涪江吴家渡电航工程船模通航试验研究

蔡汝哲，李晓飙，陈 敏

（重庆交通大学，重庆 400074）

涪江吴家渡电航工程船模通航试验研究

蔡汝哲，李晓飙，陈 敏

（重庆交通大学，重庆 400074）

采用自航小尺度船模技术，通过水工模型对吴家渡电航工程的通航条件进行了研究。试验结果表明，当Q≤3 000 m3/s时，该枢纽工程的通航条件满足Ⅴ级航道通航标准。试验发现，船队的航线和驾驶方式以及枢纽的运行方式对航行安全都有很大影响。建议枢纽建成后，通过设置航标等方法确保过往船舶顺利通航。

小尺度船模；电航工程；通航条件

Biography：CAI Ru-zhe（1944-），male，professor.

吴家渡电航工程位于涪江中游三台县灵兴镇，是涪江干流梯级开发27级中的第18个梯级。该工程是一个以发电为主，兼顾航运等综合开发利用的水利水电枢纽工程。其正常蓄水位为395.00 m，电站最大发电水头13.3 m，电站额定引用流量436.2 m3/s，电站装机容量42 MW，船闸有效尺度为100 m×12 m×2.5 m（长×宽×高），航运工程通航等级为Ⅴ级航道。为了论证工程布置对通航条件的影响，在四川大学高速水力学国家重点实验室吴家渡枢纽水工模型上，采用自航小尺度船模技术进行了船模通航试验研究。

1 试验方法及手段

目前自航小尺度船模技术广泛应用于人工通航建筑物通航条件的研究中，与常规的水工、河工模型水流条件（如流速、比降等）量测试验相比，能直观真实地反映出航道水流条件和边界条件对船舶航行的综合影响及其相互作用［1-2］。

1.1 几何尺寸和质量相似

在船模试验中，几何相似和质量相似是运动和动力相似的前提和基础，表明船模和实船具有同样的几何形状、无因次质量和无因次的质量分布。在船模的制作过程中采用正确的加工方法，严格控制加工工艺和精度，通常可以满足几何相似和质量相似条件［3-4］。

吴家渡电航枢纽水工模型为正态水工模型，比尺λ=100，航道通航等级设计为Ⅴ级航道，采用山区河流Ⅴ级航道中较有代表性的1+2×300 t级半分驳顶推船队作为试验船队，原型船队和船模的相关数据见表1。

表1 吴家渡电航枢纽船模试验原型船队和船模的相关数据Tab.1 Related data of ship model and prototype ship in Wujiadu hydroelectric power project

1.2 水动力相似

船模与实船的水动力相似即要求它们相应点的佛汝德数（Fr）、雷诺数（Re）、欧拉数（Eu）、斯特罗哈数（St）分别相等［1］，然而在现实情况下同时满足上述条件是不可能的，对于水工模型水面上航行的小尺度自航船模，应主要使其与实船的佛汝德数相等（即重力相似），虽然此时雷诺数不相等，若水流处于粗糙紊流状态，则二者的摩阻力自动相似，这种水流条件在船模试验中较常见，至于欧拉数、斯特罗哈数虽难以完全模拟，但对船模试验影响较小，在此可忽略［5-7］。

1.3 操纵性能相似

在重力相似的模型中，船模与实船的佛汝德数相等，则船模的雷诺数必然小于实船，同时欧拉数、斯特罗哈数也有所不同。由于船模与实船不能完全达到水动力相似，导致无因次运动参数和作用力的不同，造成船模与实船操纵性能不同，通常称为操纵性能尺度效应［2］。从目前国内通航小尺度船模研究成果来看，内河航运中常用的舵在推进器尾流之中的船舶，其船模的操纵性能指数K′、T′均小于实船（即回转性劣于实船，应舵性优于实船），存在明显的尺度效应，在进行船模试验前必须加以修正。目前对操纵性尺度效应的修正方法较多，如减小舵面积、修正舵角、对船体和舵进行局部加糙等，考虑涪江为山区河流，实际船舶航行时操舵频繁且以小舵角为主，因此吴家渡船模操纵性尺度效应的修正以应舵性指数T′为主，同时兼顾回转性指数K′，采用的方法为减小舵面积，降低舵效和回转阻力矩，使T′增大但不大于实船5%，K′小于实船但不超过20%，这样就能保证船模和实船操纵性能基本相似，且实船操纵安全性略高。

