内河航道横流对船舶航行影响研究现状

内河航道横流对船舶航行影响研究现状
马爱兴1，曹民雄2，陈作强3
1
河海大学交通学院，南京 （210098）
2南京水利科学研究院交通部港口航道泥沙工程重点实验室，南京 （210024）
3四川省交通勘察设计研究院，成都 （610017）
E-mail ：aixingma@ 摘 要：横流是内河航道通航水流条件的一个重要方面，根据内河航道横流的特性及对船舶航行的影响，总结了内河航道横向流速对船舶航行影响研究的现状并进行了分析，最后提出了有待进一步研究的内容。

关键词：内河航道；横流；船舶航行参数
中图分类号：U611
1. 引言
内河航道中，如果水流流向与航道轴线不一致，则将产生横向水流，船舶航行过程中航道内的横向流速关系到船舶能否安全通过该航道。

由于横流对船舶航行影响较大，各国航运部门和学者对通航的横流条件进行了研究，也提出了航道内横流的基本条件（标准）。

本文对这些研究成果进行总结分析，并提出需要进一步研究的课题，以便今后进行系统研究。

2. 横流特性及对船舶航行影响
船舶航行过程中，如果水流流向与航线不一致，水流就会对船舶产生横流作用。

航线附近的斜向水流在航线上的垂直分量即为横向流速，其大小与斜流流速、斜流和航线的夹角有关，可用下式表示：
θsin S x V V = （1） 式中：x V 为横向流速；S V 为斜流流速；θ为斜流与航线之间的夹角。

从上式可知，航线附近斜流流速越大、斜流与航线夹角越大，航道内的横向流速也就越大。

船舶在实际航行中遇到横流的情况较多，比如：船舶横穿江河水流由此岸到彼岸的过程；船舶经过河道交汇口附近、河道取水或排水口附近；船舶经过交错浅滩、弯道或穿越回流水域；船舶在进出船闸等通航建筑物引航道口门区、口门外连接段；船舶经过桥墩附近水域等等，通常这些区域通航水流条件要求严格，而横流是决定因素和重要的限制条件。

因而横流是船舶航行中经常遇到的一种水流状况，也是通航水流条件的主要研究内容。

航行中的船舶受横向水流及自身操舵的作用，将发生横向漂离航线的现象，横向流速越大，船舶的横漂速度（船舶横向漂离航线的速度）也越大。

如果作用在航线上的横流不均匀的话，则还将产生扭矩作用，使船舶转动，横流不均匀程度越大，其对船舶的扭转作用也越大。

实际航行中，驾驶员常通过变速、操舵、扬艏顶流等方法来克服横流的作用，以维持航向航态的稳定，减小横漂，但最终使船舶产生一定的航行漂角（船舶中轴线与船舶中心处航迹线切线的夹角），并由此产生附加船宽。

横流越大，航行漂角就越大，附加船宽也就越大，船舶航行时的航迹带宽度亦越宽。

当船舶穿越横流区后，船舶还将产生一定的漂距（船舶横向偏离初始船位的距离），横流越大，区域越长，船舶的漂距也越大。

因此，船舶在穿越横流区时，其航行参数将受到横流不同程度的影响，船舶航行过程中受横流影响产生的横漂和偏航，实际上是船舶推进、操舵和横流共同作用的结果。

3. 国内外横流研究现状
为保证船舶（队）通航安全，发展航运，各国航运部门和学者对通航水流条件进行了研究，提出了航道内横流标准。

船舶（队）在实际航行中遇到的横流情况较多，目前，因拦河建筑物修建而对船闸引航道口门区、口外连接段处的横流问题研究较为广泛[1~8 ]，本文主要以此进行阐述。

3.1 船闸引航道口门区有关横流标准的研究
《通航建筑物应用基础研究》[9]中提出了内河航运水流条件判别标准（包括横流标准），
认为该标准受多种因素制约。

如：航道等级、船舶（队）的操纵性能、船型、船队组成、载量、驾引技术、航道段特性等。

米哈依洛夫《船闸》[10]中提出了安全通航的规定，其中横流要求为：水流方向与航道轴线间允许夹角θ＝15°～20°，横向流速x V ＝0.2～0.3m/s 。

前苏联《船闸设计规范》（1975年版）[11]规定，对各级航道在引航道入口断面（包括引
航道内）处，允许横向流速x V ＝0.25m/s ，
在引航道口门区范围内允许横向流速为x V ＝0.4m/s 。

前苏联《船闸设计规范》（1980年版）[11]规定，引航道与水库（或河流）的连接段内，超干线及干线上航道允许横向流速为x V ＝0.4m/s ，地方航道及地方小河航道则为x V =0.4m/s 。

