庫區急彎航段船舶通航模擬試驗*

陳明慧，閆 濤，李曉松

(1.湖南省水運建設投資集團有限公司，湖南 長沙 410011；2.交通運輸部天津水運工程科學研究院 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

天然情況下，急彎河道由于邊界條件的突變，在水流向下運動過程中，其流速分布發生重新調整，特別當河道狹窄、流量較大時，急彎河道內常常出現掃彎水、橫斷面環流與二次流等多種水流結構[1-2]，形成急險灘段威脅通航安全，急彎段通航一直是航道和海事部門關注的重點[3]。處于庫區的急彎段河道，隨著壩前蓄水位的升高，庫區彎道水動力減弱，水深、流速和流態與蓄水前相比出現較大變化，如在三峽大壩蓄水至175 m后，大壩上游至重慶港660 km的庫區航道，隨著平均河寬增大、水深增加以及流速趨緩，原本急險礙航灘段轉化為優良河段，通航條件大幅改善[4]。而當水庫處于消落期或汛期低水位運行時，庫區河段水動力增強，急彎段多種復雜水流結構又隨之出現，水流運動特性向天然急彎段趨勢發展，不利于通航安全[5-7]。因此水庫低水位運行時的水流條件成為庫區急彎段航道的通航控制條件。

與天然急彎段航道整治相比，庫區急彎段航道整治具有其特殊性。當水庫低水位運行時，位于常年庫區的急彎段仍處于壅水狀態，若采取常規的急彎段整治工程，如凹岸側丁壩、填槽、凸岸開挖等強約束工程措施，不僅工程量較大，整治效果難以保證，而且易對庫區泥沙淤積和泄洪造成不利影響[8-9]。考慮到庫區急彎段受壩前水位調控影響，其不利通航水流條件的持續時間處于可控范圍。本研究選擇湘江中游位于常年庫區的碼頭嶺急彎段作為典型河段，采用數學模型結合船舶操縱模擬器的手段，針對這類僅在汛期低水位運行時礙航的庫區急彎段，探討滿足船舶安全航行要求的非工程措施。

1 庫區急彎段概況

湘江干流兩岸多為蜿蜒起伏的丘陵，梯級樞紐的建立極大地改善了干流通航條件。浯溪樞紐位于湘江干流中游，是湘水干流梯級開發的第三級，上下分別與瀟湘、湘祁樞紐實現通航水位銜接，其通航建筑物可過千噸級船舶。碼頭嶺急彎段位于浯溪樞紐上游約2 km，屬于常年回水區。從平面上看，碼頭嶺急彎段呈反“S”形，河面寬度較上下游小，最窄處河寬不足250 m，河心自然彎曲半徑約200 m。碼頭嶺急彎彎頂下游存在一處建庫前形成的沖刷深潭，范圍約300 m×400 m，最低點高程與周邊河床相比低20 m左右(圖1)。

圖1 庫區碼頭嶺急彎段平面形態及凹岸深槽斷面

碼頭嶺急彎段受水庫壅水影響，總體上水流條件較好，但隨著入庫流量的增大和壩前水位的降低，彎道段的水流條件呈現天然特性，導致通航條件逐漸惡化。較小的彎曲半徑和狹窄的航槽，導致下彎道段凸岸及河心區域出現明顯的掃彎水，凹岸則出現較大面積的回流區，極易造成船舶偏轉和偏移，而出現落彎、掉鉤或打搶等事故。

2 通航模擬試驗

2.1 數學模型試驗

建立庫區急彎段平面二維水流數學模型，計算樞紐不同運行方式下碼頭嶺急彎段的水動力條件，根據通航水流條件判斷通航不利工況。

數學模型的模擬范圍定為樞紐上游約8 km河段，計算域進、出口位于順直河段。模型采用曲線正交網格計算水流運動，網格尺度20 m×8 m，工程區局部河段加密至5 m×2 m。模型進口邊界由入庫流量控制；出口邊界由壩前水位控制；岸邊界采用非劃移邊界，其邊壁流速給定為零。模型采用實測資料反求的方法確定床面綜合阻力系數，取值為0.030～0.036，模型采用Smagorinsky公式計算紊動黏性系數，取值為1。

