基于升船機(jī)實(shí)船試驗的船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)影響因素分析

王 新，孫志峰

(1.南京水利科學(xué)研究院 通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗室，南京 210029；2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038)

近幾年，我國多座大型升船機(jī)陸續(xù)建成投運(yùn)，在升船機(jī)建設(shè)方面取得了舉世矚目的成就。在升船機(jī)投運(yùn)后如何安全高效發(fā)揮其通航效益，是運(yùn)行管理單位面臨的重要任務(wù)。升船機(jī)船廂空中運(yùn)行階段通常流程簡單、平穩(wěn)順暢，而船廂對接、船舶進(jìn)出廂階段較為復(fù)雜，影響因素眾多[1]。船舶進(jìn)出船廂本身就屬于限制性淺水航道的復(fù)雜問題，加之我國大型升船機(jī)均建于西部山區(qū)河流，具有水位變幅大、變率快的特點(diǎn)，升船機(jī)船廂對接運(yùn)行中的水動力學(xué)難題遠(yuǎn)超國外建于運(yùn)河上的升船機(jī)。因此，船舶進(jìn)出廂水動力學(xué)問題是升船機(jī)運(yùn)行安全核心問題之一[2]。

船舶進(jìn)出船廂風(fēng)險主要體現(xiàn)在船舶觸底、撞擊船廂等安全事故[3]，為避免船舶進(jìn)出廂過程中發(fā)生觸底，在船廂水深一定的情況下，需要合理分配船舶吃水和富裕水深，確定最小富裕水深即確定了船舶最大吃水。船舶富裕水深與船廂水深、船舶吃水、船型、航速、水位波動等諸多因素有關(guān)[4]，在升船機(jī)設(shè)計階段，代表性船舶確定后，主要通過物理模型試驗，論證船廂有效水深和船舶航行技術(shù)要求[5-6]，通常會充分考慮各種影響因素及一定的安全系數(shù)，以保證充足的富裕水深，這也給升船機(jī)建成投運(yùn)后船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)提升留有空間。從已經(jīng)投運(yùn)的多座大型升船機(jī)運(yùn)行情況看，如500 t級的景洪、思林、沙沱，1 000 t級的向家壩升船機(jī)等，設(shè)計船型與實(shí)際船型均存在較大差異[7]，導(dǎo)致通航船舶與升船機(jī)船廂不匹配，船舶在設(shè)計容許吃水條件下裝載量嚴(yán)重偏低，航運(yùn)效益和升船機(jī)通過能力受到很大影響。因此，地方航務(wù)管理部門和船民殷切期盼，在保證升船機(jī)通航安全的前提下，進(jìn)一步提升船舶的吃水控制標(biāo)準(zhǔn)。近期，景洪、向家壩、思林、沙沱等多座升船機(jī)陸續(xù)開展了船舶進(jìn)出船廂實(shí)船試驗，論證了船舶吃水提升的可行性。本文基于多座升船機(jī)船舶進(jìn)出船廂實(shí)船試驗，重點(diǎn)剖析了船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)的主要影響因素、船舶下沉量預(yù)測公式、原型觀測與模型試驗的主要差異，對升船機(jī)船廂尺度設(shè)計、通過能力挖潛均有一定的參考意義。

1 船廂水深設(shè)計與船舶吃水控制

1.1 船廂水深設(shè)計依據(jù)

水深吃水比h/T是船閘門檻水深和升船機(jī)船廂水深設(shè)計的一個重要參數(shù)。我國《船閘設(shè)計規(guī)范》(JTJ261-266，1987)中規(guī)定，門檻水深應(yīng)滿足h/T≥1.5，其中，h為門檻水深，m；T為設(shè)計最大船隊(舶)的滿載吃水。從我國船型的多樣性、未來船舶的大型化發(fā)展、減小船舶的航行阻力、提高船閘的適應(yīng)性等多方面綜合考慮，在《船閘總體設(shè)計規(guī)范》(JTJ305-2001)中，將門檻水深條件改為h/T≥1.6，要求稍作提高，并一直沿用至今[8]。美國陸軍工程師團(tuán)出版的《Hydraulic Design of Navigation Locks》指出：在選擇門檻水深時需要考慮安全和經(jīng)濟(jì)因素，安全起見門檻水深吃水比不應(yīng)小于1.5[9]。