美国主要依靠船模航行试验判断水流情况是否影响航行[11]。

如俄亥俄河上的贝利维利船闸下游引航道口门处，对船队进出口无影响的允许横向流速为x V ＝0.3m/s 。

前西德联邦水工研究所进行了大量的水利枢纽口门布置型式试验[11]，得出口门区的允许横向流速一般为0.3m/s 左右。

在“莱茵河伊赛次海姆水利枢纽船闸外港的模型试验”[12]中，对允许的横向流速进行了研究，认为除考虑水流因素外，还需考虑航道宽度、船舶的传动功率、操作灵敏程度及航速等因素，在这些因素有利的情况下可允许横向流速超过0.3m./s 。

上世纪50~60年代，我国在进行水利枢纽通航建筑物进出口条件试验研究中[13]，认识到天然航道水流的复杂性和船舶性能的变化，在寻求安全通航水流条件的同时，从船舶（队）的适航性、稳定性等方面研究船舶（队）的安全指标，提出航速指标、舵效指标、横移指标、横倾指标、摇摆指标、船舶结构强度指标、以及船舶动力指标等，以这些水力指标与船舶航行安全指标共同作为优化进出口布置形式的依据。

我国在编制《船闸设计规范》（JTJ261~266-87）过程中，对船闸的通航条件进行较全面的研究，进行了实船、船模及船模动态校核等项试验[11]，得到了船舶（队）进出口门时安全的水力条件，并由试验得到顶推船队不同航速时相应的允许横向流速限值：航V ＝8.51x V ，并要求船队在不均匀的横流航区，当发生偏转运动时，船队舵的转动力矩应大于横向流速对船体的转动力矩。

《船闸设计规范》[14]（JTJ261~266-87）及《船闸总体设计规范》[15]（JTJ305-2001）中均规定，引航道口门区水面最大横流限值，对Ⅰ～Ⅳ级船闸，横向流速x V ＝0.3m/s ；对Ⅴ～Ⅶ级船闸，x V ＝0.25m/s 。

我国自上世纪70年代开始应用遥控自航船模，并开发应用船模操纵模拟器等新技术，将研究船闸引航道口门区的斜流效应及减小横流的措施提高到一个新水平。

经过研究提出了相应的规定[16]，如船舶（队）航行漂角β≤10°，船队航行操舵角≤δ20°等。

周华兴等人[17]收集了水利、水电及航运（电）枢纽通航水流条件模型试验的成果资料。

通过对14个航运枢纽工程中水流与航运参数的归纳、统计和分析，得出在口门区航道宽度外侧边缘的横向流速绝大部分超过限制值，大部分枢纽工程的舵角与漂角超过有关规定，但结论都是满足水流与航行条件的要求，因而认为口门区的横流条件限值可适当提高为x V ＝0.35m/s ，连接段的横流条件限值为x V ＝0.4m/s ，口门区与连接段的航行条件限值舵角δ＝25°。

龚德成等[18]通过嘉陵江凤仪场航电枢纽工程水流条件及船模试验成果分析，认为对Ⅳ级航道，在引航道口门至1～1.5倍船队长（针对顶推船队）范围内横流限值x V ＝0.3m/s ，而对于1～1.5倍船队长以外的口门区范围内，横流限值x V ＝0.35m/s 。

张声明等[19]根据淮安水利枢纽实船和船模试验的成果，得到船队在横流的推压下，在增大漂角的同时，还会发生横向漂移，并整理得到船队横向漂移速度（f V ）与横向流速的关系，即：
76.0)(c Vx V f −= （2）
式中：c 为系数，顶推船队取0.09；拖带船队取0.07。

陈永奎[20~21]在水力学试验的基础上，通过合理的简化假设，建立了船舶在均匀和非均匀斜流场用舵条件下的横漂速度与横向流速关系的概算方法，并对葛洲坝工程三江船闸上游引航道口门区和三峡工程船闸上、下游引航道口门区中有关斜流效应进行了计算和试验验证，同时与华中理工大学合作，对三峡工程船闸下游引航道口门区进行了非均匀斜流中三峡船队斜流效应的数学模拟计算与船模试验。

概算方法为： 均匀斜流场：x At f V e A
B V )1(−−= （3） 非均匀斜流场和用舵：t V b
V V V V x f P f f f 2)(21∆±=+= （4） 式中：f V 为横漂速度；x V 为横向流速；t 为时间；A 、B 为系数，在均匀斜流场中为常量；f V 为均匀横流x V 相应的横漂速度；x V ∆为作用于船体上x V 非均匀部分沿船长方向的线平均值；fP V 为舵力引起的横漂速度；fP V 与f V 同向取正号，反向取负号。

