專題二——內(nèi)河航道橫流對船舶航行的影響研究-交通科技管理中心.doc

內(nèi)河航道通航條件關(guān)鍵技術(shù)研究（二期）報告簡本引言0.1 研究背景近年來，在內(nèi)河航道建設(shè)上，經(jīng)過大量的工程實踐，發(fā)現(xiàn)和提出了不少急待研究的技術(shù)問題，其中，有關(guān)內(nèi)河航道通航水流條件方面總結(jié)歸納了八個方面的問題，擬作專題研究。受研究經(jīng)費及研究周期所限，八個專題的研究工作擬分三期進行。2004年已啟動了第一期的研究工作，內(nèi)容包括“通航建筑物口門區(qū)及連接段通航水流條件”、“跨河建筑物通航凈寬、凈高”和“內(nèi)河航道設(shè)計通航水位計算方法”三個專題。二期的研究內(nèi)容主要包括：“通航建筑物引航道通航水流條件研究”和“內(nèi)河航道橫流對船舶航行的影響研究”兩個專題。二期研究內(nèi)容的擬定主要是基于其研究內(nèi)容與一期相關(guān)專題的連續(xù)性，以充分利用一期研究過程中收集的相關(guān)資料，為二期研究工作的開展創(chuàng)造一定的條件。引航道是通航建筑物的重要組成部分，是船閘、升船機等過船設(shè)施與上、下游河道的連接通道，其作用在于保證等待過閘的船舶安全停泊，并使進出船舶能交錯避讓順利進出通航建筑物。在通航建筑物灌泄水時，上下游引航道內(nèi)產(chǎn)生非恒定流，由此引起的水面波動和流速、流態(tài)變化不僅對引航道等待過閘的船舶產(chǎn)生各種動水作用力，直接影響船只進出引航道，同時，涌浪還會使引航道中的水面降低，減小有效水深，影響航行安全，在國內(nèi)外的工程實踐中，在引航道內(nèi)均有發(fā)生船只海損事故的實例。船閘引航道的通航水流條件與口門區(qū)的水流條件也息息相關(guān)，口門區(qū)通常為動靜水的交界區(qū)，常產(chǎn)生斜流、橫流和回流等不利于航行的水流流態(tài)。因此，在實際工程中，常在導航堤頭部開孔以改善口門區(qū)的水流條件。但開孔的同時，特別是在引航道端部開孔的一定范圍內(nèi)也產(chǎn)生水流流速，從而影響引航道內(nèi)的通航水流條件。本項目專題一系統(tǒng)研究了船閘灌泄水非恒定流長波波流運動的水力特性；長波波幅與瞬時水面比降、與閥門開啟時間、最大瞬時流量、灌泄水時間的關(guān)系，并提出相應的設(shè)計原則。同時，研究了不同開孔方式對改善口門區(qū)水流條件的效果，以及對引航道通航水流條件的影響，提出導航墻開孔的布置原則，這對優(yōu)化工程設(shè)計有一定的現(xiàn)實意義。保證航道全線貫通的關(guān)鍵往往取決于灘險、過河、攔河或臨河建筑物等處的通航水流條件。其中過河、攔河或臨河建筑物等處影響船舶安全航行的主要因素是橫流。船舶在航道中航行時，只要水流流向與航向不一致，水流對船舶即產(chǎn)生橫向作用，使船舶偏離規(guī)定航線。橫流是船舶航行中經(jīng)常遇到的一種水流狀況。在內(nèi)河通航標準（GB50139-2004）中，對通航水流條件只作了原則規(guī)定，對非限制性順直航道橫向流速未提出具體的規(guī)定。在航道整治工程技術(shù)規(guī)范（JTJ 312-98）中，按引航道的通航水流條件要求，規(guī)定“船閘上下引航道進出口、取水工程的進口及排水工程的出口處，航道橫向流速不宜超過0.3m/s，回流流速不宜超過0.4m/s。”，對非限制性順直航道的橫向流速的要求還有待進一步研究。本項目專題二重點了研究內(nèi)河航道橫向流速的大小、范圍對航行船舶的影響，以及分析順直航道橫向流速的限值指標等問題，這是目前內(nèi)河航道整治工程規(guī)劃、設(shè)計、施工、維護和管理必須研究解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一，也是現(xiàn)行標準今后修訂時應增加的內(nèi)容之一。