2 船模试验系统及方法

按模型相似原理进行制作和率定后，可在水工模型的相应试验航段进行船模试验。采用遥控设备，操纵船模在水工模型上按试验要求模拟航行，用激光对船模的航迹、航速、船位、漂角等航行要素进行快速非接触扫描遥测，船模的车、舵等操纵要素由无线电接口遥测，所有的遥测数据通过数字接口输入计算机，进行数据处理、实时计算和绘图，确保船模试验具有足够的精度和效率（图1）。

图1 船模试验自动测试系统原理图Fig.1 Principle diagram of automatic test system of ship model test

3 试验结果及分析

为研究吴家渡电航工程设计与布置对航运的影响，船模试验分两个航段进行，即船闸上引航道口门区及连接段和船闸下引航道口门区及连接段，长约600 m（原型值，下同）。船模试验流量工况包括：Q=350 m3/s（枯水），枢纽蓄水，电站发电Q=350 m3/s，上游水位Hu=394 m；Q=1 000 m3/s（中水），枢纽局部开启，电站发电Q=436.2 m3/s，上游水位Hu=395 m；Q=2 000 m3/s（中洪水），枢纽局部开启，电站发电Q=436.2 m3/s，上游水位Hu=395 m；Q=3 000 m3/s（常年洪水），枢纽局部开启，电站发电Q=436.2 m3/s，上游水位Hu=395 m。

在船模试验中，试验船队的车档（静水航速）均按照上水航速4.5 m/s，下水航速4.0 m/s设置，试验结果见图2～图5。为了减小人为操作的误差影响，每组试验均重复了7～8次并取其平均值，同时所有的测试数据均通过平滑滤波处理以消除测试系统误差和干扰。

图2 船闸上游航道船模航行试验各要素与流量关系图（上行出闸）Fig.2 Relationship between various elements of ship model navigation test and flow of upstream channel of lock（upward out of lock）

3.1 船闸上游航道船模试验情况

（1）船队上行出闸。

由图2可知，在4种流量工况的船模试验中，最大舵角、最大漂角均随流量的加大而加大，最大航速随流量的增大而减小，这是由于流量的增大，导致船闸上引航道口门区的纵横向流速加大，上行船队的操纵难度增加，但总的来说，枢纽上游成库后河道流态趋于平顺，随着流量的增加，船队的操作难度变化并不明显，这也可从船队上行的最大舵角、漂角变化幅度不大得到验证。

值得注意的是最小航速随着流量的增大反而增大，特别是Q=350 m3/s时，最小航速异常偏小，这是因为Q=350 m3/s时，其上游水位Hu=394 m，低于其他流量时的上游水位Hu=395 m，从而造成上引航道水深较浅，浅底效应使船队启航时航速增加较慢，因此在枢纽实际运行过程中，应注意保持枢纽上游枯水季节的水位，避免因水深不足造成碍航。

（2）船队下行进闸。

由图3可知，船队的最大舵角、最大漂角、最大航速、最小航速均随流量的增大而增大，但变化幅度不大，说明枢纽上游航道的流速、流态并没有随流量的增大而发生显著变化，船队的航行难度也没有明显的变化。由图2和图3的数据对比可知，船队下行进闸时，各级流量的最大舵角、最大漂角均比上行出闸时大，这说明船队下行进闸难度大于上行出闸，这是因为上行出闸是逆水航行，船速相对较低，舵效较好，且是由限制水域驶向宽广水域，操纵难度相对较小；而船队下行进闸操纵难度相对较大。

以上分析表明，无论上行出闸或下行进闸，在船模试验的4种流量工况，其最大舵角远低于船模试验舵角安全限值25°，最小航速远大于船模试验最低航速安全限值0.4 m/s，只要操纵得当，船队可以顺利上下行通过吴家渡枢纽上游航道船闸口门区和连接段进出引航道。船队出闸上行的难点在于，驶出引航道时要适当用舵克服航道上的斜流，保持航线顺直，船队下行进闸的难点是船队靠近和进入引航道后的操纵。

