何繁 肖宇

摘要：為驗證洞庭湖區(qū)澧縣澧水沙羅航道因提高航道等級而擴(kuò)大疏浚航道施工后船舶適航的性能，對該航道進(jìn)行實船適航試驗，從船舶上行、下行、會船3種情況，對比船舶漂角、舵角、對岸航速、轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化，評估該航道的適航性能。結(jié)果表明：船舶對岸航速正常，漂角、舵角和船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速等船舶操縱性能參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，航道適航條件良好；洪水、枯水期均可在工程區(qū)域航道順利會船；航道通航復(fù)核寬度小于航道設(shè)計寬度，本工程航道尺度設(shè)計合理。

關(guān)鍵詞：洞庭湖區(qū)；澧水沙羅航道；航道施工；實船適航

中圖分類號：U616文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）02-0131-08

引用格式：何繁，肖宇.洞庭湖區(qū)澧縣澧水沙羅航道建設(shè)工程實船適航論證［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2024，32（2）：131-138.

HE Fan， XIAO Yu. Vessel seaworthiness in Lishui Shaluo Waterway construction project in Lixian， Dongting Lake area［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（2）：131-138.

0?引言

我國對水運事業(yè)發(fā)展的支持力度不斷加大，水運基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)越來越多，基礎(chǔ)設(shè)施完成后需通過實地觀測或?qū)嵈m航試驗驗證所修船閘、航道、船舶是否符合設(shè)計要求，是否可在相關(guān)水域安全航行[1-2]，是否可安全通過通航建筑物或礙航建筑物，驗證大橋等建筑物是否符合設(shè)計要求[3-4]。曾建峰等[5]研究位于舟山桃花島以東海域的蝦峙門口外30萬t級人工航道試通航，觀測內(nèi)容與內(nèi)河航道不同，對指導(dǎo)內(nèi)河航道開展實船適航試驗的意義相對較??；黃麗芬[6]對西江下游（肇慶至虎跳門）航道整治工程橫坑彎段開展實船適航試驗，驗證航標(biāo)設(shè)置的合理性，航段是否符合通航要求。胡瓊等[7]基于實船測速試航數(shù)據(jù)，采用Iterative方法和Mean of means方法進(jìn)行計算和比較，分析不同的流修正方法的實用性和差異性。黃珍平等[8]采用計算流體動力學(xué)獲得風(fēng)阻系數(shù)的適用性，對比單航次修正和往返評價修正數(shù)據(jù)，評估試航中風(fēng)場變化，確認(rèn)分析風(fēng)速、風(fēng)向過程中是否對往返航次的風(fēng)修正矢量進(jìn)行平均處理。關(guān)帥[9]探討長江水上通航安全風(fēng)險的成因和表現(xiàn)特征，結(jié)合該水域的風(fēng)險特點構(gòu)建長江水上通航安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系，運用層次分析法分析確定長江水上通航安全風(fēng)險的各風(fēng)險因素的重要性和權(quán)重分布，以長江太倉段作為實證研究對象對各風(fēng)險因素進(jìn)行評分，根據(jù)風(fēng)險原因提出風(fēng)險防控對策。南海龍等[10]依托清水江白市至分水溪航道建設(shè)工程，采用二維水流數(shù)值模擬方法，確定設(shè)計最低通航水位，按通航保證率90%設(shè)計航道工程，取枯期和汛期2種最不利工況，沿程水位下包線作為設(shè)計最低通航水位。現(xiàn)有研究對驗證航道，尤其是內(nèi)河航道是否符合通航設(shè)計要求相對較少。

本文依托湖南洞庭湖區(qū)澧縣澧水沙羅航道建設(shè)工程，在完成該航道疏浚工程后對其進(jìn)行實船適航試驗，比較試驗船舶在不同流量下漂角、對岸航速、舵角、主機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)的變化，驗證疏浚工程是否符合通航設(shè)計要求。

