嘉陵江草街航电枢纽施工导流明渠通航船模试验研究

蔡 创，蔡新永，赵传波

（重庆交通大学,重庆 400074）

嘉陵江草街航电枢纽施工导流明渠通航船模试验研究

蔡 创，蔡新永，赵传波

（重庆交通大学,重庆 400074）

为了配合草街航电枢纽工程的设计和施工,论证工程布置的合理性和可行性，按照试验要求制作了船模，并对有关工程的设计布置方案进行了优化和研究。分别根据水工模型比较方案和推荐方案，进行施工导流明渠及连接段的船模通航试验研究。根据船模试验最高安全限制的要求，结合相关水流条件的船模通航试验研究，对2个布置方案冲淤前后的试验结果进行分析，比较各方案通航条件的优劣，给出了通航推荐方案及建议。

导流明渠；船模；通航条件；试验研究

Biography：CAI Chuang（1968-），male，associate professor.

草街航电枢纽工程位于嘉陵江干流重庆合川草街镇境内，距合川27 km，是嘉陵江干流梯级渠化开发方案中自下而上的第二级。该工程是一个具有航运、发电和灌溉等综合利用效益的水利水电枢纽工程，船闸通航设计等级为III级。为了配合该工程的设计和施工，论证工程布置方案的合理性和可行性，在航电枢纽工程水工模型上进行了施工导流明渠船模通航试验，提出航行的难点和建议。

1 船模试验通航衡量标准

用舵的衡量标准：为保证航行安全，内河航行船舶一般用舵小于等于30°。水工模型和船模试验都有一定误差，所以船模试验最大舵角安全限值一般设为25°，超过25°则认为不安全。

最低航速的衡量标准：在川江和西南河流实船航行中，船舶上行的最低航速低于0.3～0.5 m/s时，很难保证航行安全。一般船模试验取其中间值0.4 m/s作为最低航速的衡量标准［1-2］。

2 试验概况

采用比尺λ=100进行嘉陵江草街航电枢纽施工导流及通航正态水工模型试验。

2.1 船模概况

（1）船模比尺。船模和水工模型相同，采用λ=100的正态比尺［3-4］（表 1）。

（2）船模概况。试验采取河工物理模型、船模试验与原型实船试验相结合的研究方法。经对嘉陵江通航船舶的调查，拟定出明渠通航代表船型为56.8 m×7.6 m×1.5 m尺度的机动驳，该船舶数量较多，上下行通常载重200～400 t。试验船模采用1+1×300 t顶推船队，船队静水航速设定为4.0～5.0 m/s，舵角为左35°～右35°无级比例操舵（表2）。

（3）船模操纵性能。经过操纵性能试验和尺度效应修正，船模与实船操纵性能相似，且实船略偏安全。校正后的船模与实船操纵性指数见表3。

表1 比尺概况表Tab.1 Statistics of scales

表2 船模概况表Tab.2 Main dimensions of ship model

表3 操纵性指数Tab.3 Maneuverability index

2.2 测控设备及试验方法

试验采用CMZ-3B船模自动试验系统。该系统利用激光扫描仪器对船模运动进行非接触快速检测，用微机对船模运行姿态和操纵要素进行实时遥测、控制、计算，自动完成船模试验，能进行船模航行试验、船模Z形试验及回转试验，并能试后复演船模试验的动态过程。

按试验要求制作船模，在试验水工模型的明渠内对船模进行率定，用遥控设备操纵船模在水工模型相应航段进行航行。船模的航行要素（船迹、船位、航速、漂角）由激光快速扫描遥测，CMJ-3无线电接口遥测模型的用车、用舵等操纵要素，计算机自动记录数据并进行数据处理、实时绘图和计算［5］。最后结合不同水流条件下的试验成果进行综合分析，比较各方案的优劣，并提出建议和意见，优化有关工程的设计布置方案，实现通航的安全性、经济性和可靠性［6］。

2.3 船模试验方案、航段、流量级

对水工模型比较方案（有基坑）和水工模型推荐方案（无基坑）进行了冲淤前后的船模试验。试验航段为施工导流明渠及连接段，长约1 300 m。分别进行了2 120 m3/s、5 440 m3/s和7 400 m3/s三个不同流量级的船模试验［6］。

3 船模试验成果及分析

为方便对不同航段、流量的船模试验成果进行分析比较，规定试验中船模船队的静水航速均为上水航行 5.0 m/s，实际船队为 18.0 km/s，下水航行 4.0 m/s，实际船队为 14.4 km/s［7］。

