基于仿真試驗(yàn)的頭門港進(jìn)港航道寬度有效性分析

周麗麗,柳良偉，王若晨

(1.臺(tái)州港灣工程咨詢有限公司,浙江 臺(tái)州 318000; 2.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，杭州 311112)

0 引 言

臺(tái)州港位于浙江省沿海中部，北鄰寧波、南連溫州，是浙江省沿海地區(qū)性重要港口，在臺(tái)州市及浙江中部地區(qū)能源、礦建等物資運(yùn)輸中發(fā)揮了重要的作用，港口的發(fā)展有力促進(jìn)了腹地經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的發(fā)展。規(guī)劃頭門作業(yè)區(qū)西起白沙半島，東至頭門島，利用白沙、大竹山淺灘圍涂造陸，并配套建設(shè)連島工程。依托北洋涂二期圍墾工程，規(guī)劃形成頭門島南、北部?jī)纱蟠a頭區(qū)，遠(yuǎn)景預(yù)留東磯列島發(fā)展空間。起步碼頭工程位于規(guī)劃的南部碼頭區(qū)面長(zhǎng)山島附近，頭門作業(yè)區(qū)一期工程包括1個(gè)2萬噸級(jí)(水工結(jié)構(gòu)按5萬噸級(jí)預(yù)留)泊位，于2011年9月30日開工建設(shè)，2014年12月26日投入試運(yùn)營(yíng)，2016通過竣工驗(yàn)收。2017年9月起，擬建設(shè)2個(gè)5萬噸級(jí)通用泊位(按照7萬噸級(jí)船舶設(shè)計(jì))，二期工程擬建設(shè)2個(gè)5萬噸級(jí)(水工結(jié)構(gòu)按7萬噸級(jí)散貨船靠泊設(shè)計(jì))泊位。本文研究的航道寬度有效性作為頭門作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道的一期工程，主要服務(wù)于南部起步碼頭(包括一期和二期碼頭)。

對(duì)于航道寬度有效性分析的典型研究主要有：對(duì)海港航道轉(zhuǎn)彎段主尺度中航道寬度的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究[1]；對(duì)航道寬度與通航水域關(guān)系中總結(jié)估算單向通航航道寬度的經(jīng)驗(yàn)公式[2]；針對(duì)海港航道設(shè)計(jì)寬度進(jìn)行探討[3]；探討10萬噸級(jí)航道設(shè)計(jì)中航道寬度的設(shè)計(jì)及注意的事項(xiàng)[4]；對(duì)海港航道直線段寬度確定方法進(jìn)行比較[5]；對(duì)大橫流情況海港航道寬度計(jì)算提出數(shù)學(xué)模型[6]；采用航海模擬器對(duì)海港航道設(shè)計(jì)寬度模擬進(jìn)行試驗(yàn)研究，并取得良好的效果[7]；嘗試采用基于最大橫流累積頻率設(shè)計(jì)航道寬度[8]；國(guó)內(nèi)外海港航道寬度設(shè)計(jì)方法對(duì)比[9]。綜上所述，采用仿真實(shí)驗(yàn)方法可以分析航道寬度有效性與合理性，故采用仿真試驗(yàn)對(duì)頭門港進(jìn)港航道寬度有效性進(jìn)行分析。

1 航道寬度的規(guī)范性分析

航道寬度是指設(shè)計(jì)低水位或乘潮水位時(shí)，航槽斷面設(shè)計(jì)水深處兩底邊線之間的寬度。航道有效寬度一般由航跡帶寬度、船舶間富裕寬度以及船舶與航道底邊之間的富裕寬度等3部分組成，如圖1所示。

圖1 航道設(shè)計(jì)基本尺度

航道寬度W可按式(1)計(jì)算：

雙線航道：W=2A+b+2C單線航道：W=A+2C

(1)

