曹玉芬，周華興

(交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

山區(qū)河流蜿蜒曲折，順直河段相對較短，沿程河床縱橫形態(tài)和岸線不規(guī)則，通航建筑物在樞紐中的布置受地形、地質(zhì)、水文泥沙等條件的制約，船閘布置要求的直線段長度較難滿足，以Ⅲ級航道的船閘為例，直線段長度為閘室+上下閘首+上下游引航道+上下游口門區(qū)，總長度約2km.樞紐往往布置在彎道附近或2個彎道之間，此時船閘布置在彎道的凸岸一側(cè)或凹岸一側(cè)，引航道口門區(qū)位于彎道附近，連接段會位于彎道上.鑒于凹凸岸邊界條件、水流條件的差異，彎道水流結(jié)構(gòu)與斜向水流的共同作用會增大口門區(qū)與連接段橫向流速，影響船舶(隊)進(jìn)出口門的安全，所以，有必要分析凹凸岸通航水流條件和航行條件的利弊，為船閘在樞紐布置中相對位置的確定提供設(shè)計依據(jù).

1 國內(nèi)樞紐中通航建筑物布置現(xiàn)狀

由于樞紐在河段選址中受地質(zhì)、地形、水文、泥沙等影響，船閘在樞紐中的布置千差萬別，統(tǒng)計國內(nèi)近30座水利、水電和航運樞紐工程［6］.可見，樞紐基本布置在彎道附近或2個彎道之間，船閘布置凹、凸岸的情況約各占一半，為此，對船閘布置在凹岸或凸岸的利弊作綜合分析比較.

2 樞紐中船閘布置的有關(guān)規(guī)定

(1)在《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》［1］中要求:①船閘宜布置在順直和穩(wěn)定的河段.當(dāng)船閘布置在彎曲河段或河道外的引渠內(nèi)時，河床穩(wěn)定，并與主航道平順連接.②船閘宜臨岸布置、不應(yīng)布置在2個過水建筑物之間.③船閘引航道口門區(qū)及連接段應(yīng)布置在泥沙不易淤積的部位.

(2)在《船閘總體設(shè)計規(guī)范》［2］中要求:①必須與樞紐總體設(shè)計相協(xié)調(diào)，處理好通航與水利、水電和城市建設(shè)的關(guān)系，做到水資源的綜合利用，遠(yuǎn)近結(jié)合和留有余地;②必須保證船舶(隊)的安全暢通過閘;船閘宜臨岸布置，上下游引航道口門區(qū)宜位于深泓線一側(cè);并與主航道平順連接;③當(dāng)船閘布置在彎曲河段時，引航道口門區(qū)均應(yīng)在河床穩(wěn)定部位，應(yīng)滿足通航條件.

(3)在《渠化工程樞紐總體布置設(shè)計規(guī)范》［3］中規(guī)定:①當(dāng)壩址處河面開闊，河床內(nèi)能同時布置擋水、泄水建筑物、通航建筑物及電站等水工建筑物時的集中布置方式，通航建筑物布置在主河槽的凹岸一側(cè)，其下游引航道出口應(yīng)與下游主航道平順銜接.②當(dāng)壩址處河面較窄、彎曲，其凸岸適宜布置通航建筑物時;或當(dāng)壩址處河面雖開闊、順直，但將通航建筑物及電站布置在岸上開挖的渠道內(nèi)，經(jīng)論證可采用分散布置方式時，若通航建筑物位于凸岸的渠道中，船閘宜置于渠道的中段或中下段;當(dāng)擋水、泄水建筑物與電站布置在河床內(nèi)，通航建筑物宜布置在凸岸的渠道中.

(4)在《船閘設(shè)計》［4］中建議，船閘引航道口門區(qū)盡可能布置在順直穩(wěn)定的河段，避免布置在不穩(wěn)定或過彎的河段，避開凸岸淤積區(qū)和樞紐下泄水流攜帶沖積物的淤積區(qū)及回流、緩流淤積區(qū).

