嚴 偉，周 若，程子兵，楊 偉，陸 虹

（長江科學院a.水力學研究所；b.科研計劃處，武漢 430010）

三峽—葛洲壩兩壩間現(xiàn)行船隊通航流量適應能力研究

嚴 偉a，周 若b，程子兵a，楊 偉a，陸 虹a

（長江科學院a.水力學研究所；b.科研計劃處，武漢 430010）

三峽—葛洲壩兩壩間河道通航難點段諸多，河道蜿蜒曲折，溝壑淺灘水流紊亂，并存在泡漩等不利的險惡流態(tài)，給船舶（隊）的航行安全帶來隱患。介紹了5套運行較多、具有代表性的船舶（隊），在兩壩間來流量45 000～35 000 m3／s時進行的通航船模試驗成果。在來流量40 000 m3／s以下，各船隊可通過兩壩間各困難航段，其航行指標基本滿足船隊安全航行的要求，500 t以下的各小型船隊應限定在來流量35 000 m3／s以下航行，較為安全；兩壩間河道的6個困難航段中，上行較難的為喜灘和獅子垴段，居中為蓮沱段、其次為石牌、偏垴和南津關(guān)段。該研究成果對今后兩壩間行船有一定的實用價值和指導意義。

三峽—葛洲壩兩壩間通航；流速流態(tài)；船舶（隊）通航流量適應能力；對岸航速；安全岸距

三峽—葛洲壩兩壩間河道通航難點段有蓮沱、喜灘、獅子垴、石牌、偏垴、南津關(guān)6個典型河段，河道蜿蜒曲折，溝壑淺灘水流紊亂，并存在泡漩等不利的險惡流態(tài)，給船隊的航行安全帶來隱患（見圖1）。在三峽工程初步設(shè)計中以萬噸船隊（9×1 000 t＋1 940 kW）作為標準船隊，在兩壩間經(jīng)過船模試驗確定的最大通航適應流量為30 000 m3／s［1］，但現(xiàn)行實際航行多為5 000～500噸位的機動駁和中、小型的船隊。為促進船舶技術(shù)進步，提高航道和船閘等通航設(shè)施的利用率，保障水上交通安全，降低運輸成本，提高內(nèi)河航運競爭力，促進內(nèi)河航運可持續(xù)發(fā)展，交通部在2010年重新修訂了《川江及三峽庫區(qū)運輸船舶標準船型主尺度系列》的標準①中國交通運輸部.川江及三峽庫區(qū)運輸船舶標準船型主尺度系列（2010年修訂版），2010年1月。。該系列船舶（隊）已實際運行于長江各個主干河道上，2009年航運專家組已初步確定了5種運行較多的船舶（隊）作為研究三峽—葛洲壩兩壩間河道的通航典型代表船隊。在兩壩間來流量45 000～35 000m3／s時，選6個較困難的河段進行通航船模試驗，并綜合分析、評估了各航段的通航狀況，以對今后兩壩間行船提供一定實用價值的指導。

圖1 兩壩間船模試驗測量段平面布置圖Fig.1 Plane layout of themeasuring section for the ship model test between the TGP-Gezhouba riverway

圖2 各船隊組成的平面示意圖Fig.2 Plane sketch of the fleets

1 實船與船模概況

三峽現(xiàn)行通航船舶（隊）是依據(jù)2009年三峽工程航運專家組提出的三峽—葛洲壩兩壩間實際運行的船隊而定，可概括為5種常規(guī)船型：5 000t散貨標準船、325TEU（長江現(xiàn)行推廣的節(jié)能船型）集裝箱散貨標準船（約5 000 t）、3 000 t散貨標準船、1 500 t×2＋1 940 kW船隊和500 t散貨標準船，各船隊規(guī)模、具體尺寸詳見圖2。上述系列船隊的船模按重力和幾何相似的準則設(shè)計制作，長度比尺λL＝150，其它相關(guān)比尺如下：時間比尺λt＝＝12.25；速度比尺λV＝λL／λt＝12.25；排水量比尺λΔ＝＝3 375 000。根據(jù)《川江及三峽庫區(qū)運輸船舶標準船型主尺度系列》的要求，該系列船隊上水航速不得低于18.0 km／h，即各船隊航速VO設(shè)定為上水18.0 km／h（5.00 m／s）、下水10.8 km／h（3.00 m／s），船模舵角控制與實船一致，為左35°～右35°。

