蔡新永，蔡 創(chuàng)，雷鵬華

(1.重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400041；2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

基于小尺度船模技術(shù)在通航樞紐設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用

蔡新永1，蔡 創(chuàng)2，雷鵬華1

(1.重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400041；2.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074)

通過(guò)對(duì)小比尺船模技術(shù)原理及特點(diǎn)分析，結(jié)合樞紐上下游的通航水流條件，展開(kāi)對(duì)涪江冬瓜山航電工程及通航建筑物的優(yōu)化布置方案的研究。結(jié)果表明：通航代表四級(jí)流量，500 t級(jí)船隊(duì)上下行最大舵角均未超過(guò)船模試驗(yàn)安全舵角限值(25°)，上行最小航速均優(yōu)于船模試驗(yàn)安全最低航速(0.4 m/s)。冬瓜山樞紐船閘引航道、口門(mén)區(qū)及連接段，滿(mǎn)足四級(jí)航道的通航要求。

航道工程；小尺度船模；樞紐通航；航道整治；工程價(jià)值

0 引 言

用自航船模研究?jī)?nèi)河通航問(wèn)題，是當(dāng)今航運(yùn)發(fā)達(dá)國(guó)家采用的一項(xiàng)新技術(shù)。內(nèi)河通航研究用的自航船模受水工、河工模型比尺限制，尺度都很小。和常規(guī)水工、河工模型水流條件量測(cè)試驗(yàn)相比，它能更直觀(guān)、更真實(shí)地反映航道水流條件和邊界條件對(duì)船舶航行的綜合影響，并能反映出船舶與航道水流條件的相互作用， 而且模型試驗(yàn)的造價(jià)也比較低，通常的水工模型量測(cè)試驗(yàn)難以辦到的。因此，通航小尺度船模技術(shù)在人工通航建筑物設(shè)計(jì)和天然航道治理研究中，被認(rèn)為很有實(shí)用價(jià)值。尤其對(duì)長(zhǎng)江航道，由于長(zhǎng)江河道蜿蜒曲折，上游山區(qū)河道水流條件比常規(guī)河道更為復(fù)雜，利用傳統(tǒng)模型或?qū)嵈囼?yàn)更不切合實(shí)際，因此，更加突出了自航小尺度船模的作用和意義[1-5]。

1 小尺度船模技術(shù)

1.1 通航小尺度船模技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

1) 直觀(guān)性：在應(yīng)用中能直接操縱船模、直接觀(guān)察船模的航行情況，并能對(duì)各種航行要素和操縱要素進(jìn)行記錄和分析。

2) 真實(shí)性：船模試驗(yàn)的真實(shí)性體現(xiàn)在以下兩方面：① 傳統(tǒng)水利學(xué)量測(cè)試驗(yàn)對(duì)量測(cè)點(diǎn)的流速、比降等水力要素進(jìn)行獨(dú)立的測(cè)量，以致這些孤立點(diǎn)的流速、比降值對(duì)船舶航行條件的難易程度并不能完全反映。小尺度船模技術(shù)既能對(duì)船舶各部分與復(fù)雜的水流條件相互作用的綜合影響充分反映，又能對(duì)不同流態(tài)下船舶航行的難易程度充分顯示，與物理水工模型相互驗(yàn)證，互相補(bǔ)充。綜上所述，小尺度船模技術(shù)不是對(duì)各孤立點(diǎn)的水流條件進(jìn)行量測(cè)，而是對(duì)各點(diǎn)流速、比降等水力要素對(duì)整個(gè)船體作用的合力進(jìn)行量測(cè)。因此，小尺度船模技術(shù)對(duì)船舶的航行條件能更真實(shí)地反映。② 在航道優(yōu)化設(shè)計(jì)中，當(dāng)船舶在依據(jù)水工模型試驗(yàn)成果設(shè)計(jì)的航道中行駛，往往會(huì)出現(xiàn)實(shí)際航行情況與水工模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)成果不一致的情況。通過(guò)對(duì)其原因進(jìn)行分析，筆者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的水工模型量測(cè)試驗(yàn)只對(duì)無(wú)船舶航行時(shí)的航道水流條件進(jìn)行了模擬計(jì)算，沒(méi)有進(jìn)行有船舶在航道中航行的模擬計(jì)算，因此造成了一定的偏差。小尺度船模技術(shù)能反映出船舶駛?cè)牒降篮笠鸬牧魉?、比降等水流條件變化以及這種變化反過(guò)來(lái)對(duì)船舶航行的影響，對(duì)于一些狹窄航道效果更為明顯，譬如通過(guò)在川江雞扒子灘險(xiǎn)整治中的小尺度船模技術(shù)試驗(yàn)成果發(fā)現(xiàn)，船模通過(guò)某些斷面時(shí)，航道底部的流速增加達(dá)40%以上，其他科研單位也有類(lèi)似的試驗(yàn)結(jié)果。由此可見(jiàn)，船舶與航道水流條件的相互作用是不容忽略的，小尺度船模技術(shù)可以對(duì)上述偏差進(jìn)行一定修正，可使通航水流條件的研究更加真實(shí)，使航道優(yōu)化的設(shè)計(jì)成果與實(shí)際航行情況更一致。

