1、内河航道通航条件关键技术研究三期河航道通航条件关键技术研究（ 三期）报告简本0 引言1.1 研究背景河航道通航条件关键技术三期的研究容主要包括：“山区河流通航建筑物引航道与河流主航道夹角的研究”和“弯曲航道尺度及通航水流条件的研究”两个专题。山区河流蜿蜒曲折，弯曲航道比比皆是。在山区河流的航运枢纽中，通航建筑物上下游引航道、连接段航道中心线与河流主流往往呈一定的夹角，产生“斜向流”，使航行船舶发生偏转、横移，以致偏离航线，对船舶安全进出引航道构成威胁，夹角过大时，甚至造成碍航或者断航。因此，研究通航建筑物引航道与河流主航道的夹角是山区河流航运枢纽总体布置中的一个共性问题，也是确保船舶安全航行、
2、进出引航道所需解决的一个技术难题。在现行标准中，根据工程的实践经验，对该夹角仅提出了建议值即：“引航道、口门区和连接段的中心线与河流或引河的主流流向之间的夹角宜缩小。在没有足够资料的情况下，此夹角不宜大于25”。这项规定对于河流宽阔、流速相对较小的平原河流或运河来说，夹角25基本上是可行的。但对山区河流来说，在2年一遇或5年一遇洪水流量时，水流的纵向流速一般已达到23m/s，当主航道轴线与引航道轴线呈25夹角时，横向流速已大大超过口门区的允许值。因此，25的限值已不能起到安全保证的作用。特别是在枢纽采用混合式开发方式的情况下，通航建筑物采用“截弯取直”布置，其轴线与河流的夹角已接近90，上下游
3、引航道口门区及连接航道轴线常采用曲线布置，已无法用25来衡量其优劣。因此，专题一是针对山区河流渠化工程中，不同条件、不同水流夹角所能适应的通航条件进行系列试验，以取得不同条件下夹角的限制建议值；并提出在较大夹角时，改善通航条件的工程措施及原则，为山区河流通航建筑物的设计提供科学依据，也为有关规修编提供基础技术资料。在我国，弯曲航道是一种常见的平面形态，受地形和水流条件的影响，航道尺度往往受到限制，对船舶安全航行带来隐患。作为航道设计、施工和维护的一项基本理论和技术研究弯曲航道的尺度和水流条件标淮是非常必要的。在现行标准中，仅对弯曲段的航道宽度作了原则性的规定即“河航道弯曲段的宽度应在直线段航道
4、宽度的基础上加宽，其加宽值可通过分析计算或试验研究确定”。标准未给出不同航道等级、不同水流条件的弯曲河段适应于代表航行船舶（队）所需的航道尺度与水流条件的量化标淮。因此，专题二是采用原型资料分析、已有的相关成果总结归纳、概化物理模型和遥控船模试验等手段，结合平原河流、山区河流通航河段的实际情况，研究弯曲航道的水流结构，弯曲航道演变的规律，船舶（队）在弯曲航道航行的特点，以确定弯曲航道的通航尺度和通航水流条件指标，为水运工程建设、维护标准的确定以及对现行标准的修订提供技术支持和科学依据。同时，对推动航道水力学学科的发展，提高河航运的科技含量，提升我国的航道整治和维护技术水平也是十分必要的。0.2
5、 研究工作的技术路线和指导思想本项目是围绕河航道建设工程所涉及有关通航水流条件的关键技术问题进行的两个专题研究，因此，整个研究工作是在系统总结我国河航道建设在设计和运用情况的基础上，紧紧围绕项目研究的总体目标，采用调研咨询、资料收集、依托工程物理模型、概化物理模型、数学模型和综合分析相结合的手段进行的一系列研究工作。研究工作的指导思想是研究容要有针对性，即紧密结合河航道建设工程的实际；研究成果要有实际应用价值、要有所提高、有所创新，既要服务于河航道建设工程的设计和实践，为今后的类似工程提供参考和借鉴，又要为制定或修订相关规标准中的有关容提供依据和丰富的素材，并力争使研究成果达到国外的领先水平。
