內(nèi)河船隊(duì)橋區(qū)通航寬度研究

陳立家 張?zhí)煊?黃立文 魏天明

(武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院1) 武漢 430063) (內(nèi)河航運(yùn)技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430063)

0 引 言

船隊(duì)作為內(nèi)河航運(yùn)中的一種重要運(yùn)輸方式，具有運(yùn)量大、吃水淺、編排組隊(duì)機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]．但同時(shí)也面臨一系列風(fēng)險(xiǎn)：①船隊(duì)體積和平面尺度較大，在通過橋梁等過河建筑物時(shí)需要占據(jù)較寬的水域；②內(nèi)河航道地形復(fù)雜，航道流態(tài)紊亂[2]，尤其在橋墩周圍存在涌流、旋渦等不正常水流，而船隊(duì)操縱性和機(jī)動(dòng)能力差，在不利的風(fēng)、流條件下具有極高的航行風(fēng)險(xiǎn)．據(jù)統(tǒng)計(jì)，船隊(duì)發(fā)生撞橋事故的概率遠(yuǎn)大于單船，而在影響撞橋率的眾多自然因素中，洪水最為顯著[3]．

內(nèi)河船隊(duì)尺度大，通過橋梁通航孔期間操縱自由度受到限制．與此同時(shí)，受風(fēng)、流等因素的影響，船隊(duì)會(huì)產(chǎn)生在橋軸線方向上的偏航距，在下行且橫風(fēng)、橫流較大時(shí)尤為明顯，若調(diào)整不當(dāng)極有可能發(fā)生撞橋事故．目前國內(nèi)外對(duì)船舶/船隊(duì)橋區(qū)通航安全的研究主要針對(duì)兩個(gè)方面：①通過試驗(yàn)法研究船隊(duì)在橋區(qū)水域的通航特征；②通過建立概率模型來計(jì)算船橋碰撞概率．在試驗(yàn)研究方面，劉明俊等[4]結(jié)合船舶操縱理論，研究了在風(fēng)、流影響下海船拖航通過橋區(qū)水域時(shí)對(duì)通航寬度的要求；李中剛等[5]通過研究船舶風(fēng)流漂移規(guī)律，得出了最不利情況下船舶占用水域的大小，并以此界定了橋區(qū)水域范圍；周春輝等[6]針對(duì)超尺度船隊(duì)過橋安全航行問題，利用船舶大型操縱模擬器在不同風(fēng)流條件下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，得到了超尺度船隊(duì)安全過橋的航行方法；劉明俊等[7]建立數(shù)學(xué)模型確定了影響吊拖船隊(duì)通航寬度的限制因素，并通過實(shí)船試驗(yàn)得到各限制因素的取值范圍；邊曉麗等[8]研究風(fēng)、流壓差等因素對(duì)船舶航跡帶寬度的影響，通過仿真試驗(yàn)法提出了超大型集裝箱船彎曲航道航寬計(jì)算方法．在碰撞概率研究方面，Wu等[9]綜合考慮船舶速度、船到橋的距離以及船舶軌跡等，分析了船橋碰撞的條件，通過將輸入變量模糊化建立IF-THEN規(guī)則，并使用模糊推理得到了船舶-橋梁碰撞風(fēng)險(xiǎn)；Ke等[10]在AASHTO模型的基礎(chǔ)上引入時(shí)間因子，計(jì)算了船舶動(dòng)態(tài)畸變概率，并將船舶流量、畸變概率與幾何碰撞概率相結(jié)合，得到了船舶動(dòng)態(tài)碰撞頻率．

目前我國內(nèi)河橋梁選址和計(jì)算橋區(qū)通航凈寬值主要根據(jù)文獻(xiàn)[11](以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)，橋梁在下游時(shí)與上游彎道的距離不得小于頂推船隊(duì)長度的4倍或拖帶船隊(duì)的3倍，水上過河建筑物軸線法線方向與水流流向的交角不大于5°時(shí)，通航凈寬為

Bm1=BF+ΔBm+Pd

(1)

BF=B+Lsinβ

(2)