式中：W為航道通航寬度，m；b為船舶間富裕寬度，m，取設(shè)計(jì)船寬B；C為船舶與航道底邊間的富裕寬度，m。

1.1 航跡帶寬度

規(guī)范規(guī)定航跡帶寬度A(m)按下式確定：

A=n(Lsinγ+B)

式中：n為船舶漂移倍數(shù)；γ為風(fēng)、流壓偏角，工可報(bào)告按7°考慮；L為船長(zhǎng)，m；B為船寬，m。具體取值見表1所示。

表1 滿載船舶漂移倍數(shù)n和風(fēng)、流壓偏角值表

1.2 船舶間富裕寬度

當(dāng)船舶相遇會(huì)船時(shí)，為了防止船吸效應(yīng)，兩航跡帶間應(yīng)留有一定的安全距離，一般取一倍船寬。

1.3 船舶與航道底邊間的富裕間距

對(duì)于人工開挖的航道，由于航槽內(nèi)外水深差形成航槽壁，船舶在這樣狹窄的航道內(nèi)航行，為防止船舶因船吸效應(yīng)而擦壁或擱淺，減少操船困難，必須與槽壁保持一定距離。規(guī)范規(guī)定此富裕間距C按表2取值。

表2 船舶與航道底邊間的富裕寬度C

該航道全長(zhǎng)約24.1km，見圖2。其中Q～Q1航段長(zhǎng)5.4km，航道通航寬度170m，設(shè)計(jì)底高程-11.7m(當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?；Q1～D1航段長(zhǎng)18.7km，航道通航寬度170m，設(shè)計(jì)底高程-11.7m，可滿足5萬噸級(jí)散貨船乘潮單線通航(乘潮歷時(shí)2.5h 90%保證率)，兼顧7萬噸級(jí)散貨船乘潮單線通航(乘潮歷時(shí)2.5h 50%保證率)。

圖2 航道工程平面布置方案

2 航道寬度有效性分析仿真試驗(yàn)方案

2.1 仿真試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)

2.1.1 電子海圖制作

根據(jù)實(shí)地調(diào)研獲取試驗(yàn)水域現(xiàn)有碼頭、航道等通航要素技術(shù)資料和設(shè)計(jì)單位關(guān)于擬建工程設(shè)計(jì)相關(guān)資料，分別將其數(shù)字化后，對(duì)不同投影方式生成的數(shù)字化海圖數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、變換，形成符合本模擬試驗(yàn)要求的數(shù)字化平面圖，用于顯示模擬試驗(yàn)過程的模擬航行環(huán)境和模擬船舶，見圖3所示。

2.1.2 視景數(shù)據(jù)庫(kù)建模

通過實(shí)地調(diào)研和采集現(xiàn)有特征(標(biāo)志性)建筑高分辨率視景影像材料為建模做準(zhǔn)備，對(duì)實(shí)地拍攝視景數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，獲取真實(shí)材質(zhì)和模型，并用3D Max或AutoCAD等主流建模工具進(jìn)行三維模型建立及優(yōu)化，然后將紋理材質(zhì)圖片進(jìn)行渲染，生成真實(shí)感很強(qiáng)的三維模型，如圖4所示。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，地理地形細(xì)節(jié)層次處理和導(dǎo)入到大型船舶操縱模擬器進(jìn)行調(diào)試等。

圖3 數(shù)字化電子航道圖

圖4 船舶與視景仿真圖

2.1.3 通航環(huán)境及船舶建模

根據(jù)工程水域水文、氣象、航道尺度、船舶特征等環(huán)境參數(shù)，利用全任務(wù)大型船舶操縱模擬器對(duì)通航環(huán)境進(jìn)行建模，建立符合實(shí)際環(huán)境的三維視景系統(tǒng)，建立ECDIS海圖及具有六自由度(前后、側(cè)移、船首向變化、縱搖、橫搖、垂蕩)的特征船舶數(shù)學(xué)模型，如表3所示。

