湘江湘潭鐵路橋水域船舶安全航速研究

劉曉平，李 帆，李 明，林積大，范寧陽

（長沙理工大學(xué)水利學(xué)院，長沙 410076）

湘江湘潭鐵路橋水域船舶安全航速研究

劉曉平，李 帆，李 明，林積大，范寧陽

（長沙理工大學(xué)水利學(xué)院，長沙 410076）

湘江湘潭鐵路橋水域的通航條件較為復(fù)雜，為了研究船舶通過此水域的安全航速，確保橋和船的安全，進(jìn)行橋區(qū)水域航道的船模試驗(yàn)研究。根據(jù)相似準(zhǔn)則制作1∶100正態(tài)定床水工模型和船模，模擬II級(jí)航道各典型船舶在此水域的航行狀況。試驗(yàn)采用流場實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)VDMS對(duì)船模運(yùn)動(dòng)進(jìn)行快速檢測(cè)，由其內(nèi)置程序得到船模的漂角、漂距以及相應(yīng)的航速。根據(jù)安全航行的原則，通過對(duì)試驗(yàn)成果的分析，提出了在最大通航流量Q＝20 000 m3／s下，2 000 t級(jí)自動(dòng)船舶、2×2 000 t級(jí)駁船隊(duì)和4×1 000 t級(jí)駁船隊(duì)通過此水域的安全航速分別為：18.36～25.49 km／h，14.40～19.40 km／h和14.40～18.47 km／h。該研究方法可供同行參考，其研究可為航道管理部門及設(shè)計(jì)部門提供依據(jù)。

橋區(qū)水域；安全航速；船模試驗(yàn)

1 研究背景

隨著現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，跨河鐵路、公路橋梁和城市交通橋梁大量興建。船舶作為水上運(yùn)輸工具，有著悠久的歷史，對(duì)推動(dòng)社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮了巨大的作用。但在通航河流上，橋梁建設(shè)與船舶的安全航行又成為了一對(duì)矛盾，建橋的同時(shí)，也給船舶航行帶來了不可忽視的影響。據(jù)2004年的第二次全國內(nèi)河航道普查資料［1］，至2004年，全國共有跨航道橋梁4.1萬座，其中不能滿足通航標(biāo)準(zhǔn)或要求的橋梁近2.9萬座，占總量的69.8%，橋梁礙航問題的凸現(xiàn)是我們國家在交通建設(shè)高速發(fā)展過程當(dāng)中不可避免的一個(gè)問題。該問題不僅影響通航安全，而且限制了河段區(qū)域進(jìn)一步提升通航能力以及經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的空間。

規(guī)劃建設(shè)中的長株潭城際鐵路大橋是長株潭城際鐵路湘潭段的重要組成部分，位于湘潭市市區(qū)，橫跨湘江。為遵從城市交通網(wǎng)絡(luò)的總體規(guī)劃，同時(shí)綜合考慮地形、水流等條件，該橋選址于湘潭三橋下游600 m處，但是，大橋橋址上游42 m處緊鄰湘潭湘黔鐵路橋及其復(fù)線。船舶航行此水域時(shí)需在較短的時(shí)間內(nèi)連續(xù)通過4座橋梁，船舶操縱難度較大。同時(shí)，隨著湘江航道標(biāo)準(zhǔn)的提高，通行的船舶將逐漸大型化，并且將以船隊(duì)為主，復(fù)雜的通航條件和船舶操縱性的降低將不利于此水域的安全通航。為了確保船舶安全航行，避免船船相碰以及船橋相碰事故發(fā)生，需通過水工模型試驗(yàn)和船舶模型試驗(yàn)，研究湘潭湘江鐵路橋河段的安全航速問題。