我國《升船機(jī)設(shè)計規(guī)范》(SL660-2013，GB51177-2016)中，規(guī)定船廂水深計算公式

h=T+△H

(1)

式中：h為承船廂有效水深，m；T為設(shè)計最大船舶滿載時的吃水深度，m；△H為富裕水深，可取0.25～0.4T?？梢钥闯?，升船機(jī)設(shè)計規(guī)范規(guī)定的h/T=1.25～1.4，比船閘門檻水深設(shè)計的要求放寬較多。

1.2 船舶吃水控制現(xiàn)狀

由于我國《升船機(jī)設(shè)計規(guī)范》實(shí)施較晚，近年建成投運(yùn)的一批大型垂直升船機(jī)船廂水深設(shè)計主要參照船閘設(shè)計規(guī)范，并結(jié)合模型試驗成果確定。部分升船機(jī)船廂有效水域、吃水設(shè)計、允許航速見表1，可以看出，h/T基本按1.5～1.6控制，相對于規(guī)范1.25～1.4要求有一定的富裕度。

表1 我國部分大型垂直升船機(jī)參數(shù)Tab.1 Parameters of some large vertical ship lifts in China

受多種綜合因素影響，升船機(jī)建成后實(shí)際通航船舶與設(shè)計船舶存在較大差異，尤其在吃水控制標(biāo)準(zhǔn)上矛盾突出。實(shí)際500 t級船舶滿載吃水達(dá)到2.0 m，1 000 t級船舶滿載吃水達(dá)到2.6～2.7 m，船舶通過升船機(jī)，其吃水應(yīng)按設(shè)計要求控制，若500 t級船舶按設(shè)計要求的1.6 m吃水、1 000 t級船舶按2.0 m吃水裝載，則裝載率僅50%～60%，航運(yùn)效益受到很大影響，升船機(jī)的通過能力也很難達(dá)到設(shè)計要求，因此，針對建成的升船機(jī)，開展船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)和通過能力提升研究具有重要意義。

2 船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)影響因素分析

船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)決定于航道水深和富裕水深，在航道水深條件一定的情況，富裕水深就直接決定了船舶吃水標(biāo)準(zhǔn)，如公式(1)所示。國內(nèi)外在船舶進(jìn)出港口富裕水深方面開展了大量的研究工作，對船舶富裕水深影響因素有較為明確的認(rèn)識。然而，船舶進(jìn)出升船機(jī)船廂過程有其獨(dú)特性，需要進(jìn)行專門的研究分析。

圖1 船舶富裕水深組成示意圖Fig.1 Components of ship underkeel clearance

根據(jù)景洪、三峽、向家壩、思林、沙沱等多座升船機(jī)的實(shí)船試驗成果，從升船機(jī)實(shí)際運(yùn)行角度，對船舶進(jìn)出升船機(jī)船廂過程的富裕水深進(jìn)行詳細(xì)分解，如圖1所示，富裕水深ΔH包括式(2)幾個組成部分，分別對應(yīng)船廂水面波動、對接水位差、引航道水位變化、船舶航行下沉量和不觸底安全水深幾個主要影響因素。

ΔH=ΔHW+δH+δW+δ+ΔHS

(2)