3.2 船闸引航道口外连接段有关横流标准的研究
前苏联《挡土墙、船闸、过鱼及护鱼建筑物设计规范》[22]中提到，对于水利枢纽和航运运河上船闸的布置时，应考虑泄水建筑物及电站最大流量对航行条件不致产生不良影响，同时在引航道及其水库或河流相连接的区段内横流不应超出表1中所列的允许值。

表1 前苏联引航道与水库或河流连接段的横流限值
Tab.1 Limiting value of cross current in approach & reservoir or river transitional reach in Former Soviet Union 横流允许值（m/s ） 航 道
引航道中 引航道与水库或河流的连接区段内 超干线及干线航道
0.25 0.4 地方航道及地方小河航道 0.25 0.4 注：当水利枢纽运行处于最不利的水力情况或当下泄设计频率的最大流量时，对于超干线航道（相当于我国的Ⅰ~Ⅲ级航道）不超过2％；对于地方航道（相当于我国的Ⅳ~Ⅶ级航道）不超过5％，引航道与水库或
河流的连接区段的横流不应超过允许值。

“葛洲坝枢纽大江船闸下游通航水流条件试验研究” [23]的船模航行试验结果表明：连接段航道个别区域横向流速达到了0.47m/s 时，船队模型在进出连接段时操纵有一定的难度，航态也不好，但对船队的航行未造成太大的影响。

“三峡水利枢纽通航建筑物口门区及其连接段的通航水流条件试验研究”[24]中，针对54年的淤积地形，坝前水位145.0m ，采用上游引航道全包方案。

当Q ＝35000 m 3/s 时，上游连接段个别点的纵横流速超标，max y V ＝2.16 m/s ，max x V ＝0.45 m/s ，基本满足通航水流条件要求；当Q ＝45000 m 3/s 时，连接段max y V ＝2.67 m/s ，max x V ＝0.39～0.62 m/s ，不满足通航水流条件的要求。

“三峡枢纽通航水流条件试验研究”[25]中，交通部天津水运工程科学研究所综合船模在不同水流条件下连接段航道的航行试验情况，得出连接段航道的横向流速限制值：直线航道的上行航线上x V ≤0.45 m/s 、下行航线上x V ≤0.40m/s ；弯曲航道的上下行航线上x V ≤0.40 m/s 。

“三峡枢纽坝区通航水流条件试验研究”[26]中，长江科学院通过永久船闸上游连接段船模航行试验发现，当纵向流速y V ＝1.9m/s 、横向流速x V ＝0.5m/s 时，三、九驳船除航态稍差外，基本能顺利通过连接段；临时船闸上游连接段船模航行试验结果表明，当y V ＝2.8m/s 、x V ＝0.68m/s 时，三驳船队即使用4.5m/s 的航速行使，也基本无法正常航行。

西南水运工程科学研究所在“三峡工程二期施工期通航设施航线规划及航道整治水工模型”[27]试验得出：临时船闸上游连接段航道中心线上的表面流速在2～3m/s 之间，水流偏角在10°～20°之间，航线附近最大横向流速在0.6m/s 左右；临时船闸下游连接段航道中心线上的表面流速在0.2～3.2m/s 之间，水流偏角在11°～22°之间，航线附近最大横向流速可接近0.7m/s 。

三驳一顶模型船队上行静水航速采用4.5m/s 、下行静水航速采用3.5m/s ；二驳一顶模型船队静水航速采用3.8m/s 时，均能顺利通过上下游连接段。

“三峡枢纽终结布置通航水流条件试验研究”[28]综合船模在船闸上下游连接段航行试验结果提出：连接段航道内最大横向流速为0.45m/s 。

“株洲枢纽通航水流条件试验研究”[29]试验中，口门外连接段航道内局部最大纵向流速为2.4m/s 、最大横向流速为0.48m/s 时，船队上、下行静水航速采用3.0m/s ，除航态稍差外，船模基本能正常航行，操纵难度也不大。

“那吉航运枢纽通航水流条件试验研究”[30]中观测了10年一遇水位流量组合Q ＝3540m 3/s 的通航水流条件，连接段最大纵向流速为2.39m/s ，一般在2.2m/s 左右，最大横向流速为0.54m/s ，一般在0.35m/s 左右。

当1+2×1000t 船队，在连接段的操舵角20°左右，漂角在10°左右，船队基本能上行。

李一兵等人[26]根据实船试验资料和船模航行试验资料认为口门外连接段通航水流条件仍采用纵向流速、横向流速和回流流速指标来衡量。

对于Ⅰ～Ⅳ船闸来说，其横向流速指标为x V ≤0.40m/s 。

在“船闸引航道口门外连接段航道通航水流条件专题研究”[31]中根据三峡船模试验资料进一步得出横向流速与船舶、船队横漂速度、航向偏角的关系：
三驳船队：020.0533.1−=x f V V 013.0sin 652.0+=βb x V V （5）
六驳船队：033.0490.1−=x f V V 022.0sin 671.0+=βb x V V （6）
九驳船队：043.0375.1−=x f V V 031.0sin 727.0+=βb x V V （7） 式中：f V 为船队重心横漂速度（m/s ）；x V 为对应点的横向流速（m/s ）；b V 为船队的对岸
航速（m/s ）；β为船队航行偏角（°）。

