蔡汝哲，李曉飆，陳 敏

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

涪江吳家渡電航工程船模通航試驗(yàn)研究

蔡汝哲，李曉飆，陳 敏

（重慶交通大學(xué)，重慶 400074）

采用自航小尺度船模技術(shù)，通過水工模型對吳家渡電航工程的通航條件進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)Q≤3 000 m3/s時(shí)，該樞紐工程的通航條件滿足Ⅴ級航道通航標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，船隊(duì)的航線和駕駛方式以及樞紐的運(yùn)行方式對航行安全都有很大影響。建議樞紐建成后，通過設(shè)置航標(biāo)等方法確保過往船舶順利通航。

小尺度船模；電航工程；通航條件

Biography：CAI Ru-zhe（1944-），male，professor.

吳家渡電航工程位于涪江中游三臺(tái)縣靈興鎮(zhèn)，是涪江干流梯級開發(fā)27級中的第18個(gè)梯級。該工程是一個(gè)以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)等綜合開發(fā)利用的水利水電樞紐工程。其正常蓄水位為395.00 m，電站最大發(fā)電水頭13.3 m，電站額定引用流量436.2 m3/s，電站裝機(jī)容量42 MW，船閘有效尺度為100 m×12 m×2.5 m（長×寬×高），航運(yùn)工程通航等級為Ⅴ級航道。為了論證工程布置對通航條件的影響，在四川大學(xué)高速水力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳家渡樞紐水工模型上，采用自航小尺度船模技術(shù)進(jìn)行了船模通航試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)方法及手段

目前自航小尺度船模技術(shù)廣泛應(yīng)用于人工通航建筑物通航條件的研究中，與常規(guī)的水工、河工模型水流條件（如流速、比降等）量測試驗(yàn)相比，能直觀真實(shí)地反映出航道水流條件和邊界條件對船舶航行的綜合影響及其相互作用［1-2］。

1.1 幾何尺寸和質(zhì)量相似

在船模試驗(yàn)中，幾何相似和質(zhì)量相似是運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力相似的前提和基礎(chǔ)，表明船模和實(shí)船具有同樣的幾何形狀、無因次質(zhì)量和無因次的質(zhì)量分布。在船模的制作過程中采用正確的加工方法，嚴(yán)格控制加工工藝和精度，通?？梢詽M足幾何相似和質(zhì)量相似條件［3-4］。

吳家渡電航樞紐水工模型為正態(tài)水工模型，比尺λ=100，航道通航等級設(shè)計(jì)為Ⅴ級航道，采用山區(qū)河流Ⅴ級航道中較有代表性的1+2×300 t級半分駁頂推船隊(duì)作為試驗(yàn)船隊(duì)，原型船隊(duì)和船模的相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 吳家渡電航樞紐船模試驗(yàn)原型船隊(duì)和船模的相關(guān)數(shù)據(jù)Tab.1 Related data of ship model and prototype ship in Wujiadu hydroelectric power project

1.2 水動(dòng)力相似

船模與實(shí)船的水動(dòng)力相似即要求它們相應(yīng)點(diǎn)的佛汝德數(shù)（Fr）、雷諾數(shù)（Re）、歐拉數(shù)（Eu）、斯特羅哈數(shù)（St）分別相等［1］，然而在現(xiàn)實(shí)情況下同時(shí)滿足上述條件是不可能的，對于水工模型水面上航行的小尺度自航船模，應(yīng)主要使其與實(shí)船的佛汝德數(shù)相等（即重力相似），雖然此時(shí)雷諾數(shù)不相等，若水流處于粗糙紊流狀態(tài)，則二者的摩阻力自動(dòng)相似，這種水流條件在船模試驗(yàn)中較常見，至于歐拉數(shù)、斯特羅哈數(shù)雖難以完全模擬，但對船模試驗(yàn)影響較小，在此可忽略［5-7］。

