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        瀾滄江急灘消灘水力指標(biāo)確定方法

        2012-08-27 06:47:28許光祥
        關(guān)鍵詞:瀾滄江船型水力

        許光祥,費(fèi) 樂(lè)

        (重慶交通大學(xué),重慶400074)

        0 引言

        山區(qū)河流坡陡流急,急灘分布較廣,大多險(xiǎn)灘也包含急的礙航成分,以急礙航的灘險(xiǎn)幾乎占山區(qū)河流所有灘險(xiǎn)的一半[1],瀾滄江等河流急灘占灘險(xiǎn)總數(shù)的比例更大,達(dá)80%以上[2]。

        急灘消灘水力指標(biāo)是指某船舶(隊(duì))在額定載重額定主機(jī)功率條件下能夠自航上灘的最大航線流速和比降,是判定船舶能否自航上灘的臨界水流條件。消灘水力指標(biāo)是急灘整治設(shè)計(jì)的重要依據(jù),其確定的合理性、科學(xué)性是急灘整治成功的重要前提,表1是川江代表船型的急灘通航水力指標(biāo)[3-5]。

        目前,研究急灘消灘水力指標(biāo)的方法較多,有經(jīng)驗(yàn)分析法、實(shí)船試驗(yàn)法、航行阻力計(jì)算法、船模試驗(yàn)法以及數(shù)值模擬法等[6]。其中經(jīng)驗(yàn)分析法是根據(jù)駕駛?cè)藛T經(jīng)驗(yàn)確定成灘或消灘水位,然后獲取相應(yīng)水位時(shí)的流速、比降便是消灘水力指標(biāo)。通常做法是向不同船型的船長(zhǎng)們咨詢調(diào)查,收集在什么水期、什么水位和載量情況下開(kāi)始成灘礙航從而獲得成灘水位或流量,然后根據(jù)實(shí)測(cè)資料或河工模型試驗(yàn)、數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果,確定成灘水位時(shí)的流速、比降。經(jīng)驗(yàn)分析法方便簡(jiǎn)單、省時(shí)省力,且具有一定實(shí)踐檢驗(yàn),常為人們采用。

        表1 川江部分船型消灘水力指標(biāo)Table1 Part of the form hydraulic parameter of rapids abating in Chuanjiang River

        筆者依據(jù)瀾滄江多個(gè)灘險(xiǎn)的河工模型和數(shù)學(xué)模型的研究成果,介紹成灘或消灘流量法確定急灘消灘水力指標(biāo),并研究如何將經(jīng)驗(yàn)確定的離散指標(biāo)推算為系列指標(biāo)的合理方法。

        1 成灘流量法初步確定消灘水力指標(biāo)

        1.1 代表船型

        代表船型為瀾滄江縱流艏舯U型雙艉、300 t級(jí)機(jī)駁船“華平號(hào)”。船型基本參數(shù)為:總長(zhǎng)46.2 m,型寬 7.6 m,型深2.35 m,設(shè)計(jì)吃水 1.75 m,標(biāo)準(zhǔn)及滿載排水量405 t,空載排水量125 t,額定功率2×255 kW,設(shè)計(jì)航速22 km/h。

        1.2 急灘水流參數(shù)

        根據(jù)河工模型、數(shù)學(xué)模型以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段獲得的典型急灘流速、比降資料見(jiàn)表 2[2,7],并給出了詳細(xì)咨詢當(dāng)?shù)卮L(zhǎng)獲得相應(yīng)的成灘或消灘流量。

        表2 瀾滄江典型急灘消灘流量Table 2 Typical rapids abating discharge in Lanchang River

        1.3 初步消灘水力指標(biāo)確定過(guò)程

        依據(jù)成灘或消灘流量法初步確定急灘消灘水力指標(biāo),其主要步驟如下:

        1)代表船型的確定。如本文研究的代表船型為瀾滄江300 t級(jí)機(jī)動(dòng)船“華平號(hào)”。

        2)成灘或消灘水位或流量的確定。主要方法是咨詢長(zhǎng)期航行于灘段的船長(zhǎng),了解在什么水位、流量或者在什么水期船舶上灘困難,如表2。鑒于不同船長(zhǎng)的駕駛習(xí)慣、熟練程度、航線選擇等有所不同,宜咨詢多個(gè)船長(zhǎng)以消除個(gè)體差異。同時(shí)調(diào)研習(xí)慣航線,以便準(zhǔn)確確定航線流速和比降等。

