限制性Ⅲ級(jí)航道船舶下沉量研究

呂建偉， 陳 濤， 高家鏞， 徐朝輝

（1.嘉興市港航管理局，浙江 嘉興314033；2.航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200135；3.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，杭州310006）

0 引 言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，內(nèi)河貨物運(yùn)輸量不斷增加。為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，我國(guó)正逐年增加對(duì)內(nèi)河航道基礎(chǔ)建設(shè)的投資，以建設(shè)Ⅲ級(jí)骨干航道網(wǎng)絡(luò)及提升航道通航能力、改善通航條件。船舶航行下沉量是航道水深設(shè)計(jì)的重要考慮因素，直接關(guān)系到船舶航行安全及航道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，是航道設(shè)計(jì)、航道管理、船舶設(shè)計(jì)、船舶駕駛等相關(guān)領(lǐng)域人員關(guān)注的焦點(diǎn)。為此，浙江省港航管理局牽頭，聯(lián)合國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)劃設(shè)計(jì)、科研院所開(kāi)展“資源節(jié)約型限制性Ⅲ級(jí)航道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究”工作，其中上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)船舶航行模型試驗(yàn)工作。

關(guān)于船舶下沉量的研究，Tuck［1］等提出了一系列估算下沉量的經(jīng)驗(yàn)公式，但主要適用于海船及寬敞的淺水水域。由于目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)關(guān)于船舶下沉量的具有實(shí)用價(jià)值的研究成果，因而GB 50139—2004《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》［2］中沒(méi)有關(guān)于限制性航道設(shè)計(jì)水深的計(jì)算公式，只規(guī)范了最小取值。因此，研究限制性Ⅲ級(jí)航道的船舶下沉量對(duì)提高航道建設(shè)經(jīng)濟(jì)性及保障船舶安全航行具有重要意義。

1 船舶下沉量的主要影響因素

船舶航行時(shí)，由于船體周?chē)牧鲌?chǎng)發(fā)生變化，船舶兩側(cè)及船底與水的相對(duì)速度增加，作用于船體的壓力減小，造成船舶下沉。影響船舶在限制性航道中航行時(shí)下沉量的主要因素有航道參數(shù)、船型、航速等。

1.1 航道參數(shù)

1.1.1 航道斷面形狀及斷面系數(shù)

限制性航道斷面有矩形斷面、梯形斷面、半梯形斷面及混合形斷面等幾種類型。不同的斷面形狀及斷面系數(shù)導(dǎo)致船體周?chē)a(chǎn)生不同的流場(chǎng)，從而使船體下沉量也不同。通常船舶在斷面系數(shù)較小的航道中航行時(shí)會(huì)在浸水?dāng)嗝嫔袭a(chǎn)生顯著回流，該回流引起的水位降低遠(yuǎn)比在開(kāi)闊水域中航行時(shí)的顯著。

1.1.2 水深

船舶在淺水中航行時(shí)，船底與河床底的間距小，相對(duì)流速高，會(huì)產(chǎn)生明顯的下沉。因此，水深是影響船體下沉量的重要因素之一。常取水深吃水比（h／T）作為衡量淺水效應(yīng)的重要參數(shù)。h／T較小時(shí)，船舶航行容易進(jìn)入臨界狀態(tài)，淺水效應(yīng)明顯，會(huì)出現(xiàn)較大下沉量［3］；h／T較大時(shí)，船舶主要在亞臨界區(qū)域航行，船舶航行狀態(tài)較為穩(wěn)定，下沉量較小。

1.2 船型參數(shù)

船型參數(shù)包括船舶主尺度（船長(zhǎng)L、船寬B、吃水T等）、排水量及相關(guān)的船型系數(shù)（如L／B、B／T、方形系數(shù)CB等）。通常方形系數(shù)越大，其航行時(shí)的下沉量越大。

1.3 航速

通常船舶航行時(shí)的下沉量會(huì)隨著船速的增加而增大。在淺水域，高速航行的船舶周?chē)飨鄬?duì)船體的流速大，使船體周?chē)畨毫ο陆得黠@，船體和河床之間的過(guò)水?dāng)嗝孀兊酶?，船體下沉加劇。

1.4 船舶偏離航道中心線的位置

在限制限航道中，船舶航行于航道中心，有利于其周?chē)乃黜槙沉鲃?dòng)，船體兩側(cè)壓力分布較為均勻；相反，當(dāng)船舶靠近航道一側(cè)航行時(shí)，船體靠岸壁一側(cè)流速增加，該側(cè)壓力下降明顯，導(dǎo)致下沉量增加。因此船舶在航道中線航行時(shí)的下沉量較岸邊航行時(shí)小，尤其對(duì)于梯形斷面航道而言，船舶偏離航道中心距離越大，船底與河底距離越小，下沉量越大。

