孔憲衛(wèi)，李金合，馮小香，郝媛媛，李君濤

（交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

引江濟(jì)漢通航工程的目的是依托引江濟(jì)漢引水干渠，建設(shè)溝通長(zhǎng)江、漢江中游航線。通航工程的主要內(nèi)容包括引水干渠兩端進(jìn)出口和連接河段，且在進(jìn)出口處分別布置一座Ⅲ級(jí)船閘。其中，進(jìn)口船閘布置在長(zhǎng)江左岸的荊州市李埠鎮(zhèn)龍洲垸，與引水干渠取水口相鄰；出口船閘布置在漢江右岸潛江市高石碑鎮(zhèn)，與干渠出水口相依。工程建成后，將大大縮短長(zhǎng)江與漢江水路直達(dá)運(yùn)輸里程，避免了船舶繞道行駛，節(jié)約了船舶運(yùn)輸時(shí)間，提高了船舶運(yùn)輸效率。

引江濟(jì)漢通航工程與長(zhǎng)江交匯口位于長(zhǎng)江沙市河段，下距沙市水文站11.76 km，上距三峽水利樞紐148 km。交匯口的平面布置形式以及船舶能否從長(zhǎng)江航道順利安全的進(jìn)出通航干渠，是關(guān)系引江濟(jì)漢工程能否發(fā)揮其通航效益的關(guān)鍵問題，必須進(jìn)行深入研究。

1 船舶操縱模擬器在通航建筑物平面布置優(yōu)化中的應(yīng)用方法

船舶操縱模擬器采用了當(dāng)今先進(jìn)的技術(shù)手段，包括計(jì)算機(jī)成像技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、無縫拼接寬視場(chǎng)角環(huán)幕投影技術(shù)、船舶操縱數(shù)學(xué)模型技術(shù)等［1］。用船舶操縱模擬器進(jìn)行平面布置研究屬于船舶工程學(xué)范疇［2］，研究過程不受模型比尺的影響。

其具體方法為：（1）建立模擬區(qū)域的平面數(shù)字地圖。（2）建立船舶操縱數(shù)學(xué)模型并對(duì)代表船型進(jìn)行率定。（3）建立水流數(shù)學(xué)模型或物理模型進(jìn)行通航水流條件的模擬，然后將水流結(jié)果導(dǎo)入模擬器。（4）用模擬器系統(tǒng)進(jìn)行船舶操縱模擬，根據(jù)模擬結(jié)果判斷平面布置形式是否滿足設(shè)計(jì)要求。（5）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)不滿足要求的平面布置形式進(jìn)行優(yōu)化。（6）提出優(yōu)化方案，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)過程，直至平面布置形式滿足設(shè)計(jì)要求。

船舶操縱模擬器的模擬環(huán)境和實(shí)際水域環(huán)境基本一致，所應(yīng)用的水流環(huán)境采用模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，主流、緩流、回流等不同流態(tài)同實(shí)際情況基本一致，模擬環(huán)境選用的有關(guān)設(shè)計(jì)方案圖與建成后的航行圖基本一致；其次，模擬船操縱特性與參考原型船操縱特性相似，在對(duì)車舵的響應(yīng)、船舶慣性和旋回性等方面，將模擬船舶模型與原型船舶進(jìn)行了比對(duì)，結(jié)果基本一致；最后模擬器操縱的方案與實(shí)際船舶航行等操縱方案基本一致［3］。因此采用船舶操縱模擬器進(jìn)行平面布置形式研究是科學(xué)的。

2 代表船型及通航環(huán)境率定

2.1 代表船型率定實(shí)驗(yàn)

選用代表船型為雙排單列式1頂2船隊(duì)，駁船為1 000 t，長(zhǎng)67.5 m，寬10.8 m，吃水2 m，船隊(duì)隊(duì)型及平面主尺度見圖1。由于1頂2船隊(duì)沒有實(shí)測(cè)的船舶操縱資料，主要根據(jù)2004年頒布的《長(zhǎng)江運(yùn)輸船舶操縱性衡準(zhǔn)》（JTT 258-2004）（以下簡(jiǎn)稱標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)其操縱性進(jìn)行率定。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了5個(gè)性能的衡準(zhǔn)指標(biāo)形式，分別為航向穩(wěn)定性指標(biāo)、航向改變性指標(biāo)、定常旋回性指標(biāo)、倒車制動(dòng)性指標(biāo)及倒航穩(wěn)定性指標(biāo)；該標(biāo)準(zhǔn)還給出了各個(gè)指標(biāo)的衡量參數(shù)（表1）。本文主要對(duì)航向穩(wěn)定性指標(biāo)、航向改變性指標(biāo)及定常旋回性指標(biāo)進(jìn)行率定。

