龙滩第二级升船机船舶出厢过程水力特性综合研究*

陈莹颖， 胡亚安， 李中华， 傅陆志丹

(南京水利科学研究院， 通航建筑物建设技术交通行业重点实验室， 江苏 南京210029)

龙滩水电站位于广西天峨县境内， 下游距天峨县城15 km， 是红水河干流上游具有发电、 防洪、 航运等综合效益的大型水电枢纽工程[1]。 红水河是滇、 黔、 桂沿江地区的交通要脉， 在龙滩水电站建成后， 可实现红水河全面通航， 因此龙滩水电站通航建筑物在枢纽中具有重要地位。 龙滩水电站通航建筑物布置在右岸山体中， 为两级带中间渠道的垂直升船机。 两级升船机最大提升高度分别为62.4 m 和93.6 m， 均采用全平衡卷扬式提升系统。 2 个升船机的船厢结构完全相同， 承船厢总长88 m， 设计有效尺度为73.0 m×12.2 m×3.5 m(长×宽×水深)。

龙滩升船机原规划最大过坝船只为500 吨级， 后根据《国家发展改革委办公厅关于加快推进龙滩枢纽通航建筑物建设方案调整前期工作的通知》， 其设计最大通航船舶吨级调整为1 000 t。根据2016 年《交通运输部办公厅关于报送红水河1 000 吨级设计船型尺度的函》， 龙滩升船机代表船型尺度为68.0 m×11.0 m×2.40 m(总长×型宽×设计吃水)。 按照规范[2]， 龙滩升船机级别为Ⅲ级， 为大型升船机。 由于1 000 吨级船舶吃水深较500 吨级增加， 船厢和航槽通航水深适当加大， 需要通过物理模型试验确定船舶安全航行的船厢水深及相应的限制航速等控制标准[3]。

1 试验方法

龙滩第二级升船机船舶出厢过程物理模型试验采用牵引系统拖曳船模方式进行， 即在模型航线的上方设置导向装置， 通过固定的牵引装置， 拖曳船舶按设定的速度和航线航行， 保证船模在渠道及船厢中航行时航速恒定且不偏离航线和碰壁[4]。

1.1 物理模型设计

因主要研究船厢内水面波动、 船舶出厢下沉量等特性， 故模型设计时不考虑船厢的提升设备及行程等， 仅考虑龙滩两级升船机之间的实际水域部分， 包括第二级升船机上闸首航槽、 两级升船机船厢水域部分、 第一级升船机下闸首航槽及中间渠道段。

龙滩升船机船舶出厢试验水工物理模型主要采用聚乙烯塑料板和有机玻璃制作， 可保证模型与原型糙率基本一致。 试验船舶为1 000 吨级单船， 船舶模型也主要按重力相似准则设计， 几何比尺与水工物理模型一致。 船舶模型除满足与实船的尺度、 线型几何相似外， 船模运动时与实船的航速也应满足相似， 同时还应使船模与实船的排水量相似。

1.2 测点布置与测量方法

试验采用电容液位计测量船厢、 上闸首、 中间渠道等段的水面波动， 超声波测距仪固定在船舶前后牵引装置上测量船舶首尾升沉量和首尾水面变化值； 激光测距仪固定在船舶牵引小车上测量船舶航行距离， 校核计算船舶航速； 同时配合采用全站仪测量船舶航线航速及船尾升沉量。 试验数据均由多通道高速数据采集系统自动采集和处理。 船舶行程0 点(位于第二级升船机船厢下游端)及电容液位计测点布置见图1。

图1 龙滩升船机船舶出厢物理模型

龙滩两级升船机船厢设计水深3.5 m， 结合类似规模升船机船厢水深研究经验， 考虑船厢±0.1 m误载水深， 取龙滩升船机船舶出厢试验水深为3.4、 3.5 和3.6 m； 中间渠道通航水深按3.6 m考虑。