2 船舶確定安全航速的基本原則

對(duì)于橋區(qū)水域，船舶確定安全航速應(yīng)該遵循的原則如下：

（1）船速下限以保證船舶的操縱性為基本原則，船舶不應(yīng)減速到失去舵效或失去維持其航向操作能力的程度。

（2）船速上限應(yīng)該是當(dāng)船舶以此速度撞擊橋墩時(shí)，船舶撞擊力小于橋墩的設(shè)計(jì)防撞力。

3 模型試驗(yàn)

3.1 模型制作及控制測(cè)量設(shè)備［2－3］

根據(jù)幾何相似、水流運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似及阻力相似準(zhǔn)則，模型試驗(yàn)所用的水工模型采用1∶100正態(tài)定床模型，按照模型進(jìn)口選擇單一順直河道的原則，模型范圍選取包括橋址上游1.3 km及下游1.0 km河段，寬度范圍取整個(gè)河寬，約800 m寬。

船模模擬的船體為Ⅱ級(jí)航道典型船舶，船模概況如表1所示。試驗(yàn)采用VDMS（Vehicle Dynamic Matlab Simulink）實(shí)時(shí)采集安裝在船模船頭、船尾的白色粒子，對(duì)船模運(yùn)動(dòng)進(jìn)行快速檢測(cè)，并用舵角接受儀對(duì)船模操縱要素進(jìn)行同步遙測(cè)，最后由系統(tǒng)內(nèi)置程序得出漂角、漂距以及相應(yīng)的航速。

表1 船模概況Table1 Designs of ship models

3.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方案

本文主要研究船舶在最大通航流量下，通行鐵路橋水域時(shí)的安全航速。試驗(yàn)在工況Q＝20 000 m3／s流量下進(jìn)行。分別選取1 000 t級(jí)頂推船隊(duì)、2 000 t級(jí)頂推船隊(duì)和2 000 t級(jí)自航船舶沿航線以不同航速航行，記錄船模航行參數(shù)并進(jìn)行對(duì)比，得到航行狀況較好的航速。為了避免船模試驗(yàn)及人工操作的隨機(jī)性，對(duì)同一試驗(yàn)航段的試驗(yàn)進(jìn)行多次航行，對(duì)航行狀態(tài)及參數(shù)最優(yōu)的試驗(yàn)組取值。船模采用保持與設(shè)定航線平行的無艏向角航行方式。

本次船舶試驗(yàn)航段全長約700 m，由湘潭三橋開始，直至湘江長株潭城際鐵路橋的下游100 m處。航線和橋梁的布置如圖1所示。

圖1 湘江湘潭鐵路橋試驗(yàn)布置圖Fig.1 Schematic diagram of the arrangement for the test around Xiangtan railway bridge across Xiangjiang river

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

分別對(duì)3種船型進(jìn)行試驗(yàn)?，F(xiàn)以2 000 t級(jí)自航船舶在20 000m3／s流量時(shí)的情況為例，探討分析該河段安全航速的確定方法。

4.1 船舶下行安全航速

4.1.1 2 000 t級(jí)自航船舶下行安全航速下限值

在擬定的試驗(yàn)方案下，詳細(xì)測(cè)試船模的航行狀態(tài)和操縱要素，得出了船模在不同航速下舵角、漂角和漂距隨時(shí)間變化的關(guān)系圖，其分別如圖2至圖4所示。

圖2 2 000 t級(jí)自航船不同航速下行舵角隨時(shí)間變化對(duì)比圖Fig.2 Rudder angles of 2000 t self-propelled downbound ship vs.time at different speeds

圖3 2 000 t級(jí)自航船不同航速下行漂角隨時(shí)間變化對(duì)比圖Fig.3 Drift angles of 2000t self-propelled downbound ship vs.time at different speeds

圖4 2 000 t級(jí)自航船不同航速下行漂距隨時(shí)間變化對(duì)比圖Fig.4 Drift distances of 2000 t self-propelled downbound ship vs.time at different speeds

