超大型海船彎曲航段所需航寬研究

徐新中 張玉峰 劉明俊 徐言民

（江陰海事局1） 江陰 214431） （江陰興澄特種鋼鐵有限公司2） 江陰 214431）（武漢理工大學(xué)航運學(xué)院3） 武漢 430063）

目前我國每年進口礦石達14 800萬t（2003年），礦石來源主要為澳大利亞（占40.2%）、巴西（占28.3%）、印度（占22.3%）、南非（占6.6%），另有2.5%來自其他國家.長江下游礦石運輸主要采用二程運輸方式.一程遠(yuǎn)洋運輸以15萬～20萬DWT的船型為主.二程運輸通常有2種方式，一種是遠(yuǎn)洋運輸大型船在外海碼頭完全中轉(zhuǎn)卸載后，用3萬～5萬DWT二程船轉(zhuǎn)運至長江下游水域的運輸方式，另一種遠(yuǎn)洋運輸大型船在外海中轉(zhuǎn)碼頭減載后直抵長江下游碼頭.比較兩種運輸方式，在減載量占載重量的比例不大的條件下，采用一程遠(yuǎn)洋運輸大型船減載直抵長江下游碼頭的運輸方式具有運輸成本相對較低的優(yōu)勢，也可以適應(yīng)長江下游水域發(fā)展的需要，做到合理、高效利用現(xiàn)有泊位資源的要求.超大型海船減載進出福姜沙水道后可以將大型海船進江里程大大延伸，對江陰的經(jīng)濟將具有巨大的拉動作用，對江陰興澄特鋼的可持續(xù)發(fā)展和積極應(yīng)對金融危機具有積極意義.

目前15萬t海船可以直抵江陰福姜沙水道下游的砂鋼碼頭，但由于福姜沙水道曲折多彎，而且流壓角較大，航行條件比較復(fù)雜.有必要對超大型海船彎曲航段通航寬度進行研究，以驗證超大型海船航經(jīng)福姜沙水道的可能性.劉明俊等［1－5］曾分別對船舶風(fēng)致漂移、流致漂移和過彎道航寬進行了研究.本文將風(fēng)致漂移、流致漂移模型引入船舶過彎所需航寬模型，并進行了實例計算.

1 船舶彎曲航道通航寬度建模

1.1 彎道橫流角

橫流角β是指橫流方向與航道軸線的夾角，該值的大小決定了橫流對船舶過彎時的作用方向和大小.設(shè)某彎道凸岸和凹岸航道邊線的曲率半徑為R1和R2.彎道航寬示意圖見圖1.

圖1 彎道航寬示意圖

對于某一具體彎道而言，流向角β值變化不大，若圖中軸線的曲率半徑為R，河寬為B，則有

1.2 坐標(biāo)系

為便于計算船舶通過時所需要的航道寬度，首先建立計算坐標(biāo).設(shè)定坐標(biāo)的原點均位于各航段的軸線上，縱軸Y平行于航道軸線指向下游，橫軸X垂直于各自航道軸線指向右岸.船舶航行時，設(shè)船首尾線與Y軸的夾角稱為偏航角α，流向與Y軸的夾角稱為流向角β，風(fēng)作用方向與Y軸的夾角稱為風(fēng)向角αf，如圖2所示.

圖2 計算坐標(biāo)示意圖

1.3 彎曲航段過彎運動數(shù)學(xué)建模

首先確定代表船舶在無風(fēng)作用下通過彎曲河段所需航寬B1、受風(fēng)作用產(chǎn)生的風(fēng)致漂移量ΔBf，然后根據(jù)疊加原理建立代表船舶過彎時，在有風(fēng)、流作用情況下所需的航道寬度.

1）無風(fēng)流影響下所需航寬 船舶在無風(fēng)流作用情況下，通過彎曲航段所占航寬（B1）的大小可用下式計算

式中：K為系數(shù)，按四六分心掛高，取1.25；R為航道軸線曲率半徑，m；b為船舶寬度，m；AC為船舶轉(zhuǎn)心至船尾的距離，m，由轉(zhuǎn)心位置確定，根據(jù)船舶操縱理論轉(zhuǎn)心位置一般位于船舶重心前1／5～1／3L，取AC＝3／4L，其中：L 為船舶長度，m；Vw為過彎時的航速，m／s；t為船舶對舵的響應(yīng)時間，s，根據(jù)代表船型B船的實船旋回試驗結(jié)果選取，計算時取28s.

2）流致漂移量 代表船舶通過彎道時，在流的作用下產(chǎn)生的橫向漂移量，可用下式計算

式中：U為流速.

3）風(fēng)致漂移量

式中：K′為修正系數(shù)，取0.038～0.041；Ba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；Bw＝Ld，d為船舶吃水，m；Vs為風(fēng)中船速，kn；Va為相對風(fēng)速，m／s；αf為風(fēng)向與航道法線的夾角，（°）.

4）所需航寬

2 彎曲航段所需航寬計算實例

2.1 航道描述

以江陰福姜沙水道為例進行計算.水道航道概況見圖3～4所示，基本參數(shù)如表1所列.