1.3 试验工况

试验采用牵引系统拖曳船模， 1 000 t 设计船舶以0.4～1.0 m∕s 多种航速驶出第二级升船机船厢。 船厢水深为3.4、 3.5 和3.6 m 时的船舶出厢工况见表1。

表1 出厢试验工况

2 船厢内水面波动

龙滩升船机船厢设计水深3.5 m 时， 船舶以0.6 m∕s 航速出厢， 典型测点水面随时间变化过程线见图2， 船舶不同出厢航速第二级船厢内水面变化最大值见表2。 图2 和表2 中， 船厢1 指第一级升船机船厢， 船厢2 指第二级升船机船厢。

图2 船舶出厢典型测点水面随时间变化过程线

表2 船舶不同出厢航速、 第二级船厢内水面变化最大值

船舶出第二级升船机船厢过程， 由于船舶的阻塞效应， 船舶启动时， 将第二级船厢内大量水体推向中间渠道和第一级船厢， 船尾后的第二级船厢、 上闸首和3#渡槽单向航道水面降低， 船尾下沉明显， 船舶可能触底， 3#渡槽双向航道及其上游中间渠道和第一级船厢水面则有所上升(尤其第一级船厢上游端，上升明显)； 且由于船厢、上闸首和3#渡槽单向航道断面尺寸较窄， 3#渡槽双向航道及其上游中间渠道较宽， 第二级船厢、上闸首和3#渡槽单向航道水面降低值大于3#渡槽双向航道及其上游中间渠道水面上升值。 当船尾驶出3#渡槽单向航道进入3#渡槽双向航道时， 大量的水体由3#渡槽单向渠道上游的中间渠道骤然进入第二级船厢、 上闸首和3#渡槽单向渠道， 在其中形成较大的涌水波， 这种涌水波由3#渡槽单向渠道上游端传至第二级船厢下游端厢壁时， 将发生固壁反射， 并与从上游推进的涌水波叠加，在中间渠道和两级升船机船厢内形成复杂的长波运行， 须经过较长时间才能达到水面平稳。 结合图2 和表2 可知:

1)船舶出厢过程引起的水面变化， 同一工况条件， 第二级升船机船厢内各测点的水面下降最大值明显大于水面上升最大值。 船厢设计水深3.5 m时， 船舶以0.6 m∕s 航速出厢， 第二级升船机船厢内水面最大下降值为0.27 m， 最大上升值为0.10 m。

2)船厢水深一定时， 船舶出厢航速越大， 水面下降值和水面变幅越大。 船厢设计水深3.5 m时， 船舶以0.6 m∕s 航速出厢， 第二级升船机船厢内最大水面变幅为0.35 m； 船舶以0.8 m∕s 航速出厢， 第二级升船机船厢内最大水面变幅为0.62 m。

3)船舶出厢航速相同时， 船厢水深越小， 船厢内水面下降值越大。 船舶以0.6 m∕s 航速出厢，船厢设计水深3.5 m， 第二级升船机船厢内水面最大下降值为0.27 m； 考虑船厢误载水深-0.1 m 即船厢水深3.4 m， 第二级升船机船厢内水面最大下降值为0.37 m。

3 船舶出厢下沉量

船舶出厢时， 受船厢和3#渡槽单向航道尺度的限制， 船首行进过程中推开的水流受边界条件的影响产生阻塞效应， 船首前方被推开的水体移动到船尾， 形成水流围绕船体运动， 这种水流的回流运动伴随流速损失而产生一个水位落差， 该水位落差就形成了船舶的下沉。 当船舶下沉量较大而船厢水深不足时， 就有可能造成船舶擦底航行， 对船舶和升船机安全产生不利影响， 因此需要对龙滩升船机船舶出厢时的船舶下沉量进行研究， 以确定合理的船厢水深和船舶出厢航速限值。