式中：Bm1為單孔單向通航凈寬，m；BF為船隊(duì)航跡帶寬度，m；ΔBm為船隊(duì)與兩側(cè)橋墩富裕寬度，m；I～V級(jí)航道可取60%航跡帶寬度，m；B為船隊(duì)寬度，m；L為船隊(duì)長度，m；β為船隊(duì)航行漂角，(°)；Pd為下行船隊(duì)偏航距，m．

影響船舶航行風(fēng)險(xiǎn)因素眾多[12-13]，《標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)于下行偏航距的取值只根據(jù)橫向流速確定，實(shí)際上船隊(duì)的橫向漂移是風(fēng)、流和浪的共同作用產(chǎn)生的．根據(jù)船隊(duì)過橋一般方法，船隊(duì)在通過橋孔之前須調(diào)整好船位，以固定姿態(tài)過橋，因此船隊(duì)過橋期間偏航距應(yīng)為自調(diào)整好船舶姿態(tài)到通過橋孔之間的偏航距．另外，《標(biāo)準(zhǔn)》在計(jì)算通航凈寬時(shí)只根據(jù)航道等級(jí)來確定航行漂角，未能充分考慮船舶航行實(shí)際狀況．

基于此，文中在考慮漂角和橋前航程對(duì)通航寬度影響的前提下，建立基于風(fēng)、流漂移的通航寬度計(jì)算模型，以西江干線郁江航段飛龍大橋橋區(qū)水域?yàn)槔?，結(jié)合該水域代表頂推船隊(duì)，計(jì)算通航船隊(duì)在最不利狀況下所占航寬，并總結(jié)船隊(duì)洪水期下行操縱要點(diǎn)．

1 船隊(duì)通航寬度計(jì)算模型

1.1 船隊(duì)過橋問題描述

船隊(duì)在航行中受到風(fēng)、流等因素的影響其航向會(huì)不斷變化，駕駛員會(huì)通過不斷調(diào)整舵角來保持船隊(duì)航跡，因此船隊(duì)航跡線與首尾線會(huì)形成一定夾角，即航行漂角．在過橋階段，非緊急情況下船隊(duì)?wèi)?yīng)保向、保速過橋，其通航所需寬度應(yīng)為航跡帶寬度、偏航距離及與橋墩安全距離之和．

一般情況下，船隊(duì)過橋前應(yīng)預(yù)先調(diào)整風(fēng)、流壓差，使船速在橋軸線方向上的分量與風(fēng)、流速度在橋軸線上的分量相反，即Vsy與Vsy及Vmy方向相反(見圖1a))，此時(shí)船隊(duì)所占通航寬度約為航跡帶寬度，船隊(duì)在橋軸線方向上產(chǎn)生的漂移量較?。诤樗诹魉佥^大的情況下，船隊(duì)為保證舵效，其航速往往較大，可能無法調(diào)整好風(fēng)、流壓差，甚至出現(xiàn)船速在橋軸線方向上的分量與風(fēng)、流速度在橋軸線上的分量相同這一最不利狀況，即Vsy與Vsy及Vmy方向相同(見圖1b))，此時(shí)船隊(duì)在橋軸線方向產(chǎn)生的漂距最大．

圖1 船隊(duì)過橋示意圖

漂距值與環(huán)境因素及船隊(duì)航行參數(shù)等多個(gè)因素有關(guān)，故考慮風(fēng)流等環(huán)境因素以及船隊(duì)漂角、橋前航程等多個(gè)因素建立通航寬度計(jì)算模型．

1.2 通航寬度計(jì)算模型

為了便于通航寬度計(jì)算，建立船隊(duì)過橋問題數(shù)學(xué)模型，如圖2的直角坐標(biāo)系，設(shè)過橋階段總航程為S，包括過橋時(shí)船首距離橋軸線的至橋航程S1和船尾駛過橋軸線的過橋航程S2；設(shè)流速為Vf，風(fēng)速為Vm，流向、風(fēng)向與航行方向的夾角分別為β、γ；航行漂角為α，實(shí)際航速為Vs；ΔB1、ΔB2為船隊(duì)與橋墩間的安全距離，

