向家壩升船機下游引航道口門區水流條件研究

高 策

(中國長江三峽集團有限公司，湖北 武漢 430010)

0 引言

向家壩一級升船機位于四川省宜賓市和云南省水富市交界的金沙江下游河段，主要由上游引航道、上閘首、船廂室段、下閘首和下游引航道等五部分組成，最大提升高度114.20 m，機型采用全平衡齒輪齒條爬升、長螺母柱短螺桿保安式。按Ⅳ級航道標準設計[1]，設計代表船型為2×500 t級一頂二駁船隊(111.0 m×10.8 m×1.6 m(長×寬×吃水深，下同))，同時兼顧1 000 t級單船(85.0 m×10.8 m×2.0 m)[2]，根據《內河通航標準》[3]和《船閘總體設計規范》[4]，下游引航道口門區長度約為220 m，寬度約60 m。由于向家壩電站所處山區河道受自身天然地形條件限制，升船機下游引航道布置離泄洪設施較近，電站泄洪水流斜沖下游引航道口門區及連接段，口門區橫向流速、回流流速、波高較大，船舶航行受電站泄洪流量影響明顯。升船機自試通航驗收之際，其通航流量標準認定，尤以泄洪工況下，可通航流量標準認定，一直廣受行業專家、主管部門、船方等關注，爭議較大。為摸清下游引航道口門區通航水流條件規律，開展了原型觀測試驗。向家壩水電站樞紐布置平面示意圖見圖1。

1 試驗工況、內容及觀測方法

1.1 試驗工況

結合電站投產發電以來(2012年—2017年度)機組出力及電站泄洪情況，選取枯水期機組最小出力、豐水期機組滿發出力(不泄洪、泄洪)+機組不滿發出力(不泄洪、泄洪)等多種典型常遇工況進行。枯水期原型觀測通航流量范圍為1 600 m3/s～4 600 m3/s，電站未泄洪，上游航道水位375.70 m～373.75 m，下游航道水位269.45 m～265.96 m。汛期原型觀測通航流量范圍為6 800 m3/s～9 500 m3/s，其中泄洪流量范圍為1 000 m3/s～3 100 m3/s，上游航道水位376.1 m～374.21 m，下游航道水位273.6 m～271.55 m。

1.2 試驗內容

1)升船機下游引航道口門區表面流速流向(橫向、縱向和回流)觀測。

2)下游引航道口門區水位波動測量。

3)船舶航跡線、航速、航向角、漂角、微傾等測量。

1.3 觀測方法

1)口門區通航水流條件觀測。

枯水期原型觀測期間，由于電站不泄洪，采用船舶定位接觸測量方法定點觀測表面流速點處流速。汛期原型觀測期間，口門區觀測條件惡劣，之前采用的船舶定位接觸測量方法已不可行，通過多次試驗和優化，發明了隨水流跟隨性很好的浮子，利用GPS系統定位浮子的位置，計算其運動速度和方向，以獲得水流的流速，同時，設計了無人機全自動浮子拋投系統，應用于現場流速測量。

2)引航道水位波動觀測。

枯水期原型觀測期間，由于上下游水位波動較小，通過在下閘首右岸296.0 m平臺各布置一支量程為35.0 m的雷達水位計，觀測引航道水面波動。汛期原型觀測期間，下游引航道內水位波動較大，在下游引航道岸邊沿程布置5支水位計，觀測下游引航道口門區水面波動。引航道后門區水位計布置平面示意圖如圖2所示。

3)船舶航行特性觀測。

采用SDI-600GI慣性導航系統(GPS/INS組合導航設備，內部有3個陀螺、3個加速度計和NovAtel OEMV3接收機)，直接測量獲得船舶航速、橫傾、縱傾、方位角及位置經緯度，并通過后處理獲得船舶航跡線及漂角。

2 試驗成果

2.1 口門區水流條件

《船閘總體設計規范》中規定，引航道口門區水面最大流速限值，對Ⅰ級～Ⅳ級船閘，Vy≤2 m/s，Vx≤0.3 m/s，V回≤0.4 m/s。枯水期原型觀測期間，下游引航道口門區通航水流條件整體較好，下游引航道口門區最大縱向流速均小于2 m/s，且有較大余量；最大橫向流速小于0.3 m/s，滿足規范要求，最大回流流速雖然大于0.4 m/s，但是超標區域集中在口門區下游岸坡附近，橫向寬度僅15 m，且該區域已遠離航線，故對船舶進出引航道的航行安全性影響不大。汛期原型觀測期間，口門區最大縱向流速2.81 m/s，最大橫向流速0.9 m/s，最大回流流速0.64 m/s，下游引航道口門區通航水流條件指標略有超標。