龙滩升船机船厢设计水深3.5 m 时， 船舶典型航速出厢船舶首尾升沉量随航行位置变化见图3。由图3 可知， 船舶出厢过程中， 船舶首尾升沉量中， 船舶下沉量大于上升量， 船尾下沉量又明显大于船首下沉量， 因此船舶出厢过程中船舶最大下沉量主要指船尾最大下沉量。

图3 船舶典型航速出厢首尾升沉量随船舶位置变化过程线

不同船厢水深和船舶出厢航速， 船舶在船厢内的最大下沉量与最小安全余量见表3。 船厢水深不同， 船舶出厢航速对船舶在船厢内最大下沉量和船舶最小安全余量的影响分别见图4、 5。 由图4～5 和表3 可知:

1)船厢水深一定时， 船舶出厢航速越高， 船舶在船厢内最大下沉量越大， 船舶最小安全余量越小， 且基本呈线性关系。 船厢设计水深3.5 m时， 船舶以0.6 m∕s 航速出厢， 船舶最大下沉量为0.32 m、 最小安全余量为0.78 m； 船舶以0.8 m∕s航速出厢， 船舶最大下沉量为0.48 m、 最小安全余量为0.62 m。

2)船舶出厢航速一定时， 船厢水深越小， 船舶在船厢内最大下沉量越大， 船舶最小安全余量越小。 船舶以0.6 m∕s 航速出厢， 船厢设计水深3.5 m， 船舶最大下沉量为0.32 m、 最小安全余量为0.78 m。 考虑船厢误载水深-0.1 m 即船厢水深3.4 m， 船舶最大下沉量为0.36 m、 最小安全余量为0.65 m。

根据水口升船机模型试验资料[5]， 船舶以0.51 m∕s 设计速度出厢， 模型实测船底安全余量为0.72 m。 因此， 为确保船舶航行安全， 龙滩升船机吃水为2.4 m 的1 000 吨级设计船舶船底安全余量应不小于0.7 m。 综合考虑对船底安全余量的要求还有其他类似工程的船底水深余量， 龙滩升船机承船厢设计水深为3.5 m 较为安全合理。

表3 不同船厢水深和船舶出厢航速时， 船舶在船厢内的最大下沉量与最小安全余量

图4 不同船厢水深时船舶航速与船舶最大下沉量关系

图5 不同船厢水深时船舶航速与船舶最小安全余量关系

前人根据理论分析及国内三峡、 向家坝、 思林、 构皮滩等大量升船机工程模型试验成果[6-8]，研究德川船舶进出承船厢时的最大下沉量主要与船舶航速、 船厢水深和断面系数有关。 结合量纲分析， 研究建立具有普遍适用性的船舶进出船厢最大下沉量计算公式[9]:

式中: δ 为最大下沉量(m)； h 为船厢水深(m)；v 为船舶航速(m∕s)； n 为断面系数， n=F∕f； F 为船厢过水断面面积(m2)； f 为船舶舯断面的水下部分面积(m2)； g 为重力加速度(m∕s2)， σ、 τ 为与船厢有关的经验系数。

根据龙滩升船机船舶出厢模型试验数据， 无量纲化后P-K 关系见图6， 其中

将P-K 关系通过最小二乘法进行拟合， 得出船舶出厢最大下沉量δ 与v、 h、 n 间存在式(4)关系， 由此可以根据相关曲线和拟合公式对其他工况进行插值估算龙滩升船机船舶出厢最大下沉量。

图6 船厢水深不同时船舶出厢最大下沉量特性

4 升船机对接锁定机构荷载

船舶出升船机第二级船厢过程， 第二级船厢内水体被推出， 第二级船厢内水体重量也会明显下降， 升船机锁定机构受力也会出现突变， 随着中间渠道内的水流长波运动， 第二级船厢内水体重量既有增加也有下降， 并呈周期性波动， 这种水流长波运动对升船机锁定机构受力也提出一定的要求。 船厢水面波动引起的船厢水体质量、 纵向倾斜力矩及锁定机构单点荷载变化可通过船厢水面变化值估算得出。