        3)灘段特別是灘口段的水位流量關(guān)系以及水位與流速、比降的關(guān)系。收集的水位范圍一般需將成灘水位、最洶水位和消灘水位包含在內(nèi),水位間隔越短越準(zhǔn)確。同時(shí)需要獲取灘段各斷面表面流速分布以及左岸、右岸、航行水域等處的局部比降,以便更為準(zhǔn)確確定航線流速、比降。方法主要采用實(shí)測(cè)資料或河工模型、數(shù)學(xué)模型等研究成果。

        4)繪制流量(水位)-流速、流量(水位)-比降關(guān)系圖。圖1為瀾滄江代表急灘的流量與流速、比降關(guān)系。

        圖1 各急灘航槽流速、比降隨流量變化及消灘水力指標(biāo)的確定Fig.1 Determination of navigation channel flow rate,slope changes according to discharge and shoaland hydraulic parameter of rapids abating index in each rapid

        5)初步確定各灘消灘水力指標(biāo)。在流量與流速、比降關(guān)系圖中,查取成灘或消灘流量相對(duì)應(yīng)的流速和比降便是消灘水力指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)表3。由于該指標(biāo)還不是最終的指標(biāo),故稱之為初步消灘水力指標(biāo)。

        表3 典型急灘通航水力V-J指標(biāo)Table 3 Navigational hydraulic V-J index of typical rapids

        1.4 初步消灘水力指標(biāo)合理性分析

        表3是同一船型在不同急灘上的經(jīng)驗(yàn)值,表示的是否是同一指標(biāo)系列。從通航水力V-J指標(biāo)曲線(圖2)可以看出,V-J經(jīng)驗(yàn)點(diǎn)的連線雖不為光滑的曲線,但有較強(qiáng)的趨勢(shì),它們的相關(guān)性仍是較高的。另外也可看出,6個(gè)灘表示出了3個(gè)指標(biāo)范疇。無(wú)名中灘為大流速、低比降的范疇;西瓜灘、無(wú)名下灘、勐宋灘和賀寬上灘表征流速、比降均居中的指標(biāo)范疇;而無(wú)名上灘則表示低流速、大比降的指標(biāo)范疇,包含的指標(biāo)范疇比較全面,結(jié)果基本合理。

        圖2 消灘水力指標(biāo)變化趨勢(shì)Fig.2 Change trends of hydraulic parameter of rapids abating index

        2 消灘水力指標(biāo)的合理表達(dá)式

        2.1 初步消灘水力指標(biāo)的不足

        表3雖然給出了初步消灘水力指標(biāo),但屬于各急灘的個(gè)灘行為,其流速、比降的組合數(shù)據(jù)離散,指標(biāo)不系統(tǒng),組成的關(guān)系曲線不圓滑,各組合的一致性較差,成果難以移植,且與習(xí)慣用法不一致(習(xí)慣上常取比降為連續(xù)的整數(shù),推算對(duì)應(yīng)的流速值,如表1),基本不能用于實(shí)際,宜將其轉(zhuǎn)化為習(xí)慣用法。

        2.2 消灘水力指標(biāo)的合理表達(dá)式

        轉(zhuǎn)化最簡(jiǎn)單的方法是關(guān)系曲線擬合,即將表3的V,J通過(guò)最小二乘法、Excel軟件等建立一個(gè)V,J之間的關(guān)系式,從而可較容易地獲得平均情況下的系列成果。但是,擬合可選用的關(guān)系式較多,如直線和冪指數(shù)、對(duì)數(shù)、多項(xiàng)式曲線等,選擇一種更符合消灘水力指標(biāo)V,J之間物理意義和關(guān)系的曲線具有現(xiàn)實(shí)意義。筆者從船舶航行受力平衡的角度推求消灘水力指標(biāo)合理的表達(dá)式。

        眾所周知,船舶航行阻力由水流阻力和坡降阻力組成,其中水流阻力與流速的平方成正比,坡降阻力為船舶重力在水流方向的分力。當(dāng)船舶勻速航行時(shí),其航行阻力應(yīng)與有效推力T平衡。由此,受力平衡方程可簡(jiǎn)寫(xiě)為:

        式中:T為船舶有效推力;α為坡降阻力修正系數(shù);W為船舶排水總量;β為與船型、水流等有關(guān)的綜合系數(shù)。

        應(yīng)用最小二乘法,依據(jù)式(2)的關(guān)系,可將表3的數(shù)值擬合出最佳的E和L0,即:

        式中:V,J為各組流速、比降指標(biāo);各變量上部帶“—”的表示相應(yīng)的平均值。

        2.3 轉(zhuǎn)化后指標(biāo)

        將表3的 V,J帶入式(3)和式(4),可得 L0=102.3 m,E=1.079 m,則對(duì)于代表船型有:

        將J=1%,2%等代入式(5),便可獲得應(yīng)用方便的系列消灘水力指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)表4。

        表4 系列消灘水力指標(biāo)Table 4 Series of rapids abating index

        由于式(5)不是離散的數(shù)值,而是連續(xù)的表達(dá)式,克服了實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)常常需要插值或選擇什么方式插值的麻煩。從圖3可見(jiàn),轉(zhuǎn)化前、后的指標(biāo)相關(guān)性較強(qiáng),說(shuō)明式(5)有較高的合理性。

        實(shí)際上,E是將V,J合二為一的綜合消灘指標(biāo),通常將其稱之為消灘判數(shù)。對(duì)于本文實(shí)例,消灘臨界指標(biāo)E=1.079,表明當(dāng)實(shí)際灘段的消灘判數(shù)E<1.079時(shí),船舶可自航上灘,否則需施絞等上灘。

        圖3 消灘水力指標(biāo)曲線Fig.3 Curve of hydraulic parameter of rapids abating index

        3 結(jié)語(yǔ)

        1)提出了應(yīng)用成灘流量法確定消灘水力指標(biāo)的過(guò)程:繪制各灘急灘水力參數(shù)與流量關(guān)系→依據(jù)成灘流量初步確定消灘水力指標(biāo)→建立合理的消灘水力指標(biāo)關(guān)系式→獲取系列消灘水力指標(biāo)。

        2)采用成灘流量等經(jīng)驗(yàn)分析法直接確定的消灘水力指標(biāo)存在不系統(tǒng)、難應(yīng)用等不足,需要選定合理的消灘指標(biāo)表達(dá)式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

        3)通過(guò)船舶有效推力與航行阻力受力平衡分析,導(dǎo)出急灘消灘水力指標(biāo)的合理表達(dá)式,將以流速、比降表示的消灘指標(biāo)合并為一個(gè)綜合消灘指標(biāo),即消灘判數(shù),其具有物理意義明確、判斷和應(yīng)用方便等特點(diǎn)。依據(jù)瀾滄江多個(gè)急灘的實(shí)測(cè)和研究成果,采用提出的轉(zhuǎn)換方法,獲得了瀾滄江代表船型的系列消灘水力指標(biāo)。

        [1] 《山區(qū)航道整治》三結(jié)合編寫(xiě)組.山區(qū)航道整治[M].北京:人民交通出版社,1975.

        [2] 長(zhǎng)江重慶航道工程局,重慶交通大學(xué).瀾滄江繡花灘群航道整治河工模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].重慶:長(zhǎng)江重慶航道工程局,重慶交通大學(xué),2004.

        [3] 長(zhǎng)江航道局.川江航道整治[M].北京:人民交通出版社,1998.

        [4] 長(zhǎng)江航道局.航道工程手冊(cè)[M].北京:人民交通出版社,2004.

        [5] 楊勝發(fā),趙曉馬,王涵.長(zhǎng)江上游卵石急流灘消灘水力指標(biāo)研究[J].水運(yùn)工程,2007(8):78-81,92.

        Yang Shengfa,Zhao Xiaoma,Wang Han.On hydraulic parameter of rapids abating of pebble rapids on the upper reaches of the Yangtze River[J].Port& Waterway Engineering,2007(8):78-81,92.

        [6] 曹民雄,李花白,陸宏健.消灘指標(biāo)的確定方法討論[J].人民長(zhǎng)江,2004,35(11):35-37.

        Cao Minxiong,Li Huabai,Lu Hongjian.Discussion on methods to determine rapids index[J].Yangtze River,2004,35(11):35-37.

        [7] 長(zhǎng)江重慶航道工程局,重慶交通大學(xué).瀾滄江賀寬灘航道整治數(shù)值模擬研究報(bào)告[R].重慶:長(zhǎng)江重慶航道工程局,重慶交通大學(xué),2004.

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