3) 經(jīng)濟(jì)性：在實(shí)際航道中，組織一次實(shí)船試驗(yàn)耗資巨大，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。因而試驗(yàn)的方案和組次往往受到限制，不易取得足夠的試驗(yàn)資料。而船模的研制和試驗(yàn)耗費(fèi)比實(shí)船試驗(yàn)小得多，一旦船模研制完成，可以根據(jù)研究的需要很方便的增加試驗(yàn)內(nèi)容和組次。

4) 獨(dú)特性：能進(jìn)行一些常規(guī)手段和實(shí)船不易甚至不能進(jìn)行的試驗(yàn)，如海難復(fù)演、危險(xiǎn)航道試驗(yàn)、航道邊界條件對(duì)船舶航行的影響等。

1.2 小尺度船模相似

小尺度船模技術(shù)是實(shí)船在水中航行的力學(xué)物理模擬運(yùn)動(dòng)過(guò)程，因此應(yīng)滿(mǎn)足幾何相似、質(zhì)量相似、運(yùn)動(dòng)相似和水動(dòng)力相似等相似要求。由于讓小尺度船模和實(shí)船達(dá)到完全相似有很大難度，因此，目前的小尺度船模通過(guò)考慮與實(shí)船的主要相似條件來(lái)滿(mǎn)足航道工程優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用。

在小尺度船模技術(shù)實(shí)際的通航試驗(yàn)應(yīng)用中，我們要保證與實(shí)船的排水量、重浮心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣矩以及船體、螺旋槳和舵的形狀與實(shí)船的相似。由于目前加工工藝原因，小尺度船模的螺旋槳尺度比較小，做到與實(shí)船完全相似有很大難度。小尺度船模在水中的航行速度在滿(mǎn)足與實(shí)船的弗勞德數(shù)Fr相等的前提下，與實(shí)船的雷諾數(shù)相似得不到保證。為了解決上述問(wèn)題，主要做到以下兩點(diǎn)：① 在實(shí)際操縱過(guò)程中盡量保持與實(shí)船舵角的相似；② 在選擇船模模型尺度時(shí)，要盡量滿(mǎn)足臨界雷諾數(shù)的要求，即Re≥1×105。在通航樞紐設(shè)計(jì)優(yōu)化的實(shí)際應(yīng)用中，由于各種因素造成的船模與實(shí)船的不相似，我們對(duì)小尺度船模的修正和控制主要通過(guò)對(duì)其總體性能的測(cè)控率定，以滿(mǎn)足船模與實(shí)船的主要相似，保證試驗(yàn)成果的精度和可靠性。

1.3 測(cè)控系統(tǒng)

在小尺度船模技術(shù)應(yīng)用中，既要量測(cè)船體上1個(gè)點(diǎn)的物理運(yùn)動(dòng)過(guò)程，又要快速測(cè)量船體上2～3個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，這就使量測(cè)難度大大增加。在小尺度船模Z形試驗(yàn)中，我們還要自動(dòng)操舵進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因此，在傳統(tǒng)的實(shí)船試驗(yàn)和大尺度船模試驗(yàn)中，通過(guò)人工用幾臺(tái)經(jīng)緯儀、炮鏡同時(shí)瞄準(zhǔn)跟蹤船體航行姿態(tài)的方式，很難進(jìn)行小尺度船模試驗(yàn)。超聲波聲納測(cè)量船模的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，除了受水質(zhì)、水溫等外界因素干擾較大外，還不能同時(shí)測(cè)量船體上幾個(gè)點(diǎn)的物理運(yùn)動(dòng)過(guò)程。測(cè)量電視雖然能滿(mǎn)足快速測(cè)量和控制船模航行姿態(tài)的要求，但是需架設(shè)高臺(tái)和避光，試驗(yàn)造價(jià)成本高，并且設(shè)備的安裝及誤差校正等調(diào)試工作較困難，不易及時(shí)滿(mǎn)足大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)船模試驗(yàn)的要求。