為保證船模試驗結(jié)果的可靠性，進行了靜水Z形操縱性率定試驗，試驗成果詳見表1。由于目前尚無上述船隊實船的操縱性能資料，運用文獻［2－3］中基于SPSS技術(shù)開發(fā)的船舶操縱性能預報估算方法，計算實船的回轉(zhuǎn)性指數(shù)K′與應舵性指數(shù)T′，從而得到實船的總操縱性指數(shù)，利用此指數(shù)作為模型船隊舵面修正的衡準指標p≈K′／2T′；將各自航船模的舵面積減小15%～28%，其總操縱性能指數(shù)P比相應實船減小約18.6%～24.8%，修正后船模操縱性能略差于實船的操縱性能，滿足船模試驗要求。

表1 長江三峽現(xiàn)行船舶操縱性指數(shù)修正成果表Table1 Corrected maneuverability indexes of current ship navigation in Three Gorges of Yangtze River

2 研究方法

對各航段進行上、下水船模航行試驗，測試航跡線、船位、對岸航速VL及漂角β（船位與航跡線的夾角）等航行參數(shù)，結(jié)合船隊航行標準，對用舵、漂角過程和對岸航速、等航行參數(shù)進行統(tǒng)計分析，其研究重點為上水航行狀況，綜合評估兩壩間通航難點段的通航條件，提出合理建議。

根據(jù)葛洲壩、三峽等多個水利樞紐的試驗成果，參照《三峽船舶航行標準》及其它船舶航行標準，一般要求：①船隊與河岸之間必須有一定的安全距離Δb，上行要求Δb＝0.5×Bc（其中Bc為船舶（隊）最大船寬）；②船隊采用設(shè)定航速航行，上水航行時必須有一定的對岸航速VL，要求瞬時VLmin≥0.5 m／s，全航段平均VLp≥1.0 m／s。

采用船模航跡定位測控儀（基于美國國家儀器公司NI視覺智能識別系統(tǒng)研發(fā)的）測試，對船隊的航行參數(shù)進行自動實時采集，將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后繪制航態(tài)圖，同時給出試驗航段主要航行參數(shù)的特征值：靜水航速VO（m／s）、最小對岸航速VLmin（m／s）、對岸平均航速VLp（m／s）、最大漂角βmax（°）、最大舵角（右為＋、左為－）δmax（°）、最小岸距Δbmin（m）和該航段歷經(jīng)時間TS（s）。

3 試驗成果

3.1 南津關(guān)和偏垴段

南津關(guān)航段上窄下寬，河道斷面形態(tài)復雜，實船航行均感覺難以駕引；當來流量45 000 m3／s時，南津關(guān)口流速較大，最大流速達3.99 m／s，上水航行水域的流速為2.53～3.86 m／s，水流條件較差；5 000 t自航駁、325TEU集裝箱自航駁、3 000 t自航駁、1 500t× 2＋1 940 kW船隊和500 t自航駁沿該河段上、下行的航行狀況基本相近。出三江上引航道后，除325TEU集裝箱自航駁受口門區(qū)回流的作用，向右岸漂移明顯外，其他船隊上行略有漂移，航向改變不大，須注意小心操舵，穩(wěn)定航向，各船隊均可安全上行，此航程困難段對岸最小航速VLmin降至1.62 m／s，進入南津關(guān)口后，水流相對平緩，各船隊的對岸航速VL逐步回升至2.00 m／s以上；測試區(qū)域范圍各船隊平均對岸航速VLp為2.28～2.43 m／s，用舵δmax為＋26°～－26°，最大漂角βmax達25.2°，最小安全岸距Δbmin為56m，歷經(jīng)航程1 250 m的上行時間TS最長達511 s（見圖3）。