結合與2017年地形同期實測的1 150、6 300 m3/s兩級流量下水面線和斷面流速分布，對模型進行率定。結果表明，模型計算水位與實測水位誤差在±0.1 m內，模型計算流速與實測流速分布規律基本一致，數學模型的驗證精度可以滿足研究的計算要求。

樞紐不同運行方式下的水動力計算結果表明，按照目前馬頭嶺急彎段航線布置，各級流量下航道水深、航道內局部比降和縱向流速均可滿足通航要求，但橫向流速方面，當來流量在2 000～4 000 m3/s時，樞紐為控泄狀態，航道橫向流速在0.20～0.53 m/s；當來流量Q≥7 550 m3/s時，樞紐為低水位運行工況，庫區水流流動加劇，急彎段航道橫向流速為1.21～1.51 m/s(圖2)。馬頭嶺急彎段影響通航的主要因素是樞紐低水位運行時急彎航段橫向流速過大。從平面流速分布看，樞紐低水位運行工況下，碼頭嶺彎頂附近存在一個范圍較大的緩流區，其位置與沖刷深潭的位置基本一致(圖3)。

圖2 低水位運行工況下碼頭嶺急彎段航道橫向流速分布

圖3 7 550 m3/s流量下急彎段流場分布

2.2 船舶模擬試驗

基于船舶操縱模擬器，建立碼頭嶺急彎河段研究范圍內的水深和模擬實景圖，選取湘江干流1 000噸級船舶作為代表船型，其主尺度為85.0 m×10.8 m×2.0 m(長×寬×滿載吃水)，通過優化相關參數進行船舶模型旋回、保向、停船率定，使模擬船操縱特性與參考原型船操縱特性具有相似性。

將數學模型計算得到的水動力結果作為邊界條件，進行樞紐低水位運行工況下設計方案(設計航線、閘前錨地)船舶航行操縱模擬試驗。模擬試驗選取的洪水期入庫流量分別為7 550、9 980和11 730 m3/s，代表了2 a一遇、5 a一遇和10 a一遇入庫流量。從結果可以看出，采用設計航線與規劃的閘前錨地，下行進閘船舶的通航風險主要體現在2個方面。

對設計航線而言，當入庫流量為7 550 m3/s時，下行通過碼頭嶺急彎段的船舶在彎道水域航行時最大橫移速度可達0.85 m/s；當入庫流量為11 730 m3/s時，在彎道水域航行時最大橫移速度可達1.41 m/s，所壓舵角最大為35°且持續時間較長。按照設計航線航行時存在較大的通航風險。7 550 m3/s和11 730 m3/s流量下船舶通過急彎段的航行軌跡見圖4。

圖4 不同流量下急彎段下行船舶航行軌跡

設計的閘前錨地位于右岸，上距碼頭嶺急彎段彎頂約1.2 km，下距樞紐泄水閘約1.4 km。當入庫流量為7 550 m3/s時，下行船舶在進入規劃錨地的過程中需占用較大的水域掉頭，影響范圍約為250 m，且航跡帶距離泄水閘較近，掉頭迎流拋錨存在較大風險(圖5)；而從錨地起錨進閘過程中，船舶掉頭占用的水域較小，起錨進閘的風險相對較低，航行姿態優于進入錨地拋錨的情況。

3 航行方案優化

3.1 過彎航線優化

在中、洪水時，設計航線無法滿足船舶在急彎河段的安全航行要求，所以對過彎航線及航行方案進行優化。按照航線與水流平順的原則，結合數模流場計算結果，充分利用彎頂處較大范圍的緩流區，在保證航道水深滿足要求的前提下，考慮船舶入彎后先沿右岸駛入緩流區，在此水域降速轉向后出彎，進而駛入船閘。圖6為急彎段航行優化線路及7 550 m3/s流量下操縱模擬試驗獲得的船舶航行軌跡。

