引水工程江渠交匯水域通航條件研究

郝媛媛，李君濤，孔憲衛

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

水流交匯現象在天然河道和人工渠道中廣泛存在。與河(渠)道主干流相比，江渠交匯水域水流邊界條件、地形條件較為復雜，因此船舶是否能夠安全進出江渠交匯水域是引水工程通航建筑物設計需要解決的難點。天然河道干支流交匯口的水流特征[1-2]和支流河口航道整治的研究[3]是以往研究交匯水域的主要方向，而對于引水工程江渠交匯水域的通航研究在國內外卻不多見。引江濟漢是在長江干流中開挖一條人工運河向其第一大直流漢江“補水”的工程，該工程從長江荊州段龍洲垸引水至漢江潛江段高石碑，全長67.1 km，主要任務是滿足漢江興隆以下生態環境用水、河道外灌溉、供水及航運用水要求。

引江濟漢工程為了保證引水干渠內正常通航，通過渠道兩端進、出口引水閘對枯水期渠內水位進行控制，可有效提高全年通航時間。干渠的進口與出口，分別與長江和漢江交匯，由于長江和漢江的水位與流量不同，因此對船舶安全航行的影響因素也不同。因此，如何改善和優化兩端交匯水域的通航條件是該引水工程的重點，也是難點。本文采用大型船舶操縱模擬器為研究手段，以水流與船舶操縱運動數學模型偶合計算為基礎，對引江濟漢工程交匯水域平面布置進行了優化，改善了通航條件，同時提出了引水工程交匯水域船舶避讓原則。

1 設計方案及代表船型

1.1 進口段平面布置

引江濟漢引水、通航工程進口位于長江沙市河段龍洲垸，上游距三峽水利樞紐約148 km，下游距沙市水文站11.76 km。設計方案將進口引水、通航渠道分開布置，分別位于長江的上游和下游，兩者相距1.6 km。由圖1可知，通航渠道船閘上游為天鵝公路橋，船閘下游為荊江大堤通航孔；通航渠道軸線與長江左岸岸線基本接近垂直，與引水渠道軸線夾角約25°[4]。

1.2 出口段平面布置

引江濟漢工程出口位于漢江高石碑，位于漢江興隆樞紐下游3.5 km[5]。由圖2可以看出，出口段通航渠道和引水渠道分別設計為專用渠道，在入匯口，通航和引水設計為共用渠道形式，渠道走向與上游主流夾角呈55°。出口段分為上下游兩條航線，其中與漢江主航道上游連接的彎曲半徑為480 m，與下游連接的彎曲半徑為1 000 m。

1.3 代表船型

圖1 進口段設計方案平面布置圖 圖2 出口段設計方案平面布置圖Fig.1 Layout sketch of the design entrance Fig.2 Layout sketch of the design export

本工程的設計代表船型為1頂2的雙排單列式船隊，駁船等級為1 000 t級，船舶尺度為67.5 m×10.8 m×2 m(長×寬×吃水)。由于代表船型沒有實測資料，主要根據《長江運輸船舶操縱性衡準》(JTT258-2004)對其操縱性進行率定[6-7]。率定結果表明試驗船型的定常旋回性、航向改變性及航向穩定性均滿足《長江運輸船舶操縱性衡準》的相關要求[8]。

2 設計方案通航條件分析

2.1 進口段通航條件

根據水位和流量的關系，進口河段設計最高通航水位所對應的長江流量為45 000 m3/s，因此取該流量為進口處最大通航流量，同時選取最不利條件并結合調水原則進行研究通航條件。

圖3 1頂2船隊雙向航行航跡帶圖(長江Q=15 000 m3/s)Fig.3 Two-way navigation of fleets (Yangtze River Q=15 000 m3/s)

在引水河段內，長江航道流速隨流量的加大而逐漸增加，主流位于右岸，長江河道內的流速遠大于通航渠道內的流速。根據水流數學計算結果，通航干渠進口存在一小范圍的逆時針回流區，回流范圍和回流強度隨長江干流流速加大而增大增強。到45 000 m3/s流量時，上游航線上最大縱、橫向流速分別達到2.08 m/s和1.58 m/s，下游航線上最大縱、橫向流速分別達到2.08 m/s和1.64 m/s。

船舶操縱模擬實驗表明：設計方案在滿足代表船隊安全航行(船舶航行參數滿足要求，下同)的條件下，沿進口上游航線順流進、逆流出通航干渠的上限流量是15 000 m3/s(航跡見圖3)；沿進口下游航線逆流進、順流出通航干渠的上限流量是25 000 m3/s；船隊進入干渠時，順流比逆流要困難，主要在于是舵效不同，即順行船隊航速快不易操縱，逆流船隊航速慢易操縱。

圖4 流量1頂2船隊上游航線航跡帶圖(漢江 Q=800 m3/s)Fig.4 Two-way navigation of fleets (Hanjiang River Q=800 m3/s)

