超規(guī)范環(huán)境條件的?？谛潞８蹍^(qū)口門航道通航寬度計算

甘浪雄,b，范健宇，佘運友，鄧巍

(武漢理工大學(xué) a.航運學(xué)院；b.內(nèi)河航運技術(shù)湖北省重點實驗室，武漢 430063)

隨著?？诟坌潞８蹍^(qū)汽車客貨滾裝碼頭船舶進(jìn)出艘次日益增加，口門處單向通航的情況已逐漸不能滿足新海港生產(chǎn)作業(yè)需求，結(jié)合港口生產(chǎn)要求，為提高船舶進(jìn)出效率，保障?？诟坌潞８蹍^(qū)口門航道水域的通航環(huán)境和通航安全，船舶能夠保證在超規(guī)范的八級風(fēng)情況下進(jìn)行航行，需要對現(xiàn)有通航航道方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，將口門處航道寬度由222 m增寬為322 m，調(diào)整后的口門航道處將由原來的單向通航調(diào)整為雙向通航。針對此調(diào)整，需對海口港新海港區(qū)汽車客貨滾裝碼頭口門雙向通航進(jìn)行航道寬度數(shù)值計算分析。

《海港總體設(shè)計規(guī)范》(以下簡稱《規(guī)范》)在計算航道寬度時，水流流速最大為1 m/s，風(fēng)速最大為7級。而?？诟劭陂T航道船舶進(jìn)出口門時，水流流速最大為1.4 m/s，風(fēng)速大于7級，無法運用《規(guī)范》求出口門航道的船舶通航寬度[1]。為此，考慮在《規(guī)范》中關(guān)于船舶航道寬度計算的基礎(chǔ)上，綜合考慮船舶自身的尺寸、操作特性、風(fēng)致漂移量、流致漂移量等影響因素[2-8]，針對超過《規(guī)范》中的風(fēng)流環(huán)境情況，建立以風(fēng)流漂移模型為基礎(chǔ)的船舶通航寬度計算模型，通過實例與《規(guī)范》中的計算數(shù)值進(jìn)行對比，對模型進(jìn)行優(yōu)化后應(yīng)用到實際的工程建設(shè)當(dāng)中。通過設(shè)定不同風(fēng)流情況，對船舶在不同風(fēng)流情況下的航速限制條件進(jìn)行分析，為船舶通過口門航道時提供分析依據(jù)。

1 計算模型

1.1 《規(guī)范》中航道寬度計算模型

根據(jù)《規(guī)范》中第6.4.2條規(guī)定，單線和雙線航道通航寬度可按照下列公式計算，當(dāng)航道較長、自然條件較復(fù)雜或船舶定位較困難時，可適當(dāng)加寬；自然條件和通航條件有利時，經(jīng)論證可適當(dāng)縮窄。

1)單線航道。

W=A+2c

(1)

2)雙線航道。

W=2A+b+2c

(2)

式中：A為航跡帶寬度，m；b為船舶間富裕寬度，m；c為船舶與航道底邊線間的富裕寬度，m。

1.2 風(fēng)致漂移模型

具備一定結(jié)構(gòu)特點的船舶，在風(fēng)力作用下將產(chǎn)生向下風(fēng)的漂移。港內(nèi)等狹窄水域中操船時，為留出足夠的漂移量，需隨時注意搶占上風(fēng)水域。對于前后方向的漂移，因有主機(jī)的運用足可抵御其影響，一般不會危及船舶安全操縱，但對于橫向漂移必須保持警惕。

風(fēng)致漂移速度除去與船舶本身特點有關(guān)外，還與風(fēng)速、船舶運動速度密切相關(guān)。在一定風(fēng)速條件下，停船時的風(fēng)致漂移速度最高；隨船速增加，風(fēng)致漂移速度反而降低。在受限水域中駕引人員應(yīng)預(yù)先掌握船舶的風(fēng)致漂移速度值。

在最不利天氣條件下，受風(fēng)作用而產(chǎn)生的風(fēng)致漂移量可按下式計算。

(3)

式中：K為系數(shù)，取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；VS為船速，kn；Va為相對風(fēng)速，m/s，7級風(fēng)(風(fēng)速13.9～17.2 m/s)取17.1 m/s，8級風(fēng)(風(fēng)速17.2～20.8 m/s)取20.8 m/s；T為漂移時間,s。

