福姜沙中水道船舶操縱模擬試驗研究*

應(yīng)翰海，關(guān)宏旭

(1.長江南京以下深水航道建設(shè)工程指揮部，江蘇 南京 210017；2.中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014；3.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，湖北 武漢 430063)

福姜沙水道是長江下游河道沖淤變化較劇烈的水道之一，也是長江南京以下12.5 m深水航道二期工程中技術(shù)最為復(fù)雜的河段。工程河段呈“二級分汊、三汊通航”的格局，經(jīng)過多輪技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等方面的方案比選，二期工程最終選擇“福中單向通航+福北單向通航”的設(shè)計方案[1-2]。但是，福北水道進(jìn)口段和上段受靖江邊灘尾部沖刷下移沙體的影響，深槽并不穩(wěn)定[3]。二期工程試運(yùn)行以來，福北航道維護(hù)疏浚量大，疏浚船舶在航道內(nèi)頻繁作業(yè)，影響了其他船舶的通航效率，同時船舶流量增長較快，航道維護(hù)疏浚與通航的矛盾較為突出。與此同時，福中水道則呈沖刷發(fā)展態(tài)勢，其12.5 m深槽已貫通并逐漸展寬，具備進(jìn)一步拓寬航道尺度的基礎(chǔ)。本文通過分析船舶操縱模擬試驗數(shù)據(jù)，研究不同水文條件、不同船型交會情況下的航跡分布及船舶航跡帶寬度，論證船舶交會時的最小安全距離，為實現(xiàn)福中水道雙向通航、進(jìn)一步發(fā)揮其航運(yùn)潛能提供參考。

1 福姜沙中水道通航現(xiàn)狀

長江南京以下12.5 m深水航道選擇福中水道和福北水道作為福姜沙水道12.5 m深水航道的通航主通道，設(shè)計為單向航道，設(shè)計最小寬度為260 m，其中福中水道為下行通航分道，福北水道為上行通航分道。2018年5月長江南京以下12.5m深水航道二期工程整體交工投入試運(yùn)行。試運(yùn)行初期，為充分利用航道水深條件，福中航道最小寬度定為350 m(52#和53#浮附近)，船長150 m以上的上行大型船舶和自身操縱能力受到限制的其他上行船舶，可選擇福中水道行駛，但避免在51#浮與53#浮之間與船長150 m以上的下行大型船舶會船。試運(yùn)行之后，福北水道通航船舶數(shù)量大，洪季航道維護(hù)量也較大，航道維護(hù)與通航的矛盾較大。2018年6月，經(jīng)海事部門同意，福中航道最小寬度增加至400 m(52#和53#浮附近)，同時允許船長110～150 m的上行船舶選擇福中水道行駛，以減小福北水道通航船舶流量(圖1)。

圖1 福姜沙水道試運(yùn)行期通航組織示意

二期工程試運(yùn)行以來，福北航道維護(hù)疏浚量大，3條大型疏浚船舶同時在航道內(nèi)維護(hù)疏浚，影響了船舶通航效率。另外，深水航道開通之后，船舶流量增長較快，日均通航船舶約800艘次，航道維護(hù)疏浚與通航的矛盾較為突出。與此同時，福中水道則呈沖刷發(fā)展態(tài)勢，12.5 m深槽已貫通并逐漸展寬，航道無須維護(hù)即能保持良好的水深條件。但是現(xiàn)行航道在52#至53#浮航段寬度較小(圖2)，在航道53#浮處轉(zhuǎn)彎較大，落潮流向54#黑浮推壓明顯，大型船舶的交會存在較大困難[4]。為充分利用福中水道優(yōu)良的航道水深條件，有必要通過船舶操縱模擬試驗，研究進(jìn)一步拓寬福中水道并實現(xiàn)雙向通航的可行性。

