孔凡軍，程升鵬，張明敏

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)三峽船閘大風(fēng)停航時(shí)間在10 d左右。究其原因，水庫(kù)上方空氣濕度增大，近壩峽谷上方的過(guò)風(fēng)面積縮小、風(fēng)壓增強(qiáng)，導(dǎo)致大風(fēng)天氣增多。在觀察分析大風(fēng)天氣對(duì)通航條件影響現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，三峽局提出了在不違背規(guī)范性文件強(qiáng)制性規(guī)定的前提下，采取控制性通航措施減少三峽船閘的停閘時(shí)間，繼續(xù)挖掘通航潛力的命題。即通過(guò)深入開(kāi)展相關(guān)通航條件的原型觀測(cè)，進(jìn)行相應(yīng)的理論計(jì)算分析等方法，論證出現(xiàn)間歇性大風(fēng)氣象天氣后，其航道適航條件與船舶適航條件(船閘引航道及閘室水域)能否持續(xù)性封閉式通航的可行性。

1 大風(fēng)氣象概況

據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì),三峽壩區(qū)大風(fēng)對(duì)近壩水域通航影響最大，因而本文僅分析壩上通航條件。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，三峽壩區(qū)6級(jí)(強(qiáng)風(fēng)，風(fēng)速10.8～13.8 ms)以上大風(fēng)主要分布于九畹溪至三峽大壩之間區(qū)域，在蓄水前就是長(zhǎng)江有名的風(fēng)口。時(shí)間主要集中在春秋兩季晝夜氣溫變化較大時(shí)期，尤其是在連續(xù)低溫天氣后，天氣轉(zhuǎn)暖，溫度驟然上升時(shí)，連續(xù)爆發(fā)。相關(guān)擬合曲線見(jiàn)圖1、2。

圖1 氣象信息檢索結(jié)果

圖2 太平溪風(fēng)向分析

2 三峽樞紐近壩水域不同航段適航性能

根據(jù)在廟河、仙人橋、太平溪、船閘引航道設(shè)置的測(cè)風(fēng)儀同步數(shù)據(jù)顯示，廟河、仙人橋、太平溪發(fā)生大風(fēng)時(shí)，風(fēng)力逐步減弱。根據(jù)常年經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)廟河8級(jí)大風(fēng)時(shí)，仙人橋可能只有7級(jí)風(fēng)，太平溪?jiǎng)t有6級(jí)風(fēng)，船閘引航道則可能6級(jí)以下。

盡管衡量風(fēng)力指標(biāo)的風(fēng)速能夠達(dá)到6級(jí)風(fēng)速指標(biāo)(10.80～13.80 ms)，但其波高均小于0.60 m，僅相當(dāng)于海域3級(jí)風(fēng)波高值，達(dá)不到6級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)的海域波高3.0 m。相較于寬闊水域的大風(fēng)，近壩水域的大風(fēng)缺乏風(fēng)時(shí)與風(fēng)場(chǎng)，對(duì)船舶通航影響相應(yīng)較小。

在太平溪觀測(cè)點(diǎn)，由上游向下游輻射，風(fēng)向約為290°～310°，幾乎與三峽船閘引航道平行。也就是說(shuō)，進(jìn)出船閘引航道及閘室船舶受風(fēng)影響主要是正對(duì)船首或船尾受力，順航道行駛船舶側(cè)面受風(fēng)影響小。

近年來(lái)大風(fēng)天氣情況下，引航道順航道行駛的船舶應(yīng)急通航的實(shí)踐表明，受周圍185 m高程及以上遮蔽物影響，該水域大風(fēng)小于近壩水域6級(jí)以上大風(fēng)的風(fēng)力，通航環(huán)境方面對(duì)船舶操縱影響較小。

根據(jù)《船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)》[1]第4章關(guān)于風(fēng)速取值的論述“河道風(fēng)力測(cè)試取值來(lái)源于水面以上10 m上空”的數(shù)據(jù)，三峽船閘導(dǎo)航墻及人字門高度均大于10 m，因此在10 m以上遮擋物下船舶逆風(fēng)航行受風(fēng)影響遠(yuǎn)小于沒(méi)有遮擋物的空曠水域影響。