圖2 船隊(duì)過橋情形分析

漂距是在風(fēng)和流的影響下產(chǎn)生的橫向漂移量[14]，對(duì)于流致漂移，將實(shí)際航速Vs和流速Vf分解,在x軸方向上有：

Vx=VScosα+Vfcosβ

(3)

在y軸方向有：

Vy=VSsinα+Vfsinβ

(4)

船隊(duì)在過橋階段航行時(shí)間為

T=S/(|Vx|)

(5)

船隊(duì)沿y軸的流致漂移量為

ΔBc=VyT

(6)

對(duì)于風(fēng)致漂移量，考慮正橫風(fēng)這一最不利風(fēng)況，船隊(duì)航行中風(fēng)致漂移速度Vw為

Vw=K(Bα/Bw)1/2e-0.14VSVm

(7)

式中：K=(ραCα/ρwCw)1/2，取0.038；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；d為設(shè)計(jì)吃水,m；Vm為相對(duì)風(fēng)速，m,其與絕對(duì)風(fēng)速和船速構(gòu)成矢量三角形．

船隊(duì)沿y軸的風(fēng)致漂移量為

ΔBw=VwT

(8)

因此，船隊(duì)過橋期間漂距為

ΔB=ΔBc+ΔBw

(9)

航跡帶寬度為

BF=B+Lsinα

(10)

橋墩的存在會(huì)使周圍產(chǎn)生不正常水流，因此船隊(duì)過橋時(shí)應(yīng)與橋墩保持一定距離，此處取60%航跡帶寬度，即ΔBm= 0.6BF

綜上所述，船隊(duì)過橋所需通航寬度為

BA=[(VSsinα+Vfsinβ)+K(Bα/Bw)1/2e-0.14VSVm]

(11)

1.3 模型參數(shù)取值

在I～V級(jí)航道中，《標(biāo)準(zhǔn)》在計(jì)算頂推船隊(duì)通過水上過河建筑物通航凈寬時(shí)航行漂角取6°，在計(jì)算直線航道寬度時(shí)航行漂角取3°，結(jié)合頂推船隊(duì)通過水上過河建筑物時(shí)的實(shí)際航行經(jīng)驗(yàn)和洪水期流速大的特點(diǎn)，對(duì)船隊(duì)偏航角取4°、5°和6°．過橋階段總航程S包括橋前航程S1與過橋航程S2兩部分，根據(jù)橋區(qū)河段航行方法，當(dāng)船隊(duì)從橋梁上游以一定夾角與橋梁斜交過橋時(shí)，在船頭到達(dá)橋墩時(shí)應(yīng)迅速調(diào)向擺尾，使船身與大橋成正交通過，因此可以認(rèn)為在S2階段偏航距不再明顯增加，故過橋總航程的關(guān)鍵在于S1的取值．設(shè)橋前航程S1=λL，其中λ為船長倍數(shù)，橋址位于下游時(shí)距上游彎道等的距離不應(yīng)少于4倍代表頂推船隊(duì)的長度，考慮到該長度包括船隊(duì)過彎后的調(diào)順距離和橋前航程，參考尹愈強(qiáng)等[15]對(duì)調(diào)順距離的研究和取值，取λ=1、1.5、2，此時(shí)S1分別為L、1.5L和2L．

1.4 最不利狀況下通航寬度值

參照1.3各項(xiàng)參數(shù)取值，根據(jù)航寬模型，計(jì)算在航速分別為8和10 kn條件下，漂角和過橋航程取值不同時(shí)所需通航寬度的值，結(jié)果見圖3．

圖3 α、S取不同值時(shí)通航寬度

2 基于船舶操縱模擬器的試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 船隊(duì)操縱數(shù)學(xué)模型

以3 000 t級(jí)一頂二頂推船隊(duì)為例建立船隊(duì)操縱數(shù)學(xué)模型，以西江干線郁江流域飛龍大橋水域?yàn)槔⒎抡嬖囼?yàn)環(huán)境．