6、1 研究的容及主要成果 本项目研究的总体目标是提出山区河流通航建筑物引航道与主航道夹角的建议值；提出山区河流通航建筑物引航道与主航道夹角较大时改善通航条件的工程措施及原则；提出具有普遍适用性的弯曲航道船舶安全航行所需的宽度计算公式和方法，为河弯曲型河段航道整治工程的前期工作和设计提供科学依据，为通航安全提供保障，并为今后有关规或标准的修订提供基础资料和参考依据。1.1 专题一山区河流通航建筑物引航道与河流主航道夹角的研究1.1.1 主要研究容（1）广泛收集和整理国通航枢纽工程总平面布置的相关资料，包括微弯河段、弯曲河段、裁弯取直和分叉河段布置通航枢纽的地形、水文及水流夹角情况；以及山区河流通航
7、建筑物与河流主航道不同夹角情况下的通航水流条件及航行条件的实船试验资料、模型试验资料和工程改善措施；（2）采用概化物理模型和遥控自航船模试验，对山区河流、级航道通航建筑物引航道与河流主航道夹角与通航水流条件和航行条件进行系列研究。包括不同流速与不同“夹角”对船舶（队）通航条件的影响； （3）结合概化物理模型试验成果和相关资料的收集整理，归纳总结目前实际工程中不同夹角条件下通航枢纽的布置及其通航条件情况，提出不同条件下，合理的夹角建议值；（4）针对山区河流通航建筑物受地形、河势的制约，引航道与主航道存在较大夹角，难以满足通航水流条件的要求时，提出改善通航条件的工程措施及原则，为工程设计提供指南。
8、1.1.2 主要研究成果（1）船闸布置在弯道凸岸时产生水流夹角的试验成果 试验研究了船闸布置在弯道凸岸，其上下游外导墙堤头距弯道起点200m，弯道转弯半径500m，各种工况下船模进出引航道的航行条件。为了分析引航道与河流主航道不同夹角和不同河道流速对上下游引航道口门区和连接段通航条件的影响，进行了不同夹角、不同河道流速的系列试验。试验所选取的引航道与河流主航道夹角分别为20、30、45、60，河道平均流速分别为1.0、1.5、2.0、2.5（m/s），对应的航速分别为1.5、2.0、2.5、3.0（m/s）。由试验结果可知，不同夹角对船模进出引航道的航行条件影响很大，夹角越大，转弯进入引航道的
9、难度越大；上游口门区的回流一般发生在前200m的围，回流强度小，可满足通航水流条件的要求；连接段的水流平顺，横向流速较小，纵向流速随河道平均流速的增大而增大，当河道平均流速达到2.0m/s时，在3060夹角时，连接段的最大纵向流速达到或超过2.5m/s。下游口门区的回流强度要大于上游口门区，斜流围在150-300m；随着河道流速的增大，超标的横向流速围扩大，由外侧点向中线测点扩大；下游上行船模是顶流而上，其航行条件好于上游下行进入引航道。通过对通航水流条件和航行条件的综合分析，试验提出了当枢纽布置在弯道凸岸附近，堤头距弯道200m，河道平均流速为1.52.0m/s时的夹角建议值应20。（2）引
10、航道轴线与河道斜向布置时产生水流夹角的试验成果试验研究了20、25、30、45四种夹角，河道平均流速1.02.5m/s的不同工况下，引航道与河道不同夹角斜向布置时的通航水流条件和航行条件。由试验结果可知，随着斜向角度的增大，口门区在弯道航线的围越大，由20时的170m增加到45时的350m，水流与航线的最大夹角也由20增大到45，船模需转弯进入引航道，水流对其产生斜向作用，使船模向岸漂移，船模航行采用一定的高挂措施，同时转弯时，艏向角不宜过大，同时依靠水流作用，使船模斜向进入引航道，综合判断通航水流条件和航行条件，试验提出在引航道与河道斜向布置时，当河道平均流速为1.5m/s时，夹角应25；当