1?航道工程簡介

湖南洞庭湖區(qū)澧縣澧水沙羅航道是津茅河段的重點礙航河段之一，西起沙河口、東至羅家灣，有沙河口灘、肖家臺子灘、陳家咀灘3處灘險，全長19 km。該航道為人工開挖的泄洪道，河段較順直，兩岸均有河漫灘，高程為32.00～32.50 m，自然狀態(tài)下、設(shè)計水位時沙河口至四分局段落差為2.27 m[11]。根據(jù) 2011-04-13實測，沙河口至四分局段落差為0.47 m，水深超過2.00 m。原通航河槽大多難以滿足千t級船舶航寬和吃水水深要求，需疏浚該航道，提高航道等級[12]。沙羅航道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為III（3）級，設(shè)計水深為2.00 m，設(shè)計航道寬度為60.00 m[13]。設(shè)計挖槽斷面為對稱或不對稱梯形，按河床質(zhì)情況取槽邊坡坡度為1：3。湖南洞庭湖區(qū)澧縣澧水沙羅航道平面位置示意圖如圖1所示。

在沙羅航道設(shè)計方案中，挖槽縱坡在沙河口灘、肖家臺子灘、勝利橋的現(xiàn)狀設(shè)計水位分別為26.61、26.52、26.15 m，預(yù)留水位分別下落0.46、15.00、0 m，設(shè)計底高程為24.15 m。沙羅航道疏浚典型斷面示意圖如圖2所示。

工程沿用原有航槽，將航道進(jìn)一步拓深，滿足航道等級提升需求。依據(jù)河勢，以左岸為主導(dǎo)河岸，挖槽布置成左凹右凸的微彎平面形態(tài)，挖槽寬60.00 m。按選擇的施工機(jī)具確定挖槽的不平整超深和超寬，沙羅航道土質(zhì)較硬，宜采用斗輪挖泥船施工，超深0.30 m，每邊超寬3.00 m[14-17]。沙河口灘、肖家臺子灘部分灘段可將疏浚土排于兩側(cè)蘆葦洲，其余灘段可將疏浚土排至航道右側(cè)支汊，加大支汊糙率，增大主汊流量。

2?試驗方案

在澧水沙羅航道， 2020-08-22為豐水期，流量為3 000 m3/s， 2022-02-11為枯水期，流量為200 m3/s ，分別進(jìn)行水文觀測和實船適航試驗，觀測斷面流速、流量和水位比降。

根據(jù)設(shè)定的觀測工況進(jìn)行實際踏勘，沿澧水流向分別在沙河口灘、肖家臺子灘、陳家咀灘、勝利橋、羅家灣口設(shè)立1#、2#、3#、4#、5#水尺進(jìn)行水文觀測。水尺位置與測流斷面重合，其中1#、2#、4#水尺布設(shè)于右岸，3#、5#水尺布設(shè)于左岸。

根據(jù)觀測工況確定實船適航試驗的流量、船舶和工況，重船在流量分別為200、3 000 m3/s 下進(jìn)行2次上行、2次下行試驗，空船在流量為200 m3/s下進(jìn)行2次上行、2次下行試驗，空船在流量為3 000 m3/s下進(jìn)行3次上行、3次下行試驗，觀測船舶漂角、對岸航速、舵角等參數(shù)變化。

根據(jù)沙羅航道特點和整治情況觀測斷面流量、流向、沿程水面線、表面流場。在流量為3 000 m3/s下，沙羅航道主汊實測斷面流量為1 166 ～1 436 m3/s，河面寬114.0～178.0 m，斷面平均流速為1.0～1.2 m/s；沙羅航道比降為0.03‰～0.09‰，平均比降為0.06‰；船行波波高0.06～0.07 m，波周期為1.75～2.11 s，波長3.66～4.64 m。在流量為200 m3/s下，沙羅航道主汊實測斷面流量為200 m3/s，河面寬95.0～178.0 m，斷面平均流速為0.57～0.82 m/s；沙羅航道比降為0.23‰～0.78‰，平均比降為0.52‰；船行波波高0.07～0.09 m，波周期為1.70～2.06 s，波長3.66～4.64 m。

