三峡—葛洲坝两坝间现行船队通航流量适应能力研究

严 伟，周 若，程子兵，杨 伟，陆 虹

（长江科学院a.水力学研究所；b.科研计划处，武汉 430010）

三峡—葛洲坝两坝间现行船队通航流量适应能力研究

严 伟a，周 若b，程子兵a，杨 伟a，陆 虹a

（长江科学院a.水力学研究所；b.科研计划处，武汉 430010）

三峡—葛洲坝两坝间河道通航难点段诸多，河道蜿蜒曲折，沟壑浅滩水流紊乱，并存在泡漩等不利的险恶流态，给船舶（队）的航行安全带来隐患。介绍了5套运行较多、具有代表性的船舶（队），在两坝间来流量45 000～35 000 m3／s时进行的通航船模试验成果。在来流量40 000 m3／s以下，各船队可通过两坝间各困难航段，其航行指标基本满足船队安全航行的要求，500 t以下的各小型船队应限定在来流量35 000 m3／s以下航行，较为安全；两坝间河道的6个困难航段中，上行较难的为喜滩和狮子垴段，居中为莲沱段、其次为石牌、偏垴和南津关段。该研究成果对今后两坝间行船有一定的实用价值和指导意义。

三峡—葛洲坝两坝间通航；流速流态；船舶（队）通航流量适应能力；对岸航速；安全岸距

三峡—葛洲坝两坝间河道通航难点段有莲沱、喜滩、狮子垴、石牌、偏垴、南津关6个典型河段，河道蜿蜒曲折，沟壑浅滩水流紊乱，并存在泡漩等不利的险恶流态，给船队的航行安全带来隐患（见图1）。在三峡工程初步设计中以万吨船队（9×1 000 t＋1 940 kW）作为标准船队，在两坝间经过船模试验确定的最大通航适应流量为30 000 m3／s［1］，但现行实际航行多为5 000～500吨位的机动驳和中、小型的船队。为促进船舶技术进步，提高航道和船闸等通航设施的利用率，保障水上交通安全，降低运输成本，提高内河航运竞争力，促进内河航运可持续发展，交通部在2010年重新修订了《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》的标准①中国交通运输部.川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列（2010年修订版），2010年1月。。该系列船舶（队）已实际运行于长江各个主干河道上，2009年航运专家组已初步确定了5种运行较多的船舶（队）作为研究三峡—葛洲坝两坝间河道的通航典型代表船队。在两坝间来流量45 000～35 000m3／s时，选6个较困难的河段进行通航船模试验，并综合分析、评估了各航段的通航状况，以对今后两坝间行船提供一定实用价值的指导。

图1 两坝间船模试验测量段平面布置图Fig.1 Plane layout of themeasuring section for the ship model test between the TGP-Gezhouba riverway

图2 各船队组成的平面示意图Fig.2 Plane sketch of the fleets

1 实船与船模概况

三峡现行通航船舶（队）是依据2009年三峡工程航运专家组提出的三峡—葛洲坝两坝间实际运行的船队而定，可概括为5种常规船型：5 000t散货标准船、325TEU（长江现行推广的节能船型）集装箱散货标准船（约5 000 t）、3 000 t散货标准船、1 500 t×2＋1 940 kW船队和500 t散货标准船，各船队规模、具体尺寸详见图2。上述系列船队的船模按重力和几何相似的准则设计制作，长度比尺λL＝150，其它相关比尺如下：时间比尺λt＝＝12.25；速度比尺λV＝λL／λt＝12.25；排水量比尺λΔ＝＝3 375 000。根据《川江及三峡库区运输船舶标准船型主尺度系列》的要求，该系列船队上水航速不得低于18.0 km／h，即各船队航速VO设定为上水18.0 km／h（5.00 m／s）、下水10.8 km／h（3.00 m／s），船模舵角控制与实船一致，为左35°～右35°。

为保证船模试验结果的可靠性，进行了静水Z形操纵性率定试验，试验成果详见表1。由于目前尚无上述船队实船的操纵性能资料，运用文献［2－3］中基于SPSS技术开发的船舶操纵性能预报估算方法，计算实船的回转性指数K′与应舵性指数T′，从而得到实船的总操纵性指数，利用此指数作为模型船队舵面修正的衡准指标p≈K′／2T′；将各自航船模的舵面积减小15%～28%，其总操纵性能指数P比相应实船减小约18.6%～24.8%，修正后船模操纵性能略差于实船的操纵性能，满足船模试验要求。

表1 长江三峡现行船舶操纵性指数修正成果表Table1 Corrected maneuverability indexes of current ship navigation in Three Gorges of Yangtze River