圖6 急彎段航行優化線路及7 550 m3/s流量航跡

根據上述思路，進行樞紐低水位運行工況下三級洪水流量的船舶航行模擬試驗，同時統計急彎段航道沿程的舵角、漂角、漂移量及橫移速度等船舶航行參數，并與設計方案進行對比(圖7、表1)。可以看出，三級洪水流量下，采用優化后的航行方案，船舶在整個過彎過程中所操舵角最大為35°，與優化前保持一致，但持續里程均為約2倍船長，遠小于優化前的600～1 000 m。過彎時最大橫移速度在7 550 m3/s流量下為0.39 m/s，在11 730 m3/s流量下增大至0.73 m/s，而優化前最大橫移速度在7 550 m3/s時即達0.85 m/s。相應地，優化前后漂移量也有較大差異，前者在7 550 m3/s時達110 m，優化后減小至46.0 m。可見，與優化前相比，優化后的航行方案在橫移速度和漂移量方面明顯改善。

圖7 優化航行方案船舶過彎參數沿程變化

表1 船舶航行方案優化前后參數對比

3.2 錨地布置優化

船舶駛入錨地過程中須先航行至錨地下游彎頂水域進行掉頭，然后航行至錨地靠船墩靠泊。當前錨地存在的主要風險為拋錨船舶轉彎半徑過大，且轉彎水域與樞紐泄水閘距離過于接近。優化錨地布置同樣基于充分利用彎道水域緩流區的思路，優化方案將待閘錨地上移至彎頂附近，與樞紐泄水閘距離由1.4 km增大為約3 km，同時建議在待閘錨地設置靠船墩。

圖8為1 000 t貨船在7 550 m3/s流量下駛入和駛出錨地的航跡圖。船舶行至彎頂水域時，航速控制在4 kn以下，產生的橫移速度最大為0.4 m/s；到達彎頂水域時，利用車、舵并借助水流進行轉向，轉向占用的橫向距離約80 m；轉向完成后頂流進入錨地進行靠泊，靠泊過程中產生的橫移速度最大為0.3 m/s，靠泊風險較低。

船舶從錨地靠船墩駛出過程中，待船舶離開靠船墩一段距離后進行掉頭，掉頭完成后迅速駛入航道，按照設計航線航行。圖8為起錨進閘的航行軌跡，從圖中可以得出，在車、舵的協助下并借助水流的作用，船舶掉頭占用的水域較小，船舶從錨地起錨進閘的航行風險較低。

圖8 錨地優化后7 550 m3/s流量下拋錨和起錨船舶軌跡

通過對比錨地優化前后的航行參數發現(表2)，7 550 m3/s流量下進入錨地過程中航行參數差異最大。將錨地位置優化至彎頂緩流區后，船舶掉頭占用的水域范圍由250 m減小至80 m，僅為原方案的1/3，最大橫移速度由1.00 m/s降低至0.30 m/s。11 730 m3/s流量下進入錨地過程中，錨地位置優化至彎頂緩流區后，船舶掉頭占用的水域范圍由370 m減小至120 m，最大橫移速度由1.70 m/s降低至0.53 m/s。當船舶駛出錨地時，2種方案的掉頭范圍和最大橫移速度相差不大。

表2 錨地優化前后航行參數對比

4 結論

1)庫區急彎段航道的整治受壅水影響，采取常規的丁壩、填槽、開挖等強約束工程措施，不僅工程量較大、整治效果難以保證，而且對庫區泥沙淤積和泄洪易造成不利影響，因此研究采取非工程措施改善庫區急彎段通航具有現實意義。

2)碼頭嶺急彎段樞紐洪水期低水位運行工況下，隨著庫區水動力增強，原有設計航線的橫向流速達1.21～1.51 m/s，使船舶產生的漂距和橫移速度均較大，航行風險突出。利用凹岸緩流區對航行方式進行優化，可降低船舶的橫移速度和漂移量，通航條件得到改善。

3)設計的閘前錨地位于右岸，下距樞紐泄水閘約1.4 km，在樞紐洪水期低水位運行工況下，下行船舶拋錨需占用較大的水域掉頭，且航跡帶距離泄水閘較近，存在較大的通航風險。通過將待閘錨地上移至在彎頂附近的緩流區，不僅使船舶掉頭所占的水域面積大幅減小，且其軌跡遠離泄水閘，降低了通航風險。