陳冬元

(長江三峽通航管理局，宜昌 443000)

三峽—葛洲壩之間38 km河道，俗稱兩壩間河段?？菟冢拥谰哂袔靺^(qū)特性，航道條件較好；汛期，當(dāng)三峽下泄流量達到25 000 m3/s以上時，河道具有天然河道特性，受兩岸峽谷制約，水流不暢，流態(tài)紊亂，航行條件險惡，船舶險情頻發(fā)，一直是交通主管部門重點關(guān)注的區(qū)域[1]。兩壩間通航環(huán)境示意圖見圖1。

圖1 長江三峽—葛洲壩兩壩間通航環(huán)境示意圖Fig.1 Navigation environment between the Three Gorges and the Gezhouba Project

1 概述

為保障三峽—葛洲壩之間汛期船舶航行安全，2008年，交通運輸部頒布了《三峽工程初期運行期通航管理辦法補充規(guī)定》(簡稱《補充規(guī)定》)[2]，2013年，長江航務(wù)管理局出臺《關(guān)于試行船舶主汛期通過兩壩間河段單位馬力拖帶量控制標準》(《簡稱控制標準》)[3]，均對汛期大流量下通過兩壩間航道的船舶性能做出具體規(guī)定。《補充規(guī)定》和《控制標準》實施后，汛期當(dāng)三峽下泄流量超過25 000m3/s時，兩壩間航道開始實行限制性通航，河段汛期水上安全形勢得到好轉(zhuǎn)。但《補充規(guī)定》和《控制標準》在實際管理運用過程中也存在一些不足。

一是近年來隨著船舶標準化、大型化和造船技術(shù)快速推進，過壩運輸船舶的船型結(jié)構(gòu)和運輸組織方式發(fā)生了較大變化，船型發(fā)展呈現(xiàn)自航化、重載化、低速化趨勢，代表性過壩船舶的上灘能力和操縱性能發(fā)生變化，部分船舶對標準存在異議，認為限制過嚴。二是三峽2008年左右岸電站26臺機組全部投產(chǎn)運行，2011-05～2012-07，6臺地下機組陸續(xù)投產(chǎn)運行，滿發(fā)流量由24 000～26 000 m3/s增加到29 000～32 000 m3/s，汛期30 000 m3/s滿發(fā)可能成為常態(tài)，《補充規(guī)定》和《控制標準》以25 000 m3/s為限航起始流量是否合適，是否存在優(yōu)化空間以提高汛期通過能力值得進一步深入研究。三是由于多種原因，多年來沒有進行兩壩間全河段代表船舶(隊)的實船試驗測試(僅在1986年3月組織過萬噸級船隊通過石牌彎道的實船試驗)，《控制標準》缺乏最基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)支撐。

鑒于此，2013～2015年行業(yè)管理部門先后組織開展了汛期實船試航和隨船測試工作，本研究正是在汛期通航水流條件認識的基礎(chǔ)上，對現(xiàn)場測試船舶的航行數(shù)據(jù)進行深入分析，對《控制標準》完善的理論分析工作提出建議。

2 試驗航段及通航水流條件

兩壩間河段河岸邊坡陡峻、寬闊段和峽谷段相間，蜿蜓曲折。汛期，受峽谷河段地形條件制約，隨入庫流量增加，河段流速、比降迅速增大，水流湍急，流態(tài)紊亂，航行條件急劇惡化，尤其是水田角、喜灘、大沙壩、偏垴等洪水急流灘和石牌彎道、南津關(guān)彎道最為險惡，是著名的兩壩間汛期礙航灘險“四灘一彎一關(guān)”[4]。根據(jù)兩壩間水流條件原型觀測數(shù)據(jù)，上述礙航灘險河段水流特征如下：

(1)水田角河段河床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上口順直，在水田角處挑流，下游河道邊界左右突擴，兩側(cè)出現(xiàn)大面積回流，河面水勢紊動強烈，泡漩發(fā)育，成為著名的“蓮沱三漩”。Q=40 000m3/s時，表面流速最大值4.17 m/s；流量Q=45 000 m3/s時，水田角處表面流速最大值為4.40 m/s。

