內(nèi)河航道通航條件關(guān)鍵技術(shù)研究(三期).doc

內(nèi)河航道通航條件關(guān)鍵技術(shù)研究（三期）報告簡本0 引言0.1 研究背景內(nèi)河航道通航條件關(guān)鍵技術(shù)三期的研究內(nèi)容主要包括：“山區(qū)河流通航建筑物引航道與河流主航道夾角的研究”和“彎曲航道尺度及通航水流條件的研究”兩個專題。山區(qū)河流蜿蜒曲折，彎曲航道比比皆是。在山區(qū)河流的航運樞紐中，通航建筑物上下游引航道、連接段航道中心線與河流主流往往呈一定的夾角，產(chǎn)生“斜向流”，使航行船舶發(fā)生偏轉(zhuǎn)、橫移，以致偏離航線，對船舶安全進出引航道構(gòu)成威脅，夾角過大時，甚至造成礙航或者斷航。因此，研究通航建筑物引航道與河流主航道的夾角是山區(qū)河流航運樞紐總體布置中的一個共性問題，也是確保船舶安全航行、進出引航道所需解決的一個技術(shù)難題。在現(xiàn)行標準中，根據(jù)工程的實踐經(jīng)驗，對該夾角僅提出了建議值即：“引航道、口門區(qū)和連接段的中心線與河流或引河的主流流向之間的夾角宜縮小。在沒有足夠資料的情況下，此夾角不宜大于25”。這項規(guī)定對于河流寬闊、流速相對較小的平原河流或運河來說，夾角25基本上是可行的。但對山區(qū)河流來說，在2年一遇或5年一遇洪水流量時，水流的縱向流速一般已達到23m/s，當主航道軸線與引航道軸線呈25夾角時，橫向流速已大大超過口門區(qū)的允許值。因此，25的限值已不能起到安全保證的作用。特別是在樞紐采用混合式開發(fā)方式的情況下，通航建筑物采用“截彎取直”布置，其軸線與河流的夾角已接近90，上下游引航道口門區(qū)及連接航道軸線常采用曲線布置，已無法用25來衡量其優(yōu)劣。因此，專題一是針對山區(qū)河流渠化工程中，不同條件、不同水流夾角所能適應的通航條件進行系列試驗，以取得不同條件下夾角的限制建議值；并提出在較大夾角時，改善通航條件的工程措施及原則，為山區(qū)河流通航建筑物的設計提供科學依據(jù)，也為有關(guān)規(guī)范修編提供基礎(chǔ)技術(shù)資料。在我國，彎曲航道是一種常見的平面形態(tài)，受地形和水流條件的影響，航道尺度往往受到限制，對船舶安全航行帶來隱患。作為航道設計、施工和維護的一項基本理論和技術(shù)研究彎曲航道的尺度和水流條件標淮是非常必要的。在現(xiàn)行標準中，僅對彎曲段的航道寬度作了原則性的規(guī)定即“內(nèi)河航道彎曲段的寬度應在直線段航道寬度的基礎(chǔ)上加寬，其加寬值可通過分析計算或試驗研究確定”。標準未給出不同航道等級、不同水流條件的彎曲河段適應于代表航行船舶（隊）所需的航道尺度與水流條件的量化標淮。因此，專題二是采用原型資料分析、已有的相關(guān)成果總結(jié)歸納、概化物理模型和遙控船模試驗等手段，結(jié)合平原河流、山區(qū)河流通航河段的實際情況，研究彎曲航道的水流結(jié)構(gòu)，彎曲航道演變的規(guī)律，船舶（隊）在彎曲航道航行的特點，以確定彎曲航道的通航尺度和通航水流條件指標，為水運工程建設、維護標準的確定以及對現(xiàn)行標準的修訂提供技術(shù)支持和科學依據(jù)。同時，對推動航道水力學學科的發(fā)展，提高內(nèi)河航運的科技含量，提升我國的航道整治和維護技術(shù)水平也是十分必要的。