×設計吃水)。 按照規范[2]， 龍灘升船機級別為Ⅲ級， 為大型升船機。 由于1 000 噸級船舶吃水深較500 噸級增加， 船廂和航槽通航水深適當加大， 需要通過物理模型試驗確定船舶安全航行的船廂水深及相應的限制航速等控制標準[3]。

1 試驗方法

龍灘第二級升船機船舶出廂過程物理模型試驗采用牽引系統拖曳船模方式進行， 即在模型航線的上方設置導向裝置， 通過固定的牽引裝置， 拖曳船舶按設定的速度和航線航行， 保證船模在渠道及船廂中航行時航速恒定且不偏離航線和碰壁[4]。

1.1 物理模型設計

因主要研究船廂內水面波動、 船舶出廂下沉量等特性， 故模型設計時不考慮船廂的提升設備及行程等， 僅考慮龍灘兩級升船機之間的實際水域部分， 包括第二級升船機上閘首航槽、 兩級升船機船廂水域部分、 第一級升船機下閘首航槽及中間渠道段。

龍灘升船機船舶出廂試驗水工物理模型主要采用聚乙烯塑料板和有機玻璃制作， 可保證模型與原型糙率基本一致。 試驗船舶為1 000 噸級單船， 船舶模型也主要按重力相似準則設計， 幾何比尺與水工物理模型一致。 船舶模型除滿足與實船的尺度、 線型幾何相似外， 船模運動時與實船的航速也應滿足相似， 同時還應使船模與實船的排水量相似。

1.2 測點布置與測量方法

試驗采用電容液位計測量船廂、 上閘首、 中間渠道等段的水面波動， 超聲波測距儀固定在船舶前后牽引裝置上測量船舶首尾升沉量和首尾水面變化值； 激光測距儀固定在船舶牽引小車上測量船舶航行距離， 校核計算船舶航速； 同時配合采用全站儀測量船舶航線航速及船尾升沉量。 試驗數據均由多通道高速數據采集系統自動采集和處理。 船舶行程0 點(位于第二級升船機船廂下游端)及電容液位計測點布置見圖1。

圖1 龍灘升船機船舶出廂物理模型

龍灘兩級升船機船廂設計水深3.5 m， 結合類似規模升船機船廂水深研究經驗， 考慮船廂±0.1 m誤載水深， 取龍灘升船機船舶出廂試驗水深為3.4、 3.5 和3.6 m； 中間渠道通航水深按3.6 m考慮。

1.3 試驗工況

試驗采用牽引系統拖曳船模， 1 000 t 設計船舶以0.4～1.0 m∕s 多種航速駛出第二級升船機船廂。 船廂水深為3.4、 3.5 和3.6 m 時的船舶出廂工況見表1。

表1 出廂試驗工況

2 船廂內水面波動

龍灘升船機船廂設計水深3.5 m 時， 船舶以0.6 m∕s 航速出廂， 典型測點水面隨時間變化過程線見圖2， 船舶不同出廂航速第二級船廂內水面變化最大值見表2。 圖2 和表2 中， 船廂1 指第一級升船機船廂， 船廂2 指第二級升船機船廂。

圖2 船舶出廂典型測點水面隨時間變化過程線

表2 船舶不同出廂航速、 第二級船廂內水面變化最大值

船舶出第二級升船機船廂過程， 由于船舶的阻塞效應， 船舶啟動時， 將第二級船廂內大量水體推向中間渠道和第一級船廂， 船尾后的第二級船廂、 上閘首和3#渡槽單向航道水面降低， 船尾下沉明顯， 船舶可能觸底， 3#渡槽雙向航道及其上游中間渠道和第一級船廂水面則有所上升(尤其第一級船廂上游端，上升明顯)； 且由于船廂、上閘首和3#渡槽單向航道斷面尺寸較窄， 3#渡槽雙向航道及其上游中間渠道較寬， 第二級船廂、上閘首和3#渡槽單向航道水面降低值大于3#渡槽雙向航道及其上游中間渠道水面上升值。 當船尾駛出3#渡槽單向航道進入3#渡槽雙向航道時， 大量的水體由3#渡槽單向渠道上游的中間渠道驟然進入第二級船廂、 上閘首和3#渡槽單向渠道， 在其中形成較大的涌水波， 這種涌水波由3#渡槽單向渠道上游端傳至第二級船廂下游端廂壁時， 將發生固壁反射， 并與從上游推進的涌水波疊加，在中間渠道和兩級升船機船廂內形成復雜的長波運行， 須經過較長時間才能達到水面平穩。 結合圖2 和表2 可知:

