向家坝升船机下游引航道口门区水流条件研究

高 策

(中国长江三峡集团有限公司，湖北 武汉 430010)

0 引言

向家坝一级升船机位于四川省宜宾市和云南省水富市交界的金沙江下游河段，主要由上游引航道、上闸首、船厢室段、下闸首和下游引航道等五部分组成，最大提升高度114.20 m，机型采用全平衡齿轮齿条爬升、长螺母柱短螺杆保安式。按Ⅳ级航道标准设计[1]，设计代表船型为2×500 t级一顶二驳船队(111.0 m×10.8 m×1.6 m(长×宽×吃水深，下同))，同时兼顾1 000 t级单船(85.0 m×10.8 m×2.0 m)[2]，根据《内河通航标准》[3]和《船闸总体设计规范》[4]，下游引航道口门区长度约为220 m，宽度约60 m。由于向家坝电站所处山区河道受自身天然地形条件限制，升船机下游引航道布置离泄洪设施较近，电站泄洪水流斜冲下游引航道口门区及连接段，口门区横向流速、回流流速、波高较大，船舶航行受电站泄洪流量影响明显。升船机自试通航验收之际，其通航流量标准认定，尤以泄洪工况下，可通航流量标准认定，一直广受行业专家、主管部门、船方等关注，争议较大。为摸清下游引航道口门区通航水流条件规律，开展了原型观测试验。向家坝水电站枢纽布置平面示意图见图1。

1 试验工况、内容及观测方法

1.1 试验工况

结合电站投产发电以来(2012年—2017年度)机组出力及电站泄洪情况，选取枯水期机组最小出力、丰水期机组满发出力(不泄洪、泄洪)+机组不满发出力(不泄洪、泄洪)等多种典型常遇工况进行。枯水期原型观测通航流量范围为1 600 m3/s～4 600 m3/s，电站未泄洪，上游航道水位375.70 m～373.75 m，下游航道水位269.45 m～265.96 m。汛期原型观测通航流量范围为6 800 m3/s～9 500 m3/s，其中泄洪流量范围为1 000 m3/s～3 100 m3/s，上游航道水位376.1 m～374.21 m，下游航道水位273.6 m～271.55 m。

1.2 试验内容

1)升船机下游引航道口门区表面流速流向(横向、纵向和回流)观测。

2)下游引航道口门区水位波动测量。

3)船舶航迹线、航速、航向角、漂角、微倾等测量。

1.3 观测方法

1)口门区通航水流条件观测。

枯水期原型观测期间，由于电站不泄洪，采用船舶定位接触测量方法定点观测表面流速点处流速。汛期原型观测期间，口门区观测条件恶劣，之前采用的船舶定位接触测量方法已不可行，通过多次试验和优化，发明了随水流跟随性很好的浮子，利用GPS系统定位浮子的位置，计算其运动速度和方向，以获得水流的流速，同时，设计了无人机全自动浮子抛投系统，应用于现场流速测量。

2)引航道水位波动观测。

枯水期原型观测期间，由于上下游水位波动较小，通过在下闸首右岸296.0 m平台各布置一支量程为35.0 m的雷达水位计，观测引航道水面波动。汛期原型观测期间，下游引航道内水位波动较大，在下游引航道岸边沿程布置5支水位计，观测下游引航道口门区水面波动。引航道后门区水位计布置平面示意图如图2所示。

3)船舶航行特性观测。

采用SDI-600GI惯性导航系统(GPS/INS组合导航设备，内部有3个陀螺、3个加速度计和NovAtel OEMV3接收机)，直接测量获得船舶航速、横倾、纵倾、方位角及位置经纬度，并通过后处理获得船舶航迹线及漂角。

2 试验成果

2.1 口门区水流条件

《船闸总体设计规范》中规定，引航道口门区水面最大流速限值，对Ⅰ级～Ⅳ级船闸，Vy≤2 m/s，Vx≤0.3 m/s，V回≤0.4 m/s。枯水期原型观测期间，下游引航道口门区通航水流条件整体较好，下游引航道口门区最大纵向流速均小于2 m/s，且有较大余量；最大横向流速小于0.3 m/s，满足规范要求，最大回流流速虽然大于0.4 m/s，但是超标区域集中在口门区下游岸坡附近，横向宽度仅15 m，且该区域已远离航线，故对船舶进出引航道的航行安全性影响不大。汛期原型观测期间，口门区最大纵向流速2.81 m/s，最大横向流速0.9 m/s，最大回流流速0.64 m/s，下游引航道口门区通航水流条件指标略有超标。