龙滩升船机船厢设计水深3.5 m、 船舶出厢航速0.6 m∕s 时， 计算所得船舶出厢引起的船厢质量随船舶位置变化过程线见图7， 船舶出厢过程船厢失重、 增重最大时刻瞬时水面线见图8， 船舶出厢引起船厢纵向倾斜力矩和锁定机构单点荷载随船舶位置变化过程线分别见图9 和图10。

图7 船厢质量变化过程线

图8 船厢失重、 增重最大时刻瞬时水面线

图9 船厢纵向倾斜力矩变化过程线

图10 船厢锁定机构单点荷载变化过程线

不同船厢水深和船舶航速时， 第二级船厢的最大失重、 锁定机构单点最大荷载和最大等价水面变化分别见图11～13。 分析可知:

1)船舶失重最大时刻船首尚未驶出3#渡槽单向航道， 船舶仍有近半船体位于船厢内， 船厢内大量水体被推出， 造成船厢内水体重量大幅减少；船厢增重最大时刻: 船尾驶出3#渡槽单向航道进入3#渡槽双向航道， 3#渡槽双向航道及上游中间渠道内的水体骤然进入第二级船厢， 造成船厢水体质量的明显增加。

2)船舶出厢过程， 船厢失重最大值明显大于增重最大值。 船厢设计水深3.5 m， 船舶以0.6 m∕s航速出厢， 船厢最大失重质量185.4 t， 最大增重质量68.2 t。

3)船舶出厢航速一定时， 船厢水深越小， 船厢失重越多、 船厢锁定机构单点荷载越高、 船厢等价水面变化值也越大； 船厢水深一定时， 船舶出厢航速越高， 船厢质量变化越大、 船厢锁定机构单点荷载越高。

4)为确保升船机和船舶的安全， 船厢锁定机构受力应在设计允许范围内， 故估算所得的锁定机构荷载值也可作为确定合理的船厢水深和船舶出厢航速限值的参考依据。

图11 船厢最大失重质量

图12 船厢锁定机构单点最大荷载

图13 船厢最大等价水面变化

5 船舶出厢对第一级升船机对接的影响

由于龙滩水电站通航建筑物为两级带中间渠道的垂直升船机， 须考虑到船舶从第二级升船机船厢驶出至中间渠道航行对第一级升船机在下游对接的影响。 若第一级升船机下闸首处水面波动较大， 船厢门内外水位差过大， 第一级升船机与中间渠道对接则比较困难， 既可能船厢门难以打开进行对接， 又可能船厢门打开后中间渠道内水体大量涌入船厢(船厢门外水深大于船厢内)、 船厢内水体大量流出(船厢门外水深小于船厢内)，引起船厢内水体质量、 纵向倾斜力矩等短时间内发生较大变化， 不仅影响升船机的运行效率， 还威胁到升船机锁定机构以及船厢和中间渠道内船舶航行或停泊安全。

龙滩升船机船厢设计水深3.5 m， 船舶不同典型航速出厢过程中， 第一级升船机下闸首水面变化见图14。 从图14 可知， 在船舶出厢过程中， 第一级升船机下闸首水面先壅高后降低， 船舶出厢航速越大， 水面变幅越大。 可以看出， 在船舶出厢停泊在3#渡槽双向航道时， 船舶出厢形成的涌水波在中间渠道和两级升船机船厢内形成复杂的长波运动， 15～20 min 内第一级升船机下闸首仍将产生较大的水面变幅。

图14 不同航速船舶出厢第一级升船机下闸首水面变化

参考三峡升船机设计要求， 船厢门开启时， 船厢内外水位差要求小于0.1 m， 其船厢对接过程中，下游引航道内的水位变化应小于船厢开门水位差即小于0.1 m， 因此龙滩升船机对接过程中， 第一级升船机下闸首水面变幅也可按小于0.1 m 控制。