0.2 研究工作的技術(shù)路線和指導思想本項目是圍繞內(nèi)河航道建設工程所涉及有關(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)河航道建設在設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)河航道建設工程的設計和實踐，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山區(qū)河流通航建筑物引航道與主航道夾角的建議值；提出山區(qū)河流通航建筑物引航道與主航道夾角較大時改善通航條件的工程措施及原則；提出具有普遍適用性的彎曲航道船舶安全航行所需的寬度計算公式和方法，為內(nèi)河彎曲型河段航道整治工程的前期工作和設計提供科學依據(jù)，為通航安全提供保障，并為今后有關(guān)規(guī)范或標準的修訂提供基礎(chǔ)資料和參考依據(jù)。1.1 專題一山區(qū)河流通航建筑物引航道與河流主航道夾角的研究1.1.1 主要研究內(nèi)容（1）廣泛收集和整理國內(nèi)通航樞紐工程總平面布置的相關(guān)資料，包括微彎河段、彎曲河段、裁彎取直和分叉河段布置通航樞紐的地形、水文及水流夾角情況；以及山區(qū)河流通航建筑物與河流主航道不同夾角情況下的通航水流條件及航行條件的實船試驗資料、模型試驗資料和工程改善措施；（2）采用概化物理模型和遙控自航船模試驗，對山區(qū)河流、級航道通航建筑物引航道與河流主航道夾角與通航水流條件和航行條件進行系列研究。包括不同流速與不同“夾角”對船舶（隊）通航條件的影響； （3）結(jié)合概化物理模型試驗成果和相關(guān)資料的收集整理，歸納總結(jié)目前實際工程中不同夾角條件下通航樞紐的布置及其通航條件情況，提出不同條件下，合理的夾角建議值；（4）針對山區(qū)河流通航建筑物受地形、河勢的制約，引航道與主航道存在較大夾角，難以滿足通航水流條件的要求時，提出改善通航條件的工程措施及原則，為工程設計提供指南。1.1.2 主要研究成果（1）船閘布置在彎道凸岸時產(chǎn)生水流夾角的試驗成果 試驗研究了船閘布置在彎道凸岸，其上下游外導墻堤頭距彎道起點200m，彎道轉(zhuǎn)彎半徑500m，各種工況下船模進出引航道的航行條件。為了分析引航道與河流主航道不同夾角和不同河道流速對上下游引航道口門區(qū)和連接段通航條件的影響，進行了不同夾角、不同河道流速的系列試驗。試驗所選取的引航道與河流主航道夾角分別為20、30、45、60，河道平均流速分別為1.0、1.5、2.0、2.5（m/s），對應的航速分別為1.5、2.0、2.5、3.0（m/s）。由試驗結(jié)果可知，不同夾角對船模進出引航道的航行條件影響很大，夾角越大，轉(zhuǎn)彎進入引航道的難度越大；上游口門區(qū)的回流一般發(fā)生在前200m的范圍內(nèi)，回流強度小，可滿足通航水流條件的要求；連接段的水流平順，橫向流速較小，縱向流速隨河道平均流速的增大而增大，當河道平均流速達到2.0m/s時，在3060夾角時，連接段的最大縱向流速達到或超過2.5m/s。下游口門區(qū)的回流強度要大于上游口門區(qū)，斜流范圍在150-300m；隨著河道流速的增大，超標的橫向流速范圍擴大，由外側(cè)點向中線測點擴大；下游上行船模是頂流而上，其航行條件好于上游下行進入引航道。通過對通航水流條件和航行條件的綜合分析，試驗提出了當樞紐布置在彎道凸岸附近，堤頭距彎道200m，河道平均流速為1.52.0m/s時的夾角建議值應20。（2）引航道軸線與河道斜向布置時產(chǎn)生水流夾角的試驗成果試驗研究了20、25、30、45四種夾角，河道平均流速1.02.5m/s的不同工況下，引航道與河道不同夾角斜向布置時的通航水流條件和航行條件。