1.3 操縱性能相似

在重力相似的模型中，船模與實(shí)船的佛汝德數(shù)相等，則船模的雷諾數(shù)必然小于實(shí)船，同時(shí)歐拉數(shù)、斯特羅哈數(shù)也有所不同。由于船模與實(shí)船不能完全達(dá)到水動(dòng)力相似，導(dǎo)致無因次運(yùn)動(dòng)參數(shù)和作用力的不同，造成船模與實(shí)船操縱性能不同，通常稱為操縱性能尺度效應(yīng)［2］。從目前國內(nèi)通航小尺度船模研究成果來看，內(nèi)河航運(yùn)中常用的舵在推進(jìn)器尾流之中的船舶，其船模的操縱性能指數(shù)K′、T′均小于實(shí)船（即回轉(zhuǎn)性劣于實(shí)船，應(yīng)舵性優(yōu)于實(shí)船），存在明顯的尺度效應(yīng)，在進(jìn)行船模試驗(yàn)前必須加以修正。目前對操縱性尺度效應(yīng)的修正方法較多，如減小舵面積、修正舵角、對船體和舵進(jìn)行局部加糙等，考慮涪江為山區(qū)河流，實(shí)際船舶航行時(shí)操舵頻繁且以小舵角為主，因此吳家渡船模操縱性尺度效應(yīng)的修正以應(yīng)舵性指數(shù)T′為主，同時(shí)兼顧回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′，采用的方法為減小舵面積，降低舵效和回轉(zhuǎn)阻力矩，使T′增大但不大于實(shí)船5%，K′小于實(shí)船但不超過20%，這樣就能保證船模和實(shí)船操縱性能基本相似，且實(shí)船操縱安全性略高。

2 船模試驗(yàn)系統(tǒng)及方法

按模型相似原理進(jìn)行制作和率定后，可在水工模型的相應(yīng)試驗(yàn)航段進(jìn)行船模試驗(yàn)。采用遙控設(shè)備，操縱船模在水工模型上按試驗(yàn)要求模擬航行，用激光對船模的航跡、航速、船位、漂角等航行要素進(jìn)行快速非接觸掃描遙測，船模的車、舵等操縱要素由無線電接口遙測，所有的遙測數(shù)據(jù)通過數(shù)字接口輸入計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)計(jì)算和繪圖，確保船模試驗(yàn)具有足夠的精度和效率（圖1）。

圖1 船模試驗(yàn)自動(dòng)測試系統(tǒng)原理圖Fig.1 Principle diagram of automatic test system of ship model test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

為研究吳家渡電航工程設(shè)計(jì)與布置對航運(yùn)的影響，船模試驗(yàn)分兩個(gè)航段進(jìn)行，即船閘上引航道口門區(qū)及連接段和船閘下引航道口門區(qū)及連接段，長約600 m（原型值，下同）。船模試驗(yàn)流量工況包括：Q=350 m3/s（枯水），樞紐蓄水，電站發(fā)電Q=350 m3/s，上游水位Hu=394 m；Q=1 000 m3/s（中水），樞紐局部開啟，電站發(fā)電Q=436.2 m3/s，上游水位Hu=395 m；Q=2 000 m3/s（中洪水），樞紐局部開啟，電站發(fā)電Q=436.2 m3/s，上游水位Hu=395 m；Q=3 000 m3/s（常年洪水），樞紐局部開啟，電站發(fā)電Q=436.2 m3/s，上游水位Hu=395 m。

在船模試驗(yàn)中，試驗(yàn)船隊(duì)的車檔（靜水航速）均按照上水航速4.5 m/s，下水航速4.0 m/s設(shè)置，試驗(yàn)結(jié)果見圖2～圖5。為了減小人為操作的誤差影響，每組試驗(yàn)均重復(fù)了7～8次并取其平均值，同時(shí)所有的測試數(shù)據(jù)均通過平滑濾波處理以消除測試系統(tǒng)誤差和干擾。

圖2 船閘上游航道船模航行試驗(yàn)各要素與流量關(guān)系圖（上行出閘）Fig.2 Relationship between various elements of ship model navigation test and flow of upstream channel of lock（upward out of lock）