11、河道平均流速为2.02.5m/s时，夹角应20。（3）改善通航条件工程措施的概化模型试验成果改善通航条件工程措施主要进行了以下三方面的概化模型试验。一是导航堤堤头距弯道起点距离分别为0m、200m、400m和600m，对通航水流条件的影响试验；二是引航道堤头距弯道400m和200m两种情况下，转弯半径分别为500m、600m、700m和800m，对通航水流条件影响的试验；三是弯道河道船闸凸岸布置，在30夹角时，泄水闸门不同开启方式，对通航水流条件影响的试验。由上述三方面的试验可见：上游导航堤堤头距弯道不同距离对通航水流条件影响较小，对船舶航行条件的影响很大，口门区的直线段越长，弯道对船模进出口
12、门的影响越小，船模有较充分的水域调顺船位进入口门，堤头距弯道的距离宜大于2倍船长。增大航线的转弯半径并不一定改善通航水流条件，当航线的转弯半径与河道的曲率相一致，水流条件较为平顺，此时增大航线的转弯半径时，往往使航线与河道水流夹角变大，反而不利于船舶进出口门。闸门开启方式对下游河道枢纽至口门区之间的流速流态影响较大，均匀开启时，河道横向水流分布均匀；当闸门分段开启时，水流集中下泄，在河道水流下泄位置流速很大，河道水流紊乱，形成回流，最大流速比均匀开启时增加60%-80%；闸门开启方式对下游口门区和连接段的流速流态有影响。均匀开启时，口门区的斜流角度较其他方式小些，横向流速也最小，连接段水流最为
13、平顺。（4）引航道与主航道异岸连接不同水流夹角水槽试验的成果 利用宽水槽模拟、级船闸口门区与天然航道不同的衔接情况及其水流条件，并利用不同吨位的船舶模型进行了连接段布置的船舶航行条件试验。研究成果表明：要满足船舶安全航行要求，口门区与主航道同岸连接的连接段航道水流条件应满足纵向流速2.5m/s、横向流速0.45m/s；口门区与主航道异岸连接的连接段，与主流的交角应尽可能减小，当主流流速为2.0 m/s时，、级船闸连接段与主流的交角不宜大于20；当主流流速为2.5 m/s时，其交角不宜大于15。1.1.3 本专题的创新点（1）通过对国24座通航枢纽工程总体布置及其河势特点的统计、分析，总结了通航
14、建筑物引航道与河流主航道水流夹角形成的条件，提出了引航道与河流主航道水流夹角产生的五种常见情况：包括 通航建筑物布置在弯道附近； 裁弯取直工程； 通航建筑物布置在分汊河段； 船闸引航道与主航道异岸连接； 动静水交接处产生斜流夹角。具有一定的代表性。可为通航建筑物总体布置时，分析引航道与河流主航道水流夹角对通航条件的影响提供一种新的思路。（2）根据通航建筑物引航道不同布置条件，提出了引航道与河流主航道的合理夹角建议值： 枢纽布置在弯道凸岸附近，堤头距弯道200m条件，当河道平均流速为1.52.0m/s时，夹角应20。 下游引航道与河道斜向布置时，当河道平均流速为1.5m/s时，夹角应25；当河道
15、平均流速为2.02.5m/s时，夹角应20。 对于异岸连接的连接段来说，连接段与主流的交角应尽可能减小，并控制在20以。当主流流速为2.0m/s时，、级船闸的连接段与主流的交角不宜大于20；当主流流速为2.5m/s时，、级船闸的连接段与主流的交角不宜大于15，而级船闸的口门区与主航道应尽量布置在同一岸。该成果对引航道通航水流条件限制值的确定更趋完善、合理，对我国通航建筑物的设计、建设具有实用意义，同时为有关规的修改提供依据。（3）综合本次概化模型试验和对国枢纽布置口门区通航条件的工程改善措施研究与实践的总结分析，提出了通航建筑物引航道与河流主航道夹角较大时，改善通航条件的工程措施及原则，该成果
16、为河渠化工程通航建筑物枢纽布置、导航墙结构型式的设计提供基础资料和技术支持，具有创新性。1.2 专题二 弯曲航道尺度及通航水流条件的研究1.2.1 主要研究容（1）综合考虑弯曲河段地域和平面形态的特点，选取不同等级、有一定代表性的山区弯曲航道、平原弯曲航道和河网地区弯曲航道；收集各类弯曲航道的河床特性、水文、代表船型，通航水流条件，船舶（队）航迹及操纵方法等；（2）分析不同地域以及单一弯曲、弯曲分汊、连续弯曲不同形态弯曲河道的演变规律以及水流特性；并分析弯曲航道对船舶航行的影响因素；（3）在分析不同类型弯曲航道通航水流条件和不同航道等级弯曲航道的弯曲半径和航宽的基础上进行概化模型设计，使模型的