由試驗結(jié)果可知，隨著斜向角度的增大，口門區(qū)在彎道航線的范圍越大，由20時的170m增加到45時的350m，水流與航線的最大夾角也由20增大到45，船模需轉(zhuǎn)彎進入引航道，水流對其產(chǎn)生斜向作用，使船模向岸漂移，船模航行采用一定的高掛措施，同時轉(zhuǎn)彎時，艏向角不宜過大，同時依靠水流作用，使船模斜向進入引航道，綜合判斷通航水流條件和航行條件，試驗提出在引航道與河道斜向布置時，當河道平均流速為1.5m/s時，夾角應25；當河道平均流速為2.02.5m/s時，夾角應20。（3）改善通航條件工程措施的概化模型試驗成果改善通航條件工程措施主要進行了以下三方面的概化模型試驗。一是導航堤堤頭距彎道起點距離分別為0m、200m、400m和600m，對通航水流條件的影響試驗；二是引航道堤頭距彎道400m和200m兩種情況下，轉(zhuǎn)彎半徑分別為500m、600m、700m和800m，對通航水流條件影響的試驗；三是彎道河道船閘凸岸布置，在30夾角時，泄水閘門不同開啟方式，對通航水流條件影響的試驗。由上述三方面的試驗可見：上游導航堤堤頭距彎道不同距離對通航水流條件影響較小，對船舶航行條件的影響很大，口門區(qū)的直線段越長，彎道對船模進出口門的影響越小，船模有較充分的水域調(diào)順船位進入口門，堤頭距彎道的距離宜大于2倍船長。增大航線的轉(zhuǎn)彎半徑并不一定改善通航水流條件，當航線的轉(zhuǎn)彎半徑與河道的曲率相一致，水流條件較為平順，此時增大航線的轉(zhuǎn)彎半徑時，往往使航線與河道水流夾角變大，反而不利于船舶進出口門。閘門開啟方式對下游河道樞紐至口門區(qū)之間的流速流態(tài)影響較大，均勻開啟時，河道橫向水流分布均勻；當閘門分段開啟時，水流集中下泄，在河道水流下泄位置流速很大，河道水流紊亂，形成回流，最大流速比均勻開啟時增加60%-80%；閘門開啟方式對下游口門區(qū)和連接段的流速流態(tài)有影響。均勻開啟時，口門區(qū)的斜流角度較其他方式小些，橫向流速也最小，連接段水流最為平順。（4）引航道與主航道異岸連接不同水流夾角水槽試驗的成果 利用寬水槽模擬、級船閘口門區(qū)與天然航道不同的銜接情況及其水流條件，并利用不同噸位的船舶模型進行了連接段布置的船舶航行條件試驗。研究成果表明：要滿足船舶安全航行要求，口門區(qū)與主航道同岸連接的連接段航道內(nèi)水流條件應滿足縱向流速2.5m/s、橫向流速0.45m/s；口門區(qū)與主航道異岸連接的連接段，與主流的交角應盡可能減小，當主流流速為2.0 m/s時，、級船閘連接段與主流的交角不宜大于20；當主流流速為2.5 m/s時，其交角不宜大于15。1.1.3 本專題的創(chuàng)新點（1）通過對國內(nèi)24座通航樞紐工程總體布置及其河勢特點的統(tǒng)計、分析，總結(jié)了通航建筑物引航道與河流主航道水流夾角形成的條件，提出了引航道與河流主航道水流夾角產(chǎn)生的五種常見情況：包括 通航建筑物布置在彎道附近； 裁彎取直工程； 通航建筑物布置在分汊河段； 船閘引航道與主航道異岸連接； 動靜水交接處產(chǎn)生斜流夾角。具有一定的代表性?？蔀橥ê浇ㄖ锟傮w布置時，分析引航道與河流主航道水流夾角對通航條件的影響提供一種新的思路。（2）根據(jù)通航建筑物引航道不同布置條件，提出了引航道與河流主航道的合理夾角建議值： 樞紐布置在彎道凸岸附近，堤頭距彎道200m條件，當河道平均流速為1.52.0m/s時，夾角應20。 下游引航道與河道斜向布置時，當河道平均流速為1.5m/s時，夾角應25；當河道平均流速為2.02.5m/s時，夾角應20。 對于異岸連接的連接段來說，連接段與主流的交角應盡可能減小，并控制在20以內(nèi)。