潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度確定方法

張繼良，江澤安，王 穎

(長江河湖建設(shè)有限公司，湖北 武漢 430000)

水路運(yùn)輸?shù)闹饕\(yùn)輸工具為船舶。水路運(yùn)輸主要存在航道水域與港口水域，港口水域包含制動(dòng)水域與潮間帶-近海水域等。港口通航水域設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是通航平面尺度確定問題，其中通航水域設(shè)計(jì)難度最高的港口水域?yàn)槌遍g帶-近海水域[1]。平面尺度越大，船舶航行安全程度越高，但航道建設(shè)與水域維護(hù)成本較高，平面尺度越小，船舶航行危險(xiǎn)性越高，但會(huì)降低成本，為此需確定通航平面尺度，提升船舶通航安全性與經(jīng)濟(jì)性。

寧書江等[2]為避免出現(xiàn)擱淺風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)船舶通航寬度確定方法，充分分析船舶自身特點(diǎn)與航行基本尺度等因素，塑造通航寬度計(jì)算模型，該方法可有效確定不同航行長度與風(fēng)速時(shí)的通航寬度，該方法在確定通航寬度方面具備一定的有效性和可信度。甘浪雄等[3]依據(jù)風(fēng)流漂移因素，設(shè)計(jì)船舶通航寬度計(jì)算模型，確定雙向通航寬度，該方法在不同流速與風(fēng)速時(shí)，均可有效確定通航雙向?qū)挾?，該方法具備一定的適用性與精準(zhǔn)性，獲取船舶在不同風(fēng)速及流速條件下的航行限制條件。

但以往的研究成果均存在費(fèi)用較高、方案保守等缺陷，無法在工程實(shí)例中直接應(yīng)用。為此研究潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度確定方法，有效確定通航平面尺度，確保船舶通航安全。

1 通航平面尺度確定方法

1.1 潮間帶-近海水域工程概況

某潮間帶-近海水域的徑流主要來源是降水，植物覆蓋度較高。年均徑流量是160.8億m3，年均徑流深是523.5mm，25%頻率洪水流量是13300m3/s。年均輸沙量是1820萬t，年輸沙模數(shù)是693t/km2，年均輸沙率是654kg/s，年均含沙量是2.28kg/m3，該潮間帶-近海水域海勢與海岸比較穩(wěn)定，常年水面無大波瀾，流速很小。該潮間帶-近海水域具備中小型船舶自由會(huì)船條件，還符合大型船隊(duì)單向通航條件。大型船隊(duì)雙向通航受限，但確定安全平面尺度后也可實(shí)現(xiàn)雙向通航。

1.2 潮間帶-近海水域船舶通航操作模擬軟件數(shù)學(xué)模型

潮間帶-近海水域內(nèi)船舶的運(yùn)動(dòng)方程為六自由度剛性物體運(yùn)動(dòng)方程，分別是3個(gè)移動(dòng)速度與角速度分量U=(u，v，w)、Ω=(p，q，r)。

Oxyz坐標(biāo)原點(diǎn)是船舶重心位置，3個(gè)坐標(biāo)方向與船舶慣性主軸平行[4-5]，船舶六自由度方程為：

(1)

式中，m—船舶質(zhì)量；X、Y、Z—3個(gè)方向的水動(dòng)力分量；Jx、Jy、Jz—船舶慣性力矩；K、M、N—船舶速度分量。

在xOy平面為對稱的，同時(shí)船舶橫搖角較小情況下，w、p、q相對X、Y與N的影響可無須考慮，式(1)可簡化成四自由度方程，公式如下：

(2)

船舶通航操作模擬軟件DynaSIM內(nèi)采用的水動(dòng)力與船舶力矩的數(shù)據(jù)模型均為模塊化的[6]，即令各分量描繪水動(dòng)力分量總和F與船舶力矩的分量總和M，公式如下：

(3)

式中，ZH、MH—裸船舶水動(dòng)力與力矩分量；ZR、MR—舵水動(dòng)力與力矩分是；ZP、MP—螺旋槳水動(dòng)力與力矩分量；ZT、MT—推進(jìn)器水動(dòng)力與力矩分量；ZA、MA—風(fēng)水動(dòng)力與力矩分量；ZW、MW—波浪水動(dòng)力與力矩分量；ZC、MC—水流水動(dòng)力與力矩分量；Zint、Mint—相互作用水動(dòng)力與力矩分量。

