臨淮崗復(fù)線船閘上游引航道船舶過閘仿真模擬試驗

李社平，鄧 偉

(中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 工程概況

臨淮崗洪水控制工程為一等大(1)型工程，主體工程由攔河壩、進(jìn)泄水閘、船閘等組成。主壩軸線上的建筑物由北至南依次為姜唐湖進(jìn)洪閘、淺孔閘、深孔閘、臨淮崗船閘、城西湖船閘[1]，見圖1。

圖1 臨淮崗水利樞紐現(xiàn)狀

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，淮河水系船舶大型化趨勢明顯，臨淮崗一線船閘通過能力已經(jīng)飽和，不能滿足航道未來貨運量增長需求、不適應(yīng)船舶大型化發(fā)展的需求，須修建臨淮崗復(fù)線船閘[2]。臨淮崗復(fù)線船閘為II級船閘，布置在一線船閘右側(cè)，兩閘軸線間距120 m[3]。設(shè)計最大船舶噸級為2 000噸級(船長×船寬×吃水為68 m×13.8 m×3.2 m)。結(jié)合貨運量預(yù)測和通過能力計算，臨淮崗復(fù)線船閘閘室有效尺度采用240 m×23 m×5.2 m(有效長度×有效寬度×門檻水深)。

2 折線型上游引航道布置

2.1 折線型上游停泊段引航道布置

根據(jù)船舶過閘流程，進(jìn)閘船舶需待出閘船舶駛離停泊段后才能啟動進(jìn)閘。常規(guī)引航道停泊段緊鄰調(diào)順段布置，對于彎曲型河流，引航道直線段不足時也可將停泊段與導(dǎo)航、調(diào)順段分開布置。這種分離式停泊段布置(圖2)由于停泊段與調(diào)順段、導(dǎo)航段間存在長約347 m的弧線段航道，由此造成進(jìn)閘船舶進(jìn)閘航行時間比常規(guī)引航道布置多5.8 min，影響過閘效率。

圖2 分離式停泊段引航道布置

折線型停泊段總長364 m，分為停泊段1和停泊段2。停泊段1與調(diào)順段、導(dǎo)航段和船閘主體在一條直線上，長194 m，可停泊1排2列共2艘過閘船舶，過閘船舶緊鄰上游調(diào)順段布置，保證了過閘效率，停泊段1后方預(yù)留了48 m的間距，方便了停泊段2過閘船舶調(diào)整航向進(jìn)閘。停泊段2與停泊段1的夾角參照碼頭端部泊位水域底邊線與碼頭前沿線的夾角規(guī)定，取139°。停泊段2長度為170 m，可停泊1排1列共1艘過閘船舶。同時折線型停泊段兩側(cè)預(yù)留的48 m和68 m距離符合兩碼頭前沿線成折線相交時富余長度的要求。引航道左側(cè)布置有與輔導(dǎo)航墻相接的22個警示分隔墩，分布長度210 m，具體平面布置方案見圖3。

圖3 折線型停泊段引航道布置

折線型停泊段的引航道布置符合規(guī)范要求，導(dǎo)航段、調(diào)順段和停泊段緊鄰布置在同一直線上，同時為了滿足一個閘次的過閘船舶?？恳?，在折線外設(shè)置了停泊段2。折線段的挖入式區(qū)域保證了停泊段2船舶啟動進(jìn)閘所需調(diào)順航向的空間。因此折線型停泊段引航道布置與常規(guī)引航道布置方案過閘效率基本一致，減少侵占上游灘地約22.3萬m2、減少土方開挖量約102萬m3，節(jié)省工程投資的同時減少征地賠償工作，有利于工程的后期實施。

2.2 引航道布置存在的問題及解決方法

折線型停泊段引航道是在分離式停泊段布置的基礎(chǔ)上演化而來，與傳統(tǒng)直線式布置有較大差別，可能會存在船舶進(jìn)出閘不順暢、出閘船舶與停泊段船舶互相干擾等問題，應(yīng)進(jìn)行必要的驗證，為營運期船舶調(diào)度提供技術(shù)支撐。

船舶操縱仿真模擬試驗是解決類似問題有效和常用的方法，其特點如下：

1)模擬試驗的環(huán)境和實際水域環(huán)境接近，可實現(xiàn)邊界條件下的通航環(huán)境模擬，確定設(shè)計船型的通航可行性。

2)模型船舶的操縱特性數(shù)據(jù)與原型的操縱特性具有相似性，較實船試驗而言，模擬試驗可增強(qiáng)船舶通航安全性、能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)估航行風(fēng)險。

3)對所進(jìn)行的模擬試驗可隨時回放，及時發(fā)現(xiàn)問題，修正實施方案，優(yōu)化船閘平面布置。

4)所進(jìn)行試驗的模擬結(jié)果可以記錄、打印，以供進(jìn)一步分析研究，對于方案存在的不合理之處可及時修改。

滑帶土(T1d)④(圖2、圖3)：灰褐色，為粉質(zhì)粘土和強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r碎石組成，可塑，很濕，無搖振反應(yīng)，干強(qiáng)度及韌性中等，層厚0.40～0.50 m。巖土力學(xué)性質(zhì)詳見表1。

3 船舶過閘操縱仿真模擬試驗

船舶操縱仿真模擬研究借助船舶操縱模擬器，根據(jù)不同類型的船舶操縱特征，考慮各類船舶實際航行、作業(yè)習(xí)慣，在港航工程水域?qū)Υ昂叫?、作業(yè)操作過程進(jìn)行計算機(jī)仿真模擬，獲取模擬環(huán)境下船舶航行及靠、離泊作業(yè)等的運動特征、軌跡及相關(guān)技術(shù)參數(shù)，通過統(tǒng)計、分析和研究試驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，檢驗港航工程設(shè)計方案的合理性，為有關(guān)管理部門立項審批或批復(fù)港航工程建設(shè)提供決策依據(jù)。