表1 國內(nèi)樞紐通航建筑物的布置Tab.1 Arrangement of navigation structures in domestic hydroprojects

3 通航建筑物布置在凹凸岸的邊界、水流及航行條件

3.1 邊界條件

彎曲航道按所處地域，可分為山區(qū)、平原和河網(wǎng)地區(qū)的彎曲航道，這里僅討論山區(qū)彎曲航道.一般山區(qū)河流蜿蜒曲折，沿程河岸邊界不規(guī)則，河道彎曲半徑較小，河岸坡陡;河床大都為石質(zhì)或沙礫石組成，邊界較穩(wěn)定;凹岸的曲率半徑大于凸岸，河床地形邊界由凸岸(淺)向凹岸方向逐漸加深，橫斷面成不對稱三角形或拋物線形;彎曲航道由單一彎曲、連續(xù)彎曲和彎曲分汊幾種類型.

3.2 水流條件

3.2.1 彎道段水流 彎曲型河道的水流運動有其自身的特點，由于彎道的存在，水流發(fā)生彎曲，水流受到重力和離心慣性力的雙重作用而形成彎道環(huán)流，其等壓面不是水平的，而是與重力和離心慣性力的合力相垂直.因為水流沿橫向曲線變化，凹岸一側(cè)的水位恒高于凸岸一側(cè)，這一現(xiàn)象決定了彎道水流的結(jié)構(gòu)特點:表層水流向凹岸，造成凹岸沖刷;從凹岸向下轉(zhuǎn)向凸岸的底層會攜帶部分泥沙，導(dǎo)致凸岸淤積.這種作用致使主流不斷向下游凹岸偏移，成為河道演變的必然趨勢［9］.

凹岸受彎道水流的影響，河床較深，主流偏向凹岸，而凸岸處水流受岸壁邊界影響，會分離形成回流和泥沙淤積，因此，從表層流態(tài)這一角度來看，凸岸復(fù)雜凹岸單一.但從水流流速的絕對值看，凹岸大于凸岸.

3.2.2 船閘分別位于彎道凹凸岸時口門區(qū)流態(tài) 船閘引航道口門區(qū)及連接段位于彎道附近時(圖1)，通航水流條件受斜向水流和彎道水流的共同作用.據(jù)文獻(xiàn)［6］的研究成果，船閘引航道口門區(qū)應(yīng)距彎道有一定距離(2～2.5)lc(lc為船隊長度).

彎曲段航道的通航條件取決于2個方面:一是水流方向與船舶(隊)航線方向的差異，兩者不一致時，導(dǎo)致水流對船舶航行產(chǎn)生斜向作用，使船舶(隊)偏離航線，偏航程度的大小直接受橫向流速的影響，所以彎道段船舶(隊)航行難度比順直段要大;二是水面比降，彎道中水流的水深沿縱向、橫向都發(fā)生變化，這種不穩(wěn)定的橫向水面高差，必然造成橫向流動，形成縱向橫向立體空間比降，造成船舶(隊)航行阻力變化和航速的不穩(wěn)定.

山區(qū)河流樞紐一般布置在彎道附近或兩彎道間，船閘引航道口門區(qū)往往靠近彎道.如那吉航運樞紐工程，可行性研究階段船閘布置在河道的左岸，位于彎道的凸岸(圖1)，總體而言不順應(yīng)河勢的發(fā)展，并且需要開挖原岸坡臺地，通航水流條件在口門區(qū)范圍內(nèi)，雖流速不大，但形成范圍較大的回流，回流長度接近300m.在5年一遇水位流量組合下，航線外側(cè)橫向流速最大達(dá)0.42m/s，Vx＞0.3m/s約占測點的17%，雖基本滿足水流條件要求，但不滿足船隊航行條件要求.

當(dāng)船閘布置在彎道凹岸，水流順應(yīng)主流流向，優(yōu)化后水流條件平順，也符合規(guī)范要求.

3.3 航行條件

根據(jù)量綱分析，船舶在彎曲航道段航行時，船舶航行漂角β=f(R/lc，VH/V，B/T，h/T，…)，受彎曲半徑R，船隊長度lc，對岸航速VH，對水航速V，航道寬度B，船舶吃水T和水深h的影響外，還受船隊隊形、風(fēng)力和駕駛?cè)藛T的心理素質(zhì)等影響.船舶(隊)分別在凸岸或凹岸航行時，凹岸的航線曲率半徑大于凸岸，曲率半徑越大水流作用于船舶的角度越小，越有利于船舶航行.

圖1中航道為Ⅲ級航道，當(dāng)船閘布置在凸岸時，要求航道最小彎曲半徑R=480m;若船閘布置在凹岸時，凹岸彎道的曲率半徑R=B0+480(m)(B0為彎道處河寬)，顯然船舶(隊)航線的彎曲度凸岸比凹岸大得多.