(2)喜灘河段航道順直，河面束窄，形似瓶頸，近岸均系陡巖及陡形石梁、石坡，河床床面不甚復(fù)雜，但邊壁極糙，陡竣高深。河段中段水流落差較大，下段因兩側(cè)邊界擴大，局部有回流。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值為3.85 m/s；Q=45 000 m3/s時，表面流速最大值為4.32 m/s。

(3)大沙壩河段上口寬灘區(qū)為白馬沱彎道末端，在大沙壩區(qū)段左岸逐漸向河中收縮，而河床沿線左部高程變化不大，且略有抬高，水流在上口平順，但受左側(cè)收縮作用，左部水流逐漸右偏，形成范圍較大的強斜向流，呈剪刀水狀，下游左側(cè)區(qū)段出現(xiàn)大片回流、緩流區(qū)，河中及邊岸并拌有陣發(fā)性漩渦。Q=40 000 m3/s時，表面流速最大值為4.37 m/s；Q=45 000 m3/s時，表面流速最大值為4.10 m/s。

(4)石牌急彎河段，兩岸由石坡、陡巖及陡形石梁組成。南岸的石牌溪切于彎道方向入?yún)R，溪口下首有山腳潛伸江中，將深泓折向北岸，床面形成倒坡。受邊岸和河床地形影響，斷面流速分布很不均勻，中段轉(zhuǎn)彎段右側(cè)受挑流影響，河面近1/3河寬范圍表現(xiàn)為回流，左側(cè)石牌凸岸下游表現(xiàn)為挑流，成為本航段通航主要制約因素。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值為4.18 m/s；Q=45 000 m3/s，表面流速最大值為3.77 m/s。

(5)偏腦河段較順直，但河道狹窄，江面不足200 m，同時受石牌彎道影響，汛期水流湍急，邊岸有小范圍回流及小泡漩，局部有連串小泡漩發(fā)育。斷面流速分布總體均勻。Q=40 000 m3/s，表面流速最大值為3.45 m/s；Q=45 000 m3/s，表面流速最大值為3.73 m/s。

(6)南津關(guān)彎道，為葛洲壩庫前段航道，受水庫蓄水、沖沙、泄洪等因素影響較大。中洪水期，巷子口有斜流，小蘭沱有回流，隨著流量增大，斜流、回流強度增大。由于流量為35 000 m3/s以下時，葛洲壩大江航道仍然通航，大江、三江進出船舶以及黃柏河進出大江船舶造成該水域通航環(huán)境復(fù)雜，該水域通視條件及水流條件對船舶航行安全產(chǎn)生較大影響。

3 試驗船型選擇

3.1 汛期通航船舶類型及數(shù)量

根據(jù)2014年兩壩間航段船舶數(shù)據(jù)，汛期通航船舶11 123艘次，其中上行船舶5 876艘次，下行船舶5 247艘次。主要通航船舶類型為干散貨船，約占73%；液貨船和集裝箱船次之，分別約占10%和9%；客船、商品車船和其他船舶較少，共約占8%。

3.2 船舶載貨量

根據(jù)2014年兩壩間汛期通航船舶載貨量統(tǒng)計，兩壩間汛期通航船舶載貨量主要分布在3 000 t以上，約占55%；載貨量1 000～3 000 t船舶次之，約占37%；載貨量1 000 t以下船舶最少，僅約占8%。兩壩間汛期通航船舶重載化趨勢明顯。

3.3 船舶尺度

2014年兩壩間汛期通航船舶船長主要為70～110 m；其他船長尺度船舶較少，其中船長小于50 m的一般為公務(wù)船、工程船等，船長大于110 m的一般為商品車船、旅游客船。

兩壩間汛期通航船舶船寬主要為10～20 m；其他船寬尺度的船舶較少，其中船寬小于10 m的一般為公務(wù)船、工程船等，船寬大于20 m的一般為商品車滾裝船、旅游客船。

