三峡库区急流滩代表船舶自航上滩水力指标研究

张 鹏，胡 江

(重庆交通大学河海学院，重庆，400074)

三峡库区急流滩代表船舶自航上滩水力指标研究

张 鹏，胡 江

(重庆交通大学河海学院，重庆，400074)

三峡水库蓄水以后，库区航道通航条件大为改善，对上游经济发展具有重要的促进作用。但在汛期库尾洪水急流滩，由于水流较急通航能力受限，遏制了库区通航能力全面提升。针对3000吨级代表船舶在库尾洪水急流滩自航上滩的实测资料，结合川江水力指标理论研究方法，确定了三峡库区洪水急流滩河段3000吨级船舶自航上滩的水力指标。为库尾洪水急流滩的规划、设计及整治提供理论依据。

三峡库区;急流滩;3 000吨级船舶;通航水力指标

三峡水库蓄水以后，库区通航能力大幅提高，涪陵以下“窄、弯、浅、险”航道得到根本改善。长江干线实现全线夜航，成为优良的库区航道。2010年5月，三峡过坝船舶中，3000吨级以上船舶的比例由2009年同期的14.52%提高至28.42%，1000吨级以下船舶由34.13%降至20.92%，单次过闸平均吨位明显增加。船舶标准化、大型化发展趋势明显。

但在长江汛期，变动回水区内水库出现天然河道的状态［1］，洪水急流滩水流较急，船舶航行困难，成为提高坝上航道整体通航能力的瓶颈。为了确定汛期洪水急流滩通航水流条件，笔者结合船舶在洪水急流滩自航上滩的实测资料与理论分析，确定了三峡库区洪水急流滩3000吨级船舶自航上滩的水力指标。

1 三峡库区现有水力指标

交通运输部给出了万吨级船队自航上滩的水力指标见表1［2］。2004年5月，长江航道规划设计研究院确定了1000吨级船队自航上滩的水力指标［3］见表1。而3000吨级船型是目前库区的主要通航船型，没有相关的规范或研究成果。笔者主要基于3000吨级船型在上滩时的实测资料分析，通过理论计算公式确定库区3000吨级船型自航上滩水力指标，为库区3000吨级通航安全提供理论依据。

表1 船队自航上滩的水力指标Table 1 Navigable hydraulic parameters of ships

2 3000吨级船型水力指标确定

2.1 代表船舶参数

2008年8月，在和尚滩、观音滩、铜锣峡和黄草峡等4处洪水急流滩，调查了“重庆三峡816”和“渝申2505”两艘3000吨级船舶自航上滩相关情况。依据自航上滩的能力对比分析，选择“重庆三峡816”为3000吨级船舶的代表船型进行计算，其船舶参数见表2。

表2 “重庆三峡816”船舶参数Table 2 Parameters of“ChongqingThree Gorges 816”

2.2 研究方法

急流滩通航水力指标的计算需要以船舶航行阻力为基础［4］。钱徐涛，等［5］以1∶25 的船模研究了天然河流船舶阻力与下沉量的关系。长江航道局［6］根据船模资料和川江实船修正兹万科夫法得到川江水力指标理论计算方法。目前，以长江上游山区航道船型特征建立起来的船舶阻力计算方法已较完善，并经过川江一些大型船舶的验证，计算结果基本符合实际情况［7-8］。

船舶上滩阻力如图1，当船舶的有效推力与上水航行的航行阻力相等时，船舶就处于急流滩自航上滩的临界状态，相应的滩口段水面比降、流速、水深就是自航上滩的水力指标;川江水力指标理论计算方法通过建立有效推力和航行阻力的表达式，计算船舶自航上滩时不同比降对应的流速得到流速-比降组合值［9］。

船舶有效推力和上水航行的航行阻力可以通过船舶试验测量得到，在没有条件进行实船试验的情况下，通常是按下式进行有效推力和航行阻力的估算。

图1 船舶上滩阻力简化图Fig.1 Resistances of ships ascending rapids

2.2.1 有效推力估算

式中:T0为船舶有效推力，N;e为有效推力系数;Hp为主机总功率，W;Vs为上行船对水航速，m/s。

2.2.2 航行阻力估算

1)比降阻力Rj

式中:β1为比降的修正系数，中小型船舶取β1=1.1 ～1.2，大型船取β1=1.05;W为船舶排水总量，N;J为最汹水位滩口控制段水面比降。

2)水流阻力RV

机动船水流阻力RV1:

式中:f为摩阻系数;V1为修正后水流相对船舶速度，m/s，V1=ηVs(η为相对流速修正系数，通常取η =1.15～1.30);Ω 为船舶浸水面积，m2;δ为船舶方形系数;Am为船舶浸水部分舯剖面面积，m2，Am=βBT(β为船舶横断面系数;B为船宽，m;T为船舶吃水，m);ξ1、ξ2为机动船、驳船的剩余阻力系数。

3)航行阻力R

式中:R为船队航行阻力，N;Rj为比降阻力，N;σ为船队编队系数;n为驳船数。

依据船舶“重庆三峡816”在急流滩的上滩调查结果，利用川江水力指标理论计算分析方法得到“重庆三峡816”在最小航速时航行阻力与有效推力相等时的各水力指标参数:比降修正系数β1=1.05，摩阻系数 f=0.17，相对流速修正系数η=1.15，方形系数 δ=0.58，横断面系数 β =0.93。

根据代表船舶“重庆三峡816”在急流滩上滩实测资料及船舶参数，计算出“重庆三峡816”各水力指标要素，结果列于表3。

表3 “重庆三峡816”水力指标要素Table 3 Hydraulic factors of“ChongqingThree Gorges 816”

2.3 水力指标确定

依据水力指标参数和水力指标要素，通过前面所述分析方法分别计算了该船型以功率100%(600 kW)在载重为 50%(1 750 t)，75%(2 625 t)，100%(3 500 t)等3种情况下的流速-比降组合值，比降在0.01‰～2‰之间选取6种情况。计算过程见图2。

1)根据载重和船型确定船舶吃水、水线长、浸水面积、舯剖面积等;

2)通过设定比降按照式(2)计算比降阻力;

3)设定上滩流速，计算船舶对水航速并按式(3)和式(5)计算水流阻力Rv和航行阻力R;

4)根据功率P、转速n、船舶对水航速Vs及相关参数按照式(1)计算船舶推力T0;

5)判断航行阻力R是否等于船舶推力T0，如果相等，则给定的比降和流速即为该功率、该载重工况下的急流滩通航水力指标;否则，需再次假定流速重新计算，直到航行阻力和船舶推力达到平衡为止。

图2 航行阻力法计算通航水力指标过程Fig.2 Calculation process of navigable hydraulic parameters by sailing resistance method

表4列出了“重庆三峡816”在3种载重工况下计算得到的额定功率下的多种载重自航上滩的临界流速-比降组合，即3000吨级船舶自航上滩急流滩通航水力指标，表中同时还列出了航行阻力和船舶推力进行对比。

表4 通航水力指标计算Table 4 Calculation of navigable hydraulic parameters

“重庆三峡816”在3种载重工况下的库区洪水急流滩自航上滩时的最大流速-比降组合。随着载重和比降的增加，允许3000吨船舶能够自航上滩的水流流速变小，通常所说的急流滩通航水力指标是指在额定功率下，船舶以半载的情况下能够在急流滩自航上滩的最大流速-比降组合。因此，笔者选用额定功率半载情况下对该工况进行细化计算，得到库区变动回水区洪水急流滩3000吨级船舶额定通航水力指标，见表5。

表5 库尾急流滩3000吨级船舶额定通航水力指标Table 5 Rated navigable hydraulic parameters of 3000-ton ships ascending rapids

3 结语

三峡库区变动回水区大致范围为长寿到江津，属于典型的河道型水库。在枯水期，三峡蓄水以后库区航道呈现优良的水库航道特征，坝前水位大幅度抬高、流速减缓，库区航道通航条件得到改善。但在洪水期，三峡大坝坝前水位较低，库尾变动回水区呈现天然河道特点，库尾急流滩在洪水期出现碍航特征，致使船舶上行困难，限制了库区航道通航能力的全面提升。