1)船舶出廂過程引起的水面變化， 同一工況條件， 第二級升船機船廂內各測點的水面下降最大值明顯大于水面上升最大值。 船廂設計水深3.5 m時， 船舶以0.6 m∕s 航速出廂， 第二級升船機船廂內水面最大下降值為0.27 m， 最大上升值為0.10 m。

2)船廂水深一定時， 船舶出廂航速越大， 水面下降值和水面變幅越大。 船廂設計水深3.5 m時， 船舶以0.6 m∕s 航速出廂， 第二級升船機船廂內最大水面變幅為0.35 m； 船舶以0.8 m∕s 航速出廂， 第二級升船機船廂內最大水面變幅為0.62 m。

3)船舶出廂航速相同時， 船廂水深越小， 船廂內水面下降值越大。 船舶以0.6 m∕s 航速出廂，船廂設計水深3.5 m， 第二級升船機船廂內水面最大下降值為0.27 m； 考慮船廂誤載水深-0.1 m 即船廂水深3.4 m， 第二級升船機船廂內水面最大下降值為0.37 m。

3 船舶出廂下沉量

船舶出廂時， 受船廂和3#渡槽單向航道尺度的限制， 船首行進過程中推開的水流受邊界條件的影響產生阻塞效應， 船首前方被推開的水體移動到船尾， 形成水流圍繞船體運動， 這種水流的回流運動伴隨流速損失而產生一個水位落差， 該水位落差就形成了船舶的下沉。 當船舶下沉量較大而船廂水深不足時， 就有可能造成船舶擦底航行， 對船舶和升船機安全產生不利影響， 因此需要對龍灘升船機船舶出廂時的船舶下沉量進行研究， 以確定合理的船廂水深和船舶出廂航速限值。

龍灘升船機船廂設計水深3.5 m 時， 船舶典型航速出廂船舶首尾升沉量隨航行位置變化見圖3。由圖3 可知， 船舶出廂過程中， 船舶首尾升沉量中， 船舶下沉量大于上升量， 船尾下沉量又明顯大于船首下沉量， 因此船舶出廂過程中船舶最大下沉量主要指船尾最大下沉量。

圖3 船舶典型航速出廂首尾升沉量隨船舶位置變化過程線

不同船廂水深和船舶出廂航速， 船舶在船廂內的最大下沉量與最小安全余量見表3。 船廂水深不同， 船舶出廂航速對船舶在船廂內最大下沉量和船舶最小安全余量的影響分別見圖4、 5。 由圖4～5 和表3 可知:

1)船廂水深一定時， 船舶出廂航速越高， 船舶在船廂內最大下沉量越大， 船舶最小安全余量越小， 且基本呈線性關系。 船廂設計水深3.5 m時， 船舶以0.6 m∕s 航速出廂， 船舶最大下沉量為0.32 m、 最小安全余量為0.78 m； 船舶以0.8 m∕s航速出廂， 船舶最大下沉量為0.48 m、 最小安全余量為0.62 m。

2)船舶出廂航速一定時， 船廂水深越小， 船舶在船廂內最大下沉量越大， 船舶最小安全余量越小。 船舶以0.6 m∕s 航速出廂， 船廂設計水深3.5 m， 船舶最大下沉量為0.32 m、 最小安全余量為0.78 m。 考慮船廂誤載水深-0.1 m 即船廂水深3.4 m， 船舶最大下沉量為0.36 m、 最小安全余量為0.65 m。

根據水口升船機模型試驗資料[5]， 船舶以0.51 m∕s 設計速度出廂， 模型實測船底安全余量為0.72 m。 因此， 為確保船舶航行安全， 龍灘升船機吃水為2.4 m 的1 000 噸級設計船舶船底安全余量應不小于0.7 m。 綜合考慮對船底安全余量的要求還有其他類似工程的船底水深余量， 龍灘升船機承船廂設計水深為3.5 m 較為安全合理。

表3 不同船廂水深和船舶出廂航速時， 船舶在船廂內的最大下沉量與最小安全余量

圖4 不同船廂水深時船舶航速與船舶最大下沉量關系

圖5 不同船廂水深時船舶航速與船舶最小安全余量關系

前人根據理論分析及國內三峽、 向家壩、 思林、 構皮灘等大量升船機工程模型試驗成果[6-8]，研究德川船舶進出承船廂時的最大下沉量主要與船舶航速、 船廂水深和斷面系數有關。 結合量綱分析， 研究建立具有普遍適用性的船舶進出船廂最大下沉量計算公式[9]:

式中: δ 為最大下沉量(m)； h 為船廂水深(m)；v 為船舶航速(m∕s)； n 為斷面系數， n=F∕f； F 為船廂過水斷面面積(m2)； f 為船舶舯斷面的水下部分面積(m2)； g 為重力加速度(m∕s2)， σ、 τ 為與船廂有關的經驗系數。

根據龍灘升船機船舶出廂模型試驗數據， 無量綱化后P-K 關系見圖6， 其中

將P-K 關系通過最小二乘法進行擬合， 得出船舶出廂最大下沉量δ 與v、 h、 n 間存在式(4)關系， 由此可以根據相關曲線和擬合公式對其他工況進行插值估算龍灘升船機船舶出廂最大下沉量。

圖6 船廂水深不同時船舶出廂最大下沉量特性

4 升船機對接鎖定機構荷載

船舶出升船機第二級船廂過程， 第二級船廂內水體被推出， 第二級船廂內水體重量也會明顯下降， 升船機鎖定機構受力也會出現突變， 隨著中間渠道內的水流長波運動， 第二級船廂內水體重量既有增加也有下降， 并呈周期性波動， 這種水流長波運動對升船機鎖定機構受力也提出一定的要求。 船廂水面波動引起的船廂水體質量、 縱向傾斜力矩及鎖定機構單點荷載變化可通過船廂水面變化值估算得出。

龍灘升船機船廂設計水深3.5 m、 船舶出廂航速0.6 m∕s 時， 計算所得船舶出廂引起的船廂質量隨船舶位置變化過程線見圖7， 船舶出廂過程船廂失重、 增重最大時刻瞬時水面線見圖8， 船舶出廂引起船廂縱向傾斜力矩和鎖定機構單點荷載隨船舶位置變化過程線分別見圖9 和圖10。

圖7 船廂質量變化過程線

圖8 船廂失重、 增重最大時刻瞬時水面線

圖9 船廂縱向傾斜力矩變化過程線

圖10 船廂鎖定機構單點荷載變化過程線

不同船廂水深和船舶航速時， 第二級船廂的最大失重、 鎖定機構單點最大荷載和最大等價水面變化分別見圖11～13。 分析可知:

1)船舶失重最大時刻船首尚未駛出3#渡槽單向航道， 船舶仍有近半船體位于船廂內， 船廂內大量水體被推出， 造成船廂內水體重量大幅減少；船廂增重最大時刻: 船尾駛出3#渡槽單向航道進入3#渡槽雙向航道， 3#渡槽雙向航道及上游中間渠道內的水體驟然進入第二級船廂， 造成船廂水體質量的明顯增加。

2)船舶出廂過程， 船廂失重最大值明顯大于增重最大值。 船廂設計水深3.5 m， 船舶以0.6 m∕s航速出廂， 船廂最大失重質量185.4 t， 最大增重質量68.2 t。

3)船舶出廂航速一定時， 船廂水深越小， 船廂失重越多、 船廂鎖定機構單點荷載越高、 船廂等價水面變化值也越大； 船廂水深一定時， 船舶出廂航速越高， 船廂質量變化越大、 船廂鎖定機構單點荷載越高。

4)為確保升船機和船舶的安全， 船廂鎖定機構受力應在設計允許范圍內， 故估算所得的鎖定機構荷載值也可作為確定合理的船廂水深和船舶出廂航速限值的參考依據。

圖11 船廂最大失重質量

圖12 船廂鎖定機構單點最大荷載

圖13 船廂最大等價水面變化

5 船舶出廂對第一級升船機對接的影響

由于龍灘水電站通航建筑物為兩級帶中間渠道的垂直升船機， 須考慮到船舶從第二級升船機船廂駛出至中間渠道航行對第一級升船機在下游對接的影響。 若第一級升船機下閘首處水面波動較大， 船廂門內外水位差過大， 第一級升船機與中間渠道對接則比較困難， 既可能船廂門難以打開進行對接， 又可能船廂門打開后中間渠道內水體大量涌入船廂(船廂門外水深大于船廂內)、 船廂內水體大量流出(船廂門外水深小于船廂內)，引起船廂內水體質量、 縱向傾斜力矩等短時間內發生較大變化， 不僅影響升船機的運行效率， 還威脅到升船機鎖定機構以及船廂和中間渠道內船舶航行或停泊安全。

