報(bào)告簡(jiǎn)本_交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目管理中心

1、河航道通航條件關(guān)鍵技術(shù)研究（二期）報(bào)告簡(jiǎn)本引言0.1研究背景近年來(lái)，在河航道建設(shè)上，經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)和提出了不少急待研 究的技術(shù)問(wèn)題，其中，有關(guān)河航道通航水流條件方面總結(jié)歸納了八個(gè)方面的問(wèn)題， 擬作專(zhuān)題研究。受研究經(jīng)費(fèi)及研究周期所限，八個(gè)專(zhuān)題的研究工作擬分三期進(jìn)行。 2004年已啟動(dòng)了第一期的研究工作，容包括“通航建筑物口門(mén)區(qū)及連接段通航 水流條件”、“跨河建筑物通航凈寬、凈高”和“河航道設(shè)計(jì)通航水位計(jì)算方法” 三個(gè)專(zhuān)題。二期的研究容主要包括：“通航建筑物引航道通航水流條件研究”和“河航道橫流對(duì)船舶航行的影響研究”兩個(gè)專(zhuān)題。二期研究容的擬定主要是基于 其研究容與一期相關(guān)專(zhuān)題的連續(xù)性，以

2、充分利用一期研究過(guò)程中收集的相關(guān)資 料，為二期研究工作的開(kāi)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(jī)等過(guò)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(guò)閘的船舶安全停泊，并使進(jìn)出船舶能 交錯(cuò)避讓順利進(jìn)出通航建筑物。在通航建筑物灌泄水時(shí)，上下游引航道產(chǎn)生非恒定流，由此引起的水面波動(dòng) 和流速、流態(tài)變化不僅對(duì)引航道等待過(guò)閘的船舶產(chǎn)生各種動(dòng)水作用力，直接影響船只進(jìn)出引航道，同時(shí)，涌浪還會(huì)使引航道中的水面降低，減小有效水深，影響 航行安全，在國(guó)外的工程實(shí)踐中，在引航道均有發(fā)生船只海損事故的實(shí)例。船閘引航道的通航水流條件與口門(mén)區(qū)的水流條件也息息相關(guān)，口門(mén)區(qū)通常為動(dòng)靜水的交界

3、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(shí)際工程中，常在導(dǎo)航堤頭部開(kāi)孔以改善口門(mén)區(qū)的水流條件。但開(kāi)孔的同時(shí)，特別是在引航道端部開(kāi)孔的一定圍也產(chǎn)生水流流速， 從而影響引航道的通航水流條 件。本項(xiàng)目專(zhuān)題一系統(tǒng)研究了船閘灌泄水非恒定流長(zhǎng)波波流運(yùn)動(dòng)的水力特性；長(zhǎng)波波幅與瞬時(shí)水面比降、與閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間、最大瞬時(shí)流量、灌泄水時(shí)間的關(guān)系，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則。同時(shí)，研究了不同開(kāi)孔方式對(duì)改善口門(mén)區(qū)水流條件的效 果，以及對(duì)引航道通航水流條件的影響，提出導(dǎo)航墻開(kāi)孔的布置原則，這對(duì)優(yōu)化工程設(shè)計(jì)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。保證航道全線(xiàn)貫通的關(guān)鍵往往取決于灘險(xiǎn)、過(guò)河、攔河或臨河建筑物等處的通航水流條件。其中過(guò)河

4、、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(shí)，只要水流流向與航向不一致，水流對(duì)船舶即產(chǎn)生 橫向作用，使船舶偏離規(guī)定航線(xiàn)。橫流是船舶航行中經(jīng)常遇到的一種水流狀況。在河通航標(biāo)準(zhǔn)(GB50139-2004中，對(duì)通航水流條件只作了原則規(guī)定，對(duì)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)(JTJ312-98 )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(jìn)出口、取水工程的進(jìn)口及排水工程的出口處，航道橫向流速不宜超過(guò)0.3m/s，回流流速不宜超過(guò)0.4m/s。”對(duì)非限制性順直航道的橫向流速的要求還有待進(jìn)一步研究。本項(xiàng)目專(zhuān)題二重點(diǎn)了研究河航道橫向流

