三峽庫區(qū)深水航道航標(biāo)配置分析

劉作飛，蔣明貴，聞光華

（長江重慶航道局，重慶 401147）

三峽庫區(qū)深水航道航標(biāo)配置分析

劉作飛，蔣明貴，聞光華

（長江重慶航道局，重慶 401147）

三峽庫區(qū)175 m蓄水運(yùn)行后，由于水深增加，河道變寬，風(fēng)浪作用增強(qiáng)，先前在水上設(shè)置的浮標(biāo)變成了深水標(biāo)，原有的航標(biāo)浮具（標(biāo)志船、標(biāo)體、標(biāo)燈）配置不能適應(yīng)航道條件變化，存在著整體穩(wěn)定性變差、助航效果降低、安全隱患增大等諸多問題。文章結(jié)合目前三峽庫區(qū)航標(biāo)設(shè)置及系留設(shè)施有關(guān)情況，通過浮具的受力分析與維護(hù)實(shí)踐，對(duì)航標(biāo)的浮具、系纜設(shè)施、鋼纜、錨石形狀、尺寸等進(jìn)行了匹配選型，找到了庫區(qū)深水航標(biāo)合理的型號(hào)配置。

三峽庫區(qū)；深水航標(biāo)；型號(hào)配置

航標(biāo)是最重要的助航設(shè)施之一，被譽(yù)為船舶航行的“眼睛”，要保障通航安全，首先必須保證航標(biāo)助航效能的正常發(fā)揮。

原天然情況下，川江航道彎曲狹窄，水深不大，流速較急，為滿足助航及維護(hù)工作需要，水上的航標(biāo)（浮標(biāo)）設(shè)置普遍采用6.7 m標(biāo)志船及配套設(shè)施。三峽庫區(qū)蓄水后，一方面原有浮標(biāo)配置已不能適應(yīng)航道水流條件的變化，出現(xiàn)了如航道水深抬高后浮標(biāo)錨纜增長、自重增大，河面寬度增加、流速減緩后浮標(biāo)受到風(fēng)浪作用增強(qiáng)，標(biāo)志易漂移走位等問題，難以保證助航效能的發(fā)揮；另一方面，由于上游航運(yùn)的發(fā)展，船舶大型化、標(biāo)準(zhǔn)化趨勢明顯，對(duì)庫區(qū)航標(biāo)標(biāo)志大型化、燈光明亮化的助航效能提高需求也日益強(qiáng)烈，而原設(shè)置的浮標(biāo)尺寸較小，助航效果不明顯，給船舶航行帶來重大安全隱患。為此，針對(duì)三峽庫區(qū)蓄水后形成的深水航道特點(diǎn)，優(yōu)選出合理的浮標(biāo)浮具型號(hào)及系留設(shè)施配置，這對(duì)于保證船舶航行安全有著重要作用。

1 庫區(qū)航標(biāo)配布原則及現(xiàn)狀

目前三峽庫區(qū)干線航道維護(hù)類別及航標(biāo)配布類別均為一類。其轄區(qū)航標(biāo)配布主要有兩種［1］：一種是位于涪陵李渡（長江上游航道里程548 km）以下已實(shí)施了航路改革的河段，該河段主要是按照船舶定線制各自靠右航行要求，全年在航道兩側(cè)鎖鏈?zhǔn)脚洳己綐?biāo)，其配布原則是：在河段兩側(cè)按一標(biāo)接一標(biāo)的方式連續(xù)配布航標(biāo)，確保白天可以從一座標(biāo)看到次一座標(biāo)，晚上可以從一盞燈看到次一盞燈，并保證相鄰標(biāo)志所標(biāo)示的航道界限內(nèi)有規(guī)定的維護(hù)水深。另一種是位于李渡以上未實(shí)施航路改革的河段，該河段主要是根據(jù)上行船舶航線配布航標(biāo)，其配布原則是：當(dāng)航道寬度等于或小于兩倍標(biāo)準(zhǔn)航寬時(shí)，兩側(cè)連續(xù)配布航標(biāo)，標(biāo)示航道方向和界限；當(dāng)航道寬度大于兩倍標(biāo)準(zhǔn)航寬時(shí)，僅在上行船舶航線一側(cè)連續(xù)配布航標(biāo)，標(biāo)示航道方向和界限，另一側(cè)根據(jù)航道條件和船舶駕引操作特點(diǎn)，適當(dāng)配布航標(biāo)［2］。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前三峽庫區(qū)長江重慶航道局轄區(qū)內(nèi)共配布設(shè)置有航標(biāo)1 600余座，其中岸標(biāo)400余座，浮標(biāo)1 200余座，浮標(biāo)數(shù)量約占配標(biāo)總數(shù)的75%。浮標(biāo)組成包括標(biāo)體、浮具（標(biāo)志船）及系留設(shè)施，其中，浮具作為浮標(biāo)標(biāo)體的承載物主要采用的有10 m鋼質(zhì)標(biāo)志船和6.7 m鋼質(zhì)標(biāo)志船兩種，系留設(shè)施通常為鋼纜和錨石。

