郝媛媛，李君涛，孔宪卫

(交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

水流交汇现象在天然河道和人工渠道中广泛存在。与河(渠)道主干流相比，江渠交汇水域水流边界条件、地形条件较为复杂，因此船舶是否能够安全进出江渠交汇水域是引水工程通航建筑物设计需要解决的难点。天然河道干支流交汇口的水流特征[1-2]和支流河口航道整治的研究[3]是以往研究交汇水域的主要方向，而对于引水工程江渠交汇水域的通航研究在国内外却不多见。引江济汉是在长江干流中开挖一条人工运河向其第一大直流汉江“补水”的工程，该工程从长江荆州段龙洲垸引水至汉江潜江段高石碑，全长67.1 km，主要任务是满足汉江兴隆以下生态环境用水、河道外灌溉、供水及航运用水要求。

引江济汉工程为了保证引水干渠内正常通航，通过渠道两端进、出口引水闸对枯水期渠内水位进行控制，可有效提高全年通航时间。干渠的进口与出口，分别与长江和汉江交汇，由于长江和汉江的水位与流量不同，因此对船舶安全航行的影响因素也不同。因此，如何改善和优化两端交汇水域的通航条件是该引水工程的重点，也是难点。本文采用大型船舶操纵模拟器为研究手段，以水流与船舶操纵运动数学模型偶合计算为基础，对引江济汉工程交汇水域平面布置进行了优化，改善了通航条件，同时提出了引水工程交汇水域船舶避让原则。

1 设计方案及代表船型

1.1 进口段平面布置

引江济汉引水、通航工程进口位于长江沙市河段龙洲垸，上游距三峡水利枢纽约148 km，下游距沙市水文站11.76 km。设计方案将进口引水、通航渠道分开布置，分别位于长江的上游和下游，两者相距1.6 km。由图1可知，通航渠道船闸上游为天鹅公路桥，船闸下游为荆江大堤通航孔；通航渠道轴线与长江左岸岸线基本接近垂直，与引水渠道轴线夹角约25°[4]。

1.2 出口段平面布置

引江济汉工程出口位于汉江高石碑，位于汉江兴隆枢纽下游3.5 km[5]。由图2可以看出，出口段通航渠道和引水渠道分别设计为专用渠道，在入汇口，通航和引水设计为共用渠道形式，渠道走向与上游主流夹角呈55°。出口段分为上下游两条航线，其中与汉江主航道上游连接的弯曲半径为480 m，与下游连接的弯曲半径为1 000 m。

1.3 代表船型

图1 进口段设计方案平面布置图 图2 出口段设计方案平面布置图Fig.1 Layout sketch of the design entrance Fig.2 Layout sketch of the design export

本工程的设计代表船型为1顶2的双排单列式船队，驳船等级为1 000 t级，船舶尺度为67.5 m×10.8 m×2 m(长×宽×吃水)。由于代表船型没有实测资料，主要根据《长江运输船舶操纵性衡准》(JTT258-2004)对其操纵性进行率定[6-7]。率定结果表明试验船型的定常旋回性、航向改变性及航向稳定性均满足《长江运输船舶操纵性衡准》的相关要求[8]。

2 设计方案通航条件分析

2.1 进口段通航条件

根据水位和流量的关系，进口河段设计最高通航水位所对应的长江流量为45 000 m3/s，因此取该流量为进口处最大通航流量，同时选取最不利条件并结合调水原则进行研究通航条件。

图3 1顶2船队双向航行航迹带图(长江Q=15 000 m3/s)Fig.3 Two-way navigation of fleets (Yangtze River Q=15 000 m3/s)

在引水河段内，长江航道流速随流量的加大而逐渐增加，主流位于右岸，长江河道内的流速远大于通航渠道内的流速。根据水流数学计算结果，通航干渠进口存在一小范围的逆时针回流区，回流范围和回流强度随长江干流流速加大而增大增强。到45 000 m3/s流量时，上游航线上最大纵、横向流速分别达到2.08 m/s和1.58 m/s，下游航线上最大纵、横向流速分别达到2.08 m/s和1.64 m/s。

船舶操纵模拟实验表明：设计方案在满足代表船队安全航行(船舶航行参数满足要求，下同)的条件下，沿进口上游航线顺流进、逆流出通航干渠的上限流量是15 000 m3/s(航迹见图3)；沿进口下游航线逆流进、顺流出通航干渠的上限流量是25 000 m3/s；船队进入干渠时，顺流比逆流要困难，主要在于是舵效不同，即顺行船队航速快不易操纵，逆流船队航速慢易操纵。

图4 流量1顶2船队上游航线航迹带图(汉江 Q=800 m3/s)Fig.4 Two-way navigation of fleets (Hanjiang River Q=800 m3/s)