式中：ΔHW為水面半波動；δH為船廂對接水位差；δW為引航道水位變化；δ為船舶航行下沉量；ΔHS為不觸底的安全水深。

結(jié)合多個升船機(jī)工程實(shí)船試驗觀測資料，對船舶吃水控制的主要影響因素進(jìn)行詳細(xì)的分析闡述。

(1)水面半波動ΔHW。

船廂對接、船舶進(jìn)出廂過程中的水面波動是一個十分復(fù)雜的影響因素，存在多種不同類型或周期的波動及疊加，引起船舶上下升沉。水面波動主要包括船廂臥倒門啟閉產(chǎn)生的水面波動、船舶進(jìn)出廂引起的推移波、泄洪引起的水面短周期波動、相鄰船閘充泄水引起的長周期波動等。以思林升船機(jī)為例，船廂對接、船舶出廂過程水面波動、航速及下沉量過程線見圖2，可以看出，臥倒門開啟對水面造成明顯的擾動，形成周期為120 s(臥倒門2 min開啟)的波動，該波動造成船舶尚未啟動的情況下上下升沉約±4 cm；船舶啟動加速出廂過程中，形成了明顯的周期較短的推進(jìn)波，船舶上下升沉波動約±8 cm。三峽船閘在上游低庫水位運(yùn)行時，充水過程會產(chǎn)生明顯的長周期波動，對相鄰的三峽升船機(jī)對接產(chǎn)生很大影響，船廂水深最大降低約40 cm，船舶進(jìn)出廂存在較大安全風(fēng)險。

2-a 船廂水面波動2-b 航速與下沉量圖2 思林升船機(jī)船舶出廂水面波動及下沉量Fig.2 Water level fluctuation and ship sinkage in Silin shiplift

(2)對接水位差δH。

升船機(jī)船廂與上下游引航道對接時，容許的內(nèi)外水位差一般為±10 cm，以船舶標(biāo)準(zhǔn)水深3.0 m為例，即對接后船廂的水深理論上可能為2.9～3.1 m的任意值。圖3為向家壩升船機(jī)下游對接、船舶出廂過程的水面波動、船舶航速及下沉量過程線，可以看出，臥倒門開啟對接，除產(chǎn)生明顯的水面波動外，船廂水深由307 cm整體降低到302 cm左右，減少約5 cm，在船舶尚未啟動的情況下，船舶整體隨水面下降了5 cm，即由對接水位差引起。對接水位差直接影響船廂的有效水深和船舶進(jìn)出廂的富裕水深。

3-a 船廂水面波動3-b 航速與下沉量圖3 向家壩升船機(jī)船舶出廂水面波動及下沉量Fig.3 Water level fluctuation and ship sinkage in Xiangjiaba shiplift

(3)引航道水位變化δW。

在升船機(jī)船廂對接過程中，入庫流量或出庫流量變化會引起上下游引航道水位持續(xù)變化，進(jìn)而造成船廂水深變化，水位的不穩(wěn)定不僅給升船機(jī)對接造成較大的困難，而且增大了船舶進(jìn)出船廂過程中船舶發(fā)生觸底的風(fēng)險，因此，上下游水位條件是我國大型升船機(jī)安全高效運(yùn)行的重要影響因素。然而，我國大型升船機(jī)均建于山區(qū)河流，較小的流量變化即可能引起明顯的水位變化，船舶進(jìn)出船廂過程中水位快速變化問題及應(yīng)對是升船機(jī)運(yùn)行中需要重點(diǎn)關(guān)注和妥善解決的問題。思林、沙沱升船機(jī)運(yùn)行調(diào)度規(guī)程規(guī)定，在船廂對接過程中，當(dāng)船廂水位與引航道水位差≥15 cm時，應(yīng)進(jìn)行應(yīng)急處置，盡快解除對接。圖4為沙沱升船機(jī)船舶下游進(jìn)廂過程航速與下沉量變化，可以看出，在船舶?？吭谙掠慰看丈形磫舆M(jìn)廂的情況下，受水位影響，船舶高度在緩慢下降，在觀測的十多分鐘內(nèi)，下游水位約降低了4 cm。向家壩水電站機(jī)組每日調(diào)峰期間下游水位最大小時變幅近1 m，為此，升船機(jī)下游增設(shè)了輔助閘室，成功規(guī)避了水位快速變化給升船機(jī)安全運(yùn)行帶來的風(fēng)險，值得類似工程借鑒。