笔者选取“重庆三峡816”作为3000吨级代表船型，根据“重庆三峡816”上滩能力调查结果及川江水力指标理论计算方法，对“重庆三峡816”以功率100%在载重50%，75%，100%等共3种工况下比降从0.01‰～2‰等6种情况进行了流速-比降组合计算。确定了三峡库区典型洪水急流滩河段的3000吨级船舶自航上滩的水力指标。为航道整治工程措施、提高库区船舶的通航期和发挥三峡航运效益有重要意义。

［1］杨祥飞.三峡库区土脑子滩治理技术研究［J］.重庆交通大学学报:自然科学版，2008，27(增刊 1):984-989.

Yang Xiangfei.Study on treatment technique for Tunaozi Shoal in Three Gorges reservoir area［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science，2008，27(supp1):984-989.

［2］ GB/T 18181—2000三峡枢纽过坝船舶(队)尺度系列［S］.北京:中国标准出版社，2000.

［3］长江重庆航运工程勘察设计院.长江干线泸州纳溪至重庆娄溪沟航道建设工程初步设计［R］.重庆:长江重庆航运工程勘察设计院，2004:145-146.

［4］童思陈，许光祥，邓明文.澜沧江船舶航行阻力及通航水力指标研究［J］.人民长江，2010，41(2):67-72.

Tong Sichen，Xu Guangxiang，Deng Mingwen.Study on sailing resistance and navigable hydraulic parameters to rapids shoal of Lancang Rive［J］.Journal of Renmin Changjiang，2010，41(2):67-72.

［5］钱徐涛，张国雄，沈鸿玉.天然河流船舶阻力与下沉量的模型试验研究［R］.上海:交通部上海船舶运输科学研究所，1982:6-9.

［6］ 长江航道局.川江航道整治［M］.北京:人民交通出版社，1998:62-65.

［7］曹民雄，李花白，陆宏健.消滩水力指标的确定方法讨论［J］.人民长江，2004，35(11):35-37.

Cao Minxiong，Li Huabai，Lu Hongjian.Discussion on methods to determine rapids suppression hydraulic indexes［J］.Journal of Renmin Changjiang，2004，35(11):35-37.

［8］李一兵.内河船舶航行阻力计算方法讨论［J］.水道港口，2002，23(1):7-11.

Li Yibing.Discussion on the method of inland ship sailing resistance calculation［J］.Journal of Waterway and Harbor，2002，23(1):7-11.

［9］杨胜发，赵晓马，王涵.长江上游卵石急滩消滩水力指标研究［J］.水运工程，2007(8):78-81.

Yang Shengfa，Zhao Xiaoma，Wang Han.On hydraulic parameter of rapids abating of pebble rapids on the upper reaches of the Yangtze River［J］.Port＆ Waterway Engineering，2007(8):78-81.

Study on the Navigable Hydraulic Parameter of 3000-ton Ships at the Rapids of Three Gorges Reservoir Area

Zhang Peng，Hu Jiang
(School of River＆ Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China)

In the impoundment stage of Three Gorges reservoir，the improved conditions of navigation have played an important role in promoting the economic development of the upstream region.In the flood period，however，the rapids contained the promotion of reservoir navigation capacity due to the rapid flow.The 3000-ton ships are mainly navigation ships of Three Gorges Reservoir Area.However，there is no research about it.Therefore，this article was based on the actual measurement when the 3000-ton ships traveled the rapids of Three Gorges Reservoir Area and the theoretical calculation formula to determine the navigable hydraulic parameter of 3000-ton ships.The results of research contribute to the channel rectification project，the navigation period of the Reservoir Area and the Three Gorges shipping returns.

Three Gorges Reservoir Area;rapids;3000-ton ships;navigable hydraulic parameter

U61

A

1674-0696(2012)04-0877-04

10.3969/j.issn.1674-0696.2012.04.34

2011-11-09;

2012-04-10

交通运输部西部交通建设科技项目(2007-328-000-89)

张 鹏(1987—)，男，重庆人，硕士研究生，主要从事航道整治方面的研究。E-mail:zhangpengcquc@163.com。