3.1 船閘上游航道船模試驗(yàn)情況

（1）船隊(duì)上行出閘。

由圖2可知，在4種流量工況的船模試驗(yàn)中，最大舵角、最大漂角均隨流量的加大而加大，最大航速隨流量的增大而減小，這是由于流量的增大，導(dǎo)致船閘上引航道口門區(qū)的縱橫向流速加大，上行船隊(duì)的操縱難度增加，但總的來說，樞紐上游成庫后河道流態(tài)趨于平順，隨著流量的增加，船隊(duì)的操作難度變化并不明顯，這也可從船隊(duì)上行的最大舵角、漂角變化幅度不大得到驗(yàn)證。

值得注意的是最小航速隨著流量的增大反而增大，特別是Q=350 m3/s時(shí)，最小航速異常偏小，這是因?yàn)镼=350 m3/s時(shí)，其上游水位Hu=394 m，低于其他流量時(shí)的上游水位Hu=395 m，從而造成上引航道水深較淺，淺底效應(yīng)使船隊(duì)啟航時(shí)航速增加較慢，因此在樞紐實(shí)際運(yùn)行過程中，應(yīng)注意保持樞紐上游枯水季節(jié)的水位，避免因水深不足造成礙航。

（2）船隊(duì)下行進(jìn)閘。

由圖3可知，船隊(duì)的最大舵角、最大漂角、最大航速、最小航速均隨流量的增大而增大，但變化幅度不大，說明樞紐上游航道的流速、流態(tài)并沒有隨流量的增大而發(fā)生顯著變化，船隊(duì)的航行難度也沒有明顯的變化。由圖2和圖3的數(shù)據(jù)對比可知，船隊(duì)下行進(jìn)閘時(shí)，各級流量的最大舵角、最大漂角均比上行出閘時(shí)大，這說明船隊(duì)下行進(jìn)閘難度大于上行出閘，這是因?yàn)樯闲谐鲩l是逆水航行，船速相對較低，舵效較好，且是由限制水域駛向?qū)拸V水域，操縱難度相對較?。欢?duì)下行進(jìn)閘操縱難度相對較大。

以上分析表明，無論上行出閘或下行進(jìn)閘，在船模試驗(yàn)的4種流量工況，其最大舵角遠(yuǎn)低于船模試驗(yàn)舵角安全限值25°，最小航速遠(yuǎn)大于船模試驗(yàn)最低航速安全限值0.4 m/s，只要操縱得當(dāng)，船隊(duì)可以順利上下行通過吳家渡樞紐上游航道船閘口門區(qū)和連接段進(jìn)出引航道。船隊(duì)出閘上行的難點(diǎn)在于，駛出引航道時(shí)要適當(dāng)用舵克服航道上的斜流，保持航線順直，船隊(duì)下行進(jìn)閘的難點(diǎn)是船隊(duì)靠近和進(jìn)入引航道后的操縱。

圖3 船閘上游航道船模航行各要素與流量關(guān)系圖（下行進(jìn)閘）Fig.3 Relationship between various elements of ship model navigation test and flow of upstream channel of lock（downward into lock）

3.2 船閘下游航道船模試驗(yàn)情況

（1）船隊(duì)上行進(jìn)閘。

由圖4可知，在4種流量工況船模試驗(yàn)中，最大舵角、最大漂角均隨流量的增大而減小，最大航速、最小航速隨流量的增大而增大，航行條件隨流量的增加而有所改善，這是因?yàn)榇l下引航道出口位于電站的尾水渠內(nèi)，4種試驗(yàn)工況的樞紐泄流都未漫過尾水渠邊墻，尾水渠的流量始終為電站發(fā)電引用流量，隨著流量的加大，樞紐下游的水位將抬高，而電站的發(fā)電引用流量在中、洪水時(shí)維持不變（Q=436.2 m3/s），因而尾水渠內(nèi)的流速將隨流量的增加而減小，航行條件得到改善，船模試驗(yàn)的結(jié)果也印證了這一點(diǎn)。