0.2 研究工作的技術(shù)路線和指導思想本項目是緊密圍繞內(nèi)河航道建設(shè)工程所涉及有關(guān)通航水流條件的關(guān)鍵技術(shù)問題進行的兩個專題研究，因此，整個研究工作是在系統(tǒng)總結(jié)我國內(nèi)河航道建設(shè)在設(shè)計和運用情況的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞項目研究的總體目標，采用調(diào)研咨詢、資料收集、依托工程物理模型、概化物理模型、數(shù)學模型和綜合分析相結(jié)合的手段進行的一系列研究工作。研究工作的指導思想是研究內(nèi)容要有針對性，即緊密結(jié)合內(nèi)河航道建設(shè)工程的實際；研究成果要有實際應用價值、要有所提高、有所創(chuàng)新，既要服務于內(nèi)河航道建設(shè)工程的設(shè)計和實踐，為今后的類似工程提供參考和借鑒，又要為制定或修訂相關(guān)規(guī)范標準中的有關(guān)內(nèi)容提供依據(jù)和豐富的素材，并力爭使研究成果達到國內(nèi)外的領(lǐng)先水平。1 研究的內(nèi)容及主要成果 本項目研究的總體目標是提出具有科學性和實用性的通航建筑物引航道水力要素的限值建議值以及通航建筑物導航堤（墻）開孔的布置原則；同時，在分析討論內(nèi)河（運河、水網(wǎng)）航道臨河建筑物附近橫向流速對船舶航行影響的基礎(chǔ)上，提出順直航道橫向流速限值的建議值。1.1 專題一 通航建筑物引航道通航水流條件研究引航道的尺寸和平面布置以及在樞紐總體中的布置都直接關(guān)系到船舶過閘的安全和效率，因此，引航道具有足夠的水深和適宜的平面布置是保證通航期內(nèi)過閘船舶（隊）暢通無阻、安全行駛的關(guān)鍵。通過對工程實踐經(jīng)驗、物理模型試驗和數(shù)值計算等相關(guān)成果資料的收集、分析，以及采用概化物理模型、數(shù)值計算相結(jié)合的技術(shù)路線，研究船閘灌泄水非恒定流產(chǎn)生的長波運動所形成的水力要素對船舶在引航道停泊與航行的影響，提出引航道水力要素（波幅、比降）的限值建議值。同時，結(jié)合國內(nèi)工程實例、概化物理模型和依托工程四川渠江風洞子樞紐整體物理模型試驗，研究導航堤（墻）開孔對改善口門區(qū)水流條件的效果，以及對引航道通航水流條件的影響，提出其布置原則。一、主要研究內(nèi)容和成果（1）船閘灌泄水引航道內(nèi)非恒定流理論分析 在研究分析長度為無限長的矩形斷面渠道，其灌泄水的推進波高度hp與灌泄水流量Q成正比的基礎(chǔ)上，對船閘上下游引航道在灌泄水過程中，當引航道長度Ln不同時，引航道內(nèi)波高有以下兩種情況：當引航道長度滿足： 閘首處將出現(xiàn)最大波高： 當引航道長度滿足： 引航道內(nèi)將形成一個波面形狀及流速分布與流量過程線相似的完整的推進波。（2）船閘灌泄水引航道非恒定流概化模型試驗成果對級航道進行了概化模型試驗，試驗所采用的船閘尺度按內(nèi)河通航標準的規(guī)定選定；設(shè)定船閘水頭為10、15、20、25和30m；閥門開啟時間選取2min和6min；試驗和計算船型選擇16010.82.0 m；引航道斷面采用規(guī)則梯形斷面，邊坡1:2；引航道長度為600、1000和1600 m，寬度為75和40 m：擴大段長度取一倍船長，底寬為1.5倍直線段底寬；引航道最小水深3 m。試驗研究了非恒定流的影響因素，包括引航道尺度、船閘水頭、閥門開啟時間、輸水時間、流量增率和最大瞬時流量對非恒定流水力參數(shù)（水位變幅、流速、比降、系纜力）的影響，建立了相互之間的關(guān)系，并提出了改善引航道通航水流條件的工程措施，以及經(jīng)驗公式等。