(4)船舶航行下沉量δ。

升船機(jī)承船廂屬于典型的限制性航道，船舶進(jìn)出船廂有明顯的活塞效應(yīng)，尤其在船舶出廂過程中，廂內(nèi)水體被船舶推出而來不及補(bǔ)充，引起廂內(nèi)水深下降，船尾發(fā)生明顯下沉，船舶出廂過程船尾下沉明顯大于船舶進(jìn)廂，是控制性工況。船舶航行引起的船尾下沉量是吃水控制的重要影響因素，且下沉量與船舶吃水(斷面系數(shù))密切相關(guān)。圖5為景洪升船機(jī)船舶出廂過程航速與下沉量，可以明顯看出，船舶加速航行時，船尾的下沉量相應(yīng)增大，由船舶航行引起的下沉量約15 cm。

圖4 沙沱升船機(jī)進(jìn)廂過程航速與下沉量Fig.4 Ship speed and sinkage in Shatuo shiplift圖5 景洪升船機(jī)船舶出廂航速與下沉量Fig.5 Ship speed and sinkage in Jinghong shiplift

(5)不觸底的安全水深ΔHS。

在《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》中，對不觸底的安全富裕量的取值并無明確規(guī)定，僅在條文說明中解釋“對卵石和巖石質(zhì)河床富裕水深值應(yīng)另加0.1～0.2 m”。根據(jù)《航道工程手冊》的調(diào)查資料，對Ⅰ～Ⅲ級航道船舶不觸底安全富裕量一般為0.2 m，由于船閘底部類似卵石和巖石質(zhì)河床應(yīng)按硬底質(zhì)考慮，因此應(yīng)在此基礎(chǔ)上增加0.1～0.2 m，即Ⅰ～Ⅲ級航道船閘的不觸底安全富裕量應(yīng)大于0.3～0.4 m；三峽船閘過閘船舶的不觸底安全富裕量按0.3 m取。

(6)其他因素。

除了上述因素之外，還有一些其他影響因素，如承船廂縱向變形、船舶的變形、螺旋槳的安裝高度等。實(shí)測多座升船機(jī)承船廂縱向撓度，對于長度約70 m的船廂，撓度一般在2～5 cm，如景洪、思林、沙沱、構(gòu)皮灘等升船機(jī)；對于長度130 m左右的船廂撓度一般在5～8 cm，如三峽、向家壩等升船機(jī)。因此，在船廂富裕水深分析時，船廂的縱向撓度也應(yīng)該考慮進(jìn)去。

3 船舶下沉量預(yù)測公式

上述影響船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)的多個因素在升船機(jī)運(yùn)行方式固定后基本可以明確，較為復(fù)雜的影響因素即船舶的航行下沉量。在船舶進(jìn)出港口下沉量研究方面，通過長期的研究，形成了一系列船舶下沉量預(yù)測公式，在文獻(xiàn)中引用較多的如Tuck公式、Hooft公式、Huuska公式、Barrass公式、Eryuzlu公式、Romisch公式、Millward公式、Ankudinov公式、ICORELS公式、Yoshimura公式、Norrbin公式等[10]，這些公式具有一定的適用范圍和條件。在船舶進(jìn)出升船機(jī)船廂下沉量研究方面，國內(nèi)外也開展了諸多研究，考慮到原型觀測的難度和復(fù)雜影響因素，研究以模型試驗為主，形成的主要下沉量公式如下。

(1)我國《升船機(jī)設(shè)計規(guī)范》公式。

在《升船機(jī)設(shè)計規(guī)范》條文說明中，關(guān)于船舶進(jìn)出廂下沉量推薦采用包綱鑒[4]提出的經(jīng)驗公式，該公式是基于三峽、陸水、大化等升船機(jī)的模型試驗資料擬合得到

(3)

式中：δ為船舶綜合下沉量，m；h為閘室水深，m；v為船舶對水相對航速，m/s；n為斷面系數(shù)，n=F/f，F(xiàn)為船廂水下橫斷面面積，m2，f為船舯水下橫斷面面積，m2；g為重力加速度，m/s2；T為船舶吃水，m。

