陈冬元

(长江三峡通航管理局，宜昌 443000)

三峡—葛洲坝之间38 km河道，俗称两坝间河段。枯水期，河道具有库区特性，航道条件较好；汛期，当三峡下泄流量达到25 000 m3/s以上时，河道具有天然河道特性，受两岸峡谷制约，水流不畅，流态紊乱，航行条件险恶，船舶险情频发，一直是交通主管部门重点关注的区域[1]。两坝间通航环境示意图见图1。

图1 长江三峡—葛洲坝两坝间通航环境示意图Fig.1 Navigation environment between the Three Gorges and the Gezhouba Project

1 概述

为保障三峡—葛洲坝之间汛期船舶航行安全，2008年，交通运输部颁布了《三峡工程初期运行期通航管理办法补充规定》(简称《补充规定》)[2]，2013年，长江航务管理局出台《关于试行船舶主汛期通过两坝间河段单位马力拖带量控制标准》(《简称控制标准》)[3]，均对汛期大流量下通过两坝间航道的船舶性能做出具体规定。《补充规定》和《控制标准》实施后，汛期当三峡下泄流量超过25 000m3/s时，两坝间航道开始实行限制性通航，河段汛期水上安全形势得到好转。但《补充规定》和《控制标准》在实际管理运用过程中也存在一些不足。

一是近年来随着船舶标准化、大型化和造船技术快速推进，过坝运输船舶的船型结构和运输组织方式发生了较大变化，船型发展呈现自航化、重载化、低速化趋势，代表性过坝船舶的上滩能力和操纵性能发生变化，部分船舶对标准存在异议，认为限制过严。二是三峡2008年左右岸电站26台机组全部投产运行，2011-05～2012-07，6台地下机组陆续投产运行，满发流量由24 000～26 000 m3/s增加到29 000～32 000 m3/s，汛期30 000 m3/s满发可能成为常态，《补充规定》和《控制标准》以25 000 m3/s为限航起始流量是否合适，是否存在优化空间以提高汛期通过能力值得进一步深入研究。三是由于多种原因，多年来没有进行两坝间全河段代表船舶(队)的实船试验测试(仅在1986年3月组织过万吨级船队通过石牌弯道的实船试验)，《控制标准》缺乏最基础的数据支撑。

鉴于此，2013～2015年行业管理部门先后组织开展了汛期实船试航和随船测试工作，本研究正是在汛期通航水流条件认识的基础上，对现场测试船舶的航行数据进行深入分析，对《控制标准》完善的理论分析工作提出建议。

2 试验航段及通航水流条件

两坝间河段河岸边坡陡峻、宽阔段和峡谷段相间，蜿蜓曲折。汛期，受峡谷河段地形条件制约，随入库流量增加，河段流速、比降迅速增大，水流湍急，流态紊乱，航行条件急剧恶化，尤其是水田角、喜滩、大沙坝、偏垴等洪水急流滩和石牌弯道、南津关弯道最为险恶，是著名的两坝间汛期碍航滩险“四滩一弯一关”[4]。根据两坝间水流条件原型观测数据，上述碍航滩险河段水流特征如下：

(1)水田角河段河床结构复杂，上口顺直，在水田角处挑流，下游河道边界左右突扩，两侧出现大面积回流，河面水势紊动强烈，泡漩发育，成为著名的“莲沱三漩”。Q=40 000m3/s时，表面流速最大值4.17 m/s；流量Q=45 000 m3/s时，水田角处表面流速最大值为4.40 m/s。

(2)喜滩河段航道顺直，河面束窄，形似瓶颈，近岸均系陡岩及陡形石梁、石坡，河床床面不甚复杂，但边壁极糙，陡竣高深。河段中段水流落差较大，下段因两侧边界扩大，局部有回流。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值为3.85 m/s；Q=45 000 m3/s时，表面流速最大值为4.32 m/s。

(3)大沙坝河段上口宽滩区为白马沱弯道末端，在大沙坝区段左岸逐渐向河中收缩，而河床沿线左部高程变化不大，且略有抬高，水流在上口平顺，但受左侧收缩作用，左部水流逐渐右偏，形成范围较大的强斜向流，呈剪刀水状，下游左侧区段出现大片回流、缓流区，河中及边岸并拌有阵发性漩涡。Q=40 000 m3/s时，表面流速最大值为4.37 m/s；Q=45 000 m3/s时，表面流速最大值为4.10 m/s。