圖3 各船隊上、下行過南津關(guān)的航態(tài)圖（Q＝45 000 m3／s）Fig.3 The sailing situation of fleets passing through the Nanjinguan riverway upward ly and downward ly（Q＝45 000 m3／s）

南津關(guān)至三江上口門區(qū)航段的航行狀況，在流量45 000 m3／s時，各船隊出三江上引航道上行，受南津關(guān)索口強回流的作用，各船隊向右岸均有漂移，因各船隊操縱性能差異而不同，進入關(guān)口后，水流相對平緩；船隊下行受回流作用，有明顯的漂移，操縱須注意保持航向，與隔流堤保持安全岸距，不然船右舷有可能擦碰三江上引航道隔流堤；在來流量35 000 m3／s以下，回流強度減弱，各船隊上、下水航行漂移現(xiàn)象已不明顯，該流量級下各船隊的上、下水航行較為順暢。

偏垴航段河勢順直，江面稍窄，當流量45 000 m3／s時，上水航線流速達2.03～3.74 m／s，各船隊沿左航線上行至偏垴，受水流紊動影響，船位左、右擺動明顯，須小心操舵穩(wěn)定航向，可沿左岸航線繼續(xù)上行，偏垴困難段的對岸最小航速VLmin降至0.81 m／s，過偏垴斷面后，船隊的對岸航速VL逐步回升至1.30 m／s以上，各船隊的上行姿態(tài)基本平穩(wěn)；試驗范圍內(nèi)各船隊平均對岸航速VLp為1.36～1.67 m／s，用舵δmax為＋27°～－24°，最大漂角βmax達17.5°，最小安全岸距Δbmin為41 m，歷經(jīng)航程1 250 m的上行時間TS最長達956 s。

總而言之，各船隊在該流量級水流條件下，可按規(guī)劃航線上行過南津關(guān)和偏垴段，下行也較順暢。在流量40 000 m3／s以下時，各船隊只要穩(wěn)定航向，各行其道，保持安全岸距和會船間距，就可安全地會船。

3.2 石牌彎道段

石牌航段以長江第一彎而著名，當流量為45 000～35 000 m3／s時，上水航線流速達1.99～3.36 m／s。各船隊依規(guī)劃航線抱左岸彎道均可上水航行，但操縱須十分小心，各船隊須主操右舵，將船位調(diào)整至與彎道水流方向基本一致方可上行，不然船隊極易打橫，上行過彎道后，與左岸保持安全岸距，盡可避開主流行駛（見圖4）。由于各船隊絕對尺度和操縱性能的差異，抱彎半徑各不同，500 t自航駁的抱彎半徑最小，325TEU集裝箱自航駁的抱彎半徑最大，5 000 t自航駁、3 000 t自航駁和1 500 t×2＋1 940 kW船隊的抱彎半徑居中且相近，試驗范圍內(nèi)各船隊對岸最小航速VLmin為1.45 m／s，各船隊平均對岸航速VLp為2.21～3.25 m／s，用舵δmax為＋32°～－21°，最大漂角βmax達25.7°，最小安全岸距Δbmin為67 m，歷經(jīng)航程1 100 m的上行時間TS最長達491 s。

下水須謹慎駕引，各船隊主操左舵，過彎道后迅速回右舵調(diào)整航向，否則船隊極易受彎道水流掃尾調(diào)頭，上行過彎道后試驗范圍內(nèi)各船隊對岸平均航速VLp為4.02～4.41 m／s，用舵δmax為＋18°～－34°，最大漂角βmax達27.5°，最小安全岸距Δbmin約為108 m，歷經(jīng)航程1 100 m的下行時間TS最長達249 s（見圖4）。

石牌航段在流量45 000 m3／s時，各船隊可沿左岸線抱彎上行，盡可避開主流行駛；因各船隊絕對尺度和操縱性能差異，抱彎半徑略不同；石牌彎道下行船隊須用靜水航速VO為4.50 m／s（增強舵效）以上才較為安全，建議在通航流量40 000 m3／s以下，可安全地會船。