由圖4還可看出，在枯水流量（Q=350 m3/s）時(shí)，最大舵角明顯加大，最小航速、最大航速明顯減小，這是因?yàn)樵诳菟冢髁咳坑脕戆l(fā)電，電站的發(fā)電引用流量為Q=350 m3/s，小于其他試驗(yàn)工況的發(fā)電引用流量Q=436.2 m3/s，造成船閘下引航道口門區(qū)水深較淺，淺底效應(yīng)使船隊(duì)的航速降低，操縱性能變差。

（2）船隊(duì)下行出閘。

從圖5可以看出，船隊(duì)的最大舵角、最大漂角、最大航速、最小航速均隨流量的增大而減小，說明船隊(duì)的操縱難度隨流量的增加而減小。通過圖4和圖5的數(shù)據(jù)對比可以看出，船隊(duì)下行出閘時(shí)各級流量的最大舵角、最大漂角均比上行進(jìn)閘時(shí)大，說明船隊(duì)下行出閘難度大于上行進(jìn)閘，這是因?yàn)樯闲羞M(jìn)閘是逆水航行，船速相對較低，舵效較好，操縱難度相對較??；而船隊(duì)下行出閘情況正相反，操縱難度相對較大。

圖4 船閘下游航道船模航行各要素與流量關(guān)系圖（上行進(jìn)閘）Fig.4 Relationship between various elements of ship model navigation test and flow of downstream channel of lock（upward into lock）

圖5 船閘下游航道船模航行各要素與流量關(guān)系圖（下行出閘）Fig.5 Relationship between various elements of ship model navigation test and flow of downstream channel of lock（downward out of lock）

以上分析表明，無論上行進(jìn)閘或下行出閘，船模試驗(yàn)的4種流量工況下，其最大舵角遠(yuǎn)低于船模試驗(yàn)舵角安全限值25°，最小航速遠(yuǎn)大于船模試驗(yàn)最低航速安全限值0.4 m/s，只要操縱得當(dāng)，船隊(duì)可以順利上下行通過吳家渡樞紐下游航道船閘口門區(qū)和連接段進(jìn)出引航道。船隊(duì)出閘下行的難點(diǎn)在于航道是一個(gè)彎曲的限制航道，船隊(duì)在彎道前要適當(dāng)提前操舵調(diào)順航線和船位，才能順利過彎，保證航行安全。

4 結(jié)語

船模試驗(yàn)結(jié)果表明，吳家渡電航工程上、下游航道均可滿足常年洪水（Q=3 000 m3/s）及以下流量的通航安全，在枯水期，由于航道變得窄淺，淺水效應(yīng)使船舶的操縱性能和機(jī)動(dòng)性變差，無論上游航道還是下游航道，船隊(duì)航行難度均有所加大，因此樞紐在枯水期運(yùn)行時(shí)，應(yīng)注意保持水位并監(jiān)測航道水深，以確保航行安全，同時(shí)，船隊(duì)的航線和駕駛方式以及樞紐的運(yùn)行方式對航行安全都有很大影響，建議樞紐建成后，結(jié)合船模試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)船試航情況，設(shè)置航標(biāo)，制定安全運(yùn)行方式、培訓(xùn)和指導(dǎo)駕駛員，確保船舶順利通航。

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Research on ship model experiment of Wujiadu hydroelectric power project of Fujiang River

CAI Ru-zhe，LI Xiao-biao，CHEN Min
（Chongqing Jiaotong University，Chongqing400074，China）

Based on the technology of small-scale self-propelled ship model，the navigation conditions of Wujiadu hydroelectric power project were studied by the hydraulic model.The test results show that the channel navigation conditions of the hydro-junction can meet with the grade V navigation standard when the discharge is less than or equal to 3 000 m3/s.The experimental results indicate that fleet route，driving pattern and hydrojunction operation mode have a great influence on the safety of navigation.It is suggested that navigation marks establishment and other methods should be carried out to ensure the navigation of ships after the construction of Wujiadu hydro-junction.

small-scale ship model；hydroelectric power project；navigation condition

U 661.73

A

1005-8443（2010）05-0488-04

蔡汝哲（1944-），男，湖北省南漳人，研究員，主要從事現(xiàn)代量測技術(shù)和通航小尺度船模研究。