17、弯曲半径、试验流速与天然河流具有相似性；（4）根据实测资料，建立8个不同弯曲半径的概化模型，研究不同流量级下的弯曲航道水流结构和变化特征，以及不同航道等级船舶的通航水流条件； （5）利用概化弯曲航道上进行遥控船模试验，得出在不同的水流条件下的航迹线，分析不同尺度船舶（队）在弯道上的航行特征，提出了弯曲航道宽度的确定方法。1.2.2 主要研究成果（1）弯曲航道水流条件的试验成果概化模型试验进行了8个不同弯曲半径的弯曲航道水流条件研究。主要研究在不同流量级下的弯曲河段水流结构和特征，以及不同航道等级的船舶通航水流条件。根据概化弯曲航道试验成果，分析得出弯曲航道水流条件，以及对弯曲航道通航水流条件技
18、术指标要求的讨论，从而得出不同弯曲半径的弯曲航道的水流条件指标要求。 （2）弯曲航道通航船模试验研究弯曲航道通航船模试验研究是在弯曲半径为1679m、1000m、909m、600m、545m、374m、340m和280m的八种弯道上、采用1121000t船队、161000船队、1+3800t船队、12500船队、1+2300t船队和140TEU集装箱船六种船型、在四种水流速度、两种车档的工况下进行的。试验结果表明：船舶通过弯曲航道航行时，为了克服弯道水流的影响，在转弯时船舶姿态要产生明显的漂角和附加船宽。并且随弯曲半径减小和航道流速的加大，船舶航线还会产生一定的横漂。 船模试验成果还表明：船舶
19、通过弯曲航道航行时，弯道的弯曲半径越小、船队尺度越大、弯曲航道水流越急、船队车档越低，船舶通过弯道时的舵角、漂角和偏航距也就越大，从而导致附加船宽、航迹带宽和航道占宽加大，航行难度也越大。也就是说，弯道曲率半径与船长的比值R/L是弯道通航难度的重要控制条件，在R/L3时、弯道通航的安全已难以保证。 （3）不同尺度船舶（队）弯道航行漂角的分析与计算船舶在弯道中航行，漂角是一个变化幅度较大的变量，其大小受多种因素的综合影响，通过船模试验，以及对已有实船观测成果的整理分析，弯道的弯曲半径及船舶（队）尺度即R/L是影响漂角变化的主要因素。通过系列弯道概化模型试验和遥控自航船模试验的大量数据分析，推算出
20、了漂角计算公式：式中： VH为对岸航速； V为对水航速； R为转弯半径； L为船长由上式计算的漂角值与相应的船模实验值是基本接近的，其误差绝大部分在10%以，说明该计算方法是可靠的，为弯曲航道通航宽度的研究提供了条件。 （4）弯曲航道通航宽度的研究综合分析弯道水流及船模试验成果，提出了弯曲航道单向和双向通航宽度的确定方法。即：在有漂角资料的情况下用漂角计算，在没有漂角资料时，可用漂角计算公式或加宽值的方法来计算。有漂角资料时，弯道单向通航宽度计算公式： 式中： 无漂角资料时，B单弯=B单直+9.816P35.1 B单直直线航道宽度（m）。 P 偏航距（m）。1.2.3 本专题的创新点（1）船舶
21、通过弯曲航道时会产生偏离顺直河段正常航迹的附加船宽。目前，国外对弯曲河段航道宽度的研究还不多。通过多个弯曲航道概化模型和系列化遥控船模试验的大量数据分析研究，给出了实用的弯曲航道通航宽度确定方法的数学表达式，这不仅能全面反映影响通航所需宽度的各种因素，且使用十分方便。（2）弯曲航道的水流条件主要决定于上游来水条件、过程和弯道自身河床形态。对弯曲航道通航来说，不同的船舶（队）所需的水流条件是不同的。通过弯道水流及船模试验，分析得出不同弯曲半径的弯曲航道的水流条件指标要求，研究成果为不同等级航道的航道尺度要求及水流条件的确定提供了基础资料和技术支撑，同时，也为河通航标准、航道整治工程技术规的修订提