通過船舶操縱模擬實驗也可以看出，設計方案能夠使船舶安全航行的流量遠小于最大通航流量。其原因是船隊長度與進口寬度不相適應，船隊長度較長，而進口寬度較窄。與單船相比，船隊的操作性要差，通航干渠的緩流區范圍較小，較長的船隊無法在有限的區域內將船位調順，因此只能在長江主流區內提前進行調整，但船位調整的時機不易掌握，過早或過晚，都會使船舶撞向岸邊。過早調整船位會撞上左岸，過晚調整受橫流影響，容易被推向右岸。

2.2 出口段通航條件

根據水位流量關系，出口河段設計最高通航水位對應漢江流量為10 000 m3/s，因此取該流量為出口最大通航流量，同時選取最不利條件并結合調水原則進行研究通航條件。

在引水渠出口河段內，漢江河道主槽位于右岸，出口河段以下河段彎道，主流靠近右側凹岸，過彎道后主流逐漸過渡到左岸。在漢江流量10 000 m3/s時，進出引水渠口門的上游航線上縱、橫向流速最大分別為1.37 m/s和0.61 m/s，下游航線與水流方向夾角較小，進出引水渠口門的下游航線上縱、橫向流速最大分別為0.26 m/s和0.11 m/s。

船舶操縱模擬實驗表明：影響船隊安全進出通航干渠的主要因素是出口段轉彎半徑過小，導致船隊沿漢江上游航線進出渠道時需要125°的較大轉向角，若轉向角過小則轉彎半徑不能滿足1頂2船隊的轉彎要求。

圖5 進口段優化后平面布置及航線布設圖Fig．5Sketchoflayoutandrouteoftheoptimizedentrance圖6 出口段優化后平面布置及航線布設圖Fig．6Sketchoflayoutandrouteoftheoptimizedexport

3 設計方案優化

3.1 進口段平面布置優化

將渠道進口與長江的銜接段調整為大圓弧的喇叭口平面形式，渠道左岸圓弧曲率半徑900 m，右岸圓弧曲率半徑600 m，渠道口門處寬度由設計的280 m拓寬至670 m。在調整后的平面形式下，進、出口門時的船隊航線轉彎半徑擴大，上游航線達到1 000 m，下游航線達到700 m。優化后的進口段平面布置及航線設置見圖5[9-10]。

3.2 出口段平面布置優化

在設計方案的基礎上，將渠道與漢江的銜接段上游曲率半徑由480 m擴大到640 m，下游曲率半徑仍為1 000 m；同時將出口船閘與引水之間的隔流堤縮窄20 m，加大隔流堤與干渠左岸坡的距離、擴寬船閘引航道寬度。優化后的出口段平面布置及航線設置見圖6。

表1 交匯水域船舶避讓方式結論Tab.1 Conclusion of the method for the navigation of ships in the confluence waters

3.3 優化方案通航條件

渠道進口段兩側岸線與長江的銜接段平面形式調整為大圓弧喇叭口后，增大了交匯水域兩側岸線彎曲半徑，進口區域水面面積擴大，水流條件得到很大改善，渠道口門上游船舶航線上水流縱向流速最大減小了0.8 m/s，橫向流速最大減小0.3 m/s，船隊安全進出通航干渠的通航流量由15 000 m3/s提高至45 000 m3/s，滿足設計最大通航流量要求。

圖7 進口段航路示意圖 圖8 出口段航路示意圖Fig.7 Sketch of the entrance routes Fig.8 Sketch of the export routes

出口段通過擴大渠道與漢江的銜接段左岸曲率半徑、縮窄隔流堤等措施后，擴大了出口區域和船閘下游引航道水面面積，改善了通航水流條件，出口上、下行航線上水流縱向流速最大減小了0.6 m/s，橫向流速最大減小0.23 m/s，確保船舶(隊)順利駛入通航干渠并能夠安全停靠在靠船墩，船隊安全進出通航干渠的通航流量提高至10 000 m3/s，滿足設計最大通航流量要求。

4 交匯水域船舶避讓方式

進出口段交匯水域的平面布置經過優化后，通航條件得到改善，滿足設計最大通航流量的要求。但是，由于交匯水域船舶存在多條航路，交通比較繁忙，極易出現交通事故。根據《中華人民共和國內河避碰規則》(以下簡稱《內規》)第十五條并結合本文上述研究成果，按照航行相對容易避讓航行相對困難的基本原則，提出本工程交匯水域船舶避讓方式(詳見表1)。進口段與出口段的航路示意圖見圖7和圖8。

5 結論

我國的引江濟漢工程是一特大引水工程，本文利用綜合技術手段對江渠交匯水域通航條件進行了研究，主要結論如下：

(1)利用大型船舶操縱模擬器，以水流與船舶操縱運動數學模型偶合計算的研究手段是一種比較科學合理的方法。

(2)增大進出口段兩側岸線彎曲半徑，擴大交匯水面面積，是改善引水工程交匯水域通航條件的重要措施。

(3)引水工程交匯水域存在多條航路，通航環境復雜，避讓基本原則為航行相對容易避讓航行相對困難的船舶。

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