2 深水浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)分析

庫區(qū)浮標(biāo)在正常運(yùn)行狀態(tài)下主要受自身重力、上浮力、水流荷載、風(fēng)荷載、波浪荷載以及系纜力的綜合作用，力平衡狀態(tài)較復(fù)雜。為清楚闡述浮標(biāo)受力關(guān)系，可將浮標(biāo)所受風(fēng)荷載、水流荷載和波浪荷載合并為一水平外力R，豎向除受自重G和向上浮力F外，還受錨纜的拉力Tf作用。錨石除受自重和浮力外，還受河床摩擦力（即抓地力）f和錨纜拉力Tm作用。錨纜由于采用鋼絲繩，其受力除有Tf和Tm的反作用力外，還有其自身自重和所受浮力。考慮其在水下的單位長度重力為ω。

浮標(biāo)及其系留設(shè)施力平衡系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 浮標(biāo)及其系留設(shè)施力平衡系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of force balance system of buoy and its mooring facilities

圖1中H為實(shí)際設(shè)標(biāo)水深，Φ為鋼纜在錨石處與水平向的夾角，坐標(biāo)原點(diǎn)O處為假設(shè)的錨纜懸鏈曲線的反向延長線與x軸的交點(diǎn)，在該點(diǎn)處錨纜趨于水平，Φ值等于零。S1為錨石至原點(diǎn)O的錨纜長度，S2為浮標(biāo)至原點(diǎn)O的錨纜長度，設(shè)標(biāo)鋼纜的實(shí)際長度S＝S2-S1。

根據(jù)H.O.貝托和巖井聰［3－4］對(duì)浮標(biāo)受力的平衡分析，得出如下計(jì)算公式［5］

根據(jù)設(shè)標(biāo)實(shí)際情況，當(dāng)φ＝0°時(shí)為錨石抓地力最大的臨界狀態(tài)，此時(shí)錨纜對(duì)錨的拉力Tm＝ f＝R，錨纜長度S=S2。如錨纜再增長將平臥于河床上。當(dāng)φ＞0°時(shí)，設(shè)標(biāo)錨纜長度縮短，Tm值增大，錨石抓地力（與河床的摩擦力）減弱，容易導(dǎo)致走錨現(xiàn)象。

如圖2浮標(biāo)浮具受力分析圖，標(biāo)志船在Tf、F、G和R四力作用下處于平衡狀態(tài)，在Tf和R一定的情況下，所受浮力的富余值（F-G）越大，浮具越穩(wěn)定。

3 深水浮標(biāo)浮具選型

目前三峽庫區(qū)浮標(biāo)所使用的浮具有6.7 m鋼質(zhì)標(biāo)志船和10 m鋼質(zhì)標(biāo)志船（分A、B型），其中庫區(qū)B型10 m標(biāo)志船是在原長江上游10 m標(biāo)志船A型基礎(chǔ)上通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和線性改進(jìn)而成，其船型主尺度及技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 浮具受力分析圖Fig.2 Analysis diagram of forces acting on buoying device

由表1可知，庫區(qū)B型10 m標(biāo)志船排水量最大，浮力富余值（排水量－總重）更多。由于在其底板和側(cè)板均采用了較厚的5 mm船用鋼板，降低了重心，提高了整體穩(wěn)性，并相應(yīng)減小長度型深比（L/ D）和型寬吃水比（B/T），增大型深吃水比（D/T），使船舶耐波性和抗沉性能變好，更適合庫區(qū)蓄水后河寬水深的工況條件。

另外，根據(jù)國標(biāo)《內(nèi)河助航標(biāo)志》（GB5863-93）［6］及《內(nèi)河助航標(biāo)志的主要外形尺寸》（GB5864-93）［7］，浮標(biāo)標(biāo)體采用較大的外觀尺寸（錐形1.8 m× 1.5 m、罐形D1.2 m×1.5 m），能更好的與庫區(qū)10 m標(biāo)志船尺寸相匹配，且滿足蓄水后航標(biāo)的視距要求和助航效能，若采用型寬尺度更大的B型10 m標(biāo)志船作為浮具，還能為標(biāo)體安裝及維護(hù)提供更大的空間，有利于人員安全操作。