利用上述船舶通航操作模擬軟件DynaSIM模擬船舶通航情況，通過處理與分析通航情況，獲取確定通航平面尺度所需參數(shù)，設(shè)計(jì)通航平面尺度的寬度數(shù)學(xué)模型與水深數(shù)學(xué)模型，計(jì)算寬度與水深，確定安全的船舶通航平面尺度。

1.3 潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度的寬度確定方法

令潮間帶-近海水域內(nèi)船舶進(jìn)入彎道過程中的初始航向角是ε1，潮間帶-近海水域內(nèi)船舶駛出彎道過程中的航向角是ε2，ε1與ε2均按航道軸線逆時(shí)針轉(zhuǎn)至船舶首尾線是正，否則是負(fù)[7]。在船舶不受風(fēng)、流影響時(shí)的通航平面尺度的寬度數(shù)學(xué)模型如下[8-10]：

(1)在ε1>0，ε2≥0情況下。

潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度的寬度數(shù)學(xué)模型如下：

Gsinε1-Gsinε2+Bsinε2

(4)

式中，l—船舶寬度；B船舶長度；G—船舶轉(zhuǎn)心到船尾距離；E—船舶航跡曲率半徑。

(2)在0≤ε2≤ε1情況下。

潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度的寬度計(jì)算公式與式(4)一致。

在船舶通航受風(fēng)力影響情況下，通航寬度需加入風(fēng)致漂移量ΔL，計(jì)算公式如下：

(5)

式中，λ—修正系數(shù)；η—隨機(jī)數(shù)；La—船舶水線上方受風(fēng)面積；Ls—船舶水線下方面積；Ms—風(fēng)中船速；Ma—相對風(fēng)速；φ—風(fēng)向和船舶主軸法線夾角；M—船舶靜水速度；θ—船舶彎曲角。

在船舶受水流影響情況下，潮間帶-近海水域內(nèi)通航寬度需加入流致漂移量ΔL′，計(jì)算公式如下：

(6)

式中，v—潮間帶-近海水域流速；β—流向角。

按照疊加原理，確定單船舶在潮間帶-近海水域內(nèi)的通航寬度，公式如下：

(7)

船舶在潮間帶-近海水域內(nèi)通航時(shí)需留有一定的安全寬度，就是船舶和船岸間的安全寬度及會(huì)船過程中兩船間的安全寬度。

單向通航過程中，依據(jù)船舶駛出航道邊界的小概率條件，計(jì)算獲取船舶和船岸間的安全寬度。如果偏航角不大，那么通航寬度為兩舷允許偏離航道軸線和船舶寬度總和[11]。概率計(jì)算公式如下：

(8)

式中，σx—船舶均方偏差。

通常情況下設(shè)置兩舷駛出航道邊緣的概率為0.03，則式(8)可變更為：

(9)

式中，Φ(η)—拉普拉斯函數(shù)。

船舶和船岸間的安全寬度數(shù)學(xué)模型如下：

l=λησx

(10)

在潮間帶-近海水域內(nèi)順直航段中，船舶需要的航道寬度數(shù)學(xué)模型為：

(11)

確定潮間帶-近海水域內(nèi)船舶和船舶間的安全寬度，可避免兩船相遇過程中發(fā)生碰撞危險(xiǎn)。令潮間帶-近海水域內(nèi)上水船舶偏離航行帶軸線的值是d1，下水船舶偏離航行帶軸線的值是d2，d1與d2均為隨機(jī)量，均呈正態(tài)分布。潮間帶-近海水域內(nèi)兩船會(huì)遇時(shí)的真實(shí)間距是d′=d0-d1-d2，會(huì)遇中船舷間標(biāo)準(zhǔn)間距是d0。

在d′>0情況下，則d1+d2

(12)

在潮間帶-近海水域內(nèi)順直航段雙向通航過程中，航道允許寬度數(shù)學(xué)模型公式如下：

(13)

d′0的計(jì)算公式如下：

(14)

在式(12)內(nèi)添加式(13)獲?。?/p>

(15)

在潮間帶-近海水域內(nèi)雙向通航需要的寬度數(shù)學(xué)模型為：

(16)

1.4 潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度的水深確定方法

令潮間帶-近海水域內(nèi)船舶水下存在足夠的空間供船舶操縱，可確保船舶通航安全，考慮船舶通航的潮間帶-近海水域條件與氣象條件，在船舶龍骨下水深留有安全余量，該余量是富余水深。