2 國(guó)內(nèi)外船舶下沉量研究概況

國(guó)內(nèi)外對(duì)淺水域船舶下沉量的研究主要從理論和試驗(yàn)兩方面進(jìn)行。理論研究方面，較有代表性的是Tuck等的研究，他們?cè)?0世紀(jì)六七十年代綜合考慮了影響船舶下沉量的因素，應(yīng)用細(xì)長(zhǎng)體理論對(duì)船舶下沉量進(jìn)行了理論計(jì)算；1970年，又在細(xì)長(zhǎng)體假設(shè)基礎(chǔ)上將速度勢(shì)附近及遠(yuǎn)場(chǎng)作漸進(jìn)展開(kāi)，根據(jù)兩速度勢(shì)求解，最終得出了船舶中心的平均下沉量的計(jì)算公式［4］。

式（1）中：SM為船體平均下沉量；△t為吃水差變化量；LPP為船長(zhǎng)（垂線間長(zhǎng)）；▽為船舶排水體積；h為水深（m）；Cz為平均下沉量系數(shù)；Cθ為吃水差變化量系數(shù)；Frh為水深傅汝德數(shù)為航速（下同）。

2.1 常用下沉量估算經(jīng)驗(yàn)公式

在Tuck和Tayf or所得公式的基礎(chǔ)上，第23屆ITTC操縱委員會(huì)［1］結(jié)合其研究成果提出了一系列下沉量估算公式。

2.1.1 Hooft公式（1974）

1974年Hooft利用Tuck和Taylor于1970年提出的計(jì)算方法，給出了公式

式（2）中：Ks為與船型相關(guān)的參數(shù)。

2.1.2 Huuska公式（1976）

1976年，Huuska以類似的方式提出了一種計(jì)算方法，給出了公式

2.1.3 Eryuzlu公式（1978）

1978年，Eryuzl u等在3艘有球鼻艏的VLCC油船模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，得出船艏下沉量的計(jì)算公式

2.1.4 Barrass公式（1981）

1981年，Barrass根據(jù)實(shí)船試驗(yàn)和在模型試驗(yàn)基礎(chǔ)上給出了船舶在開(kāi)敞水域和受限水域的船首下沉量的計(jì)算公式

式（5）中：v為船速，單位kn。

2.1.5 Romisch公式（1989）

1989年，Ro misch對(duì)Fuehrer和Ro misch（1974）的計(jì)算公式進(jìn)行了修正，提出船首下沉量的計(jì)算公式

2.1.6 Mill war d公式（1992）

1992年，Mill war d在Tuck公式的基礎(chǔ)上，對(duì)其計(jì)算公式進(jìn)行了修正，給出了船首下沉量的計(jì)算公式

2.1.7 Er yuzl u公式（1994）

1994年，Eryuzl u在模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上給出了方形系數(shù)為0.44～0.83，船長(zhǎng)與水深之比為6～12的船首下沉量的計(jì)算公式

式（8）中：Kb為航道影響因素。

2.1.8 Ankudinov公式（1996）

1996年，Ankudinov等在考慮船型、螺旋槳、水深吃水比以及船速等因素的影響基礎(chǔ)上，給出的船舶在淺水中平均下沉量計(jì)算公式

2.2 公式適用范圍

上述下沉量計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式提出基于不同航道、船舶裝載狀態(tài)的物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，因此，各計(jì)算公式有一定的適用范圍（見(jiàn)表1）。

表1 計(jì)算公式適用范圍

為分析上述公式對(duì)限制性Ⅲ級(jí)航道的適應(yīng)性，按上述公式進(jìn)行了1 000噸級(jí)散貨船在限制性Ⅲ級(jí)航道中的下沉量的計(jì)算，并與物理模型試驗(yàn)所得的結(jié)果作了比較。結(jié)果表明，上述公式不能直接應(yīng)用到內(nèi)河Ⅲ級(jí)限制性航道中船舶航行時(shí)的下沉量估算。

3 限制性Ⅲ級(jí)航道船舶航行下沉量試驗(yàn)

為了系統(tǒng)分析限制性Ⅲ航道船舶航行下沉量，在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室水池中，進(jìn)行了Ⅲ級(jí)航道代表船型（1 000 t散貨船）的下沉量試驗(yàn)測(cè)量（模型縮尺比為1∶20）。

3.1 試驗(yàn)船型及航道斷面參數(shù)

3.1.1 試驗(yàn)船型

船型參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 1 000噸級(jí)散貨船船型參數(shù)

3.1.2 航道斷面

模型試驗(yàn)采用的航道斷面見(jiàn)圖1，航道邊坡斜率為0.25，設(shè)計(jì)最低通航水位3.2 m。航道參數(shù)見(jiàn)表3。

圖1 試驗(yàn)航道斷面形狀

表3 試驗(yàn)航道參數(shù)

3.1.3 最大下沉量測(cè)量結(jié)果

限制性Ⅲ級(jí)航道，1 000噸級(jí)散貨船在不同航道面寬方案下的最大下沉量測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖2～圖5。