不同船厢水深和船舶航速， 龙滩升船机船舶出第二级升船机船厢， 第一级升船机下游船厢门外水面最大变幅见表4 和图15。 由图15 和表4 可知， 船厢水深一定时， 船舶出厢航速越大， 第一级升船机下闸首水面变幅越大； 船舶出厢航速一定时， 船厢水深越小， 第一级升船机下闸首水面变幅越大。

表4 第一级升船机下闸首水面最大变幅

图15 第一级升船机下闸首最大水面变幅

6 船舶出厢控制标准探讨

根据以上试验成果分析， 船舶出厢过程引起船厢及中间渠道内水面波动、 航行船舶尾部下沉、船厢内水体质量增减、 船厢锁定机构荷载变化等，可从这些角度出发， 对船舶出厢控制标准进行探讨。

船舶出厢过程， 引起船厢及中间渠道内水面波动， 从升船机对接船厢安全角度考虑， 第一级升船机下闸首水面变幅小于0.1 m， 龙滩升船机船厢设计水深3.5 m、 船舶出厢航速应≤0.8 m∕s，考虑船厢误载水深-0.1 m 即船厢水深3.4 m， 船舶出厢航速应≤0.6 m∕s。

船舶出厢过程， 航行船舶尾部下沉， 从船舶航行安全角度考虑， 船底安全余量为0.7 m， 龙滩升船机船厢设计水深3.5 m， 船舶出厢航速应≤0.7 m∕s， 考虑船厢误载水深-0.1 m 即船厢水深3.4 m， 船舶出厢航速应≤0.5 m∕s。

对比第二级升船机船舶出厢航速对第一级升船机对接的影响与自身出厢航行安全的影响， 船舶安全航行对出厢航速的要求更高。 因此， 在仅考虑船舶出厢过程(不计船舶继续在中间渠道航行过程)时， 船舶出厢控制标准以出厢引起的下沉量为控制因素。 龙滩升船机船厢设计水深3.5 m， 船舶出厢航速≤0.7 m∕s， 考虑误载水深0.1 m 即船厢水深3.4 m 时， 船舶出厢航速应≤0.5 m∕s， 可满足最大吃水为2.4 m 的1 000 吨级船舶过机。

船厢出厢过程， 船厢内水体质量和船厢纵向倾斜力矩产生变化， 船厢锁定机构受力也随之变化， 为确保升船机和船舶的安全， 船厢锁定机构受力应在设计允许范围内， 可通过船厢水面变化值估算得出船厢锁定机构荷载值， 并令其小于锁定机构设计最大值来对船厢水深及船舶航速等提出控制要求。

此外， 船舶出厢过程引起水流在中间渠道和两级升船机船厢内长波运动， 对其他船舶的停泊安全有一定的危害， 会引起船舶颠簸晃动， 故从停泊船舶系缆力不超出规范允许限值的要求来考虑， 也应对船舶出厢水深及船舶航速等提出控制要求。

7 结语

1)船舶出船厢时， 厢内大量水体被推出， 有可能发生船舶触底和船厢荷载剧烈变化， 影响船舶及船厢安全； 同时船舶出厢过程会引起船厢及中间渠道内水面波动， 影响升船机对接安全。

2)综合考虑升船机对接安全和船舶航行安全， 龙滩升船机船厢设计水深为3.5 m 较为安全合理， 在该船厢设计水深条件下， 为满足最大吃水为2.4 m的1 000 吨级船舶过机， 船舶出厢航速应≤0.7 m∕s。

3)龙滩升船机船厢设计水深3.5 m， 船舶出厢航速0.7 m∕s， 厢内水面最大变幅0.54 m， 船舶最大下沉量0.4 m、 最小安全余量0.7 m， 船厢水体相对最大失重3 632 kN， 锁定机构单点最大荷载774 kN， 船厢等价水面变化0.28 m。