潮間帶-近海水域內(nèi)船舶通航平面尺度的富余水深為：

ΔH′=λ(?+h1+h2+h3+h4)

(17)

式中，?—船舶通航過程中下沉量；h1—船舶通航過程中龍骨下最小富余深度；h2—潮間帶-近海水域波動(dòng)富余深度；h3—船舶縱傾富余深度；h4—其余富余深度。

潮間帶-近海水域內(nèi)船舶通航平面尺度的水深數(shù)學(xué)模型如下：

(18)

式中，W—船舶通航過程中吃水；W1—船首吃水；W—船尾吃水。

2 實(shí)驗(yàn)分析

將本文方法應(yīng)用于長江河湖建設(shè)有限公司，確定該潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度，驗(yàn)證本文方法的有效性。

該潮間帶-近海水域內(nèi)船舶進(jìn)出港與靠離泊模擬的自然工況見表1。

表1 自然工況模擬信息

利用本文方法模擬油船與液化體化工船在不同自然工況下的通航情況，各船舶均按主航道進(jìn)出1號港口，油船重量是60000～120000t，停靠在1號港口外側(cè)，液化體化工船重量是5000～20000t，?？吭?號港口外側(cè)，船舶通航主航道模擬情況如圖1所示。

圖1 船舶通航主航道模擬情況

以12萬t油船與2萬t液化體化工船為例，利用本文方法模擬這兩艘船舶在正常條件與惡劣條件下的通航情況，正常條件風(fēng)速選擇3級，惡劣條件風(fēng)速選擇5級，本文方法模擬兩種自然工況的船舶通航情況如圖2所示。

圖2 兩種自然工況下船舶通航情況模擬結(jié)果

分析圖2可知，本文方法可有效模擬船舶在正常條件與惡劣條件下的通航情況，正常條件下油船與液化體化工船均可成功?？吭谕鈧?cè)泊位與內(nèi)側(cè)泊位，且實(shí)際航跡線與標(biāo)準(zhǔn)航道僅有微小差別；惡劣條件下油船與液化體化工船也均可成功停靠在外側(cè)泊位與內(nèi)側(cè)泊位，且船舶受風(fēng)力影響，導(dǎo)致實(shí)際航跡線與標(biāo)準(zhǔn)航道存在較大差距，與實(shí)際情況相符。實(shí)驗(yàn)證明：本文方法可精準(zhǔn)模擬不同自然工況下，潮間帶-近海水域船舶通航情況。

依據(jù)不同自然工況下，各船舶在潮間帶-近海水域內(nèi)的通航情況模擬結(jié)果，獲取船舶通航參數(shù)，依據(jù)這些通航參數(shù)，利用本文方法確定不同自然工況下，各船舶單向通航平面尺度，通航平面尺度確定結(jié)果見表2。

表2 通航平面尺度

分析表2可知，本文方法可有效確定不同自然工況下，各船舶的通航寬度與水深，即有效確定通航平面尺度，油船與液化體化工船的重量越大，其通航寬度均隨之增長，通航水深均隨之下降；當(dāng)船舶重量一致時(shí)，風(fēng)速等級越大，通航所需寬度越大，通航水深并未受風(fēng)速等級影響。實(shí)驗(yàn)證明：在不同自然工況下，本文方法均可有效確定潮間帶-近海水域內(nèi)船舶通航平面尺度，為確保船舶通航安全提供保障。

以惡劣條件6級風(fēng)速、12萬t油船為例，分析本文方法在不同船舶通航狀態(tài)及航速時(shí)的雙向通航平面尺度確定效果，通航平面尺度確定結(jié)果如圖3所示。

圖3 通航平面尺度確定結(jié)果

分析圖3可知，隨著船舶航速的提升，船舶上行、下行通航深度隨之提升，上行、下行通航水深隨之下降，上行通航深度大于下行通航深度，上行通航水深略低于下行通航水深；當(dāng)航速達(dá)到7kn時(shí)，上行、下行通航水深趨于穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)證明：本文方法可有效確定不同航速及不同航行狀態(tài)下，潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度。

3 結(jié)語

通航平面尺度問題非常繁瑣，為確保船舶通航安全，研究潮間帶-近海水域內(nèi)通航平面尺度確定方法，有效確定不同情況下的通航平面尺度，為潮間帶-近海水域內(nèi)船舶通航安全提供保障。為進(jìn)一步提升通航平面尺度確定效果，日后需結(jié)合更多的船舶數(shù)值模擬資料與實(shí)船資料。