當主流流速為2.0m/s時，、級船閘的連接段與主流的交角不宜大于20；當主流流速為2.5m/s時，、級船閘的連接段與主流的交角不宜大于15，而級船閘的口門區(qū)與主航道應盡量布置在同一岸。該成果對引航道通航水流條件限制值的確定更趨完善、合理，對我國通航建筑物的設計、建設具有實用意義，同時為有關(guān)規(guī)范的修改提供依據(jù)。（3）綜合本次概化模型試驗和對國內(nèi)樞紐布置口門區(qū)通航條件的工程改善措施研究與實踐的總結(jié)分析，提出了通航建筑物引航道與河流主航道夾角較大時，改善通航條件的工程措施及原則，該成果為內(nèi)河渠化工程通航建筑物樞紐布置、導航墻結(jié)構(gòu)型式的設計提供基礎(chǔ)資料和技術(shù)支持，具有創(chuàng)新性。1.2 專題二 彎曲航道尺度及通航水流條件的研究1.2.1 主要研究內(nèi)容（1）綜合考慮彎曲河段地域和平面形態(tài)的特點，選取不同等級、有一定代表性的山區(qū)彎曲航道、平原彎曲航道和河網(wǎng)地區(qū)彎曲航道；收集各類彎曲航道的河床特性、水文、代表船型，通航水流條件，船舶（隊）航跡及操縱方法等；（2）分析不同地域以及單一彎曲、彎曲分汊、連續(xù)彎曲不同形態(tài)彎曲河道的演變規(guī)律以及水流特性；并分析彎曲航道對船舶航行的影響因素；（3）在分析不同類型彎曲航道通航水流條件和不同航道等級彎曲航道的彎曲半徑和航寬的基礎(chǔ)上進行概化模型設計，使模型的彎曲半徑、試驗流速與天然河流具有相似性；（4）根據(jù)實測資料，建立8個不同彎曲半徑的概化模型，研究不同流量級下的彎曲航道水流結(jié)構(gòu)和變化特征，以及不同航道等級船舶的通航水流條件； （5）利用概化彎曲航道上進行遙控船模試驗，得出在不同的水流條件下的航跡線，分析不同尺度船舶（隊）在彎道上的航行特征，提出了彎曲航道寬度的確定方法。1.2.2 主要研究成果（1）彎曲航道水流條件的試驗成果概化模型試驗進行了8個不同彎曲半徑的彎曲航道水流條件研究。主要研究在不同流量級下的彎曲河段水流結(jié)構(gòu)和特征，以及不同航道等級的船舶通航水流條件。根據(jù)概化彎曲航道試驗成果，分析得出彎曲航道水流條件，以及對彎曲航道通航水流條件技術(shù)指標要求的討論，從而得出不同彎曲半徑的彎曲航道的水流條件指標要求。 （2）彎曲航道通航船模試驗研究彎曲航道通航船模試驗研究是在彎曲半徑為1679m、1000m、909m、600m、545m、374m、340m和280m的八種彎道上、采用1121000t船隊、161000船隊、1+3800t船隊、12500船隊、1+2300t船隊和140TEU集裝箱船六種船型、在四種水流速度、兩種車檔的工況下進行的。試驗結(jié)果表明：船舶通過彎曲航道航行時，為了克服彎道水流的影響，在轉(zhuǎn)彎時船舶姿態(tài)要產(chǎn)生明顯的漂角和附加船寬。并且隨彎曲半徑減小和航道流速的加大，船舶航線還會產(chǎn)生一定的橫漂。 船模試驗成果還表明：船舶通過彎曲航道航行時，彎道的彎曲半徑越小、船隊尺度越大、彎曲航道水流越急、船隊車檔越低，船舶通過彎道時的舵角、漂角和偏航距也就越大，從而導致附加船寬、航跡帶寬和航道占寬加大，航行難度也越大。也就是說，彎道曲率半徑與船長的比值R/L是彎道通航難度的重要控制條件，在R/L3時、彎道通航的安全已難以保證。 （3）不同尺度船舶（隊）彎道航行漂角的分析與計算船舶在彎道中航行，漂角是一個變化幅度較大的變量，其大小受多種因素的綜合影響，通過船模試驗，以及對已有實船觀測成果的整理分析，彎道的彎曲半徑及船舶（隊）尺度即R/L是影響漂角變化的主要因素。