船隊(duì)運(yùn)動(dòng)是在各種外力和船隊(duì)產(chǎn)生的力的綜合作用下進(jìn)行的六自由度運(yùn)動(dòng)．為便于描述船隊(duì)在水平面上的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、簡化計(jì)算，在慣性坐標(biāo)系與附體坐標(biāo)系結(jié)合的坐標(biāo)系統(tǒng)下，采取四自由度運(yùn)動(dòng)模型[16]描述船舶運(yùn)動(dòng)．

(12)

式中：m為船隊(duì)質(zhì)量，t；mx、my分別為縱向、橫向船隊(duì)附加質(zhì)量，t；H、P、R、D分別為船體、螺旋槳、舵及風(fēng)流干擾；X、Y、N、K分別為縱向、橫向、艏搖及橫搖的水動(dòng)力和力矩，N·m；Izz、Jzz分別為船隊(duì)繞z軸的慣性矩和附加慣性矩，N·m；Ixx、Jxx分別為船隊(duì)繞x軸的慣性矩和附加慣性矩，N·m．

(13)

式中：W為船舶排水量，t；g為重力加速度；kx為慣性半徑，m；B為船寬，m；ε為船舶種類系數(shù)．

(14)

式中：C、T、B分別為船隊(duì)、推輪和駁船；LR、LT分別為駁船和推輪船長，m；Xgc為船隊(duì)重心x軸向坐標(biāo)K1、K2、K3分別為橫向、縱向以及繞z軸慣性系數(shù)，取值與隊(duì)形有關(guān)，本研究取K1、K2取2，K3取1．

2.2 仿真環(huán)境建模

選取郁江流域飛龍大橋水域?yàn)檠芯繉?duì)象，其地理位置見圖4，航道走向85.1°～0274.5°．為便于模型計(jì)算，參考試驗(yàn)水域洪水期自然環(huán)境特征，取橫風(fēng)10 m/s，流速取3 m/s，流向角取+4°(以正北為基準(zhǔn)，順時(shí)針為+，逆時(shí)針為-，下同)；船隊(duì)操縱性相較單船更差，因此在洪水期過橋時(shí)為保證舵效往往以全速或接近全速航行，此處航速取10 kn．操縱模擬試驗(yàn)采用NT-PRO5000型全任務(wù)大型船舶操縱模擬器，建立所選水域及其附近的電子航道模型和三維視景模型，見圖5．按照該水域航路航法，圖5a)中6#與7#橋墩之間為上行航道，7#與8#橋墩之間為下行航道，通航孔跨徑均為185 m．

圖4 仿真試驗(yàn)水域地理位置

圖5 仿真試驗(yàn)圖示

根據(jù)3 000 t級(jí)一頂二船隊(duì)相關(guān)資料分別建立該試驗(yàn)船隊(duì)的數(shù)學(xué)模型和三維視景模型，其基本參數(shù)見表1，編隊(duì)方式見圖6．

表1 試驗(yàn)船隊(duì)基本參數(shù)

圖6 船隊(duì)編隊(duì)方式示意圖

2.3 船隊(duì)數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證

為確保船隊(duì)數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)靜水仿真旋回試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證．旋回試驗(yàn)環(huán)境及方案：靜水，無風(fēng)、無浪環(huán)境，船隊(duì)全速直航下(12 kn)采用左滿舵和右滿舵進(jìn)行旋回試驗(yàn)，具體參數(shù)見表2，其中，左滿舵旋回試驗(yàn)中，進(jìn)距約為旋回初徑的1.1倍，橫距約為旋回初徑的45%；右滿舵試驗(yàn)中，進(jìn)距約為旋回初徑的1.1倍，橫距約為旋回初徑的44%，均符合船隊(duì)旋回圈要素之間的比例關(guān)系．

表2 試驗(yàn)船隊(duì)旋回試驗(yàn)參數(shù)

2.4 模擬試驗(yàn)結(jié)果

模擬試驗(yàn)?zāi)M了一般狀況下即船速與風(fēng)流速度在橋軸線方向分量相反時(shí)船隊(duì)下水通過橋孔的操縱過程，其中模擬試驗(yàn)航速為10 kn，初始航向85.1°，航行漂角分別取+4°、+5°和+6°，航跡帶寬度見圖7．在不同過橋航程取值下量取所占通航寬度值并與船橋間距(取0.6BF)相加，將結(jié)果與相同航速下模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖8．

