橋梁斜交角度控制對船舶過橋操縱的影響

鄭大明，

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310002；2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051)

0 引言

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求水上過河建筑物軸線的法線方向與水流流向的交角不宜超過5°，如果超過5°且橫向流速大于0.3 m/s時，通航凈寬應(yīng)該加大[1]。規(guī)范未對橋梁斜交角度的上限做出規(guī)定，從船舶過橋操縱的角度來看，大角度(系指斜交角超過5°)斜交橋梁的建設(shè)一定程度上縮減了航道尺度，改變了該水域的流速、流態(tài)，過往船舶的習(xí)慣航路也將隨之改變，從而影響船舶過橋操縱方案的選擇，增加該水域的通航風(fēng)險。

近年來，對船舶過橋操縱的研究主要集中在風(fēng)流對船舶的影響[2]、模擬操縱[3]、通過能力[4]等方面，國內(nèi)尚未有橋梁斜交角度對船舶過橋操縱的影響分析，因此，本文旨在通過分析斜交橋梁對船舶過橋操縱的影響因素，結(jié)合船舶操縱及內(nèi)河引航的相關(guān)理論，提出適應(yīng)船舶過橋操縱的斜交角度控制范圍，并針對特殊情況下選取的橋梁斜交角度建設(shè)方案提出改善措施，從而為斜交橋梁的建設(shè)及保護(hù)通航環(huán)境提供參考依據(jù)。

1 斜交橋梁船舶過橋操縱

1.1 常用操縱方法

理想狀態(tài)下船舶應(yīng)從橋孔正中通過，但一般情況下，橋梁軸線的法向方向與河道主流流向均有一定的夾角，船舶過橋操縱時，尤其是下行船舶，主要困難表現(xiàn)在因橫流的影響使得船位不易控制。因此依據(jù)文獻(xiàn)[5-6]以及實際的操船經(jīng)驗，過橋操縱一般采用如下方法：

1)掛高船位。在接近橋梁時，應(yīng)將航路選擇在上流水一側(cè)，盡量減小船舶首尾線與流向的夾角，減小因橫流的作用而產(chǎn)生的船位偏移。

2)掌握船位。當(dāng)船舶從橋梁上游以一定夾角與橋梁斜交通過時，船舶剛達(dá)橋墩，應(yīng)迅速掉向甩尾，使船身與橋梁成正交通過。

1.2 操縱存在的主要問題

受橋梁斜交角度不同的影響，船舶在選擇過橋方案時主要存在以下問題：

1)船舶首尾線垂直橋梁軸線方向通過橋梁。目前，多數(shù)駕駛員已習(xí)慣選擇此種方案通過橋梁，即選擇掛高船位，但是，當(dāng)橋梁斜交角度較大時，過橋船舶首尾線與主流存在較大夾角，受流影響產(chǎn)生的流致漂移量急劇增大，極易誘發(fā)因橫流推壓船身而導(dǎo)致碰撞橋墩事故的發(fā)生。

2)船舶首尾線順航道主流方向通過橋梁。當(dāng)駕駛員選擇此種方案通過橋梁時，雖然過橋時船身與水流流向交角較小，受橫流影響也較小，但是，因橋梁斜交的影響，有效凈空寬度相對較小。另外，選擇該種方案時，船舶在利用助航標(biāo)志時存在一定的視覺影響，從而增加了駕駛員操作或判斷失誤的機率。

2 橋梁斜交角度控制推算模型

2.1 斜交角度控制推算原則

本文基于船舶航行漂移量數(shù)學(xué)模型，并考慮過橋操縱中的人為因素，推算船舶過橋操縱的斜交角度控制范圍，在建立推算模型時遵循以下原則：

1)船舶只能在特定的外界環(huán)境下通過橋梁，即當(dāng)風(fēng)速、流速超過一定界限值時，禁止船舶通過橋梁。

2)設(shè)計橋梁斜交角度不得影響船舶過橋操縱方案的選擇，即橋梁有效航行凈寬均應(yīng)滿足船舶垂直橋梁、順?biāo)魍ㄟ^橋梁的要求；

3)船舶過橋操縱需避免的最大風(fēng)險為撞擊橋墩；

4)船舶選定過橋方案時，假定當(dāng)船首到達(dá)橋墩后航向、航速不變，直至船尾通過橋梁為止。

2.2 船舶過橋航行漂移量計算

為了計算船舶過橋航行時受風(fēng)、流影響而產(chǎn)生的漂移量，必須先建立船舶過橋漂移量的計算坐標(biāo)系，如圖1、圖2所示。

其中：Vw為水流速度；Vs為航速；Va為相對風(fēng)速；Bsh為順航道主流方向過橋所需航跡帶寬；S為計算河長；Id為橋面寬度；α、β、λ分別表示船舶過橋時，風(fēng)向、流向、船舶首尾線與Y軸的交角；θ為航道密度與橋梁斜交角。