同時，對目前規(guī)范中引航道內(nèi)水流條件的限制值及有關(guān)問題進行了分析和討論。（3）平面二維數(shù)值模擬計算成果對、級航道進行了數(shù)學模型計算，計算條件和組次與概化模型基本類同。數(shù)值模擬計算的基本方程是利用含源匯作用的水流基本方程，采用ADI法求解，網(wǎng)格為矩形網(wǎng)格?；痉匠屉x散時，流速、水位、水深在網(wǎng)格中采用交錯排列。在數(shù)值模擬計算之前，對數(shù)學模型進行了驗證，即采用數(shù)學模型計算結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果進行比較。從驗證結(jié)果可見，在船閘灌泄水時，引航道內(nèi)驗證點水位變化曲線趨勢，計算結(jié)果與模型試驗結(jié)果吻合較好，驗證點物理模型與數(shù)學模型計算最大水位變幅結(jié)果偏差滿足通航建筑物水力學模擬技術(shù)規(guī)程精度要求。在此基礎(chǔ)上，取得了、級航道不同方案的計算成果。（4）導航墻開孔研究成果 a. 導航堤（墻）開孔概化物理模型試驗研究：兩種開孔方式的試驗研究，開敞式開孔即在引航道導航墻端部布置導流墩；淹沒式開孔在導航墻順直段或擴大段水面以下開孔；b. 依托工程四川渠江風洞子電航樞紐引航道導航墻不同開孔型式的試驗：探討開孔的型式、范圍及其面積比；以及開孔對改善口門區(qū)橫向流速的效果和對引航道內(nèi)通航水流條件的影響。c. 國內(nèi)導航墻開孔的工程實踐以及研究成果的分析：收集了郁江那吉、渠江四九灘、嘉陵江新政、金溪等樞紐通航建筑物工程的相關(guān)資料，提出導航墻開孔的布置原則。二、本專題的創(chuàng)新點（1）提出了船閘灌泄水非恒定流對通航水流條件的影響主要是對引航道水深、系纜力和航行阻力的影響。水位波動與瞬時最大流量和引航道長度有關(guān)，當引航道長度時，灌水時最大降低和泄水時最大升高值變動幅度隨長度增加而增大；當引航道長度后，灌水時最大降低和泄水時最大升高值基本不變。（2）在引航道設(shè)計中，應充分考慮船閘灌泄水在引航道內(nèi)引起水深的減小；同時，應考慮閘室寬度的改變而引起引航道內(nèi)水力要素的增大，如超標，應采取相應的改善措施。（3）提出了級船閘灌泄水時，引航道內(nèi)水面降低與最大流量的經(jīng)驗公式；以及引航道內(nèi)水面比降與最大流量增率的經(jīng)驗公式。并根據(jù)不同船閘等級和控制船型，提出了允許的比降值。（4）提出引航道中停泊船舶（隊）對比降和流速產(chǎn)生的影響，斷面系數(shù)越小，影響越大。利用航道整治水力計算中關(guān)于船舶航行阻力的計算公式，進行船閘引航道停泊條件系纜力計算時，如數(shù)學模型中不考慮停泊船舶（隊）時，得到的系纜力計算值偏小，只有當引航道斷面系數(shù)n12時，該方法計算的系纜力值與規(guī)范計算值接近。1.2 專題二 內(nèi)河航道橫流對船舶航行的影響研究航道暢通必須全線暢通。保證全線暢通的關(guān)鍵往往在灘險、過河、攔河（過船建筑物）、臨河建筑物等處的通航水流條件。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，臨河建筑物越來越多，取、排水往往造成航道內(nèi)出現(xiàn)橫流，從而影響船舶航行。本專題通過調(diào)研、分析、概化模型試驗和船模試驗等不同研究手段，提出順直航道橫向流速限值指標的建議值，以保證設(shè)計船舶在通航期內(nèi)安全、順暢通過臨河建筑物的河段，為國家制定水運技術(shù)政策提供依據(jù)，也可為相關(guān)標準的制定或修訂打下堅實的基礎(chǔ)。一、主要研究內(nèi)容和成果模型概化與代表船型選擇、航道內(nèi)橫向流速的大小對船舶航行的影響研究、航道內(nèi)橫向流速的范圍對船舶航行的影響研究和順直航道橫向流速限制性指標的分析與討論等。