在工程實踐中，有近50%的樞紐工程位于凸岸，其中部分樞紐處在微彎河段或距彎道一定距離，故彎道水流對船舶(隊)航行影響較小.

船隊在彎道上航行，船隊的重心基本在航線上運動，然而船頭與船尾不可能同時在航線上運動，因為船不是柔性結(jié)構(gòu)，不會隨圓弧改變自己的形狀，所以在彎道上航行存在一個艏向角.艏向角具有瞬時性質(zhì)，它在一個范圍內(nèi)變化，該范圍與航線的曲率半徑大小有關(guān)，曲率半徑越小艏向角越大［7］.

船舶(隊)在順直方向航行，當(dāng)受斜向水流的作用時，船舶受到的縱向和橫向流速分別為Vy=Vcosα，Vx=Vsinα，V為斜向流速，α為斜向流速與航線的夾角.當(dāng)船舶在彎道上航行，而口門區(qū)又位于彎道附近，船舶航行既受彎道水流的影響，又受斜向水流的作用，船舶重心位于航線上，船頭位于航線的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，相反，船尾位于航線的外側(cè)或內(nèi)側(cè)，此時的橫向流速Vx=Vsin(α+Δθ)，Δθ為船隊軸線與航線的夾角.Δθ的大小與河道的彎曲半徑、船舶或船隊長度寬度、航行漂角等有關(guān)，以Ⅲ級航道為例:彎道曲率半徑R=3lc，船隊長lc=160m，船隊寬Bc=10.8 m，設(shè)河道寬B0=380m，船隊靠近凸岸航行 Δθ≈10°，船隊靠凹岸航行，Δθ≈3°(見圖2)，顯然凸岸比凹岸要大很多;從這個角度上看，把通航建筑物布置在凹岸，對航行條件是有利的.

圖1 船閘分別位于彎道的凹凸岸時口門區(qū)流態(tài)Fig.1 Flow pattern in the channel entrance area when lock is located along the concave and convex banks of the bend channel

船舶上行(逆行)水流作用于船舶操舵上的壓力大，有利于舵效的發(fā)揮;而船舶下行，作用于舵上的作用力小，不利于舵效的發(fā)揮.

這里以那吉航運樞紐為例，當(dāng)船閘布置在右岸(凹岸)水流順應(yīng)主流流向，優(yōu)化后的通航水流條件平順，航行條件也較好，船隊順流而下，頂流而上，船隊進(jìn)出口門較順利，船隊上下行的舵角漂角均在許可范圍內(nèi).若船閘布置在左岸(凸岸)，船隊下行進(jìn)口門要經(jīng)90°的彎，會造成船頭下行時操作不當(dāng)會碰岸或當(dāng)船身向河心橫漂時船頭會碰堤頭，當(dāng)水位流量組合為5a一遇或10a一遇時，船模下行進(jìn)口門成功次數(shù)較少，且船隊的操舵角會大于20°，漂角大于10°.

3.4 綜合比較

(1)邊界條件:彎道曲率半徑凸岸R≥3lc，凹岸R≥3lc+B0;彎道的橫斷面呈不等三角形或拋物線形，凸岸淺凹岸深.

(2)水流條件:彎道的水深凹岸比凸岸深;彎道的流速凹岸大，凸岸小;彎道水流受離心力作用，水深沿縱向、橫向都發(fā)生變化，彎曲水面為一個扭曲面，從縱剖面看，凹岸水位線呈上凸曲線，凸岸水位線使整個水體向凹岸雍高，凸岸水面變低，產(chǎn)生面流指向凹岸，底流指向凸岸的螺旋狀水流向前運動.

(3)航行條件:①彎曲航道的曲率半徑，凸岸小，凹岸大.②彎曲航道縱向水流流向與航線存有差異，流向與航線軌跡難于一致，總是存在某種夾角，這種夾角不同于口門區(qū)由于邊界條件造成水流的收縮或擴大，而是形成水流的斜向效應(yīng).斜向流速分解成平行航線的縱向流速和垂直于航線的橫向流速，橫向流速使船舶產(chǎn)生橫向漂移，影響船舶(隊)進(jìn)出口門.而彎道段的水流與航線的夾角，對船舶(隊)航行的影響，其性質(zhì)是一樣的，但由于彎道段水域?qū)掗煟ｋU程度比口門區(qū)要好.③船舶(隊)在彎曲航道段航行，存在艏向角，該角具有瞬時性質(zhì)，它與彎道段曲率半徑有關(guān)，一般凸岸處艏向角大，凹岸處小.

