浙北主通道集裝箱船型主尺度比選

徐紅昌，王 奇

(1.嘉興市港航管理服務(wù)中心，浙江 嘉興 314033；2.嘉興市金航船舶設(shè)計有限公司，浙江 嘉興 314001)

0 引言

浙江省作為長三角經(jīng)濟帶重要組成部分，內(nèi)河集裝箱運輸發(fā)展迅猛。自2010年第一艘內(nèi)河集裝箱船投入運營以來，內(nèi)河集裝箱運輸業(yè)得到發(fā)展，特別是在“十三五”規(guī)劃中提出建設(shè)內(nèi)河集裝箱運輸主通道后，全省內(nèi)河集裝箱運輸?shù)玫娇焖侔l(fā)展。主通道由三級航道和四級航道組成，建成后水面以上凈空高度大于等于7 m，可航行裝載3層集裝箱的船舶。目前，受到部分航道橋梁凈空高度不足的影響，現(xiàn)有內(nèi)河集裝箱船只能裝載2層集裝箱，因此，必須改變現(xiàn)有集裝箱船型已落后航道發(fā)展的現(xiàn)狀，降低單箱運輸成本高，提高經(jīng)濟性。

浙北地區(qū)航道在營運的集裝箱船型主要有30、36、48、54、64 TEU，主尺度總長為54～64 m，船寬為9.7～12.7 m。其主尺度及載箱量都受到現(xiàn)有航道的限制無法繼續(xù)提高。集裝箱主通道雖給船舶大型化提供了有利條件，但針對集裝箱主通道的集裝箱船型還是一片空白，因此研發(fā)裝載3層集裝箱的船型顯得十分必要。本文以浙北集裝箱主通道為研究對象，根據(jù)主通道的限制條件，分析船舶在彎曲航道中的運動軌跡、碼頭的裝卸條件、航道的水深條件等，研究可行的集裝箱主尺度。該船型可在主通道中通行，對內(nèi)河集裝箱船大型化發(fā)展、提高船舶經(jīng)濟性等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

1 影響船型主尺度的主要因素

集裝箱船型主尺度的選取應(yīng)考慮航道彎曲半徑、寬度、水深、凈空高度，以及船閘、港口裝卸條件等因素。杭州、嘉興地區(qū)實地調(diào)研情況如下：

(1)航道的彎曲半徑

根據(jù)規(guī)劃，三級航道的彎曲半徑為480 m，四級航道的彎曲半徑為320 m。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：由于一些不可抗拒的因素，杭平申線轉(zhuǎn)至黃姑塘線轉(zhuǎn)彎處的最小彎曲半徑僅為280 m，此處是制約船長的一個關(guān)鍵因素。

(2)水深

根據(jù)規(guī)劃，集裝箱運輸主通道最低通航水位時的航道水深：四級航道為2.5 m，三級航道為3.2 m。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：主通道一年中最高、最低通航水位差為1.4～2.0 m，在最高和最低水位的時間每年不超過5 d；每年約有300 d通航水位維持在最低水位以上0.5 m，最高水位以下0.3 m；有200 d維持在最低水位以上0.7 m，最高水位以下0.5 m。

(3)船閘情況

一般來說，船閘對船寬的限制比較顯著。本船型從嘉興到杭州方向會通過八堡船閘，因而應(yīng)考慮此船閘對船寬的限制條件。八堡船閘閘室的有效尺度(長×寬×檻上水深)為300 m×23 m×4.2 m。

(4)碼頭裝卸設(shè)備

碼頭裝卸設(shè)備吊臂的長度是影響集裝箱船寬的另一個主要因素。目前的集裝箱碼頭只能滿足4列集裝箱寬度船舶的裝卸需求。

2 主尺度比選

2.1 船寬的確定

船寬的確定需要綜合考慮航道底寬、船閘寬度限制、碼頭裝卸設(shè)備的舷伸距離及船舶性能的影響，其中：集裝箱碼頭的裝卸設(shè)備舷伸距離為船寬的主要限制因素。浙北地區(qū)內(nèi)河集裝箱碼頭的裝卸設(shè)備舷伸距離最大可以保證4列集裝箱的裝卸。目前，全省現(xiàn)有的集裝箱船型裝載4列集裝箱所對應(yīng)的船寬均為12.70 m，總寬為12.85 m。基于上述考慮，主通道集裝箱船型船寬應(yīng)不小于12.70 m。