3.3 獅子垴和喜灘航段

獅子垴航段河道狹窄，水勢掃灣，水流湍急，流態(tài)復雜：當流量45 000 m3／s時，各斷面最大流速達4.88 m／s，上水航線流速達4.10 m／s左右，船隊上行困難；通航流量降低到40 000 m3／s時，獅子垴處上水航行水域的流速仍較大，各船隊沿左航線上行至獅子垴，受較強水流作用，須繞過淺灘，擺渡過河中心至偏右航線，方可繼續(xù)上行（見圖5）。試驗范圍內(nèi)各船隊對岸最小航速VLmin為0.58 m／s，各船隊對岸平均航速VLp為1.29～1.42 m／s，用舵δmax為＋28°～－27°，最大漂角βmax達56.1°，最小安全岸距Δbmin為14.3 m，歷經(jīng)航程1 300 m的上行時間TS最長達992 s。

圖4 各船隊上、下行通過石牌彎道段的航態(tài)圖（Q＝45 000 m3／s）Fig.4 The sailing situation of fleets passing through the Shipai curved riverway upward ly and downward ly（Q＝45 000 m3／s）

圖5 各船隊上、下行通過獅子垴航段的航態(tài)圖（Q＝40 000 m3／s）Fig.5 The sailing situation of fleets passing through the Shizinao riverway upward ly and downward ly（Q＝40 000 m3／s）

喜灘河勢復雜，岸邊有連串泡漩，水流湍急，當流量為45 000 m3／s時，各斷面最大流速達5.05 m／s，上水航線流速達4.30 m／s左右，船隊上行較困難；通航流量降低到40 000 m3／s時，上水航行水域流速仍較大，船隊上行先沿左航線上行至喜灘，受強水流作用，擺渡過江，方可繼續(xù)上行（見圖5）。試驗范圍內(nèi)各船隊對岸最小航速VLmin為0.52 m／s，各船隊對岸平均航速VLp為1.56～1.67 m／s，用舵δmax為＋28°～－23°，最大漂角βmax達58.2°，最小安全岸距Δbmin為30.3 m，歷經(jīng)航程1 300 m的上行時間TS最長達833 s。

獅子垴和喜灘航段在流量40 000 m3／s時，航向條件較為相近，各船隊上行沿左航線上行至該航段，受較強水流作用，擺渡過江至中右航線方可繼續(xù)上行，此時只能單線航行；只有通航流量降低到35 000 m3／s以下，船隊按左上、右下各行其道，才可較為安全地會船。

3.4 蓮坨段

疏水溪至蓮坨航道逐漸束窄，洪水期水流湍急，水流紊亂，當流量為40 000 m3／s時，各船隊上行基本較順暢；通航流量增加到42 000 m3／s時，上水航行水域流速增大，船隊沿左航線上行至蓮坨，受強水流作用，各船隊在此斷面幾乎停滯，注意小心操舵，保持航向，在舵角回零后（減小舵阻力），船隊才逐步緩慢上行（見圖6）。試驗范圍內(nèi)各船隊對岸最小航速VLmin為0.36 m／s，各船隊對岸平均航速VLp為0.92～1.15 m／s，用舵δmax為＋27°～－24°，最大漂角βmax達46.1°，最小安全岸距Δbmin為14.2 m，歷經(jīng)航程1 300 m的上行時間，TS最長達1 413 s。

各船隊下行順暢（見圖6），試驗范圍內(nèi)各船隊對岸平均航速VLp為5.01～5.09 m／s，用舵δmax為＋18°～－19°，最大漂角βmax達11.6°，最小安全岸距Δbmin為75.6 m，歷經(jīng)航程1 300 m的下行時間TS最長達255 s。

蓮坨航道在流量42 000m3／s時，各船隊可按規(guī)劃航線上行至蓮坨，受強水流作用，各船隊的航行阻力明顯加大，船位左、右擺動明顯，小心操舵穩(wěn)定航向，可沿左岸航線繼續(xù)艱難上行；在流量40 000 m3／s以下，各船隊上、下行基本較順暢，并可較為安全地會船。