表1 長(zhǎng)江運(yùn)輸船舶操縱性衡準(zhǔn)表Tab.1 Ship maneuverability standard on the Yangtze River

（1）航向穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)。在無流情況下，正舵操船3 min，經(jīng)測(cè)定ΔC0=0°＜3.0°，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（2）航向改變性實(shí)驗(yàn)。在常車穩(wěn)速且航向穩(wěn)定初始狀態(tài)下，按規(guī)定舵角 15°操舵，航向由 0°變?yōu)?15°，r0-15=0.62°/s，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）定?；剞D(zhuǎn)性實(shí)驗(yàn)。對(duì)1頂2船隊(duì)進(jìn)行左旋回與右回轉(zhuǎn)的試驗(yàn)，所得旋回試驗(yàn)結(jié)果分別見圖2和表2。

由圖2及表2可知，1頂2船隊(duì)旋回操縱特性滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 1頂2船隊(duì)旋回試驗(yàn)表Tab.2 Turning test of design fleets

2.2 通航水流條件率定

水流數(shù)學(xué)模型的計(jì)算范圍為長(zhǎng)江陳家灣—玉和坪河段，地形采用2009年2月實(shí)測(cè)地形，并采用2009年2月實(shí)測(cè)水文資料（驗(yàn)證流量6 907 m3/s）對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算水面線與實(shí)測(cè)值比較接近，最大水位誤差為±0.03 m，小于《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》（JTJ/T 232-98）規(guī)定的±0.10 m的誤差要求。不同斷面實(shí)測(cè)垂線平均流速與計(jì)算值的符合程度良好，實(shí)測(cè)流速與計(jì)算流速在流速大小和橫向分布上比較一致，能夠反映流速的斷面分布情況，采用的平面二維水流數(shù)學(xué)模型能夠基本反映河道阻力和斷面水流運(yùn)動(dòng)特征［4］。

3 在引江濟(jì)漢通航工程與長(zhǎng)江交匯口平面布置研究中的應(yīng)用

3.1 設(shè)計(jì)方案平面布置形式概況

引江濟(jì)漢通航工程通航干渠位于引水干渠下游約1.6 km處，引水干渠與通航干渠分離，通航干渠長(zhǎng)2.7 km，沿線依次布置通航干渠與長(zhǎng)江連接段（即交匯口）、天鵝公路橋和船閘，其軸線與長(zhǎng)江左岸岸線夾角約90°，與引水干渠軸線交角約25°，通航干渠與長(zhǎng)江連接段軸線長(zhǎng)800 m［5］；渠道左側(cè)以200 m轉(zhuǎn)彎半徑與長(zhǎng)江上游相連，渠道右側(cè)以360 m轉(zhuǎn)彎半徑與長(zhǎng)江下游相連，口門寬（交匯口長(zhǎng)江大堤處寬度）約280 m，上游航線與下游航線的轉(zhuǎn)彎半徑均為640 m。

3.2 航行模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 試驗(yàn)組合

試驗(yàn)組合包括設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化方案下，代表船型在長(zhǎng)江 5 000 m3/s、7 500 m3/s、10 000 m3/s、15 000 m3/s、25 000 m3/s、45 000 m3/s流量下的船舶雙向進(jìn)出通航干渠試驗(yàn)。

3.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在長(zhǎng)江流量為5 000 m3/s時(shí)，上游航線上最大橫流達(dá)0.59 m/s，下游航線上最大橫流達(dá)0.66 m/s，隨著長(zhǎng)江流量的加大，長(zhǎng)江航線上的流速及航線橫流都加大。到45 000 m3/s流量時(shí)，上游航線上最大橫流達(dá)到1.58 m/s，下游航線上最大橫流達(dá)到1.64 m/s。

在長(zhǎng)江流量小于等于15 000 m3/s時(shí)，1頂2船隊(duì)可以在設(shè)計(jì)方案交匯口雙向航行且成功避讓，航態(tài)較好；在25 000 m3/s流量時(shí)，1頂2船隊(duì)不能順利的從上游航線進(jìn)入通航干渠，模擬結(jié)果見圖4。若操舵過早或操大舵角時(shí)間過長(zhǎng)，船舶會(huì)撞上通航干渠的左岸，若操舵過遲或操大舵角時(shí)間過短，船舶無法克服在長(zhǎng)江航道內(nèi)的橫漂作用而撞上通航干渠的右岸；出通航干渠進(jìn)入長(zhǎng)江航道的船舶可以在25 000 m3/s流量時(shí)順利航行。從長(zhǎng)江航道進(jìn)入通航干渠比出通航干渠進(jìn)入長(zhǎng)江航道困難，是由于從長(zhǎng)江航道進(jìn)入通航干渠是從開闊水域進(jìn)入限制性航道，需要準(zhǔn)確的落位在航道中心線上，才能通過天鵝公路橋進(jìn)入船閘，并且進(jìn)通航干渠時(shí)順流而行，受橫流的影響也大，船舶操縱困難。1頂2船隊(duì)在上游航線能安全雙向航行的上限流量為15 000 m3/s。