2.2 引航道水位波動

枯水期原型觀測期間，通航流量均為電站機組出流，引航道內水位無明顯的漲落，波動范圍在0.05 m～0.07 m，波動主要由引航道內水位整體的微幅振蕩、風力作用和恒定狀態下的水流紊動、船行波等因素造成，波動整體較小。汛期原型觀測期間，下游引航道水位最大波高與泄洪流量基本呈線性關系，泄洪流量越大，最大波高也越大，泄洪流量小于2 500 m3/s時，引航道內水位波動小于0.5 m，引航道口門處水位波動與中部基本一致，口門區中部水位波動小于0.65 m，引航道末端波動略大，但均低于0.85 m，最大波高0.84 m(見表1)。

表1 不同工況下引航道及口門區最大波高

2.3 船舶航行特性

枯水期原型觀測期間，船舶下行航速大于上行航速，上行最大航速在3.0 m/s左右，下行最大航速在6.0 m/s左右；重載貨船通過口門區船舶縱傾和橫傾均較小，橫傾約0.3°～1.7°，縱傾約0.02°～0.4°；船舶下行漂角最大在30°內，上行漂角偏大，這與船舶行駛路徑相關。汛期原型觀測期間，上行最大航速在5.0 m/s左右，下行最大航速在8.0 m/s左右，船舶下行航速大于上行航速；通過口門區時，橫傾約±3.5°，變幅約7°，縱傾變幅約2°，隨流量增大，船舶橫傾和縱傾有增大的趨勢；船舶下行漂角最大在15°內，上行漂角偏大，這與船舶行駛路徑相關，上行過程船舶受水流影響運行路徑較為曲折(見圖3)，導致漂角較大，而下行過程則較平順(見圖4)。

2.4 通航安全分析

原型觀測表明，在樞紐泄洪工況下，向家壩升船機下游引航道口門區水流條件較為復雜，除斜向水流、回流較大外，還存在較大的水面波動，影響通航安全，已成為口門區通航水流條件的關鍵制約因素，規范對口門區的橫向流速、縱向流速和回流流速進行了限制，但對船舶橫搖并沒有相關限定。從相關資料可知，關系船舶航行安全的容許橫搖角與船舶自身的穩性有關，每條船舶均有其穩性計算書，一般隨船攜帶，統計參式船舶穩性計算書中相關參數，其滿載或空載的橫搖角均略大于10°，實測船舶通過口門區的橫搖角約3°～4°，從船舶工作人員舒適度考慮，橫搖角控制在4°以下是能夠接受的。

過機船舶相關統計數據表明，目前通過升船機船舶共78艘，A級航區J1航段船舶19艘，B級航區J1航段船舶58艘，C級航區J1航段船舶1艘，未出現J2航段船舶。結合原型觀測數據，按照《內河船舶法定檢驗技術規則》[5]規定，下游引航道口門區波高滿足目前在航的大部分船舶的安全航行要求(見表2)。

表2 航區航段灘上流速及波高對照表

3 結語

1)非泄洪工況下，下游引航道口門區最大縱向流速均小于1.0 m/s，最大橫向流速均小于0.3 m/s，滿足規范要求，回流流速局部超過規范規定的0.4 m/s，但超標區域集中在口門區下游岸坡附近，橫向寬度約15 m，該區域已遠離航線，對船舶進出引航道的航行安全影響不大。泄洪工況下，口門區最大縱向流速2.81 m/s，最大橫向流速0.9 m/s，最大回流流速1.18 m/s，口門區通航水流條件指標略有超標，按照《內河船舶法定檢驗技術規則》相關規定，下游引航道口門區水流條件滿足目前在航的大部分船舶的安全航行要求。

2)非泄洪工況下，下游引航道內及口門區水面平穩，波動不足10 cm。泄洪工況下，下游引航道水位最大波高與泄洪流量基本呈線性關系，且在泄洪流量相同情況下，出庫流量越大，最大波高也越大；口門區末端水位變幅最大；相同泄洪流量下，引航道中部水位波動相對較小，引航道封閉段處水位波動較中部略大；口門處水位波動波高小于口門區。

3)非泄洪工況下，上行最大航速均在3.0 m/s左右，下行最大航速在6.0 m/s左右；重載貨船通過口門區船舶縱傾和橫傾均較小，橫傾約0.3°～1.7°，縱傾約0.02°～0.4°，船舶下行漂角最大在20°內；泄洪工況下，上行最大航速在5.0 m/s左右，下行最大航速在8.0 m/s左右；通過下游引航道口門區時，橫傾約±3.5°，變幅約7°，縱傾變幅約2°；船舶下行漂角最大在15°內。船舶通過口門區的最大橫傾角差異很小，基本保持在3°～4°。查閱相關資料，從安全方面考慮，通常認為船舶橫搖角應在10°以下，從船上工作人員舒適度考慮，橫搖角宜控制在4°以下是能夠接受的。