水富港靠泊安全及進出港航行條件實船試驗

楊忠超，陳明棟，陳 明

(重慶交通大學(xué)國家內(nèi)河航道整治研究技術(shù)中心，重慶 400074)

1 水富港區(qū)概況

金沙江水富河段航運資源豐富，是云南省北部沿長江的重要出口港和水上交通要道，也是連接長江和通江達海的水上交通主干線.隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總值不斷增長，對交通運輸?shù)男枨髸罅吭黾?目前，水富至宜賓金沙江航道已列入交通部打造長江Ⅲ級航道規(guī)劃，航道建設(shè)勢在必行.

金沙江水富河段航道狹窄、航槽彎曲，并且從向家壩水電站壩址至橫江口長約4km河段中依次建有向家壩公路大橋、水富港大件碼頭、水富港多用途碼頭和內(nèi)昆鐵路安邊大橋，受這些跨、臨河工程的影響，通航環(huán)境十分復(fù)雜，通航安全問題極為突出［1］.一方面水富港河段航道狹窄，洪水期流速較大，原設(shè)計的掉頭水域尺度不滿足規(guī)范要求;另一方面水富港河段屬于山區(qū)河流，枯水期河道狹窄，汛期洪水陡漲、陡落，流速比降大，流態(tài)紊亂，需研究確定安全的通航流量［2］.因此，為保證水富港的正常營運，研究船舶的靠泊安全與進出港航行條件十分必要.

考慮到水富河段航道條件的復(fù)雜性以及船舶駕駛?cè)藛T操作水平的差異，為確保水富港作業(yè)及航行安全，參照國內(nèi)大型水電項目研究方法，開展實船試驗［3-7］，從船舶上行進港、靠泊以及出港掉頭整個過程進行測試，以獲取科學(xué)、可靠的技術(shù)參數(shù)，為水富港通航條件以及安全管理提供決策參考.

2 試驗用船及試驗裝置

經(jīng)過對水富港附近河段航行船舶的技術(shù)參數(shù)及性能等綜合考慮，選擇載量為1400 t的生勛68號為實船試驗用船.該船舶總噸位906 t，凈噸位507 t;尺度為65.8 m×10.8 m×3.6m(長×寬×型深);主機功率為440 kW(雙機);齒輪箱減速比5.5∶1;空載排水量347 t，滿載排水量1747 t;方形系數(shù)0.819;液壓電舵、左右舵面積3.04 m2;啟動車速740 r/min，最高1800 r/min;螺旋槳型式為B型，雙槳;滿載時頭部吃水3.2m，尾部3.1 m.

船舶的用車、用舵、航速、漂角以及航跡線分布等是反映航行條件的關(guān)鍵因素.船舶航行過程中用車和用舵的變化過程通過船上測量人員記錄完成，航速、漂角以及航跡線則是采用GPS全球定位系統(tǒng)進行測量.在此次試驗過程中，分別在船頭和船尾各安裝一臺GPS.

3 試驗方案、航段及試驗流量

水富河段以前沒有航行過1000 t級的大船，多數(shù)船長沒有在該水域穩(wěn)妥駕駛大船的經(jīng)驗，因此為安全起見，進行2種載量試驗，先進行60%載量試驗，然后根據(jù)試驗情況進行滿載試驗.

試驗方案為:①2種裝載方式出港方案:水富港多用途碼頭→水富港重大件碼頭頭部(掉頭水域)→安邊鐵路橋→橫江河口，試驗航程約1740m;②試驗船舶貨物進港方案:橫江河口→安邊鐵路橋→水富港多用途碼頭，試驗航程約990m;③試驗船舶滿載上行通過安邊鐵路橋方案:橫江河口→安邊鐵路橋下游→安邊鐵路橋上游，試驗航程約900m.

實船試驗流量選擇在金沙江流量為6000～8000m3/s時進行，由于試驗船舶選擇以及壓艙貨源的準備較為困難，而金沙江洪水流量變化很快，實際試驗流量約為7000m3/s.