2.2 引航道水位波动

枯水期原型观测期间，通航流量均为电站机组出流，引航道内水位无明显的涨落，波动范围在0.05 m～0.07 m，波动主要由引航道内水位整体的微幅振荡、风力作用和恒定状态下的水流紊动、船行波等因素造成，波动整体较小。汛期原型观测期间，下游引航道水位最大波高与泄洪流量基本呈线性关系，泄洪流量越大，最大波高也越大，泄洪流量小于2 500 m3/s时，引航道内水位波动小于0.5 m，引航道口门处水位波动与中部基本一致，口门区中部水位波动小于0.65 m，引航道末端波动略大，但均低于0.85 m，最大波高0.84 m(见表1)。

表1 不同工况下引航道及口门区最大波高

2.3 船舶航行特性

枯水期原型观测期间，船舶下行航速大于上行航速，上行最大航速在3.0 m/s左右，下行最大航速在6.0 m/s左右；重载货船通过口门区船舶纵倾和横倾均较小，横倾约0.3°～1.7°，纵倾约0.02°～0.4°；船舶下行漂角最大在30°内，上行漂角偏大，这与船舶行驶路径相关。汛期原型观测期间，上行最大航速在5.0 m/s左右，下行最大航速在8.0 m/s左右，船舶下行航速大于上行航速；通过口门区时，横倾约±3.5°，变幅约7°，纵倾变幅约2°，随流量增大，船舶横倾和纵倾有增大的趋势；船舶下行漂角最大在15°内，上行漂角偏大，这与船舶行驶路径相关，上行过程船舶受水流影响运行路径较为曲折(见图3)，导致漂角较大，而下行过程则较平顺(见图4)。

2.4 通航安全分析

原型观测表明，在枢纽泄洪工况下，向家坝升船机下游引航道口门区水流条件较为复杂，除斜向水流、回流较大外，还存在较大的水面波动，影响通航安全，已成为口门区通航水流条件的关键制约因素，规范对口门区的横向流速、纵向流速和回流流速进行了限制，但对船舶横摇并没有相关限定。从相关资料可知，关系船舶航行安全的容许横摇角与船舶自身的稳性有关，每条船舶均有其稳性计算书，一般随船携带，统计参式船舶稳性计算书中相关参数，其满载或空载的横摇角均略大于10°，实测船舶通过口门区的横摇角约3°～4°，从船舶工作人员舒适度考虑，横摇角控制在4°以下是能够接受的。

过机船舶相关统计数据表明，目前通过升船机船舶共78艘，A级航区J1航段船舶19艘，B级航区J1航段船舶58艘，C级航区J1航段船舶1艘，未出现J2航段船舶。结合原型观测数据，按照《内河船舶法定检验技术规则》[5]规定，下游引航道口门区波高满足目前在航的大部分船舶的安全航行要求(见表2)。

表2 航区航段滩上流速及波高对照表

3 结语

1)非泄洪工况下，下游引航道口门区最大纵向流速均小于1.0 m/s，最大横向流速均小于0.3 m/s，满足规范要求，回流流速局部超过规范规定的0.4 m/s，但超标区域集中在口门区下游岸坡附近，横向宽度约15 m，该区域已远离航线，对船舶进出引航道的航行安全影响不大。泄洪工况下，口门区最大纵向流速2.81 m/s，最大横向流速0.9 m/s，最大回流流速1.18 m/s，口门区通航水流条件指标略有超标，按照《内河船舶法定检验技术规则》相关规定，下游引航道口门区水流条件满足目前在航的大部分船舶的安全航行要求。

2)非泄洪工况下，下游引航道内及口门区水面平稳，波动不足10 cm。泄洪工况下，下游引航道水位最大波高与泄洪流量基本呈线性关系，且在泄洪流量相同情况下，出库流量越大，最大波高也越大；口门区末端水位变幅最大；相同泄洪流量下，引航道中部水位波动相对较小，引航道封闭段处水位波动较中部略大；口门处水位波动波高小于口门区。

3)非泄洪工况下，上行最大航速均在3.0 m/s左右，下行最大航速在6.0 m/s左右；重载货船通过口门区船舶纵倾和横倾均较小，横倾约0.3°～1.7°，纵倾约0.02°～0.4°，船舶下行漂角最大在20°内；泄洪工况下，上行最大航速在5.0 m/s左右，下行最大航速在8.0 m/s左右；通过下游引航道口门区时，横倾约±3.5°，变幅约7°，纵倾变幅约2°；船舶下行漂角最大在15°内。船舶通过口门区的最大横倾角差异很小，基本保持在3°～4°。查阅相关资料，从安全方面考虑，通常认为船舶横摇角应在10°以下，从船上工作人员舒适度考虑，横摇角宜控制在4°以下是能够接受的。