船模航行試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）當(dāng)v＝4.26 m／s時(shí)，船模下行舵角較大，最大舵角接近35°，超過了船模安全舵角限值［2］（25°），這是因?yàn)榇偬〈５亩嫘Р幻黠@；當(dāng)提高船模航速到5.10 m／s時(shí)，船模下行過程的舵角明顯減小，最大舵角在15°左右，滿足船舶航行要求；繼續(xù)提高航速到5.57，6.61，7.04 m／s后，最大舵角在15°左右，無明顯減小趨勢(shì)。

（2）當(dāng)v＝4.26 m／s時(shí)，船模漂角較大，最大漂角達(dá)30°，已經(jīng)超出了船模安全漂角限值［4］（20°），不滿足航行要求；提高航速到5.10 m／s后，船模抵抗水流影響的能力加強(qiáng)，下行的漂角減小至10°以內(nèi)，滿足行船要求；繼續(xù)加大船模航速至5.57，6.61，7.04 m／s后，船模下行的漂角減小趨勢(shì)不明顯，最大值在10°左右。

（3）當(dāng)v＝4.26 m／s時(shí)，因速度太小，船模下行時(shí)漂距較大，最大漂距達(dá)到了35 m左右，當(dāng)船速加大至5.10 m／s時(shí)，漂距減小至10 m左右，繼續(xù)加大船速到5.57，6.61，7.04 m／s后，漂距變化幅度不大，最大漂距仍然在10 m左右。

綜上所述，提高航速至5.10 m／s后，船模航行狀態(tài)得到較大的改善，各參數(shù)均滿足船模航行要求，但繼續(xù)加大航速，船模航行參數(shù)基本不變。根據(jù)安全航速原則，船舶5.10 m／s的航速即為保持船舶舵效和航行操作能力的最低安全航速。

4.1.2 2 000 t級(jí)自航船舶下行安全航速上限值

船速的上限應(yīng)該是當(dāng)船舶以此速度撞擊橋墩時(shí)，其撞擊力應(yīng)小于橋墩的設(shè)計(jì)防撞力。當(dāng)船舶的質(zhì)量一定時(shí)，其對(duì)橋的撞擊力大小取決于船舶的航速，因此為了防止船舶的撞擊力大于橋墩的設(shè)計(jì)防撞力，須控制船舶的最高航速。

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》第4.4.6條船舶撞擊力計(jì)算公式：

式中：F為撞擊力（kN），根據(jù)該橋可行性階段設(shè)計(jì)文件，取F＝18 500 kN；γ為動(dòng)能折減系數(shù)（s／m1／2），取γ＝0.3 s／m1／2；v為船只或排筏撞擊墩臺(tái)時(shí)的速度（m／s）；α為船只或排筏駛近方向與墩臺(tái)撞擊點(diǎn)處切線所成的夾角，取α＝90°；W為船只重或排筏重（kN）；C1／C2為船只或排筏的彈性變形系數(shù)和墩臺(tái)的彈性變形系數(shù)，取0.000 5 m／kN。

由上式反算得船速為7.08 m／s。即當(dāng)大橋正向設(shè)計(jì)防撞力為18 500 kN時(shí)，2 000 t級(jí)自航船的下行安全航速上限值為7.08 m／s。

4.1.3 各典型船舶下行安全航速

根據(jù)安全航速定義，通過同樣的方法得到1 000 t級(jí)頂推船隊(duì)和2 000 t級(jí)頂推船隊(duì)的下行安全航速。各典型船舶的下行安全航速如表2所示。

表2 各典型船舶下行安全航速Table2 Safe speeds of typical downbound ships

4.2 船舶上行安全航速

船舶上行時(shí)，水流流向與航向相反，舵頁與水流的相對(duì)速度增加，舵頁上承受的壓力變大，故船舶上行的操縱性能比下行狀況好。通過船模上行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，船舶上行安全航速下限值比其下行安全航速下限值小。