圖6 各船隊上、下行通過蓮坨航段的航態(tài)圖（Q＝42 000 m3／s）Fig.6 The sailing situation of fleets passing through the Liantuo riverway upwardly and downwardly（Q＝42 000 m3／s）

4 結(jié) 語

根據(jù)三峽—葛洲壩兩壩間來流量45 000～35 000 m3／s時，上述系列船隊的上、下水通航流量適應能力船模試驗成果，可得出如下認識：

（1）在來流量40 000 m3／s時，各船隊設(shè)定航速Vo為5.00 m／s可上水航行，可安全通過兩壩間各困難航段；設(shè)定航速Vo為3.00 m／s時，下水航行可通過兩壩間各航段，其航行指標（船隊的平均對岸航速VLp和最小安全岸距Δbmin）滿足基本船隊安全航行的要求。

（2）由于500 t自航駁穩(wěn)定性相對較差，通航流量在35 000 m3／s以上時，兩壩間河道蜿蜒曲折，淺灘、泡漩險惡的不利流態(tài)，給航行安全帶來隱患，因此，建議500 t以下的各船隊在限定通航流量35 000 m3／s以下航行，較為安全。

（3）開挖整治獅子垴和喜灘航段水下地形，將狹窄底部斷面擴寬或逐步渠道化，降低該航道的表面流速和調(diào)順流態(tài)，以利船舶（隊）安全上、下水航行。

［1］ 陳永奎，嚴 偉.三峽—葛洲壩兩壩間萬噸船隊通航船模試驗報告［R］.武漢：長江科學院，1988.（CHEN Yong-kui，YANWei.Ship Model Test on the Navigation of Fleets（10，000ton）in the Waterway Between Three Gorges Project and Gezhouba Project［R］.Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，1988.（in Chinese））

［2］ 張顯庫，李元奎.船舶操縱性指數(shù)預報研究［J］.中國航海，2009，32（1）：96－101.（ZHANG Xian-ku，LI Yuan-kui.Prediction of Ship Maneuverability Indices［J］.Navigation of China，2009，32（1）：96－101.（in Chinese））

［3］ 嚴 偉.三峽工程通航船隊船模操縱性率定試驗研究［J］.長江科學院院報，1999，（3）：1－3.（YAN Wei.Maneuverability Calibration Test of Tow Model for Studying Navigation of Three Gorges Project［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，1999，（3）：1－3.（in Chinese） ）

（編輯：劉運飛）

Adaptation of Fleets to the Navigable Discharge in the Waterway Between Three Gorges Project and Gezhouba Hydroproject

YANWei，ZHOU Ruo，CHENG Zi-bing，YANGWei，LU Hong
（Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

There are many perilous waterways between Three Gorges Project and Gezhouba Hydroproject.Curved riverway，turbulentwater flow，and adverse flow pattern such aswhirlpool threaten the safe navigation of ships and fleets.Ship model testwas carried out by five representative types of fleets under the discharge of 45 000-35 000 m3／s，and the test resultswere presented.When the flow discharge is less than 40 000 m3／s，the fleets can pass through all the perilous segments between Three Gorges Project and Gezhouba Project，and their sailing parameters meet the safe navigation requirements generally.For small shipswhose load capacity are less than 500 t，the safe flow discharge should be limited to less than 35 000m3／s.Among the six perilous segments in the riverway between Three Gorges Projectand Gezhouba Project，Xitan riverway and Shizinao riverway are themost troublesome in terms of upward sailing difficulty，followed by Liantuo riverway，and then Shipai riverway，Piannao riverway and Nanjinguan riverway in sequence.The research results are of practical value and guiding significance to the navigation management between Three Gorges Project and Gezhouba Project.

navigation between Three Gorges Project and Gezhouba Project；velocity and flow pattern；ship（fleet）’s adaptation to navigable discharge；ship speed against bank；safe distance to the bank

TV133.04，TV135.4

A

1001－5485（2013）01－0029－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.01.006

2011－11－22；

2012－02－22

嚴 偉（1962－），男，江蘇吳縣人，高級工程師，主要從事通航水力學及船模試驗研究，（電話）82829903（電子信箱）yw_620527＠sina.com。