針對(duì)以上實(shí)際情況，西科所和長(zhǎng)科院經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)，先后開(kāi)發(fā)研制成功出小尺度船模自動(dòng)測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)。試驗(yàn)系統(tǒng)采用激光掃描和無(wú)線(xiàn)電接口對(duì)船模的航行要素和操縱要素進(jìn)行高精度、非接觸快速遙測(cè)，并用微機(jī)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和實(shí)時(shí)控制，做到了計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制自動(dòng)完成Z形試驗(yàn)全過(guò)程，還能實(shí)時(shí)顯示和事后復(fù)演船模試驗(yàn)情況[6-8]。

該船模自動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)化程度和效率高、試驗(yàn)質(zhì)量好，較全面地滿(mǎn)足了小尺度船模操縱性能試驗(yàn)和通航試驗(yàn)對(duì)測(cè)試和控制的技術(shù)要求。

2 通航樞紐設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用

2.1 工程概況

涪江冬瓜山航電樞紐工程位于涪江中游三臺(tái)縣劉營(yíng)鎮(zhèn)大圍壩，是《涪江流域水資源總體規(guī)劃報(bào)告》中川境段自上而下16個(gè)梯級(jí)中的第4級(jí)，也是涪江蘆溪至三臺(tái)河段規(guī)劃三級(jí)(冬瓜山、吳家渡、明臺(tái))開(kāi)發(fā)中的第一級(jí)。樞紐距三臺(tái)縣城約33.5 km(水路里程)，距劉營(yíng)場(chǎng)鎮(zhèn)約4.0 km，上游正常擋水位408.50 m與已建成的永安電站尾水相接，下游正常尾水395.01 m與吳家渡上游正常擋水位395.00 m銜接，工程利用水位落差12.9 m，以發(fā)電、航運(yùn)為主，并有一定灌溉、防洪作用。

冬瓜山船閘按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)選定船閘有效尺度，即120 m×12 m×3.5 m(長(zhǎng)×寬×門(mén)檻水深)，水深14.5 m，通行500 t級(jí)船舶，船閘設(shè)計(jì)單向年通過(guò)能力187.30萬(wàn)噸。冬瓜山航電樞紐擋水建筑物自左至右為左接頭壩、泄洪沖砂閘、電站主廠(chǎng)房、船閘上閘首、右岸接頭壩。

為了配合涪江冬瓜山航電工程的設(shè)計(jì)工作，論證工程設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性，以?xún)?yōu)化該工程的設(shè)計(jì)，通過(guò)小尺度船模技術(shù)對(duì)航電工程上下游的通航水流條件及通航建筑物的布置方案進(jìn)行研究。

2.2 小尺度船模技術(shù)應(yīng)用

2.2.1 小尺度船模

船模試驗(yàn)?zāi)M實(shí)船在水中的運(yùn)動(dòng)，與實(shí)船要滿(mǎn)足幾何、運(yùn)動(dòng)和水動(dòng)力相似[1]。除此之外，船模與實(shí)船之間還須滿(mǎn)足操縱性相似。根據(jù)量綱分析，計(jì)算出船模與實(shí)船之間的物理相似比尺如下：

1) 幾何比尺：λ=λL=λH=60

3) 速度比尺：λv=λL/λt=7.746

工程設(shè)計(jì)優(yōu)化所用的實(shí)船為1+1×500 t分節(jié)駁船隊(duì)，小尺度船模采用比尺為1∶60，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 實(shí)船與船模的相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of real ship and ship model

小尺度船模經(jīng)過(guò)操縱性能率定和尺度效應(yīng)修正，符合船模與實(shí)船操縱性能相似，且要求要比實(shí)船航行時(shí)略具有一定的安全性。采用減少邊舵面積的方法，經(jīng)過(guò)修正后的船模與實(shí)船操縱性指數(shù)見(jiàn)表2。

表2 修正后實(shí)船與船模的操作性指數(shù)Table 2 Modified operation index of real ship and ship model

