报告简本-交通部西部交通建设科技项目管理中心.doc

内河航道通航条件关键技术研究（二期）报告简本引言0.1 研究背景近年来，在内河航道建设上，经过大量的工程实践，发现和提出了不少急待研究的技术问题，其中，有关内河航道通航水流条件方面总结归纳了八个方面的问题，拟作专题研究。受研究经费及研究周期所限，八个专题的研究工作拟分三期进行。2004年已启动了第一期的研究工作，内容包括“通航建筑物口门区及连接段通航水流条件”、“跨河建筑物通航净宽、净高”和“内河航道设计通航水位计算方法”三个专题。二期的研究内容主要包括：“通航建筑物引航道通航水流条件研究”和“内河航道横流对船舶航行的影响研究”两个专题。二期研究内容的拟定主要是基于其研究内容与一期相关专题的连续性，以充分利用一期研究过程中收集的相关资料，为二期研究工作的开展创造一定的条件。引航道是通航建筑物的重要组成部分，是船闸、升船机等过船设施与上、下游河道的连接通道，其作用在于保证等待过闸的船舶安全停泊，并使进出船舶能交错避让顺利进出通航建筑物。在通航建筑物灌泄水时，上下游引航道内产生非恒定流，由此引起的水面波动和流速、流态变化不仅对引航道等待过闸的船舶产生各种动水作用力，直接影响船只进出引航道，同时，涌浪还会使引航道中的水面降低，减小有效水深，影响航行安全，在国内外的工程实践中，在引航道内均有发生船只海损事故的实例。船闸引航道的通航水流条件与口门区的水流条件也息息相关，口门区通常为动静水的交界区，常产生斜流、横流和回流等不利于航行的水流流态。因此，在实际工程中，常在导航堤头部开孔以改善口门区的水流条件。但开孔的同时，特别是在引航道端部开孔的一定范围内也产生水流流速，从而影响引航道内的通航水流条件。本项目专题一系统研究了船闸灌泄水非恒定流长波波流运动的水力特性；长波波幅与瞬时水面比降、与阀门开启时间、最大瞬时流量、灌泄水时间的关系，并提出相应的设计原则。同时，研究了不同开孔方式对改善口门区水流条件的效果，以及对引航道通航水流条件的影响，提出导航墙开孔的布置原则，这对优化工程设计有一定的现实意义。保证航道全线贯通的关键往往取决于滩险、过河、拦河或临河建筑物等处的通航水流条件。其中过河、拦河或临河建筑物等处影响船舶安全航行的主要因素是横流。船舶在航道中航行时，只要水流流向与航向不一致，水流对船舶即产生横向作用，使船舶偏离规定航线。横流是船舶航行中经常遇到的一种水流状况。在内河通航标准（GB50139-2004）中，对通航水流条件只作了原则规定，对非限制性顺直航道横向流速未提出具体的规定。在航道整治工程技术规范（JTJ 312-98）中，按引航道的通航水流条件要求，规定“船闸上下引航道进出口、取水工程的进口及排水工程的出口处，航道横向流速不宜超过0.3m/s，回流流速不宜超过0.4m/s。”，对非限制性顺直航道的横向流速的要求还有待进一步研究。本项目专题二重点了研究内河航道横向流速的大小、范围对航行船舶的影响，以及分析顺直航道横向流速的限值指标等问题，这是目前内河航道整治工程规划、设计、施工、维护和管理必须研究解决的关键技术问题之一，也是现行标准今后修订时应增加的内容之一。0.2 研究工作的技术路线和指导思想本项目是紧密围绕内河航道建设工程所涉及有关通航水流条件的关键技术问题进行的两个专题研究，因此，整个研究工作是在系统总结我国内河航道建设在设计和运用情况的基础上，紧紧围绕项目研究的总体目标，采用调研咨询、资料收集、依托工程物理模型、概化物理模型、数学模型和综合分析相结合的手段进行的一系列研究工作。研究工作的指导思想是研究内容要有针对性，即紧密结合内河航道建设工程的实际；研究成果要有实际应用价值、要有所提高、有所创新，既要服务于内河航道建设工程的设计和实践，为今后的类似工程提供参考和借鉴，又要为制定或修订相关规范标准中的有关内容提供依据和丰富的素材，并力争使研究成果达到国内外的领先水平。1 研究的内容及主要成果 本项目研究的总体目标是提出具有科学性和实用性的通航建筑物引航道水力要素的限值建议值以及通航建筑物导航堤（墙）开孔的布置原则；同时，在分析讨论内河（运河、水网）航道临河建筑物附近横向流速对船舶航行影响的基础上，提出顺直航道横向流速限值的建议值。