因此，船體兩側(cè)受力小、傾側(cè)力矩也小，加之引航道左側(cè)堤岸及船閘一閘首高程不低于185 m，船舶在船閘水域所受風(fēng)力明顯低于6級(jí)風(fēng)影響。

大風(fēng)氣象條件下，不同航段適航性能的關(guān)鍵性指標(biāo)是船舶航向穩(wěn)定，對(duì)岸安全航速、單向雙向航寬符合《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[2]強(qiáng)制性要求。見(jiàn)表1。

表1 大風(fēng)天氣下船舶引航道航行統(tǒng)計(jì)

3 大風(fēng)氣象條件下代表性船型船舶耐波差異性分析

3.1 代表船型受風(fēng)影響大小

風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)Kf的定義為：

(1)

或者

(2)

式中：Mq為風(fēng)壓傾側(cè)力矩；Mf為風(fēng)壓復(fù)原力矩；lq為風(fēng)壓傾側(cè)力臂；lf為風(fēng)壓復(fù)原力臂。

依據(jù)風(fēng)壓穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)定義可知：船舶的抗風(fēng)能力一方面取決于船舶的最小傾側(cè)力矩，另一方面取決于船舶的風(fēng)壓傾側(cè)力矩的大小。因此，假設(shè)所有船舶最大復(fù)原力矩是一定的，那么船舶的風(fēng)壓傾側(cè)力矩較小的船舶的抗風(fēng)能力更強(qiáng)。

采用B級(jí)航區(qū)6級(jí)高風(fēng)壓計(jì)算代表船型傾側(cè)力臂情況，見(jiàn)表2。

表2 B級(jí)航區(qū)6級(jí)高風(fēng)壓計(jì)算代表船型傾側(cè)力臂情況

由表2可知，商品車滾裝船、集裝箱船、散貨船的風(fēng)壓傾側(cè)力臂lf商>lf集>lf散?？紤]到影響船舶的風(fēng)壓傾側(cè)力矩的因素：1)上層建筑越豐滿的船舶，風(fēng)壓傾側(cè)力矩越大；2)船舶排水量越大的船舶，風(fēng)壓傾側(cè)力矩越??；3)中大形散貨船排水量較大、上層建筑物相對(duì)較小，該類型船舶的風(fēng)壓傾側(cè)力矩普遍較小，抗風(fēng)能力較其他類型船舶強(qiáng)。

3.2 船舶的耐波性

船舶在水上的航行性能,既決定于外部風(fēng)浪的大小,也和船體本身的要素有密切關(guān)系。在規(guī)則波中,當(dāng)船長(zhǎng)與波長(zhǎng)比值Lλ≈1 時(shí),波浪的擾動(dòng)力最大,縱搖和垂蕩十分激烈。當(dāng)Lλ> 1.3時(shí),無(wú)論是否發(fā)生諧搖,縱搖和垂蕩都不會(huì)很大。

實(shí)際觀測(cè)中，三峽壩區(qū)水域受大風(fēng)影響，江面所形成波浪較為規(guī)則，波長(zhǎng)較短，一般都在10 m以下。除漁船、農(nóng)用船、客渡船等船舶外，船長(zhǎng)與波長(zhǎng)比值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.3，耐波性較好，幾乎不受影響。波浪對(duì)大型船舶的影響幾乎忽略不計(jì)。

另一方面，三峽壩前水域的“風(fēng)時(shí)”與“風(fēng)場(chǎng)”不夠，刮風(fēng)時(shí)間連續(xù)性不夠，即為“陣風(fēng)”，水域不如長(zhǎng)江中下游寬闊，不能聚浪成潮。通過(guò)三峽大壩具有A級(jí)航區(qū)資格的船舶，船舶的穩(wěn)性較高。而根據(jù)《鋼質(zhì)內(nèi)河船舶建造規(guī)范》，船舶設(shè)計(jì)橫傾角不得低于15°;通過(guò)B級(jí)航區(qū)的橫傾角設(shè)計(jì)值一般小于12°，而大風(fēng)氣象條件下的原型觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，絕大多數(shù)船舶的橫傾角往往低于5°。