2.2.2 應(yīng)用方案

通航航段是船閘下游上段航道和船閘下游下段航道，其中上段航道為下游船閘口門(mén)到引航道上段彎道，航段長(zhǎng)約600 m，下段航道為引航道下段彎道到引航道口門(mén)區(qū)及連接段，航段長(zhǎng)約500 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)方案給出的航段代表通航流量級(jí)，應(yīng)用小尺度船模技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。代表通航流量級(jí)如下：

1)Q=158 m3/s(一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，下游生態(tài)流量，下游水位395.3 m)；

2)Q=316 m3/s(兩臺(tái)機(jī)組發(fā)電，下游生態(tài)流量，下游水位395.5m)；

3)Q=475 m3/s(三臺(tái)機(jī)組發(fā)電，下游生態(tài)流量，下游水位396.43m)；

4)Q=2 000 m3/s(三臺(tái)機(jī)組發(fā)電，下游河道流量Q=1 525 m3/s，下游水位399.7 m)。

船舶在實(shí)際航行過(guò)程中，水流條件與船舶本身的動(dòng)力特性及其操縱性能的優(yōu)劣對(duì)其航行狀態(tài)的好壞有至關(guān)重要的影響。在一定的水流條件下，船舶的航行狀態(tài)主要由船舶在水中航行的航跡、舵角、漂角、車(chē)檔、航速等航行參數(shù)來(lái)體現(xiàn)。國(guó)內(nèi)在研究三峽樞紐和許多內(nèi)河航道的通航條件時(shí)，對(duì)小尺度船模航行過(guò)程中的舵角及航速值作了相應(yīng)的限定，即最大舵角≯25°，最小航速≮0.4 m/s，以此來(lái)判別航行狀態(tài)的優(yōu)劣。小尺度船模的航行參數(shù)劣于上列數(shù)值時(shí)，則認(rèn)為航道是不安全的。

為保證小尺度船模結(jié)果的可靠性，減小試驗(yàn)成果的隨機(jī)誤差，每種通航流量和工況均要進(jìn)行多個(gè)航次試驗(yàn)，用其特征值分析通航條件。

2.3 應(yīng)用成果

由于涪江冬瓜山航電樞紐船閘上游航道為庫(kù)區(qū)，航道流速低，航行條件相對(duì)較好。船閘下游航道和上游航道相比，下游航道為通航控制條件。為了便于對(duì)不同航段、流量的船模成果進(jìn)行比較，在應(yīng)用中將小尺度船模的靜水航速按照相應(yīng)比尺換算成實(shí)船航行的上行速度為4 m/s、下行速度為3.5 m/s。小尺度船模應(yīng)用成果見(jiàn)表3，均已換算成實(shí)船數(shù)據(jù)。

表3 船閘下游應(yīng)用成果Table 3 Application results of ship lock in the downstream

2.4 分析結(jié)論

樞紐船閘下游上段航道500 t級(jí)船隊(duì)上、下行最大舵角分別為17.58°和17.46°〔見(jiàn)圖1(a)和圖1(b)〕，均未超過(guò)舵角安全限值25°，上行最小航速為2.66 m/s〔見(jiàn)圖1(c)〕，優(yōu)于最低航速安全限值0.4 m/s。樞紐船閘下游下段航道500t級(jí)船隊(duì)上下行最大舵角分別為19.21°和15.10°〔見(jiàn)圖1(d)和圖1(e)〕，均未超過(guò)舵角安全限值25°，上行最小航速為2.71 m/s〔見(jiàn)圖1(f)〕，優(yōu)于最低航速安全限值0.4 m/s。

圖1 1+500 t船隊(duì)船閘下游下段航道不同流量下的結(jié)果Fig.1 Results of 1+500 t fleet ship lock at the lower part of the downstream of channel under different traffic flow

小尺度船模應(yīng)用的兩個(gè)航段，通航代表四級(jí)流量(Q=158、316、475、2 000 m3/s)，上下行的船模試驗(yàn)中，500 t級(jí)船隊(duì)上下行最大舵角均未超過(guò)船模試驗(yàn)安全舵角限值(25°)，上行最小航速均優(yōu)于船模試驗(yàn)安全最低航速(0.4 m/s)。冬瓜山樞紐船閘引航道、口門(mén)區(qū)及連接段，滿(mǎn)足四級(jí)航道的通航要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用小尺度船模技術(shù)對(duì)涪江冬瓜山航電樞紐通航設(shè)計(jì)方案研究，可以直觀(guān)、可靠和經(jīng)濟(jì)地分析設(shè)計(jì)方案的通航流量控制條件。通過(guò)分析不同設(shè)計(jì)方案的通航流量，得出樞紐通航安全限值，從而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行一定的優(yōu)化，具有很大的實(shí)用價(jià)值和工程價(jià)值。

