船舶模擬器在引江濟漢通航工程與長江交匯口布置中的應用

孔憲衛(wèi)，李金合，馮小香，郝媛媛，李君濤

（交通部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

引江濟漢通航工程的目的是依托引江濟漢引水干渠，建設溝通長江、漢江中游航線。通航工程的主要內(nèi)容包括引水干渠兩端進出口和連接河段，且在進出口處分別布置一座Ⅲ級船閘。其中，進口船閘布置在長江左岸的荊州市李埠鎮(zhèn)龍洲垸，與引水干渠取水口相鄰；出口船閘布置在漢江右岸潛江市高石碑鎮(zhèn)，與干渠出水口相依。工程建成后，將大大縮短長江與漢江水路直達運輸里程，避免了船舶繞道行駛，節(jié)約了船舶運輸時間，提高了船舶運輸效率。

引江濟漢通航工程與長江交匯口位于長江沙市河段，下距沙市水文站11.76 km，上距三峽水利樞紐148 km。交匯口的平面布置形式以及船舶能否從長江航道順利安全的進出通航干渠，是關系引江濟漢工程能否發(fā)揮其通航效益的關鍵問題，必須進行深入研究。

1 船舶操縱模擬器在通航建筑物平面布置優(yōu)化中的應用方法

船舶操縱模擬器采用了當今先進的技術手段，包括計算機成像技術、虛擬現(xiàn)實技術、無縫拼接寬視場角環(huán)幕投影技術、船舶操縱數(shù)學模型技術等［1］。用船舶操縱模擬器進行平面布置研究屬于船舶工程學范疇［2］，研究過程不受模型比尺的影響。

其具體方法為：（1）建立模擬區(qū)域的平面數(shù)字地圖。（2）建立船舶操縱數(shù)學模型并對代表船型進行率定。（3）建立水流數(shù)學模型或物理模型進行通航水流條件的模擬，然后將水流結(jié)果導入模擬器。（4）用模擬器系統(tǒng)進行船舶操縱模擬，根據(jù)模擬結(jié)果判斷平面布置形式是否滿足設計要求。（5）根據(jù)試驗結(jié)果對不滿足要求的平面布置形式進行優(yōu)化。（6）提出優(yōu)化方案，重復以上實驗過程，直至平面布置形式滿足設計要求。

船舶操縱模擬器的模擬環(huán)境和實際水域環(huán)境基本一致，所應用的水流環(huán)境采用模型實驗的結(jié)果，主流、緩流、回流等不同流態(tài)同實際情況基本一致，模擬環(huán)境選用的有關設計方案圖與建成后的航行圖基本一致；其次，模擬船操縱特性與參考原型船操縱特性相似，在對車舵的響應、船舶慣性和旋回性等方面，將模擬船舶模型與原型船舶進行了比對，結(jié)果基本一致；最后模擬器操縱的方案與實際船舶航行等操縱方案基本一致［3］。因此采用船舶操縱模擬器進行平面布置形式研究是科學的。

2 代表船型及通航環(huán)境率定

2.1 代表船型率定實驗

選用代表船型為雙排單列式1頂2船隊，駁船為1 000 t，長67.5 m，寬10.8 m，吃水2 m，船隊隊型及平面主尺度見圖1。由于1頂2船隊沒有實測的船舶操縱資料，主要根據(jù)2004年頒布的《長江運輸船舶操縱性衡準》（JTT 258-2004）（以下簡稱標準）對其操縱性進行率定。標準規(guī)定了5個性能的衡準指標形式，分別為航向穩(wěn)定性指標、航向改變性指標、定常旋回性指標、倒車制動性指標及倒航穩(wěn)定性指標；該標準還給出了各個指標的衡量參數(shù)（表1）。本文主要對航向穩(wěn)定性指標、航向改變性指標及定常旋回性指標進行率定。

表1 長江運輸船舶操縱性衡準表Tab.1 Ship maneuverability standard on the Yangtze River

（1）航向穩(wěn)定性實驗。在無流情況下，正舵操船3 min，經(jīng)測定ΔC0=0°＜3.0°，滿足標準要求。

（2）航向改變性實驗。在常車穩(wěn)速且航向穩(wěn)定初始狀態(tài)下，按規(guī)定舵角 15°操舵，航向由 0°變?yōu)?15°，r0-15=0.62°/s，滿足標準要求。