22、供了科学依据和技术支持。 （3）通过弯曲航道概化模型和自航船模试验，在整理大量的试验数据成果上，推算出了漂角计算公式，并通过已有实船试验成果的验证，符合良好，可用于今后工程设计和研究过计算直接得到弯曲段航道宽度。研究成果将为河航道建设提供技术支持。2 结束语整个研究成果是对河航道工程有关通航水流条件的两个关键技术问题进行了研究。其中，专题一“山区河流通航建筑物引航道与河流主航道夹角的研究”是与“河航道通航条件关键技术研究（一期）”中关于“通航建筑物口门区及连接段通航水流条件专题研究”的容息息相关。山区河流迂回曲折，顺直河段相对较短，通航建筑物船闸通常布置在两个天然弯道之间，有的船闸布置在裁弯取
23、直的河段上，为此，船闸引航道与主流河道往往存在一定夹角，在引航道口门区常出现一种作用在船舶侧面、不利于航行的“斜向流”，由于“斜向流”的作用，迫使进出船闸的船舶扭转和漂移，偏离航线，对船只航行安全构成较大威胁。专题一研究组通过大量收集、整理和分析山区河流通航建筑物上下游引航道与河流主航道夹角等方面资料的基础上，通过概化物理模型试验和遥控自航船模试验等手段，对山区河流、级航道通航建筑物与河流主航道夹角、通航水流条件和船舶航行条件的关系进行了系列研究，包括河道不同平均流速与不同“夹角”对船舶（队）通航条件的影响。提出了通航建筑物引航道与河流主航道合理夹角的建议值，对保障通航建筑物上、下游船舶通航安
24、全，避免发生海损事故，具有重要的意义。专题一研究组还综合本次概化模型试验和对国枢纽布置口门区通航条件的工程改善措施研究与实践的总结分析，提出了通航建筑物引航道与河流主航道夹角较大时，改善通航条件的工程措施及原则，不仅可以保证船舶在口门区和连接段的通航安全，还可为河渠化工程通航建筑物枢纽布置、导航墙结构型式的设计提供技术支持，对加快前期工作进度，提高设计工作效率和质量，缩短工程设计和建设周期有重要意义。 专题二弯曲航道尺度及通航水流条件的研究也是“河航道通航条件关键技术研究”一、二期工作的延续。在山区河流和平原河流上弯曲航道是一种常见的形式，受地形和水流条件的限制，航道尺度往往受到一定的限制，给
25、船舶安全航行带来隐患，在工程实践中要求采取一定的工程措施，以保证船舶的航行安全。专题二研究组通过调研、分析、遥控船模和弯曲航道概化模型试验等研究手段，提出了适用于不同航道等级河弯曲航道的通航尺度、通航水流条件的标准以及确定方法，为河水运工程建设、航道治理、维护标准的确定提供技术支持和科学依据，对指导河航道的建设实践、提高河航道整治和维护是技术水平是十分有益的。我国现行标准河通航标准（GBJ50139）中，对不同航道等级、不同水流条件的弯曲河段适应于代表航行船舶（队）的航道尺度与水流条件，未提出量化标淮，仅对弯曲段的航道宽度作了原则性的规定。 专题二的研究提出了弯曲河段航道宽度的确定方法，并给出了实用的弯曲航道通航净宽确定方法的数学表达式。成果可直接应用于河弯曲型河段航道整治工程的前期工作和设计中，同时，为有关规或标准的修订提供了科学依据和技术支撑。3 合作者本项目的研究由省交通厅交通勘察设计研究院、交通部天津水运工程科学研究所和长江航道规划设计研究院共同承担。在专题二的研究中有关弯曲航道通航船模的试验由西南水运科学研究所承担。在本项目的完成过程中得到了交通运输部科教司、水运司、西部项目管理中心等领导和专家的关心和大力支持，同时也得到了国许多同行专家的热情帮助和指导。在此，项目组谨向所有给予本项目支持与帮助的各级领导和专家表示衷心地感。
