內(nèi)河水上運(yùn)輸單一方向過(guò)航的曲線段航道設(shè)計(jì)配置研究

趙文戩 江西省贛北航道事務(wù)中心

1.曲線段航道單一方向過(guò)航的航寬設(shè)計(jì)

船只于曲線段航道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可分為兩個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的疊加。一是船只圍繞本身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。二是伴隨流態(tài)一直前進(jìn)的運(yùn)動(dòng)。兩者都會(huì)造成船只所需航寬的提升。加寬值不但同航道環(huán)境相關(guān)，而且同船只的操作及自身的長(zhǎng)度有關(guān)。下表為某航道發(fā)生的不同航道寬度的對(duì)應(yīng)事故數(shù)量統(tǒng)計(jì)。表中的事故比=（區(qū)域?qū)?yīng)事故數(shù)）/（流域年度總事故數(shù)）×100%。

從表1數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，伴隨曲線段航道寬度的提升，事故產(chǎn)生頻率越來(lái)越低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，航道寬度的對(duì)數(shù)與船只之間撞碰率的對(duì)數(shù)基本呈線性關(guān)系。當(dāng)船只通過(guò)航道的數(shù)量不變條件下，航道寬度提升1倍時(shí)，船只撞碰率將降低一半。所以，航道寬度盡量最大化有助于降低撞碰率。影響曲線段航道寬度的要素不但要考慮船只轉(zhuǎn)向所需寬度和船只本身的尺寸，也要考慮流態(tài)和風(fēng)引發(fā)的橫向漂移。

表1 航道寬度的對(duì)應(yīng)事故數(shù)量統(tǒng)計(jì)

1.1 確定航跡帶寬度

為方便計(jì)算對(duì)船只曲線段航道航行做以下假定：

（1）將曲線段航道看成一個(gè)圓弧，其中心線、流線邊沿、航跡線都有等同的半徑和圓心；

（2）水流和風(fēng)互不發(fā)生影響；

（3）船只回轉(zhuǎn)中心沿航跡線運(yùn)行；

（4）船只運(yùn)行是與時(shí)間無(wú)關(guān)的一個(gè)量，即水流動(dòng)速率、船只的速度和船只漂移角均與時(shí)間沒(méi)有關(guān)系；

所以，曲線段航道過(guò)航所需的航道寬度為：B0=B1+2ZL+B2+B3。

B0系為航道整體寬度；B2系為曲線段航道中船只風(fēng)致漂移量；B3系為曲線段航道中船只因流態(tài)引發(fā)的漂移量；ZL系為船岸間隔距離。

在忽略環(huán)流和風(fēng)載荷影響的情況下，依據(jù)曲線段航道寬度增加公式：

上數(shù)公式中：L系為船體泊長(zhǎng)；B系為船體泊寬（m）；P系為船只轉(zhuǎn)心至船尾的間距（m）；R系為曲線段航道曲率半徑；α1系為船只進(jìn)入曲線段航道的初始航行角；α2系為船只駛出曲線段航道時(shí)的航向；B1系為船只在駛出和駛?cè)肭€段航道時(shí)，由船只操縱所引發(fā)的航跡帶的基本寬度。

1.2 確定流致漂移量

以航道的軸線方向?yàn)榭v坐標(biāo)（y）值，航道寬度方向?yàn)闄M坐標(biāo)（x）值，可得曲線段航道內(nèi)流態(tài)引發(fā)的船只漂移量如下：

公式中：Ux=Ucsinβ+USsinα，US船速，Uc是流動(dòng)速率；Uy=Uccosβ+UScosα，β是流向角；α是偏航角；S是曲線段航道的長(zhǎng)度。對(duì)于存在建筑物跨河的航道，由于船位此時(shí)應(yīng)為擺正好，因此可考慮船只在距離建筑物500m處的位置做好通過(guò)準(zhǔn)備。對(duì)于曲線段航道，其橫向環(huán)流速度ur是流致漂移的關(guān)鍵影響要素。假如考慮曲線段航道橫流是垂直作用于船身，β=90°。假如僅考慮作用于船身的平均水流速度ud，則前述公式可簡(jiǎn)化為：

通過(guò)分析作用在曲線段航道內(nèi)單位水體上的力，根據(jù)流態(tài)控制方程，可以獲得該曲線段航道內(nèi)橫向水流速度的公式?？墒?，橫向環(huán)流ur同曲線段航道曲率、水深度、曲線段航道縱方向速度、河床粗糙度等諸多要素有關(guān)，難以完全在理論上獲得其準(zhǔn)確的計(jì)算公式。當(dāng)前的曲線段航道環(huán)流公式大多為半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，這些公式雖然樣式比較簡(jiǎn)單，但是具有很強(qiáng)的工程使用價(jià)值。為便于研究，建議采用以下公式來(lái)研究曲線段航道橫流：