圖2 船舶(隊)在彎曲航道段凹岸與凸岸上行Fig.2 Shipping(team)navigating to the upstream along the concave bank of the bend channel

4 有待研究的內(nèi)容

船舶(隊)回轉(zhuǎn)半徑與操舵角的關(guān)系.船舶(隊)在彎曲航道段航行屬曲線運動，是按照一定曲率半徑運動，船舶(隊)曲線運動時，要預(yù)先給定一定的操舵角，該操舵角θ與船舶(隊)尺寸、航道曲率半徑、航速、水深等因素有關(guān)，即 θ=f(lc，Bc，Tc，δ，R，V1，h，V2)，式中:lc，Bc，Tc，δ為船舶(隊)的長度、寬度、吃水、方形系數(shù);R為航道的曲率半徑;V1為水流速度;h為水深;V2為航速等.當(dāng)船舶(隊)尺度一定時，θ=f(R，V1，h，V2);當(dāng)彎道為靜水時，θ=f(R，h，V2)，需尋求操舵角與有關(guān)因素的關(guān)系.

5 結(jié) 語

(1)當(dāng)連接段處在彎曲航道段，航寬范圍內(nèi)的水流條件能滿足，并不等于航行條件也能滿足.對于彎道上的通航條件應(yīng)以船隊的航行參數(shù)來衡量，因為船舶(隊)受到彎道水流與航線夾角和船隊軸線與航線夾角的共同作用，增加了航行難度.

(2)船閘口門區(qū)位于彎道段附近時，船舶(隊)會受斜向水流和彎道水流的共同作用，增加進(jìn)出口門的難度，因此口門區(qū)應(yīng)距彎道一定距離.

(3)對于山區(qū)河流，通航建筑物宜布置在凹岸.因此，在樞紐工程選址及樞紐中通航建筑物與電站相對位置確定時，應(yīng)首先考慮將通航建筑物布置在凹岸，其次才是凸岸.

(4)船舶(隊)回轉(zhuǎn)半徑與操舵角的關(guān)系，有待進(jìn)一步研究.

［1］GB 50139-2004，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.(GB 50139-2004，Navigation standard of inland waterway［S］.(in Chinese))

［2］JTJ 305-2001，船閘總體設(shè)計規(guī)范［S］.(JTJ 305-2001，Code for master design of shiplocks［S］.(in Chinese))

［3］JTJ 220-1998，渠化工程樞紐總體布置設(shè)計規(guī)范［S］.(JTJ 220-1998，Design code for hydro-junction general layout of canallization works［S］.(in Chinese))

［4］王作高.船閘設(shè)計［M］.北京:水利電力出版社，1992.(WANG Zuo-gao.Ship lock design［M］.Beijing:Hydraulic and Electric Press，1992.(in Chinese))

［5］周華興.船閘通航水力學(xué)研究［M］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)出版社，2007.(ZHOU Hua-xing.Ship lock hydraulic research［M］.Harbin:Northeast Forestry University Press，2007.(in Chinese))

［6］李焱，鄭寶友，盧文蕾，等.引航道與河流主航道的夾角對通航條件影響試驗［J］.水道港口，2009(1):42-48.(LI Yan，ZHENG Bao-you，LU Wen-lei，et al.Test on navigation condition influenced by the angle between approach channel and main channel［J］.Journal of Waterway and Harbor，2009(1):42-48.(in Chinese))

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［8］李焱，周華興，鄭寶友.那吉航運樞紐通航水流條件水工模型試驗報告［R］.天津:天津水運工程科學(xué)研究所，2003.(LI Yan，ZHOU Hua-xing，ZHENG Bao-you.The report of hydraulic model test on Naji hydro-junction navigable flow conditions［R］.Tianjin:Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，MOT，2003.(in Chinese))

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［10］李炎，李金和，周華興.那吉航運樞紐船閘布置及其通航條件試驗研究［J］.水運工程，2004(8):50-54.(LI Yan，LI Jin-he，ZHOU Hua-xing.Optimized arrangement of navigation structures and test study of navigation conditions of Naji hydrojunction［J］.Port＆ Waterway Engineering，2004(8):50-54.(in Chinese))