5、速的大小、圍對(duì)航行船舶的影響，以及分析順直航道橫向流速的限值指標(biāo)等問(wèn)題，這是目前河航道整治工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)和管理必須研究解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題之一，也是現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)今后修訂時(shí)應(yīng)增加的容之一。0.2研究工作的技術(shù)路線(xiàn)和指導(dǎo)思想本項(xiàng)目是緊密?chē)@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(wèn)題進(jìn)行的兩個(gè)專(zhuān)題研究，因此，整個(gè)研究工作是在系統(tǒng)總結(jié)我國(guó)河航道建設(shè)在設(shè) 計(jì)和運(yùn)用情況的基礎(chǔ)上，緊緊圍繞項(xiàng)目研究的總體目標(biāo)，采用調(diào)研咨詢(xún)、資料收集、依托工程物理模型、概化物理模型、數(shù)學(xué)模型和綜合分析相結(jié)合的手段進(jìn)行 的一系列研究工作。研究工作的指導(dǎo)思想是研究容要有針對(duì)性，即緊密結(jié)合河航 道建設(shè)工程的實(shí)際；研究成

6、果要有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值、要有所提高、有所創(chuàng)新，既要 服務(wù)于河航道建設(shè)工程的設(shè)計(jì)和實(shí)踐， 為今后的類(lèi)似工程提供參考和借鑒， 又要為制定或修訂相關(guān)規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)容提供依據(jù)和豐富的素材，并力爭(zhēng)使研究成果達(dá)到國(guó)外的領(lǐng)先水平。1研究的容及主要成果本項(xiàng)目研究的總體目標(biāo)是提出具有科學(xué)性和實(shí)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(dǎo)航堤（墻）開(kāi)孔的布置原則；同時(shí)，在分 析討論河（運(yùn)河、水網(wǎng)）航道臨河建筑物附近橫向流速對(duì)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(zhuān)題一 一一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(guò)閘 的安全

7、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過(guò) 閘船舶（隊(duì)）暢通無(wú)阻、安全行駛的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)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(jì)算相結(jié)合的技術(shù)路線(xiàn)， 研究船閘灌泄水非恒 定流產(chǎn)生的長(zhǎng)波運(yùn)動(dòng)所形成的水力要素對(duì)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(shí)，結(jié)合國(guó)工程實(shí)例、概化物理模型和依托工程一渠江風(fēng)洞子樞紐整體物 理模型試驗(yàn)，研究導(dǎo)航堤（墻）開(kāi)孔對(duì)改善口門(mén)區(qū)水流條件的效果，以及對(duì)引航 道通航水流條件的影響，提出其布置原則。一、主要研究容和成果（1）船閘灌泄水引航道非恒定流理論分析在

8、研究分析長(zhǎng)度為無(wú)限長(zhǎng)的矩形斷面渠道，其灌泄水的推進(jìn)波高度hP與灌泄水流量Q成正比的基礎(chǔ)上，對(duì)船閘上下游引航道在灌泄水過(guò)程中， 當(dāng)引航道長(zhǎng)度Ln不同時(shí)，引航道波高有以下兩種情況：當(dāng)引航道長(zhǎng)度滿(mǎn)足：Lntmax : gn / Bn閘首處將出現(xiàn)最大波高:hmaIXQmaxLnn / Bn當(dāng)引航道長(zhǎng)度滿(mǎn)足：引航道將形成一個(gè)波面形狀及流速分布與流量過(guò)程線(xiàn)相似的完整的推進(jìn)波。(2) 船閘灌泄水引航道非恒定流概化模型試驗(yàn)成果對(duì)川級(jí)航道進(jìn)行了概化模型試驗(yàn)，試驗(yàn)所采用的船閘尺度按河通航標(biāo)準(zhǔn) 的規(guī)定選定；設(shè)定船閘水頭為10、15、20、25和30m閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間選取2min 和6min；試驗(yàn)和計(jì)算船型選擇160X0

9、.8 >2.0 m引航道斷面采用規(guī)則梯形斷面， 邊坡1:2 ;引航道長(zhǎng)度為600、1000和1600 m,寬度為75和40 m：擴(kuò)大段長(zhǎng)度 取一倍船長(zhǎng)，底寬為1.5倍直線(xiàn)段底寬；引航道最小水深 3 m。試驗(yàn)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(mén)開(kāi)啟時(shí) 間、輸水時(shí)間、流量增率和最大瞬時(shí)流量對(duì)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(yàn)公式等。同時(shí)，對(duì)目前規(guī)中引航道水流條件的限制值 及有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了分析和討論。(3) 平面二維數(shù)值模擬計(jì)算成果對(duì)I、 U、W級(jí)航道進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型計(jì)算，計(jì)算條