1.1 专题一 通航建筑物引航道通航水流条件研究引航道的尺寸和平面布置以及在枢纽总体中的布置都直接关系到船舶过闸的安全和效率，因此，引航道具有足够的水深和适宜的平面布置是保证通航期内过闸船舶（队）畅通无阻、安全行驶的关键。通过对工程实践经验、物理模型试验和数值计算等相关成果资料的收集、分析，以及采用概化物理模型、数值计算相结合的技术路线，研究船闸灌泄水非恒定流产生的长波运动所形成的水力要素对船舶在引航道停泊与航行的影响，提出引航道水力要素（波幅、比降）的限值建议值。同时，结合国内工程实例、概化物理模型和依托工程四川渠江风洞子枢纽整体物理模型试验，研究导航堤（墙）开孔对改善口门区水流条件的效果，以及对引航道通航水流条件的影响，提出其布置原则。一、主要研究内容和成果（1）船闸灌泄水引航道内非恒定流理论分析 在研究分析长度为无限长的矩形断面渠道，其灌泄水的推进波高度hp与灌泄水流量Q成正比的基础上，对船闸上下游引航道在灌泄水过程中，当引航道长度Ln不同时，引航道内波高有以下两种情况：当引航道长度满足： 闸首处将出现最大波高： 当引航道长度满足： 引航道内将形成一个波面形状及流速分布与流量过程线相似的完整的推进波。（2）船闸灌泄水引航道非恒定流概化模型试验成果对级航道进行了概化模型试验，试验所采用的船闸尺度按内河通航标准的规定选定；设定船闸水头为10、15、20、25和30m；阀门开启时间选取2min和6min；试验和计算船型选择16010.82.0 m；引航道断面采用规则梯形断面，边坡1:2；引航道长度为600、1000和1600 m，宽度为75和40 m：扩大段长度取一倍船长，底宽为1.5倍直线段底宽；引航道最小水深3 m。试验研究了非恒定流的影响因素，包括引航道尺度、船闸水头、阀门开启时间、输水时间、流量增率和最大瞬时流量对非恒定流水力参数（水位变幅、流速、比降、系缆力）的影响，建立了相互之间的关系，并提出了改善引航道通航水流条件的工程措施，以及经验公式等。同时，对目前规范中引航道内水流条件的限制值及有关问题进行了分析和讨论。（3）平面二维数值模拟计算成果对、级航道进行了数学模型计算，计算条件和组次与概化模型基本类同。数值模拟计算的基本方程是利用含源汇作用的水流基本方程，采用ADI法求解，网格为矩形网格。基本方程离散时，流速、水位、水深在网格中采用交错排列。在数值模拟计算之前，对数学模型进行了验证，即采用数学模型计算结果与物理模型试验结果进行比较。从验证结果可见，在船闸灌泄水时，引航道内验证点水位变化曲线趋势，计算结果与模型试验结果吻合较好，验证点物理模型与数学模型计算最大水位变幅结果偏差满足通航建筑物水力学模拟技术规程精度要求。在此基础上，取得了、级航道不同方案的计算成果。（4）导航墙开孔研究成果 a. 导航堤（墙）开孔概化物理模型试验研究：两种开孔方式的试验研究，开敞式开孔即在引航道导航墙端部布置导流墩；淹没式开孔在导航墙顺直段或扩大段水面以下开孔；b. 依托工程四川渠江风洞子电航枢纽引航道导航墙不同开孔型式的试验：探讨开孔的型式、范围及其面积比；以及开孔对改善口门区横向流速的效果和对引航道内通航水流条件的影响。c. 国内导航墙开孔的工程实践以及研究成果的分析：收集了郁江那吉、渠江四九滩、嘉陵江新政、金溪等枢纽通航建筑物工程的相关资料，提出导航墙开孔的布置原则。二、本专题的创新点（1）提出了船闸灌泄水非恒定流对通航水流条件的影响主要是对引航道水深、系缆力和航行阻力的影响。水位波动与瞬时最大流量和引航道长度有关，当引航道长度时，灌水时最大降低和泄水时最大升高值变动幅度随长度增加而增大；当引航道长度后，灌水时最大降低和泄水时最大升高值基本不变。（2）在引航道设计中，应充分考虑船闸灌泄水在引航道内引起水深的减小；同时，应考虑闸室宽度的改变而引起引航道内水力要素的增大，如超标，应采取相应的改善措施。（3）提出了级船闸灌泄水时，引航道内水面降低与最大流量的经验公式；以及引航道内水面比降与最大流量增率的经验公式。并根据不同船闸等级和控制船型，提出了允许的比降值。（4）提出引航道中停泊船舶（队）对比降和流速产生的影响，断面系数越小，影响越大。