内河航道通航条件关键技术研究（三期）报告简本0 引言0.1研究背景内河航道通航条件关键技术三期的研究内容主要包括：“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、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2～3m/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，也为有关规范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“内河航道弯曲段的宽度应在直线段航道宽度的基础上加宽，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，提高内河航运的科技含量，提升我国的航道整治和维护技术水平也是十分必要的。
研究工作的技术路线和指导思想本项目是围绕内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内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内容要有针对性，即紧密结合内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，既要服务于内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范标准中的有关内容提供依据和丰富的素材，并力争使研究成果达到国内外的领先水平。
1 研究的内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，为内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，并为今后有关规范或标准的修订提供基础资料和参考依据。
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主要研究内容（1）广泛收集和整理国内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Ⅲ、Ⅳ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。
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、、、（m/s），对应的航速分别为、、、（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，转弯进入引航道的难度越大；上游口门区的回流一般发生在前200m的范围内，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30°～60°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，斜流范围在150-300m；随着河道流速的增大，超标的横向流速范围扩大，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～2.0m/s时的夹角建议值应＜20°。
（2）引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～2.5m/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范围越大，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°；当河道平均流速为～2.5m/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Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ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内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，Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级船闸连接段与主流的交角不宜大于20o；当主流流速为2.5 m/s时，其交角不宜大于15o。
本专题的创新点（1）通过对国内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① 通航建筑物布置在弯道附近；② 裁弯取直工程；③ 通航建筑物布置在分汊河段；④ 船闸引航道与主航道异岸连接；⑤ 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：① 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～2.0m/s时，夹角应＜20°。
② 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°；当河道平均流速为～2.5m/s时，夹角应≤20°。
③ 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°以内。