2 研究方法

对各航段进行上、下水船模航行试验，测试航迹线、船位、对岸航速VL及漂角β（船位与航迹线的夹角）等航行参数，结合船队航行标准，对用舵、漂角过程和对岸航速、等航行参数进行统计分析，其研究重点为上水航行状况，综合评估两坝间通航难点段的通航条件，提出合理建议。

根据葛洲坝、三峡等多个水利枢纽的试验成果，参照《三峡船舶航行标准》及其它船舶航行标准，一般要求：①船队与河岸之间必须有一定的安全距离Δb，上行要求Δb＝0.5×Bc（其中Bc为船舶（队）最大船宽）；②船队采用设定航速航行，上水航行时必须有一定的对岸航速VL，要求瞬时VLmin≥0.5 m／s，全航段平均VLp≥1.0 m／s。

采用船模航迹定位测控仪（基于美国国家仪器公司NI视觉智能识别系统研发的）测试，对船队的航行参数进行自动实时采集，将采集的数据转换后绘制航态图，同时给出试验航段主要航行参数的特征值：静水航速VO（m／s）、最小对岸航速VLmin（m／s）、对岸平均航速VLp（m／s）、最大漂角βmax（°）、最大舵角（右为＋、左为－）δmax（°）、最小岸距Δbmin（m）和该航段历经时间TS（s）。

3 试验成果

3.1 南津关和偏垴段

南津关航段上窄下宽，河道断面形态复杂，实船航行均感觉难以驾引；当来流量45 000 m3／s时，南津关口流速较大，最大流速达3.99 m／s，上水航行水域的流速为2.53～3.86 m／s，水流条件较差；5 000 t自航驳、325TEU集装箱自航驳、3 000 t自航驳、1 500t× 2＋1 940 kW船队和500 t自航驳沿该河段上、下行的航行状况基本相近。出三江上引航道后，除325TEU集装箱自航驳受口门区回流的作用，向右岸漂移明显外，其他船队上行略有漂移，航向改变不大，须注意小心操舵，稳定航向，各船队均可安全上行，此航程困难段对岸最小航速VLmin降至1.62 m／s，进入南津关口后，水流相对平缓，各船队的对岸航速VL逐步回升至2.00 m／s以上；测试区域范围各船队平均对岸航速VLp为2.28～2.43 m／s，用舵δmax为＋26°～－26°，最大漂角βmax达25.2°，最小安全岸距Δbmin为56m，历经航程1 250 m的上行时间TS最长达511 s（见图3）。

图3 各船队上、下行过南津关的航态图（Q＝45 000 m3／s）Fig.3 The sailing situation of fleets passing through the Nanjinguan riverway upward ly and downward ly（Q＝45 000 m3／s）

南津关至三江上口门区航段的航行状况，在流量45 000 m3／s时，各船队出三江上引航道上行，受南津关索口强回流的作用，各船队向右岸均有漂移，因各船队操纵性能差异而不同，进入关口后，水流相对平缓；船队下行受回流作用，有明显的漂移，操纵须注意保持航向，与隔流堤保持安全岸距，不然船右舷有可能擦碰三江上引航道隔流堤；在来流量35 000 m3／s以下，回流强度减弱，各船队上、下水航行漂移现象已不明显，该流量级下各船队的上、下水航行较为顺畅。

偏垴航段河势顺直，江面稍窄，当流量45 000 m3／s时，上水航线流速达2.03～3.74 m／s，各船队沿左航线上行至偏垴，受水流紊动影响，船位左、右摆动明显，须小心操舵稳定航向，可沿左岸航线继续上行，偏垴困难段的对岸最小航速VLmin降至0.81 m／s，过偏垴断面后，船队的对岸航速VL逐步回升至1.30 m／s以上，各船队的上行姿态基本平稳；试验范围内各船队平均对岸航速VLp为1.36～1.67 m／s，用舵δmax为＋27°～－24°，最大漂角βmax达17.5°，最小安全岸距Δbmin为41 m，历经航程1 250 m的上行时间TS最长达956 s。

总而言之，各船队在该流量级水流条件下，可按规划航线上行过南津关和偏垴段，下行也较顺畅。在流量40 000 m3／s以下时，各船队只要稳定航向，各行其道，保持安全岸距和会船间距，就可安全地会船。

