基于船舶漂移的橋梁水域界定模型的研究

李中剛 張海濤

（武漢理工大學，湖北武漢 430063 ）

隨著我國道路交通的快速發(fā)展，各種跨越天然及人工航道的橋梁也在不斷增多，眾多橋梁的建設在對公路、鐵路運輸帶來便利的同時，也對航運產生深遠的影響。針對橋梁建設的通航安全研究，不僅對橋梁所在水道的航運有著重要意義，對橋梁自身的安全也至關重要。本文將從船舶在橋梁水域航行時漂移量計算的角度建設模型，對橋梁水域的界定進行探討。船舶在橋區(qū)航行時，受到風流的影響會產生橫向的漂移。根據(jù)不同的風流組合，在限定的通航凈寬條件下，可以計算出航行距離與通航凈寬之間的數(shù)量關系，從而為橋梁水域范圍的劃定提供參考。

1 風流影響下漂移量的計算

1．1 船舶過橋漂移量坐標系的建立

為了計算船舶過橋時受風流作用下的漂移量值，必須先建立船舶過橋漂移量的計算坐標系［1］（船舶過橋漂移量計算坐標系如圖1 所示）。

設定計算坐標系的原點為輸煤棧橋單向通航孔的中心位置，橫軸（X）垂直于大橋軸線，正軸指向長江的下（上）游方向，縱軸（Y）平行于大橋軸線，正軸指向長江的左（右）岸。船舶過橋時，船舶首尾線X與軸的夾角稱為偏航角α，水流方向與X軸的夾角稱為流向角β。

①坐標原點O 為計算初始時刻（t＝0）船舶重心的位置；

②船速V s，（單位：m／s ）；

圖1 船舶過橋漂移量計算坐標系

③α—船舶偏航角，（單位：°）；

④V a—風速，船舶受橫風的影響，（單位：m／s ）；

⑤V w—流速，（單位：m／s ）；

⑥β—橋梁軸線的法線方向與水流流向的交角，（單位：°）。

1．2 船舶過橋漂移量數(shù)學模型的建立

船舶航行時漂移量數(shù)學模型的建立，首先應分別確定船舶在無風、無流影響情況下通過所需航寬B1和船舶在風流作用下因漂移增加的航跡帶寬度B2，其中B2應包括船舶受風的影響產生的風致漂移量BF、船舶受流的影響產生的流致漂移量BL、和船舶航行中偏航角引起的航跡帶寬度的增加量（又稱為偏航量）BP［2］。然后根據(jù)疊加原理建立船舶上、下水通過該順直航段時，在有風、流影響情況下所需航寬數(shù)學模型。（船舶漂移量數(shù)學模型如圖2 所示）。

（1）無風、流情況下船舶航跡帶寬度B1

在無風無流情況下，船舶航跡帶寬度可按下式進行計算：

圖2 船舶漂移量數(shù)學模型

（2）船舶航行中風致漂移量BF

考慮在極限的情況下（風舷角為90°），即船舶正橫受風時，風動力最大，則船舶航行中風致漂移速度V F可由下面公式計算得出：

Bα—船體水線上側受風面積（m2）；

Bw—船體水線下側面積（m2）；

L—設計船長（m）；

d—船舶吃水（m）；

VS—船速（單位：Kn）；

Vα—相對風速（m／s）。

因此，船舶航行中受風影響情況下的漂移量BF可用下式計算：

（3）船舶航行中流致漂移量BL

船舶航行在各種水流情況下的流致漂移量BL可用下式計算

其中：VW—水流速度（m／s ）；

V S—船速（m／s ）；

α—船首尾線與X 軸的夾角，稱為偏航角（°）；

β—水流流向與 X 軸的交角，（°）；

S—計算河長（m）。

（4）船舶航行中由偏航角引起的航跡帶寬度增加量BP

偏航角α所引起的航跡帶寬度的增加量B P可用下式進行計算：

綜上所述，船舶在不同風流作用下，以不同的偏航角航行時，在最為不利風流組合下，即風致漂移量、流致漂移量和偏航角所引起的航跡帶寬度增加量在相同方向上疊加，船舶航行時所需航跡帶寬度應為：

可推出航行距離與風、流及通航凈寬間的距離公式：

航行距離為船長、橋寬、與橋梁水域之和，可推出橋梁水域長度為：

其中：Bq—橋梁寬度（通航孔兩側橋墩寬度）

2 橋梁水域界定的意義

橋梁水域的界定，對在橋梁水域航行的船舶航行安全和橋梁自身的安全，以及在橋梁水域內，船舶的行為、通航環(huán)境、和橋梁設施設置都會受到影響［3～4］，包括：

（1）船舶在橋梁水域航行，航速和航向及船舶間距都受到一定的限制，并禁止追越，對橋梁水域的通航密度產生影響；

（2）橋梁水域的劃定對處在橋梁水域內的岸線使用及水工建筑的營運作業(yè)會產生影響，如規(guī)劃布局和作業(yè)時間等；

（3）橋梁水域內助航標志的設置和航路、航法的制定；

（4）航行保證措施和應急預案的制定。

1 郭國平．船舶操縱［M］．人民交通出版社，1999

2 程志友．橋區(qū)船舶失控漂移航機計算機模擬研究［J ］．武漢理工大學，2007

3 吳兆麟．海上交通工程學［M］．大連海事大學出版社，2002

4 甘浪雄．航道條件對船舶航行可靠性的影響［J ］．中國航海，2001 （2）：55 ～57

5 E．van Manen．Ship Collisions due to the Presence of Bridges［R］．Brussels PIANC General Seeretariat ，2001