(4)石牌急弯河段，两岸由石坡、陡岩及陡形石梁组成。南岸的石牌溪切于弯道方向入汇，溪口下首有山脚潜伸江中，将深泓折向北岸，床面形成倒坡。受边岸和河床地形影响，断面流速分布很不均匀，中段转弯段右侧受挑流影响，河面近1/3河宽范围表现为回流，左侧石牌凸岸下游表现为挑流，成为本航段通航主要制约因素。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值为4.18 m/s；Q=45 000 m3/s，表面流速最大值为3.77 m/s。

(5)偏脑河段较顺直，但河道狭窄，江面不足200 m，同时受石牌弯道影响，汛期水流湍急，边岸有小范围回流及小泡漩，局部有连串小泡漩发育。断面流速分布总体均匀。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值为3.45 m/s；Q=45 000 m3/s，表面流速最大值为3.73 m/s。

(6)南津关弯道，为葛洲坝库前段航道，受水库蓄水、冲沙、泄洪等因素影响较大。中洪水期，巷子口有斜流，小兰沱有回流，随着流量增大，斜流、回流强度增大。由于流量为35 000 m3/s以下时，葛洲坝大江航道仍然通航，大江、三江进出船舶以及黄柏河进出大江船舶造成该水域通航环境复杂，该水域通视条件及水流条件对船舶航行安全产生较大影响。

3 试验船型选择

3.1 汛期通航船舶类型及数量

根据2014年两坝间航段船舶数据，汛期通航船舶11 123艘次，其中上行船舶5 876艘次，下行船舶5 247艘次。主要通航船舶类型为干散货船，约占73%；液货船和集装箱船次之，分别约占10%和9%；客船、商品车船和其他船舶较少，共约占8%。

3.2 船舶载货量

根据2014年两坝间汛期通航船舶载货量统计，两坝间汛期通航船舶载货量主要分布在3 000 t以上，约占55%；载货量1 000～3 000 t船舶次之，约占37%；载货量1 000 t以下船舶最少，仅约占8%。两坝间汛期通航船舶重载化趋势明显。

3.3 船舶尺度

2014年两坝间汛期通航船舶船长主要为70～110 m；其他船长尺度船舶较少，其中船长小于50 m的一般为公务船、工程船等，船长大于110 m的一般为商品车船、旅游客船。

两坝间汛期通航船舶船宽主要为10～20 m；其他船宽尺度的船舶较少，其中船宽小于10 m的一般为公务船、工程船等，船宽大于20 m的一般为商品车滚装船、旅游客船。

3.4 船舶功率

根据2014年两坝间汛期通航船舶总体功率分布统计，两坝间汛期通航船舶功率主要在630 kW以上，约占62%；440～630 kW和368～440 kW功率船舶次之，分别约占23%和10%；368 kW以下功率船舶占比不到5%。440 kW以上船舶占比达85%。随着船舶大型化，汛期通航船舶功率大型化趋势也相当明显。

3.5 船舶选择原则

根据上述船舶现状分析，试验和测试船舶选择原则如下：(1)船舶需具有代表性且资料必须较为齐全；(2)应基本涵盖2012年交通运输部69号公告《关于公布长江水系过闸运输船舶标准船型主尺度系列及有关规定的公告》所规定的船型和尺度范围[5]；(3)应基本涵盖目前两坝间通航的船舶种类，并包括大型船舶、中型船舶、小型船舶、船队，同时还包括自航自卸沙船、客船(含区间客船和旅游船)、客渡船等；(4)应考虑船舶功率分布。

4 现场试验

4.1 实船试航

分两阶段开展了5个流量级19艘次船舶的实船试航试验。2013-07-23～07-27为第一阶段，开展了25 000 m3/s、30 000 m3/s和35 000 m3/s三个流量级14艘次的实船试航，船型涉及1 000 t级单船及船队、3 000 t级、4 000 t级、5 000 t级单船。2014-09-02～09-03为第二阶段，开展了40 000 m3/s和45 000 m3/s 两个流量级5艘次的实船试航，参试船舶为300TEU集装箱船、800车位商品车、5 000 t级散货船。上述各吨级船舶均进行了上水、下水航向试验，船舶单位功率载量0.5～6.7 t/KW。实船试航的主要测试内容如下：(1)航迹线测定：采用测向GPS和定位GPS结合进行；(2)操纵性能测定：同步测量船舶航向变化和操舵情况。航向角和舵角的测量，分别测向GPS、舵角传感器的动态输出信号，利用数据采集仪连续记录并储存到计算机中；(3)横倾观测：采用倾角传感器进行测定。倾角传感器随船舶运动变化动态输出信号，利用数据采集仪连续记录并储存到计算机中；(4)航速测定：采用GPS测量船舶(队)在各测试段的航行速度；(5)历时测定：采用计算机记录的方式测定船舶(队)通过各滩段的总历时。