通過系列彎道概化模型試驗和遙控自航船模試驗的大量數(shù)據(jù)分析，推算出了漂角計算公式：式中： VH為對岸航速； V為對水航速； R為轉(zhuǎn)彎半徑； L為船長由上式計算的漂角值與相應的船模實驗值是基本接近的，其誤差絕大部分在10%以內(nèi)，說明該計算方法是可靠的，為彎曲航道通航寬度的研究提供了條件。 （4）彎曲航道通航寬度的研究綜合分析彎道水流及船模試驗成果，提出了彎曲航道單向和雙向通航寬度的確定方法。即：在有漂角資料的情況下用漂角計算，在沒有漂角資料時，可用漂角計算公式或加寬值的方法來計算。有漂角資料時，彎道單向通航寬度計算公式： 式中： 無漂角資料時，B單彎=B單直+9.816P35.1 B單直直線航道寬度（m）。 P 偏航距（m）。1.2.3 本專題的創(chuàng)新點（1）船舶通過彎曲航道時會產(chǎn)生偏離順直河段正常航跡的附加船寬。目前，國內(nèi)外對彎曲河段航道寬度的研究還不多。通過多個彎曲航道概化模型和系列化遙控船模試驗的大量數(shù)據(jù)分析研究，給出了實用的彎曲航道通航寬度確定方法的數(shù)學表達式，這不僅能全面反映影響通航所需寬度的各種因素，且使用十分方便。（2）彎曲航道的水流條件主要決定于上游來水條件、過程和彎道自身河床形態(tài)。對彎曲航道通航來說，不同的船舶（隊）所需的水流條件是不同的。通過彎道水流及船模試驗，分析得出不同彎曲半徑的彎曲航道的水流條件指標要求，研究成果為不同等級航道的航道尺度要求及水流條件的確定提供了基礎(chǔ)資料和技術(shù)支撐，同時，也為內(nèi)河通航標準、航道整治工程技術(shù)規(guī)范的修訂提供了科學依據(jù)和技術(shù)支持。 （3）通過彎曲航道概化模型和自航船模試驗，在整理大量的試驗數(shù)據(jù)成果上，推算出了漂角計算公式，并通過已有實船試驗成果的驗證，符合良好，可用于今后工程設計和研究中通過計算直接得到彎曲段航道寬度。研究成果將為內(nèi)河航道建設提供技術(shù)支持。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。其中，專題一“山區(qū)河流通航建筑物引航道與河流主航道夾角的研究”是與“內(nèi)河航道通航條件關(guān)鍵技術(shù)研究（一期）”中關(guān)于“通航建筑物口門區(qū)及連接段通航水流條件專題研究”的內(nèi)容息息相關(guān)。山區(qū)河流迂回曲折，順直河段相對較短，通航建筑物船閘通常布置在兩個天然彎道之間，有的船閘布置在裁彎取直的河段上，為此，船閘引航道與主流河道往往存在一定夾角，在引航道口門區(qū)常出現(xiàn)一種作用在船舶側(cè)面、不利于航行的“斜向流”，由于“斜向流”的作用，迫使進出船閘的船舶扭轉(zhuǎn)和漂移，偏離航線，對船只航行安全構(gòu)成較大威脅。專題一研究組通過大量收集、整理和分析山區(qū)河流通航建筑物上下游引航道與河流主航道夾角等方面資料的基礎(chǔ)上，通過概化物理模型試驗和遙控自航船模試驗等手段，對山區(qū)河流、級航道通航建筑物與河流主航道夾角、通航水流條件和船舶航行條件的關(guān)系進行了系列研究，包括河道不同平均流速與不同“夾角”對船舶（隊）通航條件的影響。提出了通航建筑物引航道與河流主航道合理夾角的建議值，對保障通航建筑物上、下游船舶通航安全，避免發(fā)生海損事故，具有重要的意義。專題一研究組還綜合本次概化模型試驗和對國內(nèi)樞紐布置口門區(qū)通航條件的工程改善措施研究與實踐的總結(jié)分析，提出了通航建筑物引航道與河流主航道夾角較大時，改善通航條件的工程措施及原則，不僅可以保證