通过船舶操纵模拟实验也可以看出，设计方案能够使船舶安全航行的流量远小于最大通航流量。其原因是船队长度与进口宽度不相适应，船队长度较长，而进口宽度较窄。与单船相比，船队的操作性要差，通航干渠的缓流区范围较小，较长的船队无法在有限的区域内将船位调顺，因此只能在长江主流区内提前进行调整，但船位调整的时机不易掌握，过早或过晚，都会使船舶撞向岸边。过早调整船位会撞上左岸，过晚调整受横流影响，容易被推向右岸。

2.2 出口段通航条件

根据水位流量关系，出口河段设计最高通航水位对应汉江流量为10 000 m3/s，因此取该流量为出口最大通航流量，同时选取最不利条件并结合调水原则进行研究通航条件。

在引水渠出口河段内，汉江河道主槽位于右岸，出口河段以下河段弯道，主流靠近右侧凹岸，过弯道后主流逐渐过渡到左岸。在汉江流量10 000 m3/s时，进出引水渠口门的上游航线上纵、横向流速最大分别为1.37 m/s和0.61 m/s，下游航线与水流方向夹角较小，进出引水渠口门的下游航线上纵、横向流速最大分别为0.26 m/s和0.11 m/s。

船舶操纵模拟实验表明：影响船队安全进出通航干渠的主要因素是出口段转弯半径过小，导致船队沿汉江上游航线进出渠道时需要125°的较大转向角，若转向角过小则转弯半径不能满足1顶2船队的转弯要求。

图5 进口段优化后平面布置及航线布设图Fig．5Sketchoflayoutandrouteoftheoptimizedentrance图6 出口段优化后平面布置及航线布设图Fig．6Sketchoflayoutandrouteoftheoptimizedexport

3 设计方案优化

3.1 进口段平面布置优化

将渠道进口与长江的衔接段调整为大圆弧的喇叭口平面形式，渠道左岸圆弧曲率半径900 m，右岸圆弧曲率半径600 m，渠道口门处宽度由设计的280 m拓宽至670 m。在调整后的平面形式下，进、出口门时的船队航线转弯半径扩大，上游航线达到1 000 m，下游航线达到700 m。优化后的进口段平面布置及航线设置见图5[9-10]。

3.2 出口段平面布置优化

在设计方案的基础上，将渠道与汉江的衔接段上游曲率半径由480 m扩大到640 m，下游曲率半径仍为1 000 m；同时将出口船闸与引水之间的隔流堤缩窄20 m，加大隔流堤与干渠左岸坡的距离、扩宽船闸引航道宽度。优化后的出口段平面布置及航线设置见图6。

表1 交汇水域船舶避让方式结论Tab.1 Conclusion of the method for the navigation of ships in the confluence waters

3.3 优化方案通航条件

渠道进口段两侧岸线与长江的衔接段平面形式调整为大圆弧喇叭口后，增大了交汇水域两侧岸线弯曲半径，进口区域水面面积扩大，水流条件得到很大改善，渠道口门上游船舶航线上水流纵向流速最大减小了0.8 m/s，横向流速最大减小0.3 m/s，船队安全进出通航干渠的通航流量由15 000 m3/s提高至45 000 m3/s，满足设计最大通航流量要求。

图7 进口段航路示意图 图8 出口段航路示意图Fig.7 Sketch of the entrance routes Fig.8 Sketch of the export routes

出口段通过扩大渠道与汉江的衔接段左岸曲率半径、缩窄隔流堤等措施后，扩大了出口区域和船闸下游引航道水面面积，改善了通航水流条件，出口上、下行航线上水流纵向流速最大减小了0.6 m/s，横向流速最大减小0.23 m/s，确保船舶(队)顺利驶入通航干渠并能够安全停靠在靠船墩，船队安全进出通航干渠的通航流量提高至10 000 m3/s，满足设计最大通航流量要求。

4 交汇水域船舶避让方式

进出口段交汇水域的平面布置经过优化后，通航条件得到改善，满足设计最大通航流量的要求。但是，由于交汇水域船舶存在多条航路，交通比较繁忙，极易出现交通事故。根据《中华人民共和国内河避碰规则》(以下简称《内规》)第十五条并结合本文上述研究成果，按照航行相对容易避让航行相对困难的基本原则，提出本工程交汇水域船舶避让方式(详见表1)。进口段与出口段的航路示意图见图7和图8。

5 结论

我国的引江济汉工程是一特大引水工程，本文利用综合技术手段对江渠交汇水域通航条件进行了研究，主要结论如下：

(1)利用大型船舶操纵模拟器，以水流与船舶操纵运动数学模型偶合计算的研究手段是一种比较科学合理的方法。

(2)增大进出口段两侧岸线弯曲半径，扩大交汇水面面积，是改善引水工程交汇水域通航条件的重要措施。

(3)引水工程交汇水域存在多条航路，通航环境复杂，避让基本原则为航行相对容易避让航行相对困难的船舶。

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