图3 船闸上游航道船模航行各要素与流量关系图（下行进闸）Fig.3 Relationship between various elements of ship model navigation test and flow of upstream channel of lock（downward into lock）

3.2 船闸下游航道船模试验情况

（1）船队上行进闸。

由图4可知，在4种流量工况船模试验中，最大舵角、最大漂角均随流量的增大而减小，最大航速、最小航速随流量的增大而增大，航行条件随流量的增加而有所改善，这是因为船闸下引航道出口位于电站的尾水渠内，4种试验工况的枢纽泄流都未漫过尾水渠边墙，尾水渠的流量始终为电站发电引用流量，随着流量的加大，枢纽下游的水位将抬高，而电站的发电引用流量在中、洪水时维持不变（Q=436.2 m3/s），因而尾水渠内的流速将随流量的增加而减小，航行条件得到改善，船模试验的结果也印证了这一点。

由图4还可看出，在枯水流量（Q=350 m3/s）时，最大舵角明显加大，最小航速、最大航速明显减小，这是因为在枯水期，流量全部用来发电，电站的发电引用流量为Q=350 m3/s，小于其他试验工况的发电引用流量Q=436.2 m3/s，造成船闸下引航道口门区水深较浅，浅底效应使船队的航速降低，操纵性能变差。

（2）船队下行出闸。

从图5可以看出，船队的最大舵角、最大漂角、最大航速、最小航速均随流量的增大而减小，说明船队的操纵难度随流量的增加而减小。通过图4和图5的数据对比可以看出，船队下行出闸时各级流量的最大舵角、最大漂角均比上行进闸时大，说明船队下行出闸难度大于上行进闸，这是因为上行进闸是逆水航行，船速相对较低，舵效较好，操纵难度相对较小；而船队下行出闸情况正相反，操纵难度相对较大。

图4 船闸下游航道船模航行各要素与流量关系图（上行进闸）Fig.4 Relationship between various elements of ship model navigation test and flow of downstream channel of lock（upward into lock）

图5 船闸下游航道船模航行各要素与流量关系图（下行出闸）Fig.5 Relationship between various elements of ship model navigation test and flow of downstream channel of lock（downward out of lock）

以上分析表明，无论上行进闸或下行出闸，船模试验的4种流量工况下，其最大舵角远低于船模试验舵角安全限值25°，最小航速远大于船模试验最低航速安全限值0.4 m/s，只要操纵得当，船队可以顺利上下行通过吴家渡枢纽下游航道船闸口门区和连接段进出引航道。船队出闸下行的难点在于航道是一个弯曲的限制航道，船队在弯道前要适当提前操舵调顺航线和船位，才能顺利过弯，保证航行安全。

4 结语

船模试验结果表明，吴家渡电航工程上、下游航道均可满足常年洪水（Q=3 000 m3/s）及以下流量的通航安全，在枯水期，由于航道变得窄浅，浅水效应使船舶的操纵性能和机动性变差，无论上游航道还是下游航道，船队航行难度均有所加大，因此枢纽在枯水期运行时，应注意保持水位并监测航道水深，以确保航行安全，同时，船队的航线和驾驶方式以及枢纽的运行方式对航行安全都有很大影响，建议枢纽建成后，结合船模试验结果和实船试航情况，设置航标，制定安全运行方式、培训和指导驾驶员，确保船舶顺利通航。

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Research on ship model experiment of Wujiadu hydroelectric power project of Fujiang River

CAI Ru-zhe，LI Xiao-biao，CHEN Min
（Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

Based on the technology of small-scale self-propelled ship model，the navigation conditions of Wujiadu hydroelectric power project were studied by the hydraulic model.The test results show that the channel navigation conditions of the hydro-junction can meet with the grade V navigation standard when the discharge is less than or equal to 3 000 m3/s.The experimental results indicate that fleet route，driving pattern and hydrojunction operation mode have a great influence on the safety of navigation.It is suggested that navigation marks establishment and other methods should be carried out to ensure the navigation of ships after the construction of Wujiadu hydro-junction.

small-scale ship model；hydroelectric power project；navigation condition

U 661.73

A

1005-8443（2010）05-0488-04

蔡汝哲（1944-），男，湖北省南漳人，研究员，主要从事现代量测技术和通航小尺度船模研究。