(2)向家壩升船機(jī)模型試驗公式。

李中華[6]通過向家壩升船機(jī)1 000 t單船和2×500 t船隊進(jìn)出船廂模型試驗，總結(jié)得出，船舶進(jìn)出承船廂時的最大下沉量主要與船速、船廂水深和斷面系數(shù)有關(guān)?；谀Ｐ驮囼灁?shù)據(jù)，擬合得到船舶下沉量預(yù)測公式

(4)

(3)三峽升船機(jī)模型試驗公式。

為制定三峽升船機(jī)運(yùn)行方案中的船舶技術(shù)要求，南京水科院對通過升船機(jī)的散貨船、商品車、集裝箱、客船、新船型等多種代表性船型進(jìn)行了系列模型試驗，建立船舶下沉量的預(yù)測公式

P=α×K+b

(5)

(6)

式中：α、b為擬合參數(shù)，公式(5)和(6)與公式(4)一致，區(qū)別僅在于擬合系數(shù)的取值。試驗表明，三峽升船機(jī)各種不同船型3 000 t級船舶(干散貨、集裝箱、商品車、新船型等)下沉量公式的系數(shù)α取值在2.14～2.82。

(4)德國呂內(nèi)堡升船機(jī)模型試驗公式。

德國聯(lián)邦航道設(shè)計研究院針對現(xiàn)代大型內(nèi)河船舶進(jìn)出呂內(nèi)堡升船機(jī)的問題，開展了大型船舶進(jìn)出呂內(nèi)堡升船機(jī)的試驗研究和數(shù)值計算研究工作。提出的船舶出廂時最大航行下沉量的計算公式

(7)

式中：CB為船舶方形系數(shù)；Frh為水深弗洛德數(shù)。該公式適應(yīng)范圍為：1.17≤n≤3.26，0.018≤Frh≤3.26，0.83≤CB≤0.96。

上述公式均由模型試驗獲得，是目前升船機(jī)船廂設(shè)計、制定過機(jī)船舶技術(shù)要求的重要依據(jù)。實(shí)船試驗發(fā)現(xiàn)，公式預(yù)測與實(shí)測總體趨勢一致，數(shù)值存在一定偏差。

4 船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)討論

(1)船舶下沉量原型觀測與模型試驗差異分析。

船舶航行下沉量是決定船舶吃水控制的一個重要變化因素，與船舶航速、斷面系數(shù)、船舶出廂位置等有關(guān)。在確定船廂設(shè)計水深階段，基本通過物理模型試驗論證船舶下沉量和富裕水深，建立相應(yīng)的預(yù)測公式。但模型與原型會存在一定差異，使得模型公式在預(yù)測原型船舶下沉量時有所偏差，圖6為向家壩升船機(jī)船舶出廂下沉量模型試驗與原型觀測結(jié)果對比，圖中的P和K見公式(6)，可以看出，二者擬合經(jīng)驗公式的斜率基本一致，說明原型觀測與模型試驗在預(yù)測船舶下沉量變化(增幅)上是吻合的，差別主要在于初始值，即擬合公式截距上差異，模型明顯大于原型。初步分析，原型觀測與模型試驗差異的原因主要有兩個方面：一是原型與模型船舶駕引方面的差異，原型船舶是緩慢加速行駛的，斷斷續(xù)續(xù)用車，而模型船舶是連續(xù)加速到設(shè)定航速；二是模型中很難模擬或反映原型中多種水力因素的影響?？傮w上，模型獲得的船舶下沉量偏大，對設(shè)計偏于安全。因此，在船廂設(shè)計階段，通過模型試驗確定船廂水深具有充裕的安全系數(shù)，在升船機(jī)投運(yùn)后，通過現(xiàn)場實(shí)船試驗，論證船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)及影響因素，指導(dǎo)通過能力挖潛，總體上是合理的。