3.4 船舶功率

根據(jù)2014年兩壩間汛期通航船舶總體功率分布統(tǒng)計，兩壩間汛期通航船舶功率主要在630 kW以上，約占62%；440～630 kW和368～440 kW功率船舶次之，分別約占23%和10%；368 kW以下功率船舶占比不到5%。440 kW以上船舶占比達85%。隨著船舶大型化，汛期通航船舶功率大型化趨勢也相當(dāng)明顯。

3.5 船舶選擇原則

根據(jù)上述船舶現(xiàn)狀分析，試驗和測試船舶選擇原則如下：(1)船舶需具有代表性且資料必須較為齊全；(2)應(yīng)基本涵蓋2012年交通運輸部69號公告《關(guān)于公布長江水系過閘運輸船舶標準船型主尺度系列及有關(guān)規(guī)定的公告》所規(guī)定的船型和尺度范圍[5]；(3)應(yīng)基本涵蓋目前兩壩間通航的船舶種類，并包括大型船舶、中型船舶、小型船舶、船隊，同時還包括自航自卸沙船、客船(含區(qū)間客船和旅游船)、客渡船等；(4)應(yīng)考慮船舶功率分布。

4 現(xiàn)場試驗

4.1 實船試航

分兩階段開展了5個流量級19艘次船舶的實船試航試驗。2013-07-23～07-27為第一階段，開展了25 000 m3/s、30 000 m3/s和35 000 m3/s三個流量級14艘次的實船試航，船型涉及1 000 t級單船及船隊、3 000 t級、4 000 t級、5 000 t級單船。2014-09-02～09-03為第二階段，開展了40 000 m3/s和45 000 m3/s 兩個流量級5艘次的實船試航，參試船舶為300TEU集裝箱船、800車位商品車、5 000 t級散貨船。上述各噸級船舶均進行了上水、下水航向試驗，船舶單位功率載量0.5～6.7 t/KW。實船試航的主要測試內(nèi)容如下：(1)航跡線測定：采用測向GPS和定位GPS結(jié)合進行；(2)操縱性能測定：同步測量船舶航向變化和操舵情況。航向角和舵角的測量，分別測向GPS、舵角傳感器的動態(tài)輸出信號，利用數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)記錄并儲存到計算機中；(3)橫傾觀測：采用傾角傳感器進行測定。傾角傳感器隨船舶運動變化動態(tài)輸出信號，利用數(shù)據(jù)采集儀連續(xù)記錄并儲存到計算機中；(4)航速測定：采用GPS測量船舶(隊)在各測試段的航行速度；(5)歷時測定：采用計算機記錄的方式測定船舶(隊)通過各灘段的總歷時。

4.2 隨船測試

除采用專人指揮的實船試航方式外，還采用不影響船舶正常運行的隨船測試方法擴充船舶航行數(shù)據(jù)樣本庫。根據(jù)流量情況，測試工作分多次進行。本次共開展了11個流量級、98艘次船舶試航任務(wù)。2014-07-22～07-24，25 000～30 000 m3/s流量級； 2014-09-02～09-04，40 000～45 000 m3/s流量級； 2014-09-16～09-24，30 000～40 000 m3/s流量級； 2015-07-20～07-28，25 000～35 000 m3/s流量級； 2015-08-19～07-25，30 000～40 000 m3/s流量級。參試船舶基本覆蓋目前兩壩間通航船舶種類和噸位，除散貨船和集裝箱船外，還包括自航自卸沙船、客船(含區(qū)間客船和旅游船)、客渡船等。隨船測試的主要測試內(nèi)容如下：(1)航跡線測定：采用AIS或GPS系統(tǒng)進行；(2)船舶航行狀態(tài)：采用手動、攝像及傳感器記錄等方式記錄(操舵、航速、主機工況)及船舶橫傾變化等。