《内河通航运河设计指南》[32]对干线航道上用于操纵性良好的内燃机船在受侧水道来水影响时允许的横向流速给出了参考范围（图1）。

图中曲线适用于具有“正常”（标准）横断面的航道（m c A A ＝7，其中c A 为过水面积、m A 为船舯面积），对“狭窄”横断面（m c A A ＝5）所允许的侧流速降低至65％，对单行航道（m c A A ＝3.5）降低至50％。

若是从航道抽水，其碍航程度相对较小，侧向流速允许高于曲线所示的50％。

图1 通航运河中是否需要调研侧向流图
Fig.1 Lateral flow needing investigation or not in navigation canal
荷兰Rijkswaterstaat 和Delft 水力学试验室研究了解决横流问题的半经验方法[33]：在几倍于船长的均匀横流流场中，水流对航行船舶的作用力，可通过测量在给定漂角下，船在静水中拖动时所受的力来概算，其漂移速度等于要模拟的横流速度。

并指出横流脉冲的长度和强度似乎是人工控制的船舶产生航迹偏差的主要因素。

德国Rostock 大学[34]在考虑内河船舶大型化后，对在受限水深航道中航行的船舶受横流（横流范围为0.5倍的船长，呈U 形分布，最大横向流速为0.3 m/s ，最小为0.05 m/s ）作用时的影响进行了研究，研究中采用数学模型与物理模型相结合的方法，数模结果与通过影像分析航模在航道中变化横流下航行的操纵实验数据相吻合，船模能安全通航。

4. 结语
目前对于横流的研究主要从船舶的安全通航出发，如船闸工程，其口门区因河道断面收缩（对上游）或扩大（对下游），使得水流弯曲变形，产生流速梯度，形成斜向水流；口门外连接段是口门区和主航道的连接段，由于连接段与主航道不同的连接方式，亦会产生一定的斜向水流。

船闸口门区及口门外连接段，是船舶（队）进出引航道的必经之路，其通航水流条件要求严格，因此，国内外研究较多，并针对各具体工程的研究提出了相应的横流限值指标，这些指标能否推广应用，有待进一步检验。

要确定一般意义上的横流限值指标，为相关规范提供支撑，有必要从研究横流对船舶航行参数的影响出发。

目前虽有学者进行了相关研究，但只是研究部分的参数影响，在船型的
范围与研究的深度上有待进一步拓宽与加深，同时，应有实船试验进行检验。

以往研究结果主要对横流大小提出限制，在今后的研究中还应注意横流的范围及其不均匀程度的影响。

上述成果主要研究船舶和水流间相互作用，而实际航行过程中同时与环境密切相关，即驾驶人员对船舶航行的影响。

有学者通过原型尺寸实时模拟试验初步研究了船舶操纵的人为因素[33]，认为驾驶员的经验对船舶的影响是混乱的，驾驶员操舵的动作次数对船舶影响变化是最敏感的，试验仅是初步探索性的。

因而，进一步的研究中应对驾驶人员的人为因素影响进行深入研究。

因此，今后对于横流对船舶航行的影响研究，应从水流本身、船舶自身和人为因素三方面进行综合考虑研究。

从水流本身来讲，除了横流大小、长度范围外，还应包括横流的不均匀程度、纵向流速；从船舶自身来讲，除船舶各航行参数（车速、横漂速度、漂角、航迹带宽度及漂距等）外，还应考虑船舶的船型、船队类型及组合方式；从人为因素来讲，应考虑驾驶员的操舵习惯等。

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Present State of Research on the Influence of Cross Current on Ship Navigation in Inland Waterway
Ma Aixing 1，Cao Minxiong 2，Chen Zuoqiang 3
1 College of Traffic，Hohai University，Nanjing (210098)
2 Key Laboratory of Port，Waterway & Sedimentation Engineering of Ministry of
Communications，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing (210024)
3 Sichuan Communication Surveying & Design Institute，Chengdu (610017）
Abstract
Cross current is an important factor of navigation flow conditions in inland waterway. According to the characteristic of cross current and the influence on ship navigation, the paper summarizes and analyzes the present state of research on the influence of cross current on ship navigation. Finally, the paper proposes contents needing further research.
Keywords：inland waterway；cross current；ship’s navigation parameters
作者简介：马爱兴，男，1982年生，硕士研究生，主要从事港航工程及水流泥沙问题研究。