10、件和組次與概化模型基本類(lèi)同。數(shù)值模擬計(jì)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(shí)，流速、水位、水深在網(wǎng)格中采用交錯(cuò) 排列。在數(shù)值模擬計(jì)算之前，對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，即采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與 物理模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。從驗(yàn)證結(jié)果可見(jiàn)，在船閘灌泄水時(shí)，引航道驗(yàn)證點(diǎn)水位變化曲線(xiàn)趨勢(shì)，計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合較好， 驗(yàn)證點(diǎn)物理模型與數(shù)學(xué) 模型計(jì)算最大水位變幅結(jié)果偏差滿(mǎn)足通航建筑物水力學(xué)模擬技術(shù)規(guī)程精度要 求。在此基礎(chǔ)上，取得了 I、U、W級(jí)航道不同方案的計(jì)算成果。(4) 導(dǎo)航墻開(kāi)孔研究成果a. 導(dǎo)航堤(墻)開(kāi)孔概化物理模型試驗(yàn)研究：兩種開(kāi)孔方式的試

11、驗(yàn)研究， 開(kāi)敞式開(kāi)孔一一即在引航道導(dǎo)航墻端部布置導(dǎo)流墩；淹沒(méi)式開(kāi)孔一一在導(dǎo)航墻順 直段或擴(kuò)大段水面以下開(kāi)孔；b. 依托工程一一渠江風(fēng)洞子電航樞紐引航道導(dǎo)航墻不同開(kāi)孔型式的試驗(yàn)： 探討開(kāi)孔的型式、圍及其面積比；以及開(kāi)孔對(duì)改善口門(mén)區(qū)橫向流速的效果和對(duì)引 航道通航水流條件的影響。c. 國(guó)導(dǎo)航墻開(kāi)孔的工程實(shí)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(dǎo)航墻開(kāi)孔的布置原則。二、本專(zhuān)題的創(chuàng)新點(diǎn)(1) 提出了船閘灌泄水非恒定流對(duì)通航水流條件的影響主要是對(duì)引航道水 深、系纜力和航行阻力的影響。水位波動(dòng)與瞬時(shí)最大流量和引航道長(zhǎng)度有關(guān)，當(dāng) 引航道長(zhǎng)度Ln

12、<0.5tmax(g JBn時(shí)，灌水時(shí)最大降低和泄水時(shí)最大升高值變動(dòng) 幅度隨長(zhǎng)度增加而增大；當(dāng)引航道長(zhǎng)度Ln 0.5tmax(g n/Bn)"后，灌水時(shí)最大降 低和泄水時(shí)最大升高值基本不變。(2) 在引航道設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮船閘灌泄水在引航道引起水深的減小；同時(shí)，應(yīng)考慮閘室寬度的改變而引起引航道水力要素的增大，如超標(biāo)，應(yīng)采取相應(yīng)的改善措施。(3) 提出了 IW級(jí)船閘灌泄水時(shí)，引航道水面降低與最大流量的經(jīng)驗(yàn)公式；以及引航道水面比降與最大流量增率的經(jīng)驗(yàn)公式。并根據(jù)不同船閘等級(jí)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(duì))對(duì)比降和流速產(chǎn)生的影響，斷面系數(shù)越 小，影

13、響越大。利用航道整治水力計(jì)算中關(guān)于船舶航行阻力的計(jì)算公式，進(jìn) 行船閘引航道停泊條件系纜力計(jì)算時(shí)，如數(shù)學(xué)模型中不考慮停泊船舶(隊(duì))時(shí)， 得到的系纜力計(jì)算值偏小，只有當(dāng)引航道斷面系數(shù)n12時(shí)，該方法計(jì)算的系纜 力值與規(guī)計(jì)算值接近。1.2專(zhuān)題二河航道橫流對(duì)船舶航行的影響研究航道暢通必須全線(xiàn)暢通。保證全線(xiàn)暢通的關(guān)鍵往往在灘險(xiǎn)、過(guò)河、攔河(過(guò) 船建筑物)、臨河建筑物等處的通航水流條件。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，臨河建筑物越 來(lái)越多，取、排水往往造成航道出現(xiàn)橫流，從而影響船舶航行。本專(zhuān)題通過(guò)調(diào)研、分析、概化模型試驗(yàn)和船模試驗(yàn)等不同研究手段，提出順直航道橫向流速限值指標(biāo)的建議值， 以保證設(shè)計(jì)船舶在通航期安全、 順暢通

14、過(guò)臨 河建筑物的河段，為國(guó)家制定水運(yùn)技術(shù)政策提供依據(jù)，也可為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定或 修訂打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。、主要研究容和成果模型概化與代表船型選擇、航道橫向流速的大小對(duì)船舶航行的影響研究、 航 道橫向流速的圍對(duì)船舶航行的影響研究和順直航道橫向流速限制性指標(biāo)的分析 與討論等。（1）無(wú)艏向角航行時(shí)計(jì)算船舶橫漂速度的經(jīng)驗(yàn)公式船舶橫向漂離的速度稱(chēng)為船舶的橫向漂移速度，簡(jiǎn)稱(chēng)橫漂速度，該速度是橫 流對(duì)船舶航行產(chǎn)生影響的一個(gè)重要效應(yīng)， 直接反應(yīng)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(shí)受對(duì)岸航速及船型的影響，橫流是船舶 產(chǎn)生橫漂的直接動(dòng)力。由統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)資料可得經(jīng)驗(yàn)公式：VxVf匕訂Vb（2