3?航道實船試驗分析

3.1?船舶上行

3.1.1?漂角、對岸航速變化

根據(jù)試驗流量和試驗工況，統(tǒng)計沙羅航道空船、重船在不同流量下上行的漂角和對岸航速變化，結(jié)果如表1所示。

由表1可知：1）空船上行漂角變化范圍為-7.27°～6.28°，流量為3 000 m3/s下，平均漂角變化范圍為0.85°～1.98°，流量為200 m3/s下平均漂角變化范圍為1.13°～1.60°。2）重船上行漂角變化范圍為-7.37°～5.02°，平均漂角變化范圍為1.22°～1.57°，流量為3 000 m3/s下，平均漂角變化范圍為1.41°～1.57°；流量為200 m3/s下，平均漂角變化范圍為1.22°～1.45°。本航道空船上行平均對岸航速不小于8.70 km/h，最小對岸航速為6.30 km/h，最大對岸航速為13.99 km/h；重船上行平均對岸航速變化范圍為8.50 ～10.11 km/h，最小瞬時航速為6.52 km/h，最大對岸航速為12.12 km/h，船舶上行試驗結(jié)果符合航道實船試驗分析要求[18]。

3.1.2?轉(zhuǎn)速變化

統(tǒng)計分析不同試驗流量Q和試驗工況下船舶上行過程中主機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，如果如圖3所示。由圖3可知：經(jīng)過本航道時，試驗船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速為940～1 050 r/min，小于試驗船舶額定轉(zhuǎn)速，主機(jī)運行指標(biāo)參數(shù)在合理范圍內(nèi)[18]。

3.2?船舶下行

3.2.1?漂角、對岸航速變化

根據(jù)試驗流量和試驗工況統(tǒng)計船舶下行的漂角和對岸航速變化，結(jié)果如表2所示。

由表2可知：空船下行漂角的變化范圍為-9.68°～7.19°，平均漂角的變化范圍為0.91°～1.97°；重船下行漂角的變化范圍為-10.04°～5.65°，平均漂角的變化范圍為1.49°～2.29°；本航段空船下行的平均對岸航速大于16.31 km/h，最小瞬時航速為10.34 km/h，最大瞬時航速為22.60 km/h；重船下行的平均對岸航速為14.21 km/h，最小瞬時航速為6.13 km/h，最大瞬時航速為18.90 km/h，船舶下行試驗結(jié)果符合航道實船試驗分析要求[18]。

3.2.2?舵角變化

根據(jù)試驗流量和試驗工況統(tǒng)計分析船舶下行的舵角變化，2級流量下船舶下行過程中舵角變化曲線如圖4所示。

由圖4可知：2級流量下船舶下行過程中的舵角變化不大，變化范圍為-15°～15°。舵角在正常合理范圍內(nèi)，操控性能良好。

3.2.3?轉(zhuǎn)速變化

根據(jù)試驗流量和試驗工況統(tǒng)計分析船舶下行的轉(zhuǎn)速變化，2級流量下，船舶下行過程中轉(zhuǎn)速的變化曲線如圖5所示。

由圖5可知：經(jīng)過本航段時，試驗船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速為700～1 120 r/min，小于試驗船舶額定轉(zhuǎn)速，主機(jī)運行指標(biāo)參數(shù)在合理范圍內(nèi)[18]。

3.3?會船試驗

3.3.1?會船試驗基本情況

為檢驗航道的適航條件，分析工程河段通航尺度的合理性，在肖家臺子灘附近進(jìn)行會船試驗，航行參數(shù)如表3所示。由表3可知：會船試驗中船舶上、下行均按正常航速行駛，船舶舵角均未超過15°，說明試驗船舶在試驗河段水域均能安全航行，2級流量下試驗均安全順利完成；在復(fù)雜航段航行中，船舶航行漂角較大；航道尺度與航行漂角和會船時兩船間距等有關(guān)。