表3 本工程設(shè)計(jì)代表船型

本文研究的航道寬度有效性應(yīng)該考慮兼顧船型的最大航道寬度，因此針對(duì)兼顧船型7萬噸級(jí)船舶進(jìn)行分析更為有意義。

模型真實(shí)地模擬本船在開闊水域及限制水域的水動(dòng)力學(xué)特征，包括氣象、潮汐、水流影響；模型真實(shí)地模擬本船在錨、車、舵、纜、拖輪作用下的多工況響應(yīng)。

2.2 確定仿真試驗(yàn)方案

模擬方案是模擬操作關(guān)鍵，好的試驗(yàn)方案能夠發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)工程某些潛在問題。在研究確定模擬方案時(shí)，應(yīng)充分考慮航行環(huán)境特點(diǎn)和模擬要求，并盡量考慮到方案的可行性、可操作性，以及是否符合航海操作慣例。

模擬方案的實(shí)施人選也是影響模擬結(jié)果的一個(gè)組成部分。同樣的模擬環(huán)境和模擬船形，同樣的模擬預(yù)案，由具有不同航海資歷背景的操作者實(shí)施操作，其結(jié)果不盡相同，有時(shí)甚至有較大差別。因此確定本模擬試驗(yàn)方案實(shí)施人員由專業(yè)引航員、不同資歷的海船船長(zhǎng)、駕駛員組成，以盡量使模擬結(jié)果具有普遍性和代表性。

3 頭門港進(jìn)港航道寬度有效性仿真試驗(yàn)分析

7萬噸級(jí)散貨船進(jìn)出頭門作業(yè)區(qū)航道為單向通航，單向通航模擬試驗(yàn)選取自然條件分別為最大漲潮滿載進(jìn)港、落潮壓載出港，風(fēng)速選取4級(jí)、6級(jí)和7級(jí)，風(fēng)向?yàn)槌ｏL(fēng)向的條件組合，進(jìn)出港航道C1點(diǎn)以外段航速為6～10kn，接近C1點(diǎn)進(jìn)港速度將為6kn以下。

7萬噸級(jí)散貨船進(jìn)出港模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表4和表5所示。

表4 設(shè)計(jì)船型模擬試驗(yàn)工況設(shè)置表

表5 7萬噸級(jí)散貨船進(jìn)出港航道航行的航跡帶寬度

圖5 7萬噸級(jí)散貨船進(jìn)出港航道所需單向航道寬度模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析圖

圖6 7萬噸級(jí)散貨船漲潮、風(fēng)向205°、風(fēng)力7級(jí)、進(jìn)港航跡帶(C1-D1)

圖7 7萬噸級(jí)散貨船漲潮、風(fēng)向025°、風(fēng)力7級(jí)、進(jìn)港航跡帶(C1-D1)

如圖5～7所示，通過對(duì)進(jìn)出船舶航道航行試驗(yàn)的船舶航跡帶進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、計(jì)算和分析， 7萬噸級(jí)船舶在受橫風(fēng)7級(jí)及以下風(fēng)力影響下，船舶進(jìn)出Q1-C1段航跡帶寬度最大為110m，所需航道寬度最大為174.6m；船舶進(jìn)出C1-D1段航跡帶寬度最大為113m，所需航道寬度最大為161.5m。試驗(yàn)表明，航道設(shè)計(jì)寬度值170m，能滿足船型在風(fēng)力6級(jí)及以下試驗(yàn)條件下的進(jìn)出港要求，但不能滿足橫風(fēng)7級(jí)情況下滿載進(jìn)港的要求。

4 結(jié) 語

采用仿真試驗(yàn)對(duì)航道進(jìn)行寬度有效性分析既可以避免實(shí)船試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)高、成本高的缺陷，也可以較為理想地核算航行航道中船舶狀態(tài)，測(cè)算各類風(fēng)流條件下的船舶航跡帶情況，進(jìn)而推算航道寬度的有效性問題，為水運(yùn)工程論證提供依據(jù)。