15、） 計(jì)算船舶航行漂角 的經(jīng)驗(yàn)公式船舶航行于橫流區(qū)因受橫流力的作用， 其航跡線(xiàn)逐漸偏離預(yù)設(shè)航線(xiàn)，使船舶 中軸線(xiàn)與船舶中心處航跡線(xiàn)切線(xiàn)成某一夾角，該夾角稱(chēng)為船舶航行漂角。船舶 航行漂角 與對(duì)岸航速、橫向流速、船型及航行方式有關(guān)，分析航行試驗(yàn)資料可 得以下關(guān)系式：k2 冷 Ls pVb'（3）計(jì)算航跡帶寬度Bf的經(jīng)驗(yàn)公式試驗(yàn)結(jié)果表明，航跡帶寬度Bf受影響的主要因素為對(duì)岸航速，其次為橫向流 速，同時(shí)與船型、航行方式有關(guān)，當(dāng)船舶在限制航路航行時(shí)，航跡帶寬度變化率 相對(duì)無(wú)艏向角的小。航跡帶寬度 Bf的計(jì)算可用下式表達(dá)：VxBf k3I；? Ls qBsVb（4）計(jì)算船舶航行漂距的經(jīng)驗(yàn)公式試驗(yàn)結(jié)果表

16、明，船舶航行的漂距不僅與橫向流速、對(duì)岸航速、船型有關(guān)，同時(shí)與船舶跨越的橫流圍和區(qū)域有關(guān)，可用下式描述：VxED k5 c 訂 LsV（5）橫向流速限值的指標(biāo)通過(guò)對(duì)500t、300t船舶分別以不同車(chē)速（2.5m/s、3.0m/s、3.5m/s ）、不同 航行方式（無(wú)舵角航行、無(wú)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(yàn)。并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，提出了橫向流速的限值指標(biāo)。船舶在 限制航路中航行時(shí)，500t和300t船舶在對(duì)岸航速分別為2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s 時(shí)的橫流限值平均值。受各駕駛?cè)藛T的航行經(jīng)驗(yàn)、船舶初始船位、艏向角的不同， 橫流限值存在一定的圍。二、本專(zhuān)

17、題的創(chuàng)新點(diǎn)（1）采用500t、300t船模進(jìn)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(yàn)，研究了W級(jí)和V級(jí)航道橫流對(duì)船舶航行的影響。取得了橫向流速對(duì)船舶安全航行影響帶規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。（2）通過(guò)數(shù)模計(jì)算分析，確定水槽試驗(yàn)中支槽口門(mén)寬度與主支槽的流量比， 使試驗(yàn)較好地模擬了橫向流速對(duì)船舶航行的影響，在模擬技術(shù)上有新的發(fā)展。（3）由試驗(yàn)資料分析，提出了河航道橫流對(duì)船舶航行橫漂速度、漂角、航跡帶寬度、漂距等影響的經(jīng)驗(yàn)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(jí)河船舶可克服橫向流速的限值圍，可供設(shè)計(jì)參 考。2結(jié)束語(yǔ)整個(gè)研究成果是對(duì)河航道工程有關(guān)通航水流條件的

18、兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行 了研究，提出了一些新的觀(guān)點(diǎn)和新的方法。采用理論分析、概化物理模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算，研究了船閘灌泄水非恒定流的影響因素，提出了IW級(jí)船閘灌泄水時(shí)，引航道水面降低與最大流量的經(jīng)驗(yàn) 公式以及引航道水面比降與最大流量增率的經(jīng)驗(yàn)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)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(dǎo)墻開(kāi)孔率的計(jì)算方法對(duì)通 航水流條件評(píng)判的差別；建立了不同開(kāi)孔率與口門(mén)區(qū)和引航道水流條件的關(guān)系； 同時(shí)，提出了導(dǎo)航墻開(kāi)孔的布置原則，為通航建筑物導(dǎo)航墻設(shè)計(jì)提供了豐富的基 礎(chǔ)資料和技術(shù)支持。采用數(shù)學(xué)模型與水槽試驗(yàn)相結(jié)合的手段，研究了橫流對(duì)船舶航行的影響。取 得了橫向流速對(duì)船舶安全航行影響帶規(guī)律性的認(rèn)識(shí)；提出了