3.2 石牌弯道段

石牌航段以长江第一弯而著名，当流量为45 000～35 000 m3／s时，上水航线流速达1.99～3.36 m／s。各船队依规划航线抱左岸弯道均可上水航行，但操纵须十分小心，各船队须主操右舵，将船位调整至与弯道水流方向基本一致方可上行，不然船队极易打横，上行过弯道后，与左岸保持安全岸距，尽可避开主流行驶（见图4）。由于各船队绝对尺度和操纵性能的差异，抱弯半径各不同，500 t自航驳的抱弯半径最小，325TEU集装箱自航驳的抱弯半径最大，5 000 t自航驳、3 000 t自航驳和1 500 t×2＋1 940 kW船队的抱弯半径居中且相近，试验范围内各船队对岸最小航速VLmin为1.45 m／s，各船队平均对岸航速VLp为2.21～3.25 m／s，用舵δmax为＋32°～－21°，最大漂角βmax达25.7°，最小安全岸距Δbmin为67 m，历经航程1 100 m的上行时间TS最长达491 s。

下水须谨慎驾引，各船队主操左舵，过弯道后迅速回右舵调整航向，否则船队极易受弯道水流扫尾调头，上行过弯道后试验范围内各船队对岸平均航速VLp为4.02～4.41 m／s，用舵δmax为＋18°～－34°，最大漂角βmax达27.5°，最小安全岸距Δbmin约为108 m，历经航程1 100 m的下行时间TS最长达249 s（见图4）。

石牌航段在流量45 000 m3／s时，各船队可沿左岸线抱弯上行，尽可避开主流行驶；因各船队绝对尺度和操纵性能差异，抱弯半径略不同；石牌弯道下行船队须用静水航速VO为4.50 m／s（增强舵效）以上才较为安全，建议在通航流量40 000 m3／s以下，可安全地会船。

3.3 狮子垴和喜滩航段

狮子垴航段河道狭窄，水势扫湾，水流湍急，流态复杂：当流量45 000 m3／s时，各断面最大流速达4.88 m／s，上水航线流速达4.10 m／s左右，船队上行困难；通航流量降低到40 000 m3／s时，狮子垴处上水航行水域的流速仍较大，各船队沿左航线上行至狮子垴，受较强水流作用，须绕过浅滩，摆渡过河中心至偏右航线，方可继续上行（见图5）。试验范围内各船队对岸最小航速VLmin为0.58 m／s，各船队对岸平均航速VLp为1.29～1.42 m／s，用舵δmax为＋28°～－27°，最大漂角βmax达56.1°，最小安全岸距Δbmin为14.3 m，历经航程1 300 m的上行时间TS最长达992 s。

图4 各船队上、下行通过石牌弯道段的航态图（Q＝45 000 m3／s）Fig.4 The sailing situation of fleets passing through the Shipai curved riverway upward ly and downward ly（Q＝45 000 m3／s）

图5 各船队上、下行通过狮子垴航段的航态图（Q＝40 000 m3／s）Fig.5 The sailing situation of fleets passing through the Shizinao riverway upward ly and downward ly（Q＝40 000 m3／s）

喜滩河势复杂，岸边有连串泡漩，水流湍急，当流量为45 000 m3／s时，各断面最大流速达5.05 m／s，上水航线流速达4.30 m／s左右，船队上行较困难；通航流量降低到40 000 m3／s时，上水航行水域流速仍较大，船队上行先沿左航线上行至喜滩，受强水流作用，摆渡过江，方可继续上行（见图5）。试验范围内各船队对岸最小航速VLmin为0.52 m／s，各船队对岸平均航速VLp为1.56～1.67 m／s，用舵δmax为＋28°～－23°，最大漂角βmax达58.2°，最小安全岸距Δbmin为30.3 m，历经航程1 300 m的上行时间TS最长达833 s。

狮子垴和喜滩航段在流量40 000 m3／s时，航向条件较为相近，各船队上行沿左航线上行至该航段，受较强水流作用，摆渡过江至中右航线方可继续上行，此时只能单线航行；只有通航流量降低到35 000 m3／s以下，船队按左上、右下各行其道，才可较为安全地会船。

3.4 莲坨段

疏水溪至莲坨航道逐渐束窄，洪水期水流湍急，水流紊乱，当流量为40 000 m3／s时，各船队上行基本较顺畅；通航流量增加到42 000 m3／s时，上水航行水域流速增大，船队沿左航线上行至莲坨，受强水流作用，各船队在此断面几乎停滞，注意小心操舵，保持航向，在舵角回零后（减小舵阻力），船队才逐步缓慢上行（见图6）。试验范围内各船队对岸最小航速VLmin为0.36 m／s，各船队对岸平均航速VLp为0.92～1.15 m／s，用舵δmax为＋27°～－24°，最大漂角βmax达46.1°，最小安全岸距Δbmin为14.2 m，历经航程1 300 m的上行时间，TS最长达1 413 s。