上公式中，R系為曲線段航道曲率；H系為曲線段航道水深；U系為曲線段航道縱方向平均流動(dòng)速率；y=z/H系為相對(duì)水深。曲線段航道中橫流的底流與面流的流動(dòng)方向相反，所以吃水深度不同的船只，作用于船身的橫流平均速度亦不同，作用于船身的平均橫流速度是造成流致漂移量的重要參數(shù)。為科學(xué)起見(jiàn)，作用于吃水深度是d的船只曲線段航道平均橫流速度可按下式確定：

公式中，ud系為作用于具有d吃水線的船只的曲線段航道橫流平均流動(dòng)速率?？傻茫?/p>

若曲線段航道的曲率、平均縱方向速度、水深以及船只吃水深度均已知，那么作用于船身的平均橫流速度則基本明確。表2計(jì)算了曲線段航道的平均縱向水流速度為5m/s，作用于吃水深度不同船只上的平均橫流速度以及船速是10kn，計(jì)算了吃水深度是11m，偏航角是5°時(shí)的船只流致漂移量。從表2能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水深和船只吃水深度一定時(shí)，ud隨著曲線段航道曲率的增加而降低；當(dāng)船只吃水深度和曲線段航道曲率一定時(shí)，ud隨著水深的提升而提升。當(dāng)水深和曲線段航道曲率一定時(shí)，ud隨著吃水深度的加大而降低。所以，當(dāng)曲線段航道寬度不足時(shí)，適當(dāng)增大航道曲率半徑，增加船只吃水深度，有利于船只安全航行。

表2數(shù)據(jù)揭示，曲線段航道橫向速度所引發(fā)的漂移比較大，這是配置曲線段航道寬度不可忽視的因素。公式（6）揭示，船只速度越高，曲線段航道環(huán)流所引發(fā)的漂移則越小。該結(jié)論同《船只操縱》中船只速度越高，船只保向性將越好的結(jié)論相同。該式還揭示，當(dāng)偏航角越大，流動(dòng)引發(fā)的漂移亦越大。所以，在曲線段航道內(nèi)，船只應(yīng)盡量航行在流態(tài)動(dòng)力軸線上，以防觸岸情況發(fā)生。

表2 不同狀態(tài)下的ud及B3

2.曲線段航道曲率半徑設(shè)計(jì)

曲線段航道的曲率半徑，關(guān)系影響船只的航行安全。為揭示曲線段航道曲率和事故數(shù)量的關(guān)系，現(xiàn)在長(zhǎng)于2000Km的一段案例航道，對(duì)曲線段航道曲率與船只事故數(shù)量的關(guān)系給予分析，具體見(jiàn)表3所示。

表3 航道曲率與船只事故數(shù)量的關(guān)系統(tǒng)計(jì)分析

表3中：

nR系為標(biāo)準(zhǔn)曲線段航道數(shù)量；

na系為發(fā)生在曲線段航道的事故量；

na/nR系為該曲線段航道半徑內(nèi)事故量與該整個(gè)曲線段航道的事故量比值。

從上表中提取部分?jǐn)?shù)據(jù)，獲得相對(duì)事故量與曲率半徑的關(guān)系：

分析揭示，在此次抽取的目標(biāo)航道上，彎線航道內(nèi)的事故次數(shù)伴隨曲率的增加而降低。

曲率半徑是最具代表性的航道主線圓弧的曲率半徑。計(jì)算航道曲率非常復(fù)雜，它與航向流向的夾角、航寬與船寬比、航速與流速比、舵的效應(yīng)等多種因素有關(guān)。在航道曲率半徑設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)會(huì)受到地形的制約，因此需建立能夠保障船只安全航行的最小曲率半徑。依據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)，可取帶（拖）貨船隊(duì)里的最長(zhǎng)船體的4倍標(biāo)準(zhǔn)，作為最小曲率半徑長(zhǎng)度。如果受場(chǎng)地條件限制，實(shí)在不能確保最小曲率半徑，亦可考慮加寬曲線段航道。當(dāng)然亦存在例外情況，例如漢口以下長(zhǎng)江航道的半徑為800m，長(zhǎng)度為226m，曲線率為3.54，還有萊茵河曲線段航道曲率為1.89。這表明伴隨船只操作性的增強(qiáng)，雖然某些地方的曲線段航道達(dá)不到最小曲率半徑的需求，但仍然能夠安全通過(guò)。

3.結(jié)語(yǔ)

本文研究了明確單一方向曲線段航道航跡帶寬度的方法，研究了單一方向曲線段航道對(duì)吃水深度不同的船只橫向漂移的影響。并通過(guò)不同船型的操作性和不同的航道寬度，給出了不同型式曲率設(shè)計(jì)方法。由研究得知，曲線段航道的合理配置不但能夠最大限度地提高過(guò)往船只的效率，還可以降低水上交通事故的產(chǎn)生率。