式(3)中，船體水線上下側(cè)受風(fēng)面積之比近似于船舶水線上干舷與船舶吃水之比；漂移時間依據(jù)不同船長有所不同。

1.3 流致漂移模型

流致漂移模型主要考慮橫流對船舶航行的影響。

船舶進(jìn)出港區(qū)航道時，流致漂移量可按下式計算。

ΔBw=VcTsinα

(4)

式中：Vc為流速,m/s；α為流壓角，取90°。T為漂移時間,s，T=S/VS，S為船舶在航道中直線航行的長度，取船長的倍數(shù)。

1.4 風(fēng)流漂移模型計算船舶通航寬度

船舶在進(jìn)出港區(qū)的過程中，由于受到風(fēng)、流的影響會產(chǎn)生橫向漂移，加上船舶本身所具有的尺度，因此，港區(qū)進(jìn)出港航道必須具有足夠的通航寬度。

典型單向航道寬度約為5倍船寬，當(dāng)航道較長、導(dǎo)標(biāo)靈敏度不易控制、船舶定位困難和自然條件特別惡劣時，航道寬度可適當(dāng)加寬；相反的情況可以適當(dāng)縮窄。船舶在航道彎曲段航行，由于船舶在轉(zhuǎn)向時的漂動，必須以投影寬度通過彎道，要求的寬度比直線段大。

船舶在不利風(fēng)、流影響情況下，設(shè)計船型進(jìn)出港區(qū)航道單向通航所需航寬的表達(dá)式為

Bd=Lsinβ+Bcosβ+2d+ΔBa+ΔBw

(5)

式中：L為船長,m；B為船寬,m；d為船與航道邊界之間的安全距離,m，d=(B+Lsinβ)/4；β為偏航角，取5°。

2 口門航道雙向通航計算對比分析

對船舶航速分別為6、7、8 kn，流速分別為0.5、0.75、1 m/s，以及船舶空載、滿載的情況下，對船舶所需的船舶通航寬度進(jìn)行計算，運用Matlab軟件繪圖，在圖中標(biāo)明運用《規(guī)范》計算出來的單向通航寬度結(jié)果，對計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

由于《規(guī)范》中關(guān)于航道寬度計算只有船速V≤6 kn和船速V>6 kn兩種情況，故將風(fēng)流漂移模型中的船速V=6 kn對應(yīng)《規(guī)范》中的船速V≤6 kn的情況；將風(fēng)流漂移模型中的船速V=7 kn、8 kn對應(yīng)《規(guī)范》中的船速V>6 kn的情況。計算該水域最大尺度代表船型的通航寬度。

2.1 總噸位10 000汽車客貨滾裝船通航寬度計算

《規(guī)范》中計算航道寬度時，最大水流流速為1 m/s，最大風(fēng)速為7級，而本項目船舶進(jìn)出口門時，橫流流速最大為1.4 m/s，風(fēng)速大于7級，為了計算在風(fēng)流超規(guī)范情況下的船舶雙向通航寬度，主要采用基于風(fēng)流漂移的船舶通航寬度計算模型計算船舶船舶所需通航寬度。為確保模型選用的準(zhǔn)確性，在風(fēng)流漂移模型里選取水流流速為0.5、0.75、1 m/s；風(fēng)速為7級；船舶空載、滿載等不同組合時風(fēng)流漂移模型計算的航道通航寬度與《規(guī)范》計算的通航寬度進(jìn)行分析比對，在驗證模型選取準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，推算出在當(dāng)橫流流速最大為1.4 m/s，風(fēng)速大于7級時的船舶通航寬度計算方法。

對于空載總噸位10 000汽車客貨滾裝船，當(dāng)流速在0.5、0.75、1 m/s，航速為6、7、8 kn時，由船舶漂移模型計算的船舶通航寬度見圖1。

圖1 由船舶空載漂移模型計算的船舶通航寬度

對于滿載總噸位10 000汽車客貨滾裝船，當(dāng)流速在0.5、0.75、1 m/s，航速為6、7、8 kn時，由船舶漂移模型計算的船舶通航寬度見圖2。

圖2 船舶滿載漂移模型計算的船舶通航寬度

2.2 數(shù)值計算結(jié)果對比分析

1)船舶航速V≤6 kn時，對比船舶通航寬度，風(fēng)流漂移模型中船舶縱向航行為1倍船長及以上時，風(fēng)流漂移模型計算船舶所需通航寬度均大于規(guī)范計算的最大通航寬度，此時風(fēng)流漂移模型計算數(shù)值可以滿足通航安全要求。