各船队下行顺畅（见图6），试验范围内各船队对岸平均航速VLp为5.01～5.09 m／s，用舵δmax为＋18°～－19°，最大漂角βmax达11.6°，最小安全岸距Δbmin为75.6 m，历经航程1 300 m的下行时间TS最长达255 s。

莲坨航道在流量42 000m3／s时，各船队可按规划航线上行至莲坨，受强水流作用，各船队的航行阻力明显加大，船位左、右摆动明显，小心操舵稳定航向，可沿左岸航线继续艰难上行；在流量40 000 m3／s以下，各船队上、下行基本较顺畅，并可较为安全地会船。

图6 各船队上、下行通过莲坨航段的航态图（Q＝42 000 m3／s）Fig.6 The sailing situation of fleets passing through the Liantuo riverway upwardly and downwardly（Q＝42 000 m3／s）

4 结 语

根据三峡—葛洲坝两坝间来流量45 000～35 000 m3／s时，上述系列船队的上、下水通航流量适应能力船模试验成果，可得出如下认识：

（1）在来流量40 000 m3／s时，各船队设定航速Vo为5.00 m／s可上水航行，可安全通过两坝间各困难航段；设定航速Vo为3.00 m／s时，下水航行可通过两坝间各航段，其航行指标（船队的平均对岸航速VLp和最小安全岸距Δbmin）满足基本船队安全航行的要求。

（2）由于500 t自航驳稳定性相对较差，通航流量在35 000 m3／s以上时，两坝间河道蜿蜒曲折，浅滩、泡漩险恶的不利流态，给航行安全带来隐患，因此，建议500 t以下的各船队在限定通航流量35 000 m3／s以下航行，较为安全。

（3）开挖整治狮子垴和喜滩航段水下地形，将狭窄底部断面扩宽或逐步渠道化，降低该航道的表面流速和调顺流态，以利船舶（队）安全上、下水航行。

［1］ 陈永奎，严 伟.三峡—葛洲坝两坝间万吨船队通航船模试验报告［R］.武汉：长江科学院，1988.（CHEN Yong-kui，YANWei.Ship Model Test on the Navigation of Fleets（10，000ton）in the Waterway Between Three Gorges Project and Gezhouba Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，1988.（in Chinese））

［2］ 张显库，李元奎.船舶操纵性指数预报研究［J］.中国航海，2009，32（1）：96－101.（ZHANG Xian-ku，LI Yuan-kui.Prediction of Ship Maneuverability Indices［J］.Navigation of China，2009，32（1）：96－101.（in Chinese））

［3］ 严 伟.三峡工程通航船队船模操纵性率定试验研究［J］.长江科学院院报，1999，（3）：1－3.（YAN Wei.Maneuverability Calibration Test of Tow Model for Studying Navigation of Three Gorges Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1999，（3）：1－3.（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Adaptation of Fleets to the Navigable Discharge in the Waterway Between Three Gorges Project and Gezhouba Hydroproject

YANWei，ZHOU Ruo，CHENG Zi-bing，YANGWei，LU Hong
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

There are many perilous waterways between Three Gorges Project and Gezhouba Hydroproject.Curved riverway，turbulentwater flow，and adverse flow pattern such aswhirlpool threaten the safe navigation of ships and fleets.Ship model testwas carried out by five representative types of fleets under the discharge of 45 000-35 000 m3／s，and the test resultswere presented.When the flow discharge is less than 40 000 m3／s，the fleets can pass through all the perilous segments between Three Gorges Project and Gezhouba Project，and their sailing parameters meet the safe navigation requirements generally.For small shipswhose load capacity are less than 500 t，the safe flow discharge should be limited to less than 35 000m3／s.Among the six perilous segments in the riverway between Three Gorges Projectand Gezhouba Project，Xitan riverway and Shizinao riverway are themost troublesome in terms of upward sailing difficulty，followed by Liantuo riverway，and then Shipai riverway，Piannao riverway and Nanjinguan riverway in sequence.The research results are of practical value and guiding significance to the navigation management between Three Gorges Project and Gezhouba Project.

navigation between Three Gorges Project and Gezhouba Project；velocity and flow pattern；ship（fleet）’s adaptation to navigable discharge；ship speed against bank；safe distance to the bank

TV133.04，TV135.4

A

1001－5485（2013）01－0029－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.01.006

2011－11－22；

2012－02－22

严 伟（1962－），男，江苏吴县人，高级工程师，主要从事通航水力学及船模试验研究，（电话）82829903（电子信箱）yw_620527＠sina.com。