龍灘升船機船廂設計水深3.5 m， 船舶不同典型航速出廂過程中， 第一級升船機下閘首水面變化見圖14。 從圖14 可知， 在船舶出廂過程中， 第一級升船機下閘首水面先壅高后降低， 船舶出廂航速越大， 水面變幅越大。 可以看出， 在船舶出廂停泊在3#渡槽雙向航道時， 船舶出廂形成的涌水波在中間渠道和兩級升船機船廂內形成復雜的長波運動， 15～20 min 內第一級升船機下閘首仍將產生較大的水面變幅。

圖14 不同航速船舶出廂第一級升船機下閘首水面變化

參考三峽升船機設計要求， 船廂門開啟時， 船廂內外水位差要求小于0.1 m， 其船廂對接過程中，下游引航道內的水位變化應小于船廂開門水位差即小于0.1 m， 因此龍灘升船機對接過程中， 第一級升船機下閘首水面變幅也可按小于0.1 m 控制。

不同船廂水深和船舶航速， 龍灘升船機船舶出第二級升船機船廂， 第一級升船機下游船廂門外水面最大變幅見表4 和圖15。 由圖15 和表4 可知， 船廂水深一定時， 船舶出廂航速越大， 第一級升船機下閘首水面變幅越大； 船舶出廂航速一定時， 船廂水深越小， 第一級升船機下閘首水面變幅越大。

表4 第一級升船機下閘首水面最大變幅

圖15 第一級升船機下閘首最大水面變幅

6 船舶出廂控制標準探討

根據以上試驗成果分析， 船舶出廂過程引起船廂及中間渠道內水面波動、 航行船舶尾部下沉、船廂內水體質量增減、 船廂鎖定機構荷載變化等，可從這些角度出發， 對船舶出廂控制標準進行探討。

船舶出廂過程， 引起船廂及中間渠道內水面波動， 從升船機對接船廂安全角度考慮， 第一級升船機下閘首水面變幅小于0.1 m， 龍灘升船機船廂設計水深3.5 m、 船舶出廂航速應≤0.8 m∕s，考慮船廂誤載水深-0.1 m 即船廂水深3.4 m， 船舶出廂航速應≤0.6 m∕s。

船舶出廂過程， 航行船舶尾部下沉， 從船舶航行安全角度考慮， 船底安全余量為0.7 m， 龍灘升船機船廂設計水深3.5 m， 船舶出廂航速應≤0.7 m∕s， 考慮船廂誤載水深-0.1 m 即船廂水深3.4 m， 船舶出廂航速應≤0.5 m∕s。

對比第二級升船機船舶出廂航速對第一級升船機對接的影響與自身出廂航行安全的影響， 船舶安全航行對出廂航速的要求更高。 因此， 在僅考慮船舶出廂過程(不計船舶繼續在中間渠道航行過程)時， 船舶出廂控制標準以出廂引起的下沉量為控制因素。 龍灘升船機船廂設計水深3.5 m， 船舶出廂航速≤0.7 m∕s， 考慮誤載水深0.1 m 即船廂水深3.4 m 時， 船舶出廂航速應≤0.5 m∕s， 可滿足最大吃水為2.4 m 的1 000 噸級船舶過機。

船廂出廂過程， 船廂內水體質量和船廂縱向傾斜力矩產生變化， 船廂鎖定機構受力也隨之變化， 為確保升船機和船舶的安全， 船廂鎖定機構受力應在設計允許范圍內， 可通過船廂水面變化值估算得出船廂鎖定機構荷載值， 并令其小于鎖定機構設計最大值來對船廂水深及船舶航速等提出控制要求。

此外， 船舶出廂過程引起水流在中間渠道和兩級升船機船廂內長波運動， 對其他船舶的停泊安全有一定的危害， 會引起船舶顛簸晃動， 故從停泊船舶系纜力不超出規范允許限值的要求來考慮， 也應對船舶出廂水深及船舶航速等提出控制要求。

7 結語

1)船舶出船廂時， 廂內大量水體被推出， 有可能發生船舶觸底和船廂荷載劇烈變化， 影響船舶及船廂安全； 同時船舶出廂過程會引起船廂及中間渠道內水面波動， 影響升船機對接安全。

2)綜合考慮升船機對接安全和船舶航行安全， 龍灘升船機船廂設計水深為3.5 m 較為安全合理， 在該船廂設計水深條件下， 為滿足最大吃水為2.4 m的1 000 噸級船舶過機， 船舶出廂航速應≤0.7 m∕s。

3)龍灘升船機船廂設計水深3.5 m， 船舶出廂航速0.7 m∕s， 廂內水面最大變幅0.54 m， 船舶最大下沉量0.4 m、 最小安全余量0.7 m， 船廂水體相對最大失重3 632 kN， 鎖定機構單點最大荷載774 kN， 船廂等價水面變化0.28 m。