3.3.2?會船試驗段航道寬度復(fù)核

雙向通航寬度[19-20]

Bbi=Bd+Bn+d1+d2+C，（1）

式中：Bd為下行船舶航跡帶寬度，Bd =BSd+ldsin β，其中BSd為下行船舶寬度，ld為下行船舶長度，β為船舶航行漂角；Bn為上行船舶航跡帶寬度，Bn=BSn+lnsin β，其中BSn為上行船舶寬度，ln為上行船舶長度；d1、d2分別為下行、上行船舶外舷至航道邊緣的安全距離，一般為0.5倍船寬；C為會船時2船的安全距離。

試驗實船長85.00 m，寬10.80 m，d1、d2均為5.4 m。會船試驗航道寬度復(fù)核計算結(jié)果如表4所示。由表4可知：在流量為3 000 m3/s的會船情況下，航道寬度宜為59.29 m，在流量為200 m3/s的會船情況下，航道寬度宜為54.62 m，均小于設(shè)計航道寬度60.00 m[18]。

3.4?航道適航性能分析

根據(jù)以上觀測數(shù)據(jù)資料，分析沙羅航道船舶適航性能參數(shù)，根據(jù)適航試驗所獲得的漂角等數(shù)據(jù)，將沙羅航道實船適航試驗結(jié)果代入式（1），對航道通航寬度進(jìn)行復(fù)核計算，如表5所示。由表5可知：本航道船舶航行參數(shù)均在允許范圍內(nèi)[18]，適航性能良好；復(fù)核后的航道寬度均小于設(shè)計航道寬度60.00 m，航道尺度設(shè)計合理。觀測成果資料表明，在不同流量、不同工況下，試驗船舶均可順利通過沙羅航道。

4?結(jié)論

1）通過沙羅航道水文原型觀測和實船適航試驗，分析湖南洞庭湖區(qū)澧縣澧水沙羅航道工程河段水流條件和航行難點，通過測得的船舶漂角、舵角、對岸航速、轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，可知試驗船舶對岸航速正常，航行條件良好；漂角、舵角和船舶主機(jī)轉(zhuǎn)速等船舶操縱性能參數(shù)均在正常范圍內(nèi)，沙羅航道適航條件良好。

2）沙羅航道會船試驗結(jié)果表明，不同流量下船舶均可在通航區(qū)域順利會船。

3）基于實船試驗的航道通航寬度復(fù)核計算結(jié)果表明，不同流量下航道通航復(fù)核寬度約為50.00 m，小于航道設(shè)計寬度60.00 m，本工程航道設(shè)計合理。

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Vessel seaworthiness in Lishui Shaluo Waterway construction project in

Lixian， Dongting Lake area

HE Fan， XIAO Yu

Hunan Provincial Water Transportation Constraction & Investment Group Co.， Ltd.， Changsha 410011， China

Abstract：To verify the vessel seaworthiness after the expansion and dredging of the Lishui Shaluo Waterway in Lixian， Dongting Lake area， and to improve the navigational level of the waterway， the seaworthiness performance of the waterway is evaluated by comparing the drift angle， rudder angle， opposite shore speed， speed change， oil temperature change and other aspects of the three situations of the ship going up， going down and meeting. The results show that the cross-shore speed of the ship is normal， and parameters such as drift angle， rudder angle， and main engine speed are within the normal range， which indicates good navigational conditions in the channel. Ships can easily pass each other in the waterway during both flood and dry seasons. The navigational verification width of the waterway is smaller than its design width， which indicates that the scale design of the waterway in this project is reasonable.

Keywords： Dongting Lake District; Lishui Shaluo Waterway; waterway construction; vessel seaworthiness

（責(zé)任編輯：王惠）

收稿日期：2023-06-30

第一作者簡介：何繁（1977—），女，長沙人，工程師，主要研究方向為港口航道與水運工程管理、技術(shù)管理和造價管理，E-mail：2050041@qq.com。

DOI：10.3969/j.issn.1672-0032.2024.02.018