4.2 随船测试

除采用专人指挥的实船试航方式外，还采用不影响船舶正常运行的随船测试方法扩充船舶航行数据样本库。根据流量情况，测试工作分多次进行。本次共开展了11个流量级、98艘次船舶试航任务。2014-07-22～07-24，25 000～30 000 m3/s流量级； 2014-09-02～09-04，40 000～45 000 m3/s流量级； 2014-09-16～09-24，30 000～40 000 m3/s流量级； 2015-07-20～07-28，25 000～35 000 m3/s流量级； 2015-08-19～07-25，30 000～40 000 m3/s流量级。参试船舶基本覆盖目前两坝间通航船舶种类和吨位，除散货船和集装箱船外，还包括自航自卸沙船、客船(含区间客船和旅游船)、客渡船等。随船测试的主要测试内容如下：(1)航迹线测定：采用AIS或GPS系统进行；(2)船舶航行状态：采用手动、摄像及传感器记录等方式记录(操舵、航速、主机工况)及船舶横倾变化等。

5 汛期船舶航行操纵性能数据分析

试航及测试数据分析表明，船舶在上、下行通过两坝间航道时船舶的横倾变化不大，均在±1°以内；上行试航船舶由于主机使用功率和装载量不同，通过两坝间航道的总历时约为3～6 h，部分船舶由于是轻载用时较少。绝大多数下行船舶通过两坝间航道的总历时均在2 h以内。

5.1 汛期船舶上水操纵性能数据分析

根据两坝间航道水流条件和船舶航行实践经验，船舶自航安全上行需满足两个条件[6]：船舶(队)通过险滩时主机储备功率不小于额定功率的30%；船舶(队)通过险滩时平均对岸航速不低于4 km/h。

试航及测试数据统计结果表明，(1)船舶上行通过两坝间航道时，不同船舶由于船型不同和驾引操作存在技术细节差异，使用主机负荷的百分比也不同，在南津关等六个滩段中，大部分试航船舶在通过水田角段时使用负荷最大，最大主机负荷达到74.9%。(2)从航速来看，试航船舶通过各滩段的对岸平均航速一般超过4 km/h，但瞬时最小航速会低于4 km/h，甚至会低于2 km/h，如图2所示。

2-a万港腾达916(35000m3/s，上水，单位功率载量4．762t/kw)2-b新平江1021(35000m3/s，上水，单位功率载量1．714t/kw)图2 参试船舶对岸航速变化图Fig．2Changeaboutspeedtoshoreoftestship

为便于比较，以实船试航船舶为例，按主机负荷70%估算部分试航船舶在水田角段的最小航速，估算结果见表1。可以看出，试航船舶在两坝间上行时，大部分船舶对岸平均航速均超过8 km/h，有较大的富余度。但部分试航船舶瞬时对岸航速较小，主要是由于过河变向引起船舶航速速降造成，通过短时加车或改变上滩路线以利过滩。

5.2 汛期船舶下水操纵性能数据分析

两坝间航道船舶下行安全主要受船舶操纵性能影响。“四滩一弯一关”中，石牌弯道由于其航道弯曲度小于90°，属于船舶下行最为困难航段。下行船舶在石牌弯道处舵角变化最大，达到30°，其余航段的最大操舵角均小于15°。各试航船舶由于各船舶(队)绝对尺度和操纵性能的差异，航迹曲率半径各不相同，各船舶(队)在通过石牌湾道时曲率半径最大为475 m，小于石牌弯道的弯曲半径(750 m)；在通过各滩段时最大航迹带占比为32.3%。参试船舶在流量小于35 000 m3/s时可采用持续操左舵或左右舵配合控制转向角速度下行通过石牌弯道(图3)；在流量大于35 000 m3/s时只能采用左右舵配合控制转向角速度通过石牌弯道。

表1 实船试航船舶对岸最小航速估算表(主机70%负荷)Tab.1 Estimation about minimum speed of ship to shore with 70% ship load