（3）定?；剞D(zhuǎn)性實驗。對1頂2船隊進行左旋回與右回轉(zhuǎn)的試驗，所得旋回試驗結(jié)果分別見圖2和表2。

由圖2及表2可知，1頂2船隊旋回操縱特性滿足標準要求。

表2 1頂2船隊旋回試驗表Tab.2 Turning test of design fleets

2.2 通航水流條件率定

水流數(shù)學模型的計算范圍為長江陳家灣—玉和坪河段，地形采用2009年2月實測地形，并采用2009年2月實測水文資料（驗證流量6 907 m3/s）對模型進行驗證，計算水面線與實測值比較接近，最大水位誤差為±0.03 m，小于《內(nèi)河航道與港口水流泥沙模擬技術規(guī)程》（JTJ/T 232-98）規(guī)定的±0.10 m的誤差要求。不同斷面實測垂線平均流速與計算值的符合程度良好，實測流速與計算流速在流速大小和橫向分布上比較一致，能夠反映流速的斷面分布情況，采用的平面二維水流數(shù)學模型能夠基本反映河道阻力和斷面水流運動特征［4］。

3 在引江濟漢通航工程與長江交匯口平面布置研究中的應用

3.1 設計方案平面布置形式概況

引江濟漢通航工程通航干渠位于引水干渠下游約1.6 km處，引水干渠與通航干渠分離，通航干渠長2.7 km，沿線依次布置通航干渠與長江連接段（即交匯口）、天鵝公路橋和船閘，其軸線與長江左岸岸線夾角約90°，與引水干渠軸線交角約25°，通航干渠與長江連接段軸線長800 m［5］；渠道左側(cè)以200 m轉(zhuǎn)彎半徑與長江上游相連，渠道右側(cè)以360 m轉(zhuǎn)彎半徑與長江下游相連，口門寬（交匯口長江大堤處寬度）約280 m，上游航線與下游航線的轉(zhuǎn)彎半徑均為640 m。

3.2 航行模擬實驗結(jié)果

3.2.1 試驗組合

試驗組合包括設計方案和優(yōu)化方案下，代表船型在長江 5 000 m3/s、7 500 m3/s、10 000 m3/s、15 000 m3/s、25 000 m3/s、45 000 m3/s流量下的船舶雙向進出通航干渠試驗。

3.2.2 試驗結(jié)果

在長江流量為5 000 m3/s時，上游航線上最大橫流達0.59 m/s，下游航線上最大橫流達0.66 m/s，隨著長江流量的加大，長江航線上的流速及航線橫流都加大。到45 000 m3/s流量時，上游航線上最大橫流達到1.58 m/s，下游航線上最大橫流達到1.64 m/s。

在長江流量小于等于15 000 m3/s時，1頂2船隊可以在設計方案交匯口雙向航行且成功避讓，航態(tài)較好；在25 000 m3/s流量時，1頂2船隊不能順利的從上游航線進入通航干渠，模擬結(jié)果見圖4。若操舵過早或操大舵角時間過長，船舶會撞上通航干渠的左岸，若操舵過遲或操大舵角時間過短，船舶無法克服在長江航道內(nèi)的橫漂作用而撞上通航干渠的右岸；出通航干渠進入長江航道的船舶可以在25 000 m3/s流量時順利航行。從長江航道進入通航干渠比出通航干渠進入長江航道困難，是由于從長江航道進入通航干渠是從開闊水域進入限制性航道，需要準確的落位在航道中心線上，才能通過天鵝公路橋進入船閘，并且進通航干渠時順流而行，受橫流的影響也大，船舶操縱困難。1頂2船隊在上游航線能安全雙向航行的上限流量為15 000 m3/s。

下游進出通航干渠的上限流量是25 000 m3/s，上游進出通航干渠的上限流量是15 000 m3/s，下游進出通航干渠比上游困難，原因在于從下游進通航干渠為從長江航道逆行進入，船舶操縱容易，而從上游進通航干渠為從長江航道順流進入通航干渠，船舶操縱困難，因此船舶的航行方式選用進通航干渠沿岸邊航行。