下游進(jìn)出通航干渠的上限流量是25 000 m3/s，上游進(jìn)出通航干渠的上限流量是15 000 m3/s，下游進(jìn)出通航干渠比上游困難，原因在于從下游進(jìn)通航干渠為從長(zhǎng)江航道逆行進(jìn)入，船舶操縱容易，而從上游進(jìn)通航干渠為從長(zhǎng)江航道順流進(jìn)入通航干渠，船舶操縱困難，因此船舶的航行方式選用進(jìn)通航干渠沿岸邊航行。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案的模擬結(jié)果，對(duì)平面布置進(jìn)行了一系列優(yōu)化，最終優(yōu)化方案為：將交匯口左岸與長(zhǎng)江大堤改用900 m的圓弧連接，交匯口右岸與長(zhǎng)江大堤改用600 m的圓弧相連。整體來看，交匯口平面布置呈喇叭口形式，長(zhǎng)546 m，交匯口口門寬度由280 m調(diào)整為約670 m，喇叭口內(nèi)側(cè)最窄處為70 m。上游航線的轉(zhuǎn)彎半徑擴(kuò)大為1 000 m，下游航線的轉(zhuǎn)彎半徑擴(kuò)大為700 m，平面布置形式如圖5。

從水流條件的模擬看，在5 000 m3/s流量下，上游航線上最大橫流達(dá)到0.39 m/s，下游航線上最大橫流達(dá)到0.43 m/s。隨著長(zhǎng)江流量的加大，長(zhǎng)江航線上的流速及航線橫流都加大，到45 000 m3/s流量時(shí)，上游航線上最大橫流達(dá)到1.19 m/s，下游航線上最大橫流達(dá)到1.35 m/s。同設(shè)計(jì)方案相比，航線上的最大流速減小，這主要是由于交匯口變大，航線的轉(zhuǎn)彎半徑擴(kuò)大，航線更靠近岸邊，航線上流速減小，航線與水流的夾角也同時(shí)減小，導(dǎo)致航線上橫流減小。

從船舶操縱的模擬看，在設(shè)計(jì)方案條件下，1頂2船隊(duì)在25 000 m3/s流量與45 000 m3/s流量下不能順利雙向航行，在修改方案下可以順利的雙向航行并成功避讓，圖6～圖8給出了船舶航跡帶及航行參數(shù)圖，船舶可以順利進(jìn)入的原因是在修改方案下，船舶交匯口緩流區(qū)內(nèi)操縱的余地比較大，船舶可以以距岸較大的安全橫距進(jìn)入通航干渠，并且預(yù)先與航線保持一定的橫距，以克服船舶在橫流區(qū)產(chǎn)生的慣性橫漂，從而使船舶最終落位于進(jìn)入通航干渠的中心線上，順利的進(jìn)入通航干渠及船閘［6］，但同時(shí)也應(yīng)看到，在45 000 m3/s流量時(shí)，船舶的舵角范圍為-20°～20°，船舶的橫移速度最大達(dá)到2 m/s，船舶操縱比較困難，需要謹(jǐn)慎操縱。

4 結(jié)論

本文對(duì)船舶操縱模擬器應(yīng)用于通航工程平面布置研究的方法進(jìn)行了論證，并用水流數(shù)學(xué)模型與船舶操縱模擬器研究了引江濟(jì)漢通航工程與長(zhǎng)江交匯口的平面布置方案，得到結(jié)論如下：

（1）船舶操縱模擬器結(jié)合通航水流模型試驗(yàn)進(jìn)行通航建筑物平面優(yōu)化研究是一種比較科學(xué)的方法。

（2）用船舶操縱模擬器對(duì)引江濟(jì)漢通航工程與長(zhǎng)江交匯口的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了通航安全操縱模擬，結(jié)果表明在設(shè)計(jì)方案下，代表船舶在交匯口的最大通航上限流量?jī)H為15 000 m3/s，不滿足設(shè)計(jì)要求。

（3）優(yōu)化方案加大了上下游連接段的彎曲半徑，進(jìn)而提高了上下游航線的轉(zhuǎn)彎半徑，減小了航線上的橫流，并且使船舶有足夠的空間調(diào)順船位，代表船舶在各研究流量下均能夠順利進(jìn)出通航干渠并安全避讓，滿足設(shè)計(jì)要求。

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