（1）無艏向角航行時計算船舶橫漂速度的經(jīng)驗公式船舶橫向漂離的速度稱為船舶的橫向漂移速度，簡稱橫漂速度，該速度是橫流對船舶航行產(chǎn)生影響的一個重要效應，直接反應了船舶偏航程度的大小。船舶的橫漂速度主要與橫流速度有關(guān)，但同時受對岸航速及船型的影響，橫流是船舶產(chǎn)生橫漂的直接動力。由統(tǒng)計的試驗資料可得經(jīng)驗公式： （2）計算船舶航行漂角的經(jīng)驗公式船舶航行于橫流區(qū)因受橫流力的作用，其航跡線逐漸偏離預設(shè)航線，使船舶中軸線與船舶中心處航跡線切線成某一夾角，該夾角稱為船舶航行漂角。船舶航行漂角與對岸航速、橫向流速、船型及航行方式有關(guān)，分析航行試驗資料可得以下關(guān)系式： （3）計算航跡帶寬度的經(jīng)驗公式試驗結(jié)果表明,航跡帶寬度受影響的主要因素為對岸航速，其次為橫向流速,同時與船型、航行方式有關(guān)，當船舶在限制航路航行時，航跡帶寬度變化率相對無艏向角的小。航跡帶寬度的計算可用下式表達： （4）計算船舶航行漂距的經(jīng)驗公式試驗結(jié)果表明, 船舶航行的漂距不僅與橫向流速、對岸航速、船型有關(guān)，同時與船舶跨越的橫流范圍和區(qū)域有關(guān)，可用下式描述： （5）橫向流速限值的指標通過對500t、300t船舶分別以不同車速（2.5m/s、3.0m/s、3.5m/s）、不同航行方式（無舵角航行、無艏向角航行、限制航路航行等）上、下行穿越橫向流速區(qū)的186組試驗。并對試驗數(shù)據(jù)的分析，提出了橫向流速的限值指標。船舶在限制航路中航行時，500t和300t船舶在對岸航速分別為2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s時的橫流限值平均值。受各駕駛?cè)藛T的航行經(jīng)驗、船舶初始船位、艏向角的不同，橫流限值存在一定的范圍。二、本專題的創(chuàng)新點（1）采用500t、300t船模進行了不同航速、不同航行方式，上、下行穿越橫向流速區(qū)的試驗，研究了級和級航道橫流對船舶航行的影響。取得了橫向流速對船舶安全航行影響帶規(guī)律性的認識。（2）通過數(shù)模計算分析，確定水槽試驗中支槽口門寬度與主支槽的流量比，使試驗較好地模擬了橫向流速對船舶航行的影響，在模擬技術(shù)上有新的發(fā)展。（3）由試驗資料分析，提出了內(nèi)河航道橫流對船舶航行橫漂速度、漂角、航跡帶寬度、漂距等影響的經(jīng)驗公式，并分析了船舶航行參數(shù)與水流條件間的關(guān)系。（4）提出了500t和300t級內(nèi)河船舶可克服橫向流速的限值范圍，可供設(shè)計參考。2 結(jié)束語整個研究成果是對內(nèi)河航道工程有關(guān)通航水流條件的兩個關(guān)鍵技術(shù)問題進行了研究，提出了一些新的觀點和新的方法。采用理論分析、概化物理模型試驗和數(shù)值計算，研究了船閘灌泄水非恒定流的影響因素，提出了級船閘灌泄水時，引航道內(nèi)水面降低與最大流量的經(jīng)驗公式以及引航道內(nèi)水面比降與最大流量增率的經(jīng)驗公式和有關(guān)限值的建議值，不僅有利于保障船舶通航安全，也為相關(guān)規(guī)范的完善提供了豐富的素材。采用概化模型和樞紐整體模型，分析比較了兩種導墻開孔率的計算方法對通航水流條件評判的差別；建立了不同開孔率與口門區(qū)和引航道內(nèi)水流條件的關(guān)系；同時，提出了導航墻開孔的布置原則，為通航建筑物導航墻設(shè)計提供了豐富的基礎(chǔ)資料和技術(shù)支持。采用數(shù)學模型與水槽試驗相結(jié)合的手段，研究了橫流對船舶航行的影響。取得了橫向流速對船舶安全航行影響帶規(guī)律性的認識；提出了內(nèi)河航道橫流對船舶航行橫漂速度、漂