小尺度船模技術(shù)還在通航條件預(yù)測(cè)、最佳航線(xiàn)選擇和駕駛方式、航道治理效果驗(yàn)證等方面具有廣泛的應(yīng)用性，筆者會(huì)在以后的科研工作中，做進(jìn)一步研究。

[1] VARYANI K S，MCGREGOR R C，WOLD P，et al.Identification of trends in extremes of sway-yaw interference for several ships meeting in restricted waters[J].ShipTechnologyResearch，2009，49(6)：174-191.

[2] VANTORRE M，DELEFORTRIE G，ELOOT K，et al.Experimental investigation of ship-bank interaction forces[C] //InternationalConferenceonMarineSimulationandShipManeuverability(MARSIM’03).[S.L.]：International Marine Simulator Forum，2003：437-446.

[3] HASANADIL M，YANG D W，WANG Y.Hydrodynamic coefficients of ships with forward speed in shallow waters[J].JournalofShipMechanics，2004，8(3)：46-54.

[4] WANG D J，BAKOUNTOUZIS L，KATORY M.Prediction of ship hydrodynamic derivatives in shallow and restricted waters[J].InternationalShipbuildingProgress，2000，47(452)：379-396.

[5] 蔡汝哲.在水工河工模型中應(yīng)用小尺度船模試驗(yàn)方法探討[C] //國(guó)際高壩水利學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京：[s.n.]，1988.

CAI Ruzhe.The hydraulic model test method research on small scale ship model[C] //ConferenceProceedingsoftheInternationalHighDamWaterConservationAcademic.Beijing：[s.n.]，1988.

[6] 蔡創(chuàng).三峽樞紐通航船模試驗(yàn)系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)[J].重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，20(2)：110-115.

CAI Chuang.The development of JGⅡ-V3.0 general software in Three Gorge pivot ship model experiment[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2001，20(2)：110-115.

[7] 蘇興翹.船舶的操縱性[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1985.

SU Xingqiao.ShipManeuverability[M].Beijing：National Defense Industry Press，1985.

[8] 蔡創(chuàng).長(zhǎng)江斗笠子河段灘險(xiǎn)整治船模通航試驗(yàn)研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2008，27(1)：134-138.

CAI Chuang.Study on navigable condition on Doulizi reach regulation by ship model test[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity(NaturalScience)，2008，27(1)：134-138.

(責(zé)任編輯：譚緒凱)

Application of Small Scale Ship Model Technique in Optimization of Navigation Hub Design

CAI Xinyong1，CAI Chuang2，LEI Penghua1

(1.Southwest Research Institute for Water Transport Engineering，Chongqing 400041，P. R. China；2.School of River and Ocean Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，P. R. China)

Through the analysis on the principle and characteristics of small scale ship model technology，combined with the navigation flow conditions at the upper and lower reaches of the hub，the optimization of the layout of Dongguashan navigation junction and navigation structure in Fujiang River was studied.The results show that the navigation is on behalf of four stage flows.The maximum rudder angle of 500t fleet in upstream and downstream doesn’t exceed the safety rudder angle limit (25°) in ship model test，and the minimum navigation speed in upstream is better than the lowest safety speed (0.4 m/s) in ship model test.The navigation channel，entrance area and connecting section of the lock for the Dongguashan hub meet the navigation requirements of the four grade channel.

waterway engineering；small scale ship model；hub navigation；channel improvement；engineering value

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.08.11

2015-08-12；

2016-02-19

重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(CSTC,2008BB6354)

蔡新永(1983—)，男，河北河間人，工程師，碩士，主要從事小尺度船模及水工量測(cè)技術(shù)方面的研究。E-mail：438866653@qq.com。

蔡 創(chuàng)(1968—)，男，重慶人，副研究員，主要從事小尺度船模及水工量測(cè)技術(shù)方面的研究。E-mail：caichuang@sina.com。

U612.32

A

1674-0696(2017)08-058-05