風(fēng)引起的航行漂移量：

流引起的航行漂移量

BL=Vwsinβ×S/(Vscosλ±Vacosα±Vwcosβ)；

偏航角引起的航行漂移量

BP=Vssinλ×S/(Vscosλ±Vacosα±Vwcosβ)。

式中：K為系數(shù)，一般取0.038～0.041；Bα為船體水線上側(cè)受風(fēng)面積(m2);Bw為船體水線下側(cè)面積(m2)。

2.3 橋梁斜交角度控制

船舶過橋操縱時，選擇順航道操縱方式將存在一定偏航角(參照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》確定)，選擇垂直橋梁操縱方式則不存在偏航角，根據(jù)圖1、圖2所示，兩種操縱方案下計算河長分別為：

Ssh=L+Ld/cos(θ+λ)；

(1)

Sch=L+Ld。

(2)

式中：L為船長。

由于航行坐標(biāo)系以主流流向為X軸，因此可認(rèn)為航道主流流向與航道中心線一致，即β在X軸方向角度為0；考慮最不利風(fēng)、流、偏航角的影響，即風(fēng)舷角α始終為90°；在考慮最不利因素影響下，航跡帶寬度應(yīng)由同向疊加而得，即BF+BL+BP，由此推算出順航道主流方向和垂直橋梁軸線方向過橋所需航跡帶寬分別為：

(Vwsin(0°)+Vssinλ)/(Vscosλ-Vacos(90°-λ)+Vwcos(0°))×

Ld/cos(θ+λ)+Lcosλ+Lsinλ+Bcosλ；

(3)

(Vwsin(0°)+Vssinθ)/(Vscosθ+Vacos(90°-θ)+Vwcos(0°))×

Ld+Lcosθ+Lsinθ+Bcosθ。

(4)

根據(jù)斜交角度控制的推算原則，在一定的外界風(fēng)流條件下，假定由于人為因素導(dǎo)致的偏航角不變，為了不影響船舶過橋操縱方案的選擇，橋梁斜交角度應(yīng)控制在一定的角度內(nèi)，以滿足船舶選擇兩種過橋方案時所需的有效凈寬應(yīng)相等，聯(lián)立式(3)和式(4)，即可求出橋梁斜交角度控制范圍推算公式。利用Matlab制圖工具，繪制航跡帶寬度與橋梁斜交角度(θ)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3反映出：1)在選擇順航道過橋操縱方式時，船舶航跡帶寬度受θ的影響較小，而當(dāng)選擇垂直橋梁過橋操縱方式時，航跡帶寬度受θ的影響較大;2)為不影響過橋操縱方案的選擇，橋梁斜交角度不應(yīng)大于兩種方案航跡帶寬度相同時所對應(yīng)的角度；3)對于特定的橋梁，當(dāng)設(shè)計通航風(fēng)速Va、流速Vw、船速Vs確定后，斜交角度θ控制范圍也可確定。

3 斜交橋梁通航控制改善措施

斜交橋梁，尤其是大角度斜交橋梁的建設(shè)對通航及橋梁自身安全的影響是永久性的，橋梁的建設(shè)最好采取一跨過江的方案，且橋梁的凈寬不影響船舶的過橋操縱。但我國內(nèi)河航道寬闊，尤其是長江中下游，基本都需在江中設(shè)置橋墩，因此橋梁建設(shè)應(yīng)保持足夠的航道有效寬度，供過往船舶通行。為平衡通航與工程本身的矛盾，本文從通航安全的角度出發(fā)，提出幾點斜交橋梁通航控制改善措施。

1)當(dāng)受各種因素的影響使得橋梁建設(shè)僅能選取斜交角度較大的建設(shè)方案時，應(yīng)保證足夠的有效通航凈寬，不得影響船舶的過橋操縱。

2)斜交角度應(yīng)控制在本文所提出的斜交角度控制范圍內(nèi)，從而最大限度減小斜交橋梁對船舶過橋操縱的影響。

3)完善助航標(biāo)志，當(dāng)流向與橋梁軸線的水平垂線存在10°以上夾角時，則橋墩上游浮標(biāo)的中心線應(yīng)與流向平行。

4 結(jié)束語

本文提出的橋梁斜交角度控制推算模型旨在為最大限度地保護(hù)通航環(huán)境提供科學(xué)的依據(jù)，在實際應(yīng)用中，應(yīng)科學(xué)合理確定所在航道的設(shè)計通航風(fēng)速、流速、船速，并參照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》確定橋梁斜交角度和通航凈空寬度。對于船舶和環(huán)境復(fù)雜航段，還應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬或?qū)嵈囼灒_保水域通航安全。

[1]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)：GB50139-2014[S]. 北京:中國計劃出版社，2014.

[2]田超.風(fēng)浪流作用下船舶操縱運動的仿真計算[D].武漢:武漢理工大學(xué),2003.

[3]徐言民.基于操縱模擬的橋區(qū)水域船舶通航安全預(yù)控研究[D].上海:上海交通大學(xué),2010.

[4]應(yīng)靜華,肖英杰.橋梁通航孔船舶通行能力研究[J].中國航海,2007.

[5]郭國平.船舶操縱[M].北京:人民交通出版社,1999.

[6]劉明俊.航道與引航[M].北京:人民交通出版社,1999.

[7]劉明俊,呂習(xí)道.船舶過彎道所需航寬建模[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(交通科學(xué)與工程版),2006，30(1)：178-179.