船舶上行安全航速上限值同樣由大橋防撞設(shè)計(jì)值確定，其值與船舶下行安全航速上限值相同。

5 結(jié) 論

據(jù)碰撞事故的統(tǒng)計(jì)，船速是導(dǎo)致碰撞的一個(gè)重要因素。限制航速是保證船舶通航安全的重要措施。本文采用船模試驗(yàn)的手段，研究了湘江湘潭鐵路橋水域航道的安全航速。

（1）橋區(qū)水域安全航速受到地形條件、水流條件、橋梁布置形式、橋梁防撞設(shè)計(jì)及通行船舶類型等因素的影響；

（2）依據(jù)橋區(qū)水域安全航速的確定原則，通過水工模型試驗(yàn)和船模試驗(yàn)，并根據(jù)現(xiàn)有橋墩的防撞能力及控制船型可較好地確定船舶航行的安全航速；

（3）對(duì)于航行條件不佳的橋區(qū)水域，科學(xué)地限定船舶安全航速是保證船舶和橋梁安全的有效措施之一。

［1］ 中華人民共和國交通部.第二次全國內(nèi)河航道普查資料［M］.北京：人民交通出版社，2004：293－297.（Ministry of Communications of the P.R.C.Data of the Second National Census on Inland Waterways［M］.Beijing：China Communications Press，2004：293－297.（in Chinese））

［2］ 劉曉平，鄒開明，王能貝，等.施工導(dǎo)流期的斜流效應(yīng)船模試驗(yàn)研究［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2010，27（9）：39－42.（LIU Xiao-ping，ZOU Kai-ming，WANG Nengbei，et al.Ship Model Test under Oblique Flow Effect During Construction Diversion［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（9）：39－42.（in Chinese））

［3］ 蔡 創(chuàng)，陳 里，蔡汝哲，等.向家壩水電站施工大橋船模通航指數(shù)模擬分析［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28（4）：763－767.（CAIChuang，CHEN Li，CAI Ru-zhe，et al.Simulation Analysis on Navigation Indexes of Xiangjiaba Bridge by Ship Model Test［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2009，28（4）：763－767.（in Chinese））

［4］ 須清華.通航建筑物應(yīng)用基礎(chǔ)研究［M］.北京：中國水利水電出版社，1999.（XU Qing-hua.Application of Navigation Structures［M］.Beijing：China Water Power Press，1999.（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

Safe Speed of Navigation in the Water Area Around Xiangtan Railway Bridge

LIU Xiao-ping，LIFan，LIMing，LIN Ji-da，F(xiàn)AN Ning-yang
（School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China）

The navigation condition of the water area near Xiangtan railway bridge across Xiangjiang River is very complicated.To investigate the safe speed in thiswater area，we carried out simulation on the navigation of typical vessels in secondary channel in thewater area around the bridge through 1∶100 normal fix-bed hydraulicmodel and ship model test.We adopted the VDMS（Vehicle Dynamic Matlab Simulink）to rapidly detect themovementof ship models，and obtained the drift angles，drift distances and the corresponding speeds through the system’s build-in program.According to the principle of safe navigation and the analysis on test results，we found thatunder the peak discharge for navigation Q＝20 000 m3／s，the safe speeds of 2 000 DWT self-propelled ship，2×2 000 DWT pushed barge train and 4×1 000 DWT pushed barge train are，respectively，18.36－25.49 km／h，14.40－19.40 km／h and 14.40－18.47 km／h.This research could serve as a basis for waterway administration departments and design departments.

water area around bridge；safe speed；ship model test

TV135.4

A

1001－5485（2012）09－0046－03

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.011

2011－05－25；

2011－07－21

劉曉平（1956－），男，江蘇泰州人，教授，主要從事港口、航道及近海工程研究，（電話）0731－82309694（電子信箱）lxplyt＠163.com。

李 帆（1987－），男，湖南漣源人，碩士研究生，主要從事港口、航道及近海工程方面的研究，（電話）13607310307（電子信箱）lifanzq＠hotmail.com。