2.2 船長的確定

2.2.1 初步比選

根據(jù)現(xiàn)有集裝箱船舶設(shè)計經(jīng)驗，經(jīng)初步估算，布置集裝箱行數(shù)所需最小的船長要求見表1。

表1 布置所需最小船長

在限制性航道中，航道彎曲半徑對船長的選取有限制。船長L與航道的標準曲率半徑ρ關(guān)系為：L=ρ/(3～4)[1]。由于上文所述最小彎曲半徑為280 m，船長應(yīng)限制在93.3 m以內(nèi)，因此初步選擇船長為79、85、91 m 這3個方案。

2.2.2 進一步比選

通過分析船舶在內(nèi)河彎道水域的曲線運動軌跡，可以計算船舶安全通過的容許船長L和航跡寬度bH。彎道運動幾何圖見圖1[1]。圖中：R為航道彎曲半徑，b為航道寬度，Δb為安全富裕寬度，b′為容許航寬；矩形AEDC為漂角為β0時的船舶示意，L0為長，B為寬；矩形A′E′DC為漂角為β1時的船舶示意，L1為長，B為寬；矩形A″E″D′C′為漂角為β2時的船舶示意，L2為長，B為寬；F0、F1、F2為3個示意船舶的重心位置。

圖1 彎道運動幾何圖

船舶過彎會產(chǎn)生漂角。航道的彎曲半徑越小，要求的回轉(zhuǎn)半徑越小，相應(yīng)的漂角就越大，彎道所能容許的船舶長度也就越小。

(1)當船舶漂角達到式(1)表示的臨界漂角β0時，計算如下：

(1)

(2)

(2)當船舶以小于β0的漂角β1通過時，按式(3)計算：

(3)

(4)

式中：A=tan2β1；D=2[L′tanβ1+(2R+B)(2+

tan2β1)]；C=L′2+(2R+B)(2L′tanβ1+4B)+

tan2β1(2R+B)2；L′為實際船長。

(3)當船舶以大于β0的漂角β2通過時，按式(5)計算：

(5)

(6)

航行漂角的影響因素很多，一般所用的漂角為試驗測得[2]。本文計算采用的漂角借鑒某85 m集裝箱船按15 km/h做船模操縱性試驗定?；剞D(zhuǎn)時的特性數(shù)據(jù)，具體數(shù)據(jù)見表2。對于79 m和91 m這2種集裝箱船船長，也采用這個漂角進行近似計算。

表2 某85 m集裝箱船定?；剞D(zhuǎn)特性估算數(shù)據(jù)

三級航道底寬45 m，容許航寬一般為航道底寬的0.9倍，即40.5 m。當航道彎曲半徑為280 m時，根據(jù)式(1)[1]，可以得到臨界漂角β0=13.34°。

對79、85、91 m 3種船長，在操舵角度為5°、10°、15°時，分別按照上述式(2)～式(6)[1]計算，可得到各船長通過彎曲航道對應(yīng)的容許船長和航跡寬度，其數(shù)據(jù)見表3。

表3 各船長通過彎曲航道對應(yīng)的容許船長和航跡寬度

分析表3可知：3種船長在5°、10°的舵角下以15 km/h航速均可單向通行；在15°舵角的情況下，91 m船長的船舶不可通行，其他兩個可以單向通行。在追求大箱量的前提下，考慮到通行安全，本文建議選擇85 m作為方案船長比較合適。

2.3 吃水

確定方案船型吃水的主要限制因素為航道的最低通航水深和船閘的閘室門檻高度。本方案在滿足上述限制因素的情況下考慮最大吃水，船舶吃水越大，其排水量也越大，為裝載大箱量提供可能?？紤]航道水深情況，本文建議方案吃水不超過3 m。

2.4 型深

影響型深的主要因素是結(jié)構(gòu)強度、穩(wěn)性、干舷及航道的過橋高度。本文研究的是集裝箱船型，橋梁的凈空高度對型深的限制不大。從集裝箱船型本身分析，吃水一定時，型深的大小取決于干舷等因素。根據(jù)研究，集裝箱船型的型深與吃水比的合理區(qū)間為1.3～2[3]，結(jié)合某標準船型型深與吃水的比為1.1～1.5[4]，因而建議型深取1.3～1.5倍吃水，即3.9～4.5 m。

3 結(jié)論

(1)浙北主通道集裝箱船型主尺度選擇的難點在于彎曲航道對船長的約束。通過分析船舶在彎曲航道的運動規(guī)律，確定了船舶的最佳船長。

(2)集裝箱船型在適應(yīng)主通道的前提下，基本達到了能裝載的最大箱量，降低了單箱運輸成本，減少了單箱排放量，有利于節(jié)能環(huán)保。

(3)船舶大型化后，可以提高航道利用率，減少堵航情況發(fā)生。