注：51#航寬496 m；52#航寬400 m；53#航寬400 m；54#航寬529 m。

2 船舶雙向通航模擬工況

2.1 試驗代表船型

根據(jù)長江南京以下12.5 m深水航道二期工程初步設(shè)計，江陰大橋以下將5萬噸級海輪(包括5萬噸級集裝箱船、油船、散貨船和化學(xué)品船)作為設(shè)計船型，5萬噸級以上其他海輪作為兼顧船型。本次船舶操縱模擬試驗選定5萬噸級集裝箱船、8萬噸級和5萬噸級油船、15萬噸級散貨船等4種船型作為代表船型，船型主要參數(shù)見表1。

表1 仿真模擬試驗船型

2.2 試驗條件

2.2.1氣象

52#～53#浮標(biāo)段是福中水道航道寬度最窄(400 m)處，也是本次模擬的重點航段，其航道走向070°～250°，流向與航道走向交角不大，風(fēng)對航跡帶及艏向的影響更為明顯，對航行最不利條件風(fēng)向為340°(正橫、對整治建筑物最不利風(fēng)向)及160°(正橫、洪水期常見不利風(fēng)向)。依據(jù)現(xiàn)場自然條件，模擬氣象條件設(shè)置風(fēng)向為340°和160°，風(fēng)力7級；降雨不大于中雨；霧天水平能見度不小于2 km。

2.2.2水文

選取平均枯季流量1.6萬m3和洪季造床流量5.75萬m3分別疊加大潮落急時刻進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果最終導(dǎo)入模擬器內(nèi)進(jìn)行船舶操縱實操模擬。

2.3 試驗方案

目前，福中水道52#～53#浮航段是福中水道航道寬度最窄處，航寬400 m。航道北邊線距離整治建筑物約98 m，航道南側(cè)為小船推薦航路。考慮到航道邊線與整治建筑物的安全距離以及對小船通航的影響，擬采用航道最小寬度提升至420 m的方案進(jìn)行船舶操縱模擬試驗。在模擬試驗過程中由經(jīng)驗豐富的船長、引航員進(jìn)行船舶操縱，同一工況下分別進(jìn)行3次操作，其中上行船舶選擇滿載船舶、下行船舶選擇壓載船舶。

3 船舶雙向通航模擬數(shù)據(jù)分析

3.1 船舶交會距離

試驗數(shù)據(jù)顯示，在大通流量1.65萬m3s枯水期漲急條件下，上行船舶順流航行過程中，在51#～53#黑浮之間水域船舷與航道左邊線最小距離約為48 m，與52#黑浮平均距離為80.4 m，與53#黑浮平均距離為88.0 m。上行船與左邊線最近距離安全略顯不足，但參與試驗的船長反映，上行船舶頂流航行時船舶操縱性能較好，能夠滿足船舶雙向通航的要求。下行船舶頂流航行過程中，在51#～53#紅浮之間水域船舷與航道右邊線最小距離約為57 m，與52#紅浮平均距離為87.9 m，與53#紅浮平均距離為80.7 m，均符合《海港總體設(shè)計規(guī)范》[5](簡稱規(guī)范)規(guī)定的船舶與航道底邊線的安全距離為1～1.5倍船寬的要求。兩船間距最小約為115 m，大于規(guī)范要求的“船舶間富余寬度取1倍船寬”的相關(guān)要求?？菁敬蟪睗q急條件下能滿足15萬噸級及以下船舶雙向通航。1.65萬m3s流量下船舶模擬數(shù)據(jù)見表2 。

表2 大通流量Q=1.65萬m3s枯季大潮漲急時刻船舶雙向通航試驗數(shù)據(jù)

表2 大通流量Q=1.65萬m3s枯季大潮漲急時刻船舶雙向通航試驗數(shù)據(jù)

船型組合 距離類型 距離∕m51#52#53#平均值最小值平均值最小值平均值最小值上行:8萬噸級油船下行:5萬噸級集裝箱船上行航道邊界110.09883.07293.080下行航道邊界118.710197.07788.770兩船間距191.7183155.0146158.3150上行:15萬噸級散貨船下行:5萬噸級集裝箱船上行航道邊界113.39988.77498.784下行航道邊界112.310196.37787.070兩船間距187.3183139.3133141.7138