4 實船試驗結(jié)果分析

4.1 試驗流量通航水流條件

從圖1水富港區(qū)實測流速流向可見，右岸重件碼頭以上至牛皮灘水域內(nèi)流速相對較小，最大不超過2.25m/s，碼頭前沿流速未超過2m/s，主流靠河心;多用途碼頭前沿水域內(nèi)，流速稍大，且有泡漩，最大流速為2.83m/s，前沿垂線流速最大為3.17m/s.碼頭尾部至鐵路橋范圍內(nèi)，流速有所減緩;鐵路橋斷面流速分布主流偏左墩，流速較大，最大為3.26m/s.上行航線上流速為1.6～3.28 m/s，比降為(0.15～1.10)‰;下行航線上流速約為1.7～3.33m/s，比降為(0.30～1.12)‰;較大流速區(qū)分布于鐵路橋橋區(qū)，其中上行航線上最大流速為3.28 m/s，相應(yīng)比降為0.51‰.

圖1 水富港區(qū)實測流速流向(Q=7000m3/s)(單位:m/s)Fig.1 The measured velocity in Shuifu wharf(unit:m/s)

4.2 實船試驗成果分析

圖2為60%載量和滿載時試驗船舶實測航跡線，表1統(tǒng)計了2個船舶方案船舶航行參數(shù)，從中可以得到以下結(jié)論.

4.2.1 船舶出港上行 對于2種載量，船舶解纜駛出碼頭的過程基本正常，上行過程中航線貼右岸，沿重件碼頭前沿水域行駛.船舶在剛剛解纜離港時，需較大舵角，滿載和60%載量試驗的舵角分別為20°和36°，同時產(chǎn)生的漂角也較大，原因在于船舶解纜后需擺尾操較大左舵方可駛出碼頭前沿水域，隨載量增加，慣性增大，舵角也增大.2種載量試驗船舶功率均有富裕，最高車速1484 r/min小于最大轉(zhuǎn)速.由于載量增加，阻力增大，滿載平均航速小于60%載量，分別為0.53m/s和1.01 m/s，最大航速由1.54 m/s減小為1.31 m/s.

表1 實船試驗結(jié)果Tab.1 Real ship test results

圖2 試驗船舶60%載量和滿載時實測航跡線Fig.2 The measured ship track line during 60%load and full load

4.2.2 船舶掉頭下行 船舶行至重件碼頭頭部前沿水域后，操縱船舶車速下降以減小慣性并準備掉頭轉(zhuǎn)向，船舶掉頭過程中為了順利調(diào)轉(zhuǎn)船身，需要及時減速減小慣性影響，同時操右滿舵40°，使船頭在主流作用下轉(zhuǎn)向.受上行慣性和水流的影響，出現(xiàn)較大漂角且持續(xù)時間較長，原因是重大件碼頭頭部水域較為狹窄，受河心流速影響，船舶掉頭難度較大，需謹慎駕駛操縱才可安全掉頭.由于積累了經(jīng)驗，幾位船長認為滿載試驗掉頭過程較第一次的60%載量試驗效果好，分析其原因為60%載量試驗掉頭時由于車速較快，船體慣性較大，在同樣的掉頭區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)掉頭，船舶操縱困難程度自然加大.掉頭完畢下行過程中，航速明顯增大，舵角、漂角明顯減小，航行條件較好.當下行至鐵路橋橋區(qū)時，由于滿載船舶慣性較大，航速也相對較大，為保證航線平順、產(chǎn)生較小漂角，需操較大舵角方可實現(xiàn)，最大舵角達34°.掉頭下行過程中，試驗船舶左右機車速均未達到最大轉(zhuǎn)速，屬于正常運行狀態(tài)，平均航速分別為2.08和2.91 m/s，優(yōu)于平均航速限值(1.00m/s).