圖3 福北FB＃5～FB＃7（彎曲段）

圖4 福南FB＃47（彎曲段）

表1 江陰姜沙水道尺度 m

由表1可見，福北水道相對福南水道而言航行條件較優(yōu)越，航道基本順直，但航道寬度不大，其中FB＃5～FB＃7航道呈彎曲狀，是代表船舶安全通過該水道的主要礙航因素.在該水道航標(biāo)標(biāo)示的可航水域范圍內(nèi)，順直段最窄處在FB＃4～FB＃5之間約650m長的航段，航寬175m；彎曲段（FB＃5～FB＃7）最窄處航寬也僅175m.

福南水道下端出現(xiàn)呈S形的2個連續(xù)反向的急彎，航道不僅彎曲狹窄，且碼頭密布，船舶流量大，是代表船舶安全通過該水道的主要礙航因素.航標(biāo)標(biāo)示的可航水域范圍內(nèi)，2個反向彎道的最窄處航寬分別為137.5m和100m.

按照最不利的原則，代表船舶過福北水道時，如果最窄處能保證安全通過，則其他航段一般能安全航行，因此順直段僅對福北水道航標(biāo)標(biāo)示水域可航寬度最窄處進行分析計算，即FB＃4～FB＃5之間約650m長的航段.

2.2 計算條件

1）流速與流向 福姜沙水道水流以落潮流為主，洪水期落潮流流速一般在1.5～1.8m／s，最大可達2.5m／s，其中順直段流速大小按1.0，1.5和2.0m／s 3個流速級計算，順流航行取正值，逆流航行取負(fù)值，流向角β取5°；彎曲河段流速大小仍按1.0，1.5和2.0m／s 3個流速級計算，流向角β通過式（1）求取.

2）風(fēng)速與風(fēng)向 計算中分別按照5，6，7等4個風(fēng)級考慮，取不利橫風(fēng)，即風(fēng)向角αf取90°.

3）航速 船舶航速分別按限制速度8，10，12 kn考慮.相關(guān)計算參數(shù)見表2.

表2 相關(guān)計算參數(shù)

4）船速 對應(yīng)不同航速和流速下，船舶的順、逆流船速計算值，見表3.

表3 船舶順、逆流船速

2.3 計算結(jié)果

根據(jù)上述計算條件對船舶上、下行通過福姜沙水道彎曲航段的所需航寬情況進行計算，結(jié)果如表4所列.

表4 通過彎道所需航寬計算表

從表5可以看出，在目前設(shè)標(biāo)情況下超大型海船通過福北水道的彎曲航段，由于航標(biāo)標(biāo)示航寬最窄處僅約175m，遇流速較高和不利橫風(fēng)時航標(biāo)標(biāo)示的可航水域會略顯不足.但福北水道彎曲段最窄處，在多年平均低潮位下的實際可航水域?qū)挾瓤蛇_363m，去掉航標(biāo)繞標(biāo)位旋回所需水域2×50m，則平均低潮位下最窄處至少有263 m的有效航寬，說明代表船舶通過福北水道的彎曲段時，只要合理控制航速、及時調(diào)整航向防止偏航、有效布置航標(biāo)安全航行是有保障的.福南水道主要是以彎、窄礙航為主，其2個反向彎道方向變化較大.在現(xiàn)有航標(biāo)標(biāo)示的航道范圍內(nèi)，2個反向彎道的有效航寬分別僅為135.5，100m（扣除代表船舶航行中必須與左右側(cè)航標(biāo)保持的安全距離2×50＝100m），因此目前代表船舶安全通過福南水道，從現(xiàn)有航標(biāo)標(biāo)示的實際航寬看，不能滿足代表船舶安全通航所需航寬的要求.

3 結(jié)束語

本文提出的超大型海船彎曲航段通航尺度計算模型，可以在考慮風(fēng)致漂移、流致漂移和航道尺度的情況下，分析現(xiàn)有航道條件是否滿足超大型海船的通航條件.通過本文的分析，可以看出，在利用本文提出的模型分析后，15萬t超大型海船在減載并滿足本文提出的通航條件下，是可以安全通過福姜沙水道的.本文的研究成果對超大型海船進江具有指導(dǎo)意義.

表5 代表船舶通過彎道所需航寬分析表

［1］劉明俊，萬長征.航道通過能力影響因素的分析［J］.船海工程，2008（5）：116－118.

［2］劉明俊，周崇喜，楊曉妍，等.蘇通大橋船舶通航標(biāo)準(zhǔn)論證方法［J］.船海工程，2005（3）：24－27.

［3］劉明俊，甘浪雄.在風(fēng)流作用下船舶橋區(qū)運動模型探討［C］／／海船進江與航行安全保障論文集.中國航海學(xué)會，2003.

［4］劉明俊，劉先棟，齊傳新.船舶（隊）通過黃石大橋引航技術(shù)研究［J］.航海技術(shù)，1999（1）：2－5.

［5］劉明俊，呂習(xí)道.船舶過彎道航寬計算及應(yīng)用［C］／／內(nèi)河船舶駕駛專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會論文集.中國航海學(xué)會，2004.