3.1 冲淤前明渠通航船模试验情况

（1）水工模型推荐方案（无基坑）试验。

船模试验表明，在Q=2 120 m3/s时，船队上行和下行的最大舵角均未超过船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模试验最低航速限值0.4 m/s，只要操纵得当，可自航通过施工导流明渠及连接段。由于左岸明渠导墙处水深较浅，船队不能靠近导墙，无法充分利用左岸附近的缓流区上行，富裕水深较小，浅底效应对船队航行也有一定影响，这也是船队在此流量级下航行的困难之处。

在Q=5 440 m3/s时，船队上行和下行的最大舵角均未超过船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模试验最低航速限值0.4 m/s，只要操纵得当，可自航通过施工导流明渠及连接段（图1）。此流量下的困难在于：航道流速比降加大，船队上行困难，表现出船队航行的舵角漂角均大于Q=2 120 m3/s时。但由于左岸水深加大，船队可以适当靠近导墙，充分利用左岸附近的缓流区上行，所以船队上行的航速并不低于Q=2 120 m3/s时。船队靠左岸上行到明渠左导墙堤头附近无法上行时，需逐渐过江到右岸才能继续上行，此时出现了船队上行的最大舵角和漂角。

在Q=7 400 m3/s时，由于航道流速比降过高，船队无法自航上行通过施工导流明渠。

通过对这3个不同流量级的船模试验数据对比分析可知，在Q≤5 440 m3/s范围内，水工模型推荐方案（无基坑）的导流明渠基本满足1+300 t船队通航要求［8］。

（2）水工模型比较方案（有基坑）试验。

船模试验表明，在Q=5 440 m3/s时，船队上行和下行的最大舵角均未超过船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模试验最低航速限值0.4 m/s（图2）。右岸有基坑与无基坑相比，上下行最大舵角、最大漂角均加大。由于基坑的存在，河道的有效过流断面减小，在流量一定的条件下，航道流速增大。

图1 无基坑冲淤前上行舵角、漂角（Q=5 440 m3/s）Fig.1 Upward process of rudder angle and drift angle before scouring and silting in non-based pit（Q=5 440 m3/s）

图2 有基坑冲淤前上行舵角、漂角（Q=5 440 m3/s）Fig.2 Upward process of rudder angle and drift angle before scouring and silting in base pit（Q=5 440 m3/s）

河道有基坑与无基坑相比，船队航行难度明显增大。建议如有可能，尽量不要提前开挖基坑。

（3）冲淤前船模试验结果（表4）。

表4 冲淤前船模试验结果Tab.4 Ship model test results before scouring and silting

3.2 冲淤后明渠通航船模试验情况

（1）水工模型推荐方案（无基坑）试验。船模试验表明，与冲淤前相比，最大舵角与最大漂角均减小，上行航速增大，下行航速减小。在Q=5 440 m3/s时，船队上行和下行的最大舵角均未超过船模通航的安全舵角限值25°，上行最低航速明显大于船模试验最低航速限值0.4 m/s。船队只要操纵得当，可自航通过施工导流明渠及连接段。

（2）水工模型比较方案（有基坑）试验。船模试验表明，与冲淤前相比，船队上、下行的最大舵角和最大漂角均减小，上行的最小航速增大，下行的最高航速减小，航行条件有所改善。与右岸无基坑时相比，由于基坑的存在，河道的有效过流断面减小，航道的流速加大。船队上、下行最大舵角与最大漂角均增大，上行的最小航速减小，下行的最高航速增大。有基坑与无基坑方案相比，船队航行的难度明显加大。

（3）冲淤后船模试验结果见表5。

表5 冲淤后船模试验结果Tab.5 Ship model test results after scouring and silting

3.3 通航的最佳航线、驾驶方式及航行难点

（1）船队上行进入明渠前，先沿左岸流速相对较小的河段上行，逐步向明渠左岸下导墙堤头靠拢。船队驶入明渠后，要靠近明渠左岸导堤，保持距左岸30～40 m，尽量利用左岸缓流区上行。船队上行到明渠上堤头附近无法继续上行时，再逐渐过江到明渠右岸，保持距右岸50～70 m继续上行驶出明渠。

上行有3处难点：一是船队进入明渠下口时，明渠左岸下堤头附近较高的纵横流速和比降导致操纵困难，此时船队操舵频繁；二是船队上行到明渠左岸上堤头过江时，出现了船队上行的最大漂角；三是船队过江到右岸后继续上行时，该处较高的流速与比降使船队上行困难，此时出现了船队上行的最小航速。另外流量小于2 120 m3/s时，由于明渠左岸水深不足，船队难以靠近左岸导堤，无法充分利用缓流区域上行。

（2）船队下行比上行操纵难度小，只要调整好航向和航线，沿明渠中部下行即可。在船队下行进入明渠时，要适当用左舵抱明渠左岸凸边，避免船队在明渠下段被水流推到右边凹岸；船队驶到明渠下口前，要及时用右舵调整船队航向，使船队保持在明渠中部驶出明渠。