為了驗證臨淮崗上游折線型引航道布置條件下過閘船舶操縱的便利性和安全性，開展了臨淮崗復(fù)線船閘船舶過閘操縱仿真模擬試驗。

3.1 仿真模擬試驗方法

試驗采用全任務(wù)大型船舶操縱模擬器，通過構(gòu)建ECDIS及視景系統(tǒng)、建立船舶運動數(shù)學(xué)模型、模擬通航環(huán)境、建立擬建工程仿真試驗?zāi)Ｐ?、分析船舶操縱理論和計算，采用TRANSAS公司新一代仿真軟件(NT-PRO5000型)進(jìn)行仿真模擬試驗數(shù)據(jù)分析，從而確定過閘船舶的安全性和操作便利性。模擬試驗的方法流程見圖4。

圖4 試驗方法流程

3.2 試驗船型

采用設(shè)計代表船型2 000噸級標(biāo)準(zhǔn)化船舶，總長為63～90 m、型寬為13.8～16.2 m，設(shè)計吃水為2.6～3.5 m，見圖5。本次試驗?zāi)M船型尺寸為長68 m、寬13.8 m、滿載吃水3.2 m。

圖5 2 000噸級船舶6自由度船舶數(shù)學(xué)模型三維視景

3.3 模擬試驗工況

結(jié)合臨淮崗復(fù)線船閘工程水域通航特點，充分考慮有關(guān)安全通航和作業(yè)限制條件，確定模擬試驗工況設(shè)計方案：1)水流條件。根據(jù)《淮河航道臨淮崗復(fù)線船閘工程水工物理模型試驗研究報告》成果[4]，仿真模擬試驗按工程不同運行水位取值模擬流場。2)氣象條件。水平能見度不小于2 000 m；風(fēng)向為E向，風(fēng)速為3.1 m/s；波浪方向同風(fēng)向一致，浪高0.2～0.4 m。見表1。

表1 2 000噸級船舶出閘試驗方案設(shè)計

3.4 仿真模擬試驗結(jié)果

數(shù)值分析顯示試驗船型出閘航跡帶寬度和所需航道寬度見表2。

表2 2 000噸級船舶出閘航道通航寬度

以上數(shù)據(jù)表明，2 000 t散貨船出閘航行航跡帶寬度最大為16 m，所需雙向航道寬度為43.6 m，配套航道寬度65 m，滿足船舶雙向航行對航道寬度的要求。

物理模型試驗顯示，最高通航水位下引航道通航水流條件最差，灘槽泄水工況出現(xiàn)頻次最多，最低通航水位時水面寬度最小。圖6分別為各種工況下船舶出閘航跡圖。

圖6 上行出閘航跡

3.5 研究結(jié)論

試驗選取2 000噸級散貨船模型，在最高通航水位、河道灘槽泄水、最低通航水位時所對應(yīng)的流場及3.1 m/s常風(fēng)工況條件下，根據(jù)工程航道特點確定了通航模擬試驗方案。在試驗取得的相關(guān)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上形成結(jié)論：

1)代表船型上行最大航跡帶寬度為16 m，下行最大航跡帶寬度為16 m，最大雙向航道通航寬度為43.6 m。設(shè)計上游引航道總長517.5 m，其中導(dǎo)航段長度為68 m、調(diào)順段長102 m，水深4.8 m，寬度65 m。能夠滿足2 000噸級散貨船在試驗工況組合條件下航行要求。

2)2 000噸級散貨船上行出閘模擬試驗表明，左側(cè)警示分隔墩數(shù)量為22個時，為避讓進(jìn)閘停靠船舶，并且由于受到風(fēng)、浪、流的影響，船舶在上行轉(zhuǎn)彎航段低速條件下舵效降低，容易與左側(cè)警示分隔墩擦碰。左側(cè)警示分隔墩減至13個時，船舶出閘后能在留出富余安全距離的情況下同時避讓右側(cè)等待進(jìn)閘船舶和左側(cè)警示分隔墩，大大提高了船舶上行出閘的安全性。

3)船舶通航限制條件為：①能見度良好，視距不小于2 000 m；②除應(yīng)急操作外，代表船型作業(yè)條件，限制作業(yè)風(fēng)力不大于蒲氏風(fēng)力4級(≤6.7 m/s)；③船舶全程安全富余水深應(yīng)不小于船舶最大吃水的10%。

仿真模擬試驗有效地支撐了臨淮崗船閘上游引航道布置的合理性。試驗結(jié)果表明：臨淮崗復(fù)線船閘上游折線型引航道布置是合理的，將左側(cè)警示分隔墩由22個減少至13個(長度130 m)后可滿足2 000噸級船舶過閘通航要求。

4 結(jié)語

1)臨淮崗復(fù)線船閘上游引航道布置創(chuàng)新地采用了折線型布置，仿真模擬試驗有效驗證了這種布置的可靠性。

2)臨淮崗船閘在河道條件或用地受限制情況下的引航道采用折線型布置可以節(jié)省占地、減少征地拆遷等社會風(fēng)險、降低對過閘時間的影響。

3)通過船舶試驗驗證優(yōu)化，折線型引航道停泊段不作為引航道直線段的必要組成部分是可行的。

4)停泊段至閘首之間的引航道水流條件、氣象條件對引航道尺度有一定影響，可通過船舶過閘仿真模擬試驗進(jìn)行優(yōu)化。