續(xù)表2

在大通流量5.75萬m3s洪水期落急條件下，上行船舶在頂流航行過程中，在51#～53#黑浮之間水域船舷與航道左邊線最小距離約為53 m，與52#黑浮平均距離為74.9 m，與53#黑浮平均距離66.6 m，符合規(guī)范要求；下行船舶順流航行過程中，在51#～53#紅浮之間水域船舷與航道右邊線最小距離約為50 m，與52#紅浮平均距離為102.0 m，與53#紅浮平均距離為81.7 m，大于規(guī)范要求。兩船間距最小距離約為108 m，大于規(guī)范要求的“船舶間富余寬度取1倍船寬”的要求。洪季落急條件下，能滿足15萬噸級及以下船舶雙向通航。5.75萬m3s流量下船舶模擬數(shù)據(jù)見表3。

表3 大通流量Q=5.75萬m3s洪季大潮落急時刻船舶雙向通航試驗數(shù)據(jù)

表3 大通流量Q=5.75萬m3s洪季大潮落急時刻船舶雙向通航試驗數(shù)據(jù)

船型組合距離類型距離∕m51#52#53#平均值最小值平均值最小值平均值最小值上行:5萬噸級集裝箱船下行: 8萬噸級油船上行航道邊界123.3121727071.067下行航道邊界121.7119102.39887.783兩船間距167.7161168.0161182.0176上行:5萬噸級集裝箱船下行:15萬噸級散貨船上行航道邊界121.311367.35869.766下行航道邊界93.085129.711777.358兩船間距190.3180124.0108*182.7159上行:5萬噸級油船下行:15萬噸級散貨船上行航道邊界124.311773.77066.063下行航道邊界115.094112.79663.350*兩船間距166.0145134.7126202.0194上行:15萬噸級散貨船下行:5萬噸級油船上行航道邊界120.011569.76761.058下行航道邊界128.312199.09583.080兩船間距159.0147167.0165191.0189

續(xù)表3

同時，咨詢11位引航員、8位船長后可知，為保障船舶航行安全，駕引人員通常認(rèn)為在航道內(nèi)航行的船舶與燈浮的安全距離一般約為50 m，與規(guī)范要求的船舶與航道底邊線的安全距離為1～1.5倍船寬基本一致。因此，航道內(nèi)航行的船舶與燈浮的安全距離保持50 m左右是可接受的，符合駕引人員對航行安全的基本要求[6]。因此可以認(rèn)為，在試驗工況下福中水道420 m寬方案可以滿足15萬噸級及以下船舶雙向通航。

3.2 船舶航跡帶寬度

福中水道52#～53#浮之間船舶航跡帶寬度見表4 和圖3。隨著大通流量的增大，船舶航跡帶寬度增加，船舶操縱模擬試驗統(tǒng)計的航跡帶寬度與規(guī)范計算值的差距縮小，大流量條件對船舶航行的操縱性能要求更高。

表4 不同工況下船舶航跡帶寬度 m

圖3 Q=5.75萬m3s洪水期落急時刻雙向通航航跡帶

4 結(jié)論

1)在1.65萬m3s流量枯水期漲急條件下，上行船距離航道邊界最近約為48 m，下行船距離航道邊界最近約為57 m，兩船間距最近距離約為115 m；在5.75萬m3s流量洪水期落急條件下，上行船距離航道邊界最近約為53 m，下行船距離航道邊界最近約為50 m，均符合規(guī)范要求。船舶交會過程中操縱沒有明顯影響，在試驗方案條件下，船舶之間加強(qiáng)溝通，協(xié)調(diào)避讓，可以滿足15萬噸級及以下船舶雙向航行的安全要求。

2)在大通流量1.65萬m3s及5.75萬m3s條件下，各代表船型的航跡寬度均小于計算值。但隨著大通流量的增大，船舶航跡帶寬度增加，說明大流量條件對船舶航行的操縱性能要求更高。