4 大風(fēng)氣象條件下三峽樞紐通航核心水域船舶航行特性分析

根據(jù)《船舶原理》[4]，“風(fēng)是產(chǎn)生風(fēng)浪的主要原因，但是必須具有充分的風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度才能形成與風(fēng)級(jí)相稱的風(fēng)浪級(jí)別”。如三峽壩上近壩水域風(fēng)級(jí)6級(jí)以上大風(fēng)風(fēng)速在10.80～13.80 ms,其對(duì)應(yīng)的浪級(jí)只是輕浪3級(jí)，浪高0.5 m ≤實(shí)際浪高≤1.25 m。

三峽樞紐成庫(kù)以來(lái)，多年原型觀測(cè)表明，近壩大風(fēng)風(fēng)速指標(biāo)達(dá)標(biāo)，但波高值不對(duì)應(yīng)。因此，三峽水域大風(fēng)對(duì)船舶操縱影響只是體現(xiàn)在風(fēng)速上，而非浪高上。

船舶進(jìn)入大風(fēng)水域后，船舶操縱人員依據(jù)風(fēng)向、風(fēng)力、流、波浪、地形等要素綜合考量，選擇最優(yōu)航路。

4.1 大風(fēng)時(shí)船舶操作特性

三峽水域水流穩(wěn)定，至上而下，風(fēng)向雖然受到山勢(shì)影響，在臨山區(qū)域有所變化，但是主航道風(fēng)向較為穩(wěn)定。因此，船舶上下行主要采用頂風(fēng)頂流、順風(fēng)順流航行，已達(dá)到降低船舶風(fēng)流壓差角的作用，保證船舶在大風(fēng)中安全航行。

4.2 船閘引航道水域船舶操縱特點(diǎn)

大風(fēng)時(shí)，三峽船閘上引航道口門水域下行船較上行船困難?？蛰d船、旅游船、集裝箱船受影響較大。

下行船排隊(duì)進(jìn)入引航道水域，后船必須等待前船在靠船墩靠泊完畢，方能進(jìn)車前進(jìn)。此時(shí)船舶處于順風(fēng)狀態(tài)，倒車效果差，加之航速較低，船舶抵抗風(fēng)力和水流能力差，風(fēng)流壓差大，船舶易發(fā)生漂移，不易穩(wěn)住航向，從而向禁航區(qū)漂移或者向隔流堤困邊。

根據(jù)船舶設(shè)計(jì)規(guī)范，A級(jí)航區(qū)的船舶最大復(fù)原力臂所對(duì)應(yīng)的橫傾角θm應(yīng)不小于15°。

綜上可知：凡是符合建造規(guī)范的船舶，只要具備A級(jí)航區(qū)的資質(zhì)，那么該船的橫傾角不得低于15°。結(jié)合實(shí)際，通過(guò)三峽大壩的絕大部分船舶都具有A級(jí)航區(qū)資格，船舶的穩(wěn)性擁有較高的要求。具備A級(jí)航區(qū)航行資格的過(guò)往船舶在6～7級(jí)大風(fēng)條件下，其適航性能——耐波性是良好的。

5 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)實(shí)船測(cè)試表明，在近壩水域出現(xiàn)6～7級(jí)大風(fēng)氣象條件下，三峽船閘及引航道水域與其連接段以上通航條件不同。即船閘水域航道適航條件——近壩水域出現(xiàn)6級(jí)以上大風(fēng)時(shí)，受周圍上遮蔽物影響，該水域大風(fēng)風(fēng)力小于6級(jí)，對(duì)船舶操縱影響較小；三峽壩上大風(fēng)絕大多數(shù)是西北風(fēng)，其引航道軸線方向與常年大風(fēng)(風(fēng)向290°～310°)夾角較小，傾側(cè)力矩較小，滿足安全通航要求。

2)數(shù)模計(jì)算表明：具備長(zhǎng)江干線B級(jí)航區(qū)適航證書(shū)的船舶滿足該氣象條件下安全通航要求。三峽樞紐壩上大風(fēng)與風(fēng)浪形成的波長(zhǎng)、波高的比值，與長(zhǎng)江下游及海上風(fēng)浪明顯不同。三峽6級(jí)大風(fēng)的波高只相當(dāng)于長(zhǎng)江下游3級(jí)風(fēng)對(duì)應(yīng)值；過(guò)閘船舶船長(zhǎng)與波長(zhǎng)比值都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1.3，耐波性較好。