4 庫區(qū)深水浮標(biāo)系留設(shè)施選配

4.1 錨纜長度確定及選型

根據(jù)浮標(biāo)運(yùn)行狀態(tài)的受力分析，設(shè)標(biāo)錨纜長度S不僅與設(shè)標(biāo)水深H有關(guān)，還與浮標(biāo)所受水平力R、鋼纜單位長度水下重量ω以及鋼纜在錨石處與水平向的夾角φ有關(guān)，詳見公式1。

為在浮標(biāo)設(shè)置時(shí)更便捷的預(yù)估和確定設(shè)標(biāo)鋼纜長度，需要找出一定條件下設(shè)標(biāo)錨纜長度與設(shè)標(biāo)水深的相似關(guān)系?，F(xiàn)以三峽庫區(qū)某大橋橋區(qū)浮標(biāo)為例，設(shè)標(biāo)水深H＝80 m，浮標(biāo)浮具所受總水平力R＝2 500 N（考慮各種水平力的概率及組合疊加，見表2），錨纜采用庫區(qū)現(xiàn)使用的直徑d＝9.8 mm的鋼絲繩，水下單位長度重量ω＝7.54 N/m，計(jì)算不同夾角φ值情況下設(shè)標(biāo)鋼纜的長度值，見表3［5］。

表1 標(biāo)志船尺度及主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Dimension and main technical parameters of lightship

表2 浮具水平受力組成表Tab.2 Horizontal force acting on buoying device

表3 不同φ值鋼纜設(shè)標(biāo)長度及拉力表Tab.3 Length and tension of mooring wirerope in different φ

由計(jì)算可知，當(dāng)鋼纜在錨石處與水平向的夾角在0°～30°之間發(fā)生變化時(shí)，浮標(biāo)所需的設(shè)標(biāo)鋼纜長度為1.64～3.05倍水深范圍。結(jié)合現(xiàn)有庫區(qū)航道航標(biāo)設(shè)置和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，庫區(qū)航標(biāo)工人在確定設(shè)標(biāo)鋼纜長度時(shí)，一般按2～2.5倍設(shè)標(biāo)水深取值，若河段內(nèi)出現(xiàn)的風(fēng)浪作用相對(duì)較小時(shí)，適當(dāng)縮短鋼纜長度，若河段內(nèi)有較強(qiáng)風(fēng)浪作用時(shí)，其鋼纜長度適當(dāng)增加，因此，目前的庫區(qū)設(shè)標(biāo)鋼纜長度取值是較為合理的。

目前，三峽庫區(qū)乃至整個(gè)上游航道浮標(biāo)系留設(shè)施均采用鋼絲繩作為錨纜，一方面其單位長度重量較錨鏈輕，其防掛雜草及水上漂浮物的性能較錨鏈好；但另一方面，較長鋼纜在起錨收纜時(shí)容易打結(jié)纏繞，不易理順，再次拋錨時(shí)鋼纜容易彈跳纏掛機(jī)艇，甚至可能將人帶入江中。鋼絲繩按基本結(jié)構(gòu)形式主要分單股繩和多股繩兩種，根據(jù)長江上游多年航道維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合庫區(qū)深水浮標(biāo)設(shè)置的特點(diǎn)，現(xiàn)運(yùn)用于浮標(biāo)系留設(shè)施上的鋼絲繩普遍采用了1×37單股鍍鋅鋼絲繩。該鋼絲繩為三層捻制，各層捻制方向相反，具有較好的抗旋轉(zhuǎn)性能，在一定程度上能防止扭結(jié)打轉(zhuǎn)。同時(shí)該結(jié)構(gòu)鋼絲繩捻制的鋼絲根數(shù)較多，單根鋼絲直徑相對(duì)較小，其彎曲性能和柔軟度較用粗鋼絲捻制的相同繩徑鋼絲繩要好，能較好滿足浮標(biāo)移設(shè)過程中纜繩在航標(biāo)艇甲板上收盤纜的需要。同時(shí)其最小破斷拉力為73.9 KN，遠(yuǎn)大于浮標(biāo)鋼纜的計(jì)算拉力。

圖3 組合式錨石單體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Monomer structure diagrams of combined anchor stones

根據(jù)上述深水浮標(biāo)錨纜受力計(jì)算，并結(jié)合鋼纜收放操作的難易程度及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，選用直徑9.8 mm的1×37單股鍍鋅鋼絲繩作為庫區(qū)深水設(shè)標(biāo)10 m標(biāo)志船的錨纜規(guī)格是合理的。