5 汛期船舶航行操縱性能數(shù)據(jù)分析

試航及測試數(shù)據(jù)分析表明，船舶在上、下行通過兩壩間航道時船舶的橫傾變化不大，均在±1°以內(nèi)；上行試航船舶由于主機使用功率和裝載量不同，通過兩壩間航道的總歷時約為3～6 h，部分船舶由于是輕載用時較少。絕大多數(shù)下行船舶通過兩壩間航道的總歷時均在2 h以內(nèi)。

5.1 汛期船舶上水操縱性能數(shù)據(jù)分析

根據(jù)兩壩間航道水流條件和船舶航行實踐經(jīng)驗，船舶自航安全上行需滿足兩個條件[6]：船舶(隊)通過險灘時主機儲備功率不小于額定功率的30%；船舶(隊)通過險灘時平均對岸航速不低于4 km/h。

試航及測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，(1)船舶上行通過兩壩間航道時，不同船舶由于船型不同和駕引操作存在技術(shù)細節(jié)差異，使用主機負荷的百分比也不同，在南津關(guān)等六個灘段中，大部分試航船舶在通過水田角段時使用負荷最大，最大主機負荷達到74.9%。(2)從航速來看，試航船舶通過各灘段的對岸平均航速一般超過4 km/h，但瞬時最小航速會低于4 km/h，甚至?xí)陀? km/h，如圖2所示。

2-a萬港騰達916(35000m3/s，上水，單位功率載量4．762t/kw)2-b新平江1021(35000m3/s，上水，單位功率載量1．714t/kw)圖2 參試船舶對岸航速變化圖Fig．2Changeaboutspeedtoshoreoftestship

為便于比較，以實船試航船舶為例，按主機負荷70%估算部分試航船舶在水田角段的最小航速，估算結(jié)果見表1?？梢钥闯?，試航船舶在兩壩間上行時，大部分船舶對岸平均航速均超過8 km/h，有較大的富余度。但部分試航船舶瞬時對岸航速較小，主要是由于過河變向引起船舶航速速降造成，通過短時加車或改變上灘路線以利過灘。

5.2 汛期船舶下水操縱性能數(shù)據(jù)分析

兩壩間航道船舶下行安全主要受船舶操縱性能影響?！八臑┮粡澮魂P(guān)”中，石牌彎道由于其航道彎曲度小于90°，屬于船舶下行最為困難航段。下行船舶在石牌彎道處舵角變化最大，達到30°，其余航段的最大操舵角均小于15°。各試航船舶由于各船舶(隊)絕對尺度和操縱性能的差異，航跡曲率半徑各不相同，各船舶(隊)在通過石牌灣道時曲率半徑最大為475 m，小于石牌彎道的彎曲半徑(750 m)；在通過各灘段時最大航跡帶占比為32.3%。參試船舶在流量小于35 000 m3/s時可采用持續(xù)操左舵或左右舵配合控制轉(zhuǎn)向角速度下行通過石牌彎道(圖3)；在流量大于35 000 m3/s時只能采用左右舵配合控制轉(zhuǎn)向角速度通過石牌彎道。

表1 實船試航船舶對岸最小航速估算表(主機70%負荷)Tab.1 Estimation about minimum speed of ship to shore with 70% ship load

3-aQ=25000m3/s參試船舶13-bQ=45000m3/s參試船舶2圖3 參試船舶下行經(jīng)過石牌彎道舵角變向角圖Fig．3Changeaboutrudderangleandchangingdirectionangleofdownboundship

從汛期通航水流條件看，在石牌彎道，環(huán)流的作用使主流偏向凹岸掃彎而下，巨大的掃彎水使凹岸下半段水流形成泡漩、回流，導(dǎo)致該河段流態(tài)復(fù)雜紊亂，增加了船舶操縱難度，故船舶一般偏凸岸轉(zhuǎn)行。但由于石牌彎道段河道縱距較短，船舶若以較高的航速下行，水流沖擊的疊加作用將使船舶偏離預(yù)定航線，進入泡漩回流區(qū)；若以太低的速度轉(zhuǎn)彎，舵效將降低，變向能力會下降，不能保持正常的航態(tài)通過石牌彎道。

表2 參試船舶單位功率載量超標情況統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of excessive conditions about unit power load of test ship