利用航道整治水力计算中关于船舶航行阻力的计算公式，进行船闸引航道停泊条件系缆力计算时，如数学模型中不考虑停泊船舶（队）时，得到的系缆力计算值偏小，只有当引航道断面系数n12时，该方法计算的系缆力值与规范计算值接近。1.2 专题二 内河航道横流对船舶航行的影响研究航道畅通必须全线畅通。保证全线畅通的关键往往在滩险、过河、拦河（过船建筑物）、临河建筑物等处的通航水流条件。随着经济的发展，临河建筑物越来越多，取、排水往往造成航道内出现横流，从而影响船舶航行。本专题通过调研、分析、概化模型试验和船模试验等不同研究手段，提出顺直航道横向流速限值指标的建议值，以保证设计船舶在通航期内安全、顺畅通过临河建筑物的河段，为国家制定水运技术政策提供依据，也可为相关标准的制定或修订打下坚实的基础。一、主要研究内容和成果模型概化与代表船型选择、航道内横向流速的大小对船舶航行的影响研究、航道内横向流速的范围对船舶航行的影响研究和顺直航道横向流速限制性指标的分析与讨论等。（1）无艏向角航行时计算船舶横漂速度的经验公式船舶横向漂离的速度称为船舶的横向漂移速度，简称横漂速度，该速度是横流对船舶航行产生影响的一个重要效应，直接反应了船舶偏航程度的大小。船舶的横漂速度主要与横流速度有关，但同时受对岸航速及船型的影响，横流是船舶产生横漂的直接动力。由统计的试验资料可得经验公式： （2）计算船舶航行漂角的经验公式船舶航行于横流区因受横流力的作用，其航迹线逐渐偏离预设航线，使船舶中轴线与船舶中心处航迹线切线成某一夹角，该夹角称为船舶航行漂角。船舶航行漂角与对岸航速、横向流速、船型及航行方式有关，分析航行试验资料可得以下关系式： （3）计算航迹带宽度的经验公式试验结果表明,航迹带宽度受影响的主要因素为对岸航速，其次为横向流速,同时与船型、航行方式有关，当船舶在限制航路航行时，航迹带宽度变化率相对无艏向角的小。航迹带宽度的计算可用下式表达： （4）计算船舶航行漂距的经验公式试验结果表明, 船舶航行的漂距不仅与横向流速、对岸航速、船型有关，同时与船舶跨越的横流范围和区域有关，可用下式描述： （5）横向流速限值的指标通过对500t、300t船舶分别以不同车速（2.5m/s、3.0m/s、3.5m/s）、不同航行方式（无舵角航行、无艏向角航行、限制航路航行等）上、下行穿越横向流速区的186组试验。并对试验数据的分析，提出了横向流速的限值指标。船舶在限制航路中航行时，500t和300t船舶在对岸航速分别为2.0m/s、3.0m/s、4.0m/s时的横流限值平均值。受各驾驶人员的航行经验、船舶初始船位、艏向角的不同，横流限值存在一定的范围。二、本专题的创新点（1）采用500t、300t船模进行了不同航速、不同航行方式，上、下行穿越横向流速区的试验，研究了级和级航道横流对船舶航行的影响。取得了横向流速对船舶安全航行影响带规律性的认识。（2）通过数模计算分析，确定水槽试验中支槽口门宽度与主支槽的流量比，使试验较好地模拟了横向流速对船舶航行的影响，在模拟技术上有新的发展。（3）由试验资料分析，提出了内河航道横流对船舶航行横漂速度、漂角、航迹带宽度、漂距等影响的经验公式，并分析了船舶航行参数与水流条件间的关系。（4）提出了500t和300t级内河船舶可克服横向流速的限值范围，可供设计参考。2 结束语整个研究成果是对内河航道工程有关通航水流条件的两个关键技术问题进行了研究，提出了一些新的观点和新的方法。采用理论分析、概化物理模型试验和数值计算，研究了船闸灌泄水非恒定流的影响因素，提出了级船闸灌泄水时，引航道内水面降低与最大流量的经验公式以及引航道内水面比降与最大流量增率的经验公式和有关限值的建议值，不仅有利于保障船舶通航安全，也为相关规范的完善提供了丰富的素材。采用概化模型和枢纽整体模型，分析比较了两种导墙开孔率的计算方法对通航水流条件评判的差别；建立了不同开孔率与口门区和引航道内水流条件的关系；同时，提出了导航墙开孔的布置原则，为通航建筑物导航墙设计提供了丰富的基础资料和技术支持。采用数学模型与水槽试验相结合的手段，研究了横流对船舶航行的影响。取得了横向流速对船舶安全航行影响带规律性的认识；提出了内河航道横流对船舶航行横漂速度、