4.2.3 船舶上行過橋進港 船舶上行進港起點位于安邊鐵路橋下游約490m的稍靠左岸水域，船舶上行進港由左岸過河駛向右岸途經(jīng)安邊鐵路橋過程中，航線與水流成一定交角，需穩(wěn)操較小左舵可基本保證航線較為平順，漂角小、航速穩(wěn)定.滿載試驗最大舵角為12°，最大漂角為27.87°，最大航速為2.38 m/s，平均航速為1.61 m/s，左、右機最高車速為1649和1721 r/min，均未達到最大轉(zhuǎn)速，說明即使在滿載情況下，只要操縱得當，船舶可自航上行順利通過安邊鐵路大橋.進港靠泊過程中出現(xiàn)較大舵角和漂角，原因是靠泊過程中需將船身調(diào)順與碼頭前沿一致，故舵角稍有偏大，產(chǎn)生的漂角較大，但均在安全范圍內(nèi).

實船試驗表明，洪水期船舶航行的難點主要位于安邊鐵路橋、多用途碼頭、解纜出港及上行掉頭.在金沙江7000m3/s流量時，船舶60%裝載及滿載情況下，船舶上行經(jīng)過安邊鐵路橋、進入碼頭靠泊以及解纜出港作業(yè)均存在一定難度，但在經(jīng)驗豐富的船長的謹慎、正確操作下，船舶均安全完成了預(yù)定作業(yè).試驗最大難點表現(xiàn)在船舶上行掉頭，這是因為目前選定的掉頭水域水下有孤石及淺磧，水深不滿足船舶吃水要求，船舶只能在重大件碼頭前沿掉頭，但該水域狹窄，船舶滿載掉頭具有相當?shù)碾y度，存在較大事故風險.現(xiàn)場專家認為，如果在牛皮灘下掉頭，風險會大大降低.因此建議盡早進行掉頭水域的清挖，以滿足洪水期船舶安全出港的要求.

5 禁航流量推算

受金沙江洪水過程時限，只進行了流量為7000m3/s的實船試驗.從試驗情況來看，試驗船舶功率尚有較大富裕，于是采用修正后的茲萬科夫公式［8-10］對8000m3/s及以上流量進行船舶上灘能力推算.

表2所示2級流量組合上行規(guī)劃航線上的船舶航行阻力計算結(jié)果表明:①隨金沙江流量的增加，港區(qū)局部河段的流速、比降增加較大，船舶上灘航行阻力增大.②當流量組合為QJ=8000m3/s，QH=300m3/s，規(guī)劃航線上的航行阻力均小于額定功率下的有效推力，說明航行水域可滿足船舶上灘要求，同時也可明顯看出安邊鐵路橋橋區(qū)和水富港區(qū)水域內(nèi)的航行阻力較大，最大上灘阻力為49.91 kN，已接近于額定功率下的有效推力50.10 kN.因此，該流量級應(yīng)謹慎駕駛船舶方可上灘.③流量組合為QJ=9000m3/s，QH=300m3/s，規(guī)劃航線上的多個航行區(qū)域內(nèi)航行阻力超過了船舶有效推力，尤其是多用途碼頭前沿及安邊鐵路橋橋區(qū)水域，說明船舶已不能自航上灘.故推薦金沙江水富河段的禁航流量為QJ=8000m3/s.

表2 水富港區(qū)規(guī)劃上水航線上船舶上灘能力計算結(jié)果Tab.2 The calculated results of navigation resistance

6 結(jié)語

為確保金沙江水富港區(qū)河段航行和碼頭作業(yè)安全，開展了滿載和60%載量2種方案的出港、掉頭下行、上行過橋進港的實船試驗.試驗結(jié)果表明，洪水期船舶航行的難點主要位于安邊鐵路橋、多用途碼頭、解纜出港及上行掉頭.在金沙江7000m3/s流量時，船舶60%裝載及滿載情況下，船舶上行經(jīng)過安邊鐵路橋、進入碼頭靠泊以及解纜出港作業(yè)均存在一定難度，但在經(jīng)驗豐富的船長的謹慎、正確操作下，船舶均安全完成了預(yù)定作業(yè).采用修正后的茲萬科夫公式推算船舶上灘能力，推薦QJ=8000m3/s為水富港河段的禁航流量.

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