6-a 模型試驗6-b 原型觀測圖6 向家壩升船機(jī)船舶出廂下沉量原模對比Fig.6 Sinkage comparison between model test and prototype test in Xiangjiaba shiplift

(2)規(guī)范建議。

我國升船機(jī)設(shè)計規(guī)范建議h/T取1.25～1.4，根據(jù)大量實(shí)船試驗成果可知，實(shí)際船舶吃水可以按此標(biāo)準(zhǔn)控制，但已將富裕水深控制到了最低水平，同時還要嚴(yán)格控制船舶速度和水位變幅。實(shí)踐表明，我國升船機(jī)設(shè)計代表性船型與實(shí)際通航船型往往存在較大偏差，從通航船舶的多樣性、升船機(jī)運(yùn)行條件的復(fù)雜性、未來船型及水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展等方面考慮，在升船機(jī)設(shè)計階段，按規(guī)范建議h/T取值確定船廂設(shè)計水深是偏低的，升船機(jī)建成后運(yùn)行效益將受到嚴(yán)重影響。因此，在升船機(jī)設(shè)計階段，確定代表性船型除了參照主尺度系列外，還應(yīng)結(jié)合實(shí)際通航的船舶情況，進(jìn)而合理確定船廂尺度。從提高升船機(jī)對通航船舶的適應(yīng)性、保證設(shè)計通過能力、預(yù)留一定挖潛空間考慮，建議h/T取值1.5～1.6。

(3)吃水標(biāo)準(zhǔn)提升。

已投運(yùn)的多座大型升船機(jī)絕大部分船廂寬度是12 m，通航船舶寬度是10.8 m，扣除船舷防碰擦輪胎外，船舶進(jìn)出廂過程中兩側(cè)的空間僅0.3～0.4 m，因此，船舶與船廂極易擦碰。從控制船舶下沉量考慮，船舶進(jìn)出廂航速基本限制在0.5 m/s內(nèi)，從防止船舶撞擊船廂考慮，也應(yīng)盡量保持低速行駛。從實(shí)際運(yùn)行情況看，在船長經(jīng)過培訓(xùn)、現(xiàn)場安裝船舶速度檢測設(shè)備后，船舶在進(jìn)出廂過程中航速均能控制在0.5 m/s內(nèi)，基本處于0.3～0.4 m/s，按設(shè)計吃水標(biāo)準(zhǔn)控制的船舶的下沉量不足10 cm，考慮其他各種影響因素后，船舶的吃水有一定的提升空間。近兩年，景洪、思林、沙沱、向家壩等升船機(jī)均開展了超吃水船舶進(jìn)出船廂實(shí)船試驗，其中景洪、思林、沙沱升船機(jī)船舶吃水達(dá)到2.0 m，向家壩升船機(jī)船舶吃水達(dá)到2.4 m，均超過設(shè)計吃水0.4 m，在試通航運(yùn)行期間吃水控制標(biāo)準(zhǔn)逐漸放寬，升船機(jī)的通過能力和船舶的航運(yùn)效益隨之不斷提升。

5 結(jié)論

(1)基于多座大型升船機(jī)實(shí)船試驗，明確了船舶進(jìn)出升船機(jī)船廂的富裕水深由水面半波動、船廂對接水位差、引航道水位變化、船舶航行下沉量、不觸底的安全水深、船廂縱向變形等組成。

(2)升船機(jī)對接運(yùn)行水力學(xué)條件復(fù)雜，船舶進(jìn)出船廂的下沉量存在一定原型觀測與模型試驗差異，模型試驗對于船廂水深設(shè)計有充裕的安全系數(shù)，實(shí)船試驗對于確定船舶吃水控制標(biāo)準(zhǔn)具有重要的指導(dǎo)意義。

(3)水深吃水比h/T規(guī)范建議取值偏小，從我國通航船舶的多樣性、升船機(jī)運(yùn)行條件的復(fù)雜性、未來船型及水運(yùn)事業(yè)的發(fā)展趨勢考慮，建議在升船機(jī)船廂設(shè)計階段h/T取值1.5～1.6。