3-aQ=25000m3/s参试船舶13-bQ=45000m3/s参试船舶2图3 参试船舶下行经过石牌弯道舵角变向角图Fig．3Changeaboutrudderangleandchangingdirectionangleofdownboundship

从汛期通航水流条件看，在石牌弯道，环流的作用使主流偏向凹岸扫弯而下，巨大的扫弯水使凹岸下半段水流形成泡漩、回流，导致该河段流态复杂紊乱，增加了船舶操纵难度，故船舶一般偏凸岸转行。但由于石牌弯道段河道纵距较短，船舶若以较高的航速下行，水流冲击的叠加作用将使船舶偏离预定航线，进入泡漩回流区；若以太低的速度转弯，舵效将降低，变向能力会下降，不能保持正常的航态通过石牌弯道。

表2 参试船舶单位功率载量超标情况统计表Tab.2 Statistics of excessive conditions about unit power load of test ship

5.3 船舶单位功率载量超标情况分析

将参试船舶实际单位功率载量和《控制标准》进行分析对比，结果见表2。由表可以看出：参试117航次中，共10航次超过了控制标准的限值，占比8.5%。虽总偏差样本的单位功率载量差值的平均值为1.12，但若扣除第2、第7和第9的三组明显偏差数据，单位功率载量差值的平均值仅为0.28，既说明现有控制标准与实际操纵情况是比较接近的，也说明随着船舶大型化发展和操纵性能的提升，《控制标准》存在一定的优化空间。下阶段工作中需要在大样本现场试验的基础上，通过理论模拟分析，完善《控制标准》。

6 主要认识与建议

6.1 主要认识

(1)试航船舶在上行通过两坝间航道时，在6个滩段中通过水田角航段时的主机负载率最高，通过其他5个滩段时的主机负载率基本在30%～60%，随着三峡下泄流量加大，主机负载率逐渐加大，大部分船舶主机储备功率仍然有富裕，少数船舶在水田角河段存在主机功率超70%负荷现象；(2)试航船舶在两坝间上行通过各滩段时的对岸平均航速一般超过4 km/h，但最低航速会低于4 km/h，甚至会降到2 km/h以下；个别船舶大流量下瞬时对岸航速不够可通过短时加车冲过险滩。(3)试航船舶在下行通过两坝间航道时，在6个滩段中通过石牌航段时的操舵角最大，船舶操纵技术要求较高。通过其他5个滩段时除过河点外其余直线航段的最大操舵角均小于15°。(4)试航船舶在上、下行通过两坝间航道时船舶的横倾变化不大，均在±1°以内，上行试航船舶由于主机使用功率和装载量不同，通过两坝间航道的总历时约为3～6 h。下行试航船舶通过两坝间航道的总历时在2 h以内。(5)通过大样本统计，超标准船舶单位功率载量超标率8.5%，扣除明显偏差数据后平均超标限值偏差0.28 t/kW，说明《控制标准》与实际情况比较符合，部分船舶的限航流量存在优化空间。(6)在完善《控制标准》的理论分析过程中，需要关注上滩过程中瞬时对岸航速明显低于4 km/h和主机功率负载率超过70%对限航标准的影响；需要关注大流量石牌弯道下水操纵性对限航标准的影响。

6.2 建议

由于实船试验每个流量级所选取的试验船舶的船型和主机功率覆盖面较小，而且部分试航船舶装载量没有达到《控制标准》的限定值，仅根据试验结果不能确定其他船型在汛期的通过能力。建议在实船试验数据的基础上，进一步开展对其他船型的理论计算分析研究，确定其他船型在汛期通过两坝间航道的能力，为进一步优化《控制标准》提供全面的数据基础。

[1]长江三峡通航管理局.洪水期两坝间船舶航行操作要点[Z].2012.

[2]交通运输部长江航务管理局. 三峡工程初期运行期通航管理办法补充规定[Z]. 2008-06.

[3]交通运输部长江航务管理局.关于试行船舶主汛期通过两坝间河段单位马力拖带量控制标准的批复(2013年第253号)[Z]. 2013-06.

[4]郝品正.三峡两坝间大流量复杂水流下航运安全关键技术研究总报告[R]. 天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2011.

[5]中华人民共和国交通运输部，交通运输部关于公布长江水系过闸运输船舶标准船型主尺度系列及有关规定的公告(2012年第69号)[Z]. 2012.

[6]长江航道局.川江航道整治[M]. 北京：人民交通出版社，1998.