圖7 船隊(duì)下水過橋航跡圖

圖8 模擬試驗(yàn)通航寬度值與模型計(jì)算值對(duì)比

由圖8可知：模擬試驗(yàn)所得通航寬度值與模型計(jì)算結(jié)果的變化趨勢(shì)一致：橋前航程取值相同時(shí)，漂角越大，通航寬度值越大；漂角取值相同時(shí)，橋前航程越大，通航寬度值越大．且相同工況下兩者所得結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性．

3 船隊(duì)洪水期下行過橋操縱分析

3.1 模型計(jì)算結(jié)果與《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算結(jié)果對(duì)比

1) 船隊(duì)航跡帶寬度BFBF=B+Lsinα=39.5 m

2) 富裕寬度ΔBm(I～V級(jí)航道可取0.6倍航跡帶寬度) ΔBm=0.6BF=23.7 m

3) 下行船隊(duì)偏航距Pd橫流流速=0.2 m/s；查表得Pd=15 m；代表船隊(duì)單孔單向通航所需通航凈寬Bm1=BF+ΔBm+Pd=78.2 m

將航寬模型計(jì)算結(jié)果與按照《標(biāo)準(zhǔn)》所得結(jié)果進(jìn)行比較，見圖9．

圖9 α、S取不同值時(shí)模型計(jì)算值與《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算值

由圖9可知:當(dāng)航速為8 kn時(shí)：漂角取4°，橋前航程取1.0和1.5倍船長時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果小于或約等于《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算結(jié)果．當(dāng)航速為10 kn時(shí)：漂角取4°，橋前航程取1.0和1.5倍船長時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果小于《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算結(jié)果；漂角取5°，橋前航程取1.0倍船長時(shí)，模型計(jì)算結(jié)果略小于《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算結(jié)果，其余情況下模型計(jì)算結(jié)果均大于《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算結(jié)果．進(jìn)一步分析可得：按照《標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算的通航所需寬度僅與船隊(duì)長寬、漂角和漂距有關(guān)，且漂角取值固定、漂距取值僅與橫流流速有關(guān)．而所建模型加入了風(fēng)和流的綜合影響，且考慮了駕駛員的主觀選擇：根據(jù)橋區(qū)河段引航方法，船隊(duì)過橋前應(yīng)掛高船位，調(diào)整風(fēng)流壓差，以固定漂角和航速過橋，橋前距離和航速的選擇以及漂角的調(diào)整情況均與駕駛員實(shí)際操縱情況有密切關(guān)聯(lián)．

3.2 頂推船隊(duì)洪水期下行過橋操縱要點(diǎn)

頂推船隊(duì)洪水期下水航行船速快，受風(fēng)、流影響較大，操縱較為困難，為保證其安全過橋，結(jié)合仿真試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際操船經(jīng)驗(yàn)，建議如下：①船隊(duì)過橋前應(yīng)提前掛高船位，并調(diào)整好船舶姿態(tài)，避免以不利姿態(tài)通過橋梁；②在船速較快且船隊(duì)受風(fēng)流影響較大時(shí)，橋前航程的選擇不宜過長，以1～1.5倍船長為宜，且應(yīng)時(shí)刻關(guān)注船隊(duì)與橋墩間距；③為控制船隊(duì)在過橋期間的偏航距，過橋時(shí)漂角不宜過大，應(yīng)盡可能控制在4°以內(nèi)，以避免因偏航距過大導(dǎo)致撞橋．

4 結(jié) 束 語

將風(fēng)流漂移模型引用到船隊(duì)洪水期下行過橋所需通航寬度的計(jì)算，并通過仿真操縱試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性．將風(fēng)流模型進(jìn)行細(xì)化，分析了不同漂角和橋前航程取值情況下船隊(duì)所需通航寬度，為船隊(duì)橋前的姿態(tài)調(diào)整和把握過橋時(shí)機(jī)提供參考．計(jì)算了最不利狀況下船隊(duì)下行過橋所占航寬，并總結(jié)船隊(duì)過橋期間操縱要點(diǎn)．