4.2 錨石選型

通過計(jì)算與分析，浮標(biāo)運(yùn)行的整體穩(wěn)定性主要依靠錨石與河床的摩擦力 f（即抓地力）。根據(jù)公式 f＝μ×N，錨石抓地力與錨石所受浮重、錨石與河床的摩擦系數(shù)成正比。因此，深水設(shè)標(biāo)錨石選型除要有足夠的錨石重量外，還要考慮錨石形狀、與河床接觸面大小等與摩擦系數(shù)相關(guān)的因素。

由于不同標(biāo)位處河床底質(zhì)的不同，且水流速度有差異，根據(jù)現(xiàn)有庫區(qū)浮標(biāo)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，單個(gè)10 m浮標(biāo)選用0.8～1.2 t重量的錨石基本能滿足錨固要求，不容易發(fā)生走錨現(xiàn)象。

在以往的設(shè)標(biāo)工作中，大部分錨石直接采用的是岸邊的天然石塊，形狀系數(shù)較差，不好捆綁栓系，且容易選到軟巖。目前長江重慶航道局通過試用，選用了一種組合式混凝土錨石，如圖3所示，該錨石結(jié)構(gòu)由2～3塊扁平的鋼筋混凝土塊體組合而成，單塊重約400 kg，并根據(jù)設(shè)標(biāo)實(shí)際情況組合選用。錨石塊體上設(shè)置有導(dǎo)纜槽和導(dǎo)纜孔便于纜繩的栓系；同時(shí)，由于錨石塊體采用了扁平的形狀，增大了與河床的接觸面，有利于錨石抓地力的增強(qiáng)。

5 結(jié)論

經(jīng)本文理論分析與維護(hù)實(shí)踐，可得出以下結(jié)論：（1）三峽庫區(qū)深水航標(biāo)設(shè)置宜選用型號(hào)較大、正浮穩(wěn)定性能較好的B型10 m鋼質(zhì)浮具；（2）系留設(shè)施宜選用防扭結(jié)、柔性較好的1×37單股鍍鋅鋼絞線，直徑9.8 mm，庫尾航道可適當(dāng)減小；（3）鋼纜設(shè)置長度一般為設(shè)標(biāo)水深的2～2.5倍，可根據(jù)航道內(nèi)實(shí)際風(fēng)浪大小適當(dāng)增加或減??；（4）浮標(biāo)錨石宜選用與河床接觸面積更大、抓地力更強(qiáng)的組合式錨石，方便系結(jié)和拋設(shè)，重量一般取0.8～1.2 t。

［1］GB5863-93，《內(nèi)河航道維護(hù)技術(shù)規(guī)范》［S］.

［2］長江航道局.長江上游航行參考圖（宜昌至宜賓）［M］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

［3］巖井聰.操船論［M］.北京：人民交通出版社，1984.

［4］貝托H Q.浮標(biāo)工程［M］.北京：人民交通出版社，1980.

［5］楊斌.三峽庫區(qū)航道深水浮標(biāo)受力及纜索長度計(jì)算探討［D］.重慶：重慶交通學(xué)院，2004.

［6］GB5864-93，內(nèi)河助航標(biāo)志的主要外形尺寸［S］.

［7］內(nèi)河航標(biāo)編寫組.內(nèi)河航標(biāo)［M］.北京：人民交通出版社，1979.

Research of configuration for buoys in deep channel of the Three Gorges Reservoir area

LIU Zuo?fei，JIANG Ming?gui，WEN Guang?hua
（Changjiang Chongqing Waterway Bureau，Chongqing 401147，China）

After the running of the water storage of the Three Gorges Reservoir at 175 m,the environment of traditional navigation aids is changed into deep water.Original buoy(flag ship,beacon body,beacon light)configuration can not adapt to changes in channel conditions.There exist a lot of problems including the deterioration of overall stability,the reduction of navigational aids effect and the increasing security risks.In this paper,combined with the current settings and the situation of the Three Gorges Reservoir buoy mooring facility,the floating buoy,mooring facilities,ropes,shape and size of anchor stone were selected on the basis of stress analysis and maintenance of buoying device,and the reasonable model configuration was obtained.

Three Gorges Reservoir area;deepwater buoy;model configuration

U 617

A

1005-8443（2016）01-0067-04

2015-07-08；

2015-08-12

交通運(yùn)輸部科技項(xiàng)目（2011 328 350 1490）

劉作飛(1982-)，男，重慶市人，工程師，主要從事港口航道方面的管理工作。

Biography：LIU Zuo-fei（1982-），male，engineer.