圖2 50 m面寬航道船舶最大下沉量試驗(yàn)結(jié)果

圖3 55 m面寬航道船舶最大下沉量試驗(yàn)結(jié)果

圖4 60 m面寬航道船舶最大下沉量試驗(yàn)結(jié)果

圖5 70 m面寬航道船舶最大下沉量試驗(yàn)結(jié)果

4 限制性Ⅲ級(jí)航道船舶航行下沉量實(shí)用計(jì)算方法

4.1 最大下沉量近似計(jì)算公式

根據(jù)1 000噸級(jí)散貨船在限制性Ⅲ級(jí)航道中航行的物理模型試驗(yàn)結(jié)果，綜合分析影響航行下沉量的主要參數(shù)，參考有關(guān)的近似計(jì)算方法及公式，重點(diǎn)分析了Tuck原形公式。充分考慮船型及水深等因素，提出了航行于限制性Ⅲ級(jí)梯形航道時(shí)船舶最大下沉量的近似計(jì)算公式。

式（13）中：Smax為船舶最大下沉量（c m）；Frh＝v／gh；Ks為水深修正系數(shù)；Kn為航道斷面修正系數(shù)；水深－吃水比h／T 范圍為1.2～2.3；▽為船舶排水體積（m3）；L為船舶兩柱間長(zhǎng)（m）；V 為船舶速度（m／s）；h為水深（m）；d為吃水（m）；g為重力加速度（9.81 m／s2）

4.2 計(jì)算精度分析

為了驗(yàn)證所提出的限制性Ⅲ級(jí)航道（梯形航道）船舶下沉量近似計(jì)算公式的有效性，計(jì)算了1 000噸級(jí)散貨船在不同水深和不同速度條件下的最大下沉量，計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比見(jiàn)圖6～圖10。圖中實(shí)線為計(jì)算值，點(diǎn)為試驗(yàn)值。

從圖7～圖11中可以看出，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度很好，除少量工況外，誤差均＜5%。由此可知，所提出的限制性Ⅲ級(jí)航道梯形斷面船舶最大下沉計(jì)算公式是合理的，對(duì)分析船舶下沉量及航道富裕水深具有很好的參考價(jià)值。

圖6 50 m面寬航道船舶最大下沉量

圖7 55 m面寬航道船舶最大下沉量

圖8 60 m面寬航道船舶最大下沉量

圖9 70 m面寬航道船舶最大下沉量

圖10 60 m面寬航道船舶最大下沉量（52.6 m 船）

由上述船舶下沉量近似計(jì)算公式可知，影響船舶下沉量的主要參數(shù)是水深Frh數(shù)，該參數(shù)綜合了水深及船速的影響。對(duì)限制性Ⅲ級(jí)航道而言，水深影響相當(dāng)大，必須再引入水深修正系數(shù)（Ks），在船型參數(shù)方面，需引入船舶排水體積及船長(zhǎng)參數(shù)，反映船型差異對(duì)下沉量的影響（下沉量與排水體積成正比，與船長(zhǎng)的平方成反比）。

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，航道面寬對(duì)船舶下沉量也有一定影響，面寬增加，下沉量減小。因此，引入了斷面修正系數(shù)，但在限制性Ⅲ級(jí)航道選擇的航道面寬范圍內(nèi)（50～70 m），航道斷面系數(shù)導(dǎo)致的下沉量變化較小。

5 結(jié) 語(yǔ)

船舶航行下沉量是航道水深設(shè)計(jì)的重要考量因素，精確計(jì)算限制性航道船舶航行的下沉量對(duì)提高航道改造經(jīng)濟(jì)性、保障船舶航行安全都有重要意義，提出的下沉量經(jīng)驗(yàn)公式為“確保在航行安全的前提下控制開(kāi)挖深度”提供了技術(shù)依據(jù)。

目前對(duì)船舶下沉量的研究中，仍然以經(jīng)驗(yàn)公式方法為主。由于船型及航道斷面形狀的差異，經(jīng)典的Tuck公式及其他公式不能直接應(yīng)用于限制性航道，精度無(wú)法達(dá)到要求。根據(jù)物理模型試驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)具體的限制性Ⅲ級(jí)航道斷面形狀、面寬及水深尺度范圍，提出了下沉量計(jì)算公式，該公式具有較高的計(jì)算精度，能夠滿足航道改造工程設(shè)計(jì)對(duì)船舶航行時(shí)估算船舶最大下沉量的要求。

由于試驗(yàn)船型、船舶裝載狀態(tài)及航道斷面有限，提出的下沉量計(jì)算公式的適用范圍仍然受到一定限制，需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

［1］ The Manoeuvring Co mmittee.Final Report and Reco mmendations to t he 23r d ITTC［R］.Proceedings of 23r d ITTC，2002.

［2］ 中華人民共和國(guó)交通部.GB50139—2004，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2004.

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