根據(jù)設計方案的模擬結(jié)果，對平面布置進行了一系列優(yōu)化，最終優(yōu)化方案為：將交匯口左岸與長江大堤改用900 m的圓弧連接，交匯口右岸與長江大堤改用600 m的圓弧相連。整體來看，交匯口平面布置呈喇叭口形式，長546 m，交匯口口門寬度由280 m調(diào)整為約670 m，喇叭口內(nèi)側(cè)最窄處為70 m。上游航線的轉(zhuǎn)彎半徑擴大為1 000 m，下游航線的轉(zhuǎn)彎半徑擴大為700 m，平面布置形式如圖5。

從水流條件的模擬看，在5 000 m3/s流量下，上游航線上最大橫流達到0.39 m/s，下游航線上最大橫流達到0.43 m/s。隨著長江流量的加大，長江航線上的流速及航線橫流都加大，到45 000 m3/s流量時，上游航線上最大橫流達到1.19 m/s，下游航線上最大橫流達到1.35 m/s。同設計方案相比，航線上的最大流速減小，這主要是由于交匯口變大，航線的轉(zhuǎn)彎半徑擴大，航線更靠近岸邊，航線上流速減小，航線與水流的夾角也同時減小，導致航線上橫流減小。

從船舶操縱的模擬看，在設計方案條件下，1頂2船隊在25 000 m3/s流量與45 000 m3/s流量下不能順利雙向航行，在修改方案下可以順利的雙向航行并成功避讓，圖6～圖8給出了船舶航跡帶及航行參數(shù)圖，船舶可以順利進入的原因是在修改方案下，船舶交匯口緩流區(qū)內(nèi)操縱的余地比較大，船舶可以以距岸較大的安全橫距進入通航干渠，并且預先與航線保持一定的橫距，以克服船舶在橫流區(qū)產(chǎn)生的慣性橫漂，從而使船舶最終落位于進入通航干渠的中心線上，順利的進入通航干渠及船閘［6］，但同時也應看到，在45 000 m3/s流量時，船舶的舵角范圍為-20°～20°，船舶的橫移速度最大達到2 m/s，船舶操縱比較困難，需要謹慎操縱。

4 結(jié)論

本文對船舶操縱模擬器應用于通航工程平面布置研究的方法進行了論證，并用水流數(shù)學模型與船舶操縱模擬器研究了引江濟漢通航工程與長江交匯口的平面布置方案，得到結(jié)論如下：

（1）船舶操縱模擬器結(jié)合通航水流模型試驗進行通航建筑物平面優(yōu)化研究是一種比較科學的方法。

（2）用船舶操縱模擬器對引江濟漢通航工程與長江交匯口的設計方案進行了通航安全操縱模擬，結(jié)果表明在設計方案下，代表船舶在交匯口的最大通航上限流量僅為15 000 m3/s，不滿足設計要求。

（3）優(yōu)化方案加大了上下游連接段的彎曲半徑，進而提高了上下游航線的轉(zhuǎn)彎半徑，減小了航線上的橫流，并且使船舶有足夠的空間調(diào)順船位，代表船舶在各研究流量下均能夠順利進出通航干渠并安全避讓，滿足設計要求。

［1］王勝正，施朝健，石永輝.新一代船舶操縱模擬器關鍵技術［J］.上海海事大學學報，2007，28（1）：143-149.WANG S Z，SHI C J，SHI Y H.New key techniques for navigation simulator［J］.Journal of Shanghai Maritime University，2007，28（1）：143-149.

［2］張慶河，李炎保.船舶操縱數(shù)學模型在港口航道設計中的應用［J］.中國港灣建設，2000（1）：49-53.ZHANG Q H，LI Y B.Application of Mathematical Model for Ship Maneuvering in Designs of Harbors and Waterways［J］.China Harbour Engineering，2000（1）：49-53.

［3］趙春波.航海模擬器仿真研究在港航工程評估中的應用［J］.中國水運，2007（4）：9-10.ZHAO C B.Navigation simulator simulation research in port navigation project appraisal application［J］.China Water Transport，2007（4）：9-10.

［4］吳秀恒，劉祖源，施生達，等.船舶操縱性［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［5］孔憲衛(wèi)，馮小香，李金合.引江濟漢通航工程通航安全模擬研究［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.

［6］孫?；?引江濟漢通航工程初步設計綜合說明［R］.武漢：湖北省交通規(guī)劃設計院，2009.