長江下游某潛壩局部區域船舶自航上灘能力計算研究

唐翠

摘要：在長江下游可通航水域實施潛壩工程之后，由于潛壩頂部局部水流流速及水面比降的增大，會增加船舶航行的阻力，航道內的最大縱向表面流速和局部比降能否滿足設計船型或船隊自航上灘的要求，需對其通航水力指標進行計算，進而判斷船舶能否正常航行通過潛壩水域。

關鍵詞：船舶航行阻力;自航上灘;通航水力指標

1前言

長江下游某分汊河段為確保主汊航道暢通，擬在支汊上行航道內建設一座潛壩工程，用以調節河道分流比，抑制支汊發展。潛壩工程壩頂高程-10m，壩頂寬10m，壩長959m。工程河段通航船型主要為1000t級、2000t級、5000t級單船及1000t級船隊。

根據水流數學模型計算，潛壩工程實施后，各流量工況下潛壩頂部流速及潛壩處水面比降增大，詳見表1。上行航行船舶除要克服水流阻力外，還要克服水面比降引起的坡降阻力，流速及水面比降增大會增加上行船舶的航行阻力?，F行《航道工程設計規范》中沒有明確航道內最大流速及坡降最大限制要求，但要求航道內的最大縱向表面流速和局部比降宜滿足設計船型或船隊自航上灘的要求。

長江中下游一般河段自然比降在0.01‰～0.1‰，局部河段在0.1‰～0.5‰，比降較小，基本不存在急灘急流的問題，但長江上游流急坡陡，因此，國內關于船舶航行坡降、流速的水力指標研究成果均為針對上游的。一般是通過各種流速～比降組合情況下進行航行阻力與船舶推力的受力平衡，即可計算得到通航水力指標。本文參照長江上游川江通航水力條件計算方法，結合工程河段代表船型基本參數，對各代表船型通航水力指標進行了計算，并根據模型計算得到的各流量工況下潛壩位置的表面流速及坡降結果，進而判斷船舶能否正常上駛航行。

2通航水力指標計算方法

2.1船舶推力計算方法

船舶推力計算主要有單位推力估算法、簡化計算法和綜合計算法，根據本工程特征，采用簡化計算法。簡化法計算船舶推力公式為：

（1）

式中，e為有效推力系數;Pe為船舶功率;Vs為船舶對水航速（m/s），Vs=V+Va;V為灘面流速（m/s）;Va為船舶對岸航速（m/s）;其余參數同前。參照川江現有大量研究，取有效推力系數e=0.38。

2.2船舶阻力計算方法

船舶航行阻力由水流阻力和坡降阻力組成。我國內河水流阻力通常采用前蘇聯茲萬科夫公式結構形式計算，并結合船型情況進行適當修正。

1、水流阻力的計算

水流阻力主要由機動船水流阻力和駁船水流阻力兩部分構成。

（1）機動船的水流阻力

3通航水力指標計算

3.1計算方法

為全面分析潛壩工程建設后潛壩位置各通航船型能否正常上行行駛，針對各代表船型特點，對各代表船型的流速-比降組合進行了計算。

計算的方法和過程：根據載重和船型確定吃水、水線長、浸水面積等→給定比降（0～3‰）→計算坡降阻力→給定上灘流速→計算對水航速→計算航行阻力R→根據功率、航速等相關參數計算船舶推力T→判定航行阻力R是否等于船舶推力T，如相等則給定的比降和流速即為急灘通航水力指標，否則需重新假定流速，直到阻力和推力平衡為止。

3.2計算結果及分析

根據上述計算過程，獲取了代表船舶正常上行行駛的臨界流速-比降組合，同時列出了航行阻力和船舶推力進行對比。

各代表船型各流量工況下流速-比降與通航水力指標關系對比見下圖。從圖中可以看出，對于各單船，潛壩建設后潛壩位置處流速-比降均在計算通航水力指標范圍內，即船舶均能正常自航上行行駛，但是對于1000噸級船隊，在平灘流量46000m?/s及其以下流量條件下，1000噸級船隊均能正常航行行駛，但是在流量86800m?/s條件下，即最高通航水位條件下，潛壩處流速-比降超出了計算通航水力指標線，1000噸級船隊不能正常上行行駛。針對該情況，報告對長江流量為60000m?/s條件下潛壩處的水流條件進行了補充計算，當長江流量為60000m?/s條件下，潛壩位置最大表面流速為2.15m/s，最大水面比坡降為1.35‰，該條件下流速-比降滿足計算通航水力指標要求，1000噸級船隊能正常上行行駛，即在流量60000m?/s及其以下流量條件下，1000噸級船隊均能正常航行自航上灘。

4結論

本文通過對通航水力指標的計算，判斷潛壩工程實施之后，航道內的最大縱向表面流速和局部比降能否滿足設計船型或船隊自航上灘的要求，其計算方法對長江下游類似工程有一定的參考意義。

參考文獻

[1]《航道工程設計規范》（JTS181-2016）;

[2]《航道工程手冊》（長江航道局，人民交通出版社）;

[3]《內河船舶航行阻力計算方法討論》（水道港口，李一兵，2002，23（1）：7-11）;

[4]《船舶原理（下）》（盛振邦，劉應中，上海交通大學出版社，2004）。

（作者單位：南京沐航交通科技有限公司）