5.3 船舶單位功率載量超標情況分析

將參試船舶實際單位功率載量和《控制標準》進行分析對比，結(jié)果見表2。由表可以看出：參試117航次中，共10航次超過了控制標準的限值，占比8.5%。雖總偏差樣本的單位功率載量差值的平均值為1.12，但若扣除第2、第7和第9的三組明顯偏差數(shù)據(jù)，單位功率載量差值的平均值僅為0.28，既說明現(xiàn)有控制標準與實際操縱情況是比較接近的，也說明隨著船舶大型化發(fā)展和操縱性能的提升，《控制標準》存在一定的優(yōu)化空間。下階段工作中需要在大樣本現(xiàn)場試驗的基礎(chǔ)上，通過理論模擬分析，完善《控制標準》。

6 主要認識與建議

6.1 主要認識

(1)試航船舶在上行通過兩壩間航道時，在6個灘段中通過水田角航段時的主機負載率最高，通過其他5個灘段時的主機負載率基本在30%～60%，隨著三峽下泄流量加大，主機負載率逐漸加大，大部分船舶主機儲備功率仍然有富裕，少數(shù)船舶在水田角河段存在主機功率超70%負荷現(xiàn)象；(2)試航船舶在兩壩間上行通過各灘段時的對岸平均航速一般超過4 km/h，但最低航速會低于4 km/h，甚至?xí)档? km/h以下；個別船舶大流量下瞬時對岸航速不夠可通過短時加車沖過險灘。(3)試航船舶在下行通過兩壩間航道時，在6個灘段中通過石牌航段時的操舵角最大，船舶操縱技術(shù)要求較高。通過其他5個灘段時除過河點外其余直線航段的最大操舵角均小于15°。(4)試航船舶在上、下行通過兩壩間航道時船舶的橫傾變化不大，均在±1°以內(nèi)，上行試航船舶由于主機使用功率和裝載量不同，通過兩壩間航道的總歷時約為3～6 h。下行試航船舶通過兩壩間航道的總歷時在2 h以內(nèi)。(5)通過大樣本統(tǒng)計，超標準船舶單位功率載量超標率8.5%，扣除明顯偏差數(shù)據(jù)后平均超標限值偏差0.28 t/kW，說明《控制標準》與實際情況比較符合，部分船舶的限航流量存在優(yōu)化空間。(6)在完善《控制標準》的理論分析過程中，需要關(guān)注上灘過程中瞬時對岸航速明顯低于4 km/h和主機功率負載率超過70%對限航標準的影響；需要關(guān)注大流量石牌彎道下水操縱性對限航標準的影響。

6.2 建議

由于實船試驗每個流量級所選取的試驗船舶的船型和主機功率覆蓋面較小，而且部分試航船舶裝載量沒有達到《控制標準》的限定值，僅根據(jù)試驗結(jié)果不能確定其他船型在汛期的通過能力。建議在實船試驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進一步開展對其他船型的理論計算分析研究，確定其他船型在汛期通過兩壩間航道的能力，為進一步優(yōu)化《控制標準》提供全面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

[1]長江三峽通航管理局.洪水期兩壩間船舶航行操作要點[Z].2012.

[2]交通運輸部長江航務(wù)管理局. 三峽工程初期運行期通航管理辦法補充規(guī)定[Z]. 2008-06.

[3]交通運輸部長江航務(wù)管理局.關(guān)于試行船舶主汛期通過兩壩間河段單位馬力拖帶量控制標準的批復(fù)(2013年第253號)[Z]. 2013-06.

[4]郝品正.三峽兩壩間大流量復(fù)雜水流下航運安全關(guān)鍵技術(shù)研究總報告[R]. 天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2011.

[5]中華人民共和國交通運輸部，交通運輸部關(guān)于公布長江水系過閘運輸船舶標準船型主尺度系列及有關(guān)規(guī)定的公告(2012年第69號)[Z]. 2012.

[6]長江航道局.川江航道整治[M]. 北京：人民交通出版社，1998.