4 结论与建议

船模试验结果表明：

（1）水工模型推荐方案（右岸无基坑），在Q=5 440 m3/s时，船队上行和下行的最大舵角均未超过船模通航的安全舵角限值25°，上行的最低航速大于船模试验最低航速限值0.4 m/s，只要操纵得当，可自航通过施工导流明渠及连接段。在Q≤5 440 m3/s时，基本满足1+1×300 t船队通航要求。

（2）水工模型推荐方案（右岸无基坑），在Q=7 400 m3/s时，由于航道流速比降过高，船队无法自航上行通过明渠。

（3）水工模型比较方案（右岸有基坑），在Q=5 440 m3/s时，基坑的存在减小了河道有效过流断面，航道流速加大。与右岸无基坑相比，最大舵角与最大漂角均增大，上行的最小航速减小，下行的最高航速增大。有基坑与无基坑方案相比，船队航行难度明显加大。

（4）水工模型推荐方案（右岸无基坑），在Q=5 440 m3/s时，导流明渠冲淤后，水深加大，流速减小，船队上、下行的最大舵角与最大漂角均减小，上行的最小航速增大，下行的最高航速减小，与冲淤前相比航行条件有所改善。

根据船模试验结果，提出以下3点建议：

（1）在小流量时，由于左岸明渠导墙处水较浅，船队不能靠近导墙，无法充分利用左岸附近的缓流区域上行，航行难度增加。建议对明渠左岸导墙附近的航道适当疏浚加深，改善小流量时的通航条件。

（2）右岸基坑的存在使河道的有效过流断面减小，航道流速加大。有基坑与无基坑方案相比，船队的航行难度明显加大。建议如有可能，尽量不提前开挖基坑。

（3）通航的航线和船队的驾驶方式是影响航行安全的2个重要因素，建议枢纽建成后，结合船模试验结果和实船试验，在航道中设置航标，制定安全可行的运行方式，确保通航船舶安全。

［1］张勇.三峡导流明渠通航条件浅析［R］.宜昌：长江三峡通航管理局，1998.

［2］GB50139-2004，内河通航标准［S］.

［3］蔡创，蔡汝哲.嘉陵江沙溪枢纽引航道船模通航预报试验研究［J］.水道港口，2009（6）：191-196.

CAI C，CAI R Z.Study on navigable ship model test of approach channel in Jialing Shaxi Project［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009（6）：191-196.

［4］苏兴翘.船舶的操纵性［M］.北京：国防工业出版社，1985.

［5］蔡创.三峡枢纽通航船模试验系统软件开发［J］.重庆交通学院学报，2001，20（2）：110-115.

CAI C.The development of J GⅡ-V3.0 general software in Three Gorge pivot ship model experiment［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（2）：110-115.

［6］蔡汝哲.嘉陵江草街航电枢纽施工导流明渠船模通航试验研究报告［R］.重庆：西南水运工程科学研究所，2004.

［7］王育林，李一兵，彭诗海，等.船模航行试验技术及在航道工程中的应用［J］.水道港口，1997（4）：8-15.

WANG Y L，LI Y B，PENG S H，et al.Test Technique for Ship Model Navigation and Its Application in Waterway Engineering［J］.Journal of Waterway and Harbor，1997（4）：8-15.

［8］蔡创.长江渝沪段滩险整治小尺度船模通航试验研究［J］.中国港湾建设，2005（4）：29-32.

CAI C.Navigable Condition Testing by Small Scale Ship Model in Regulation of Shoaly Waterway between Chongqing and Luzhou in Changjiang River［J］.China Harbour Engineering，2005（4）：29-32.

Research on navigable ship model experiment of Caojie Hydro-junction open diversion channel during construction period in Jialing River

CAI Chuang，CAI Xin-yong，ZHAO Chuan-bo
（Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

In order to demonstrate the availability and feasibility of the arrangement scheme of CaoJie Hydro-junction，the ship model was made on the basis of experimental requirements，and the related arrangement schemes were studied and optimized.The navigable ship model experiments of the open diversion channel during construction period and the connecting section were conducted based on the alternative scheme and recommended scheme.According to the highest security restrictions of ship model test and experimental study under the relevant flow conditions，the test results of the two schemes were analyzed，and the advantages and disadvantages of each scheme were compared.Finally，the recommended proposal and suggestion were put forward.

open diversion channel；ship model；navigation condition；experimental study

TV 133；U 661.73

A

1005-8443（2010）05-0492-05

重庆市自然科学基金资助项目（CSTC2008BB6354）

蔡创（1968-），男，重庆市人，副研究员，主要从事通航小尺度船模及计算机应用研究。