2)船舶航速V>6 kn時，對比船舶通航寬度，船舶基于風(fēng)流漂移模型下船舶通航寬度大于《規(guī)范》計算的通航寬度時的船舶縱向航行船長倍數(shù)見表1。

表1 船舶基于風(fēng)流漂移模型下船舶通航寬度大于《規(guī)范》計算的通航寬度時的船舶縱向航行船長倍數(shù)值(總噸位10 000客滾船)

由此可知，船舶航行時，不同航速下，實際航道寬度需大于表1中對應(yīng)的船舶縱向航行的倍數(shù)下的船舶風(fēng)流模型計算所得的船舶通航寬度即可。

3 計算實例

3.1 航速為7 kn時客滾船航行寬度計算

當(dāng)航速為7 kn，風(fēng)力為8級，水域橫流流速為1.4 m/s代表船型船舶航行所需通航寬度見圖3。

圖3 案例船航速為7 kn時基于風(fēng)流漂移模型下的船舶通航寬度

當(dāng)代表船型航速為7 kn，空載時，航道寬度應(yīng)大于船舶縱向航行船長倍數(shù)為1.4時的船舶風(fēng)流漂移模型的船舶通航寬度，船舶縱向航行1.4倍船長時，所需船舶單向通航寬度為140 m；滿載時，航道寬度應(yīng)大于船舶縱向航行船長倍數(shù)為1.9時的船舶風(fēng)流漂移模型的船舶通航寬度，本項目船舶縱向航行1.9倍船長時，所需船舶單向通航寬度為154 m。

3.2 航速為8 kn時客滾船航行寬度計算

當(dāng)航速為8 kn，風(fēng)力分別8級，水域橫流流速為1.4 m/s設(shè)計代表船型船舶航行所需通航寬度見圖4。

圖4 案例船航速為8 kn時基于風(fēng)流漂移模型下的船舶通航寬度

當(dāng)船舶航速為8 kn時，空載時航道寬度應(yīng)大于船舶縱向航行船長倍數(shù)為1.65時的船舶風(fēng)流漂移模型的船舶通航寬度，船舶縱向航行1.65倍船長時，所需船舶單向通航寬度為142 m，滿載時，航道寬度應(yīng)大于船舶縱向航行船長倍數(shù)為2.3時的船舶風(fēng)流漂移模型的船舶通航寬度，本項目船舶縱向航行2.3倍船長時，所需船舶單向通航寬度為160 m。

3.3 不同風(fēng)流組合下船舶的航速限制條件

根據(jù)案例船在航行時船舶漂移模型計算所得船舶縱向航行距離，主要研究流速分別為0.75、1、1.41 m/s，橫風(fēng)7級(17.1 m/s)、8級(20.8 m/s)和船舶空載、滿載的情況下，對船舶航速的限制條件，根據(jù)口門處航道單向?qū)挾?61 m為計算依據(jù)，在不同風(fēng)流組合下，推算出船舶的風(fēng)流壓差角。

對于總噸位10 000汽車客貨滾裝船，在計算船舶航速限制條件下，選取空載時船舶縱向航行船長倍數(shù)為1.65，滿載時船舶縱向航行船長倍數(shù)為2.3為計算依據(jù)。當(dāng)風(fēng)力為8級，水流流速分別為0.75、1、1.4 m/s，航速為7 kn和8 kn時船舶的風(fēng)流壓差偏角見表2。

表2 總噸位10 000汽車客貨滾裝船在不同風(fēng)流組合下的船舶風(fēng)流壓差表 (°)

根據(jù)上述計算分析可知，案例船在航行進(jìn)出口門時，在不同環(huán)境條件下，對航速要求不同，但是鑒于本項目口門水域風(fēng)流條件較差，建議船舶在進(jìn)出口門航行時，航速維持在7～8 kn之間，且需根據(jù)實際風(fēng)流情況，及時調(diào)整航速和風(fēng)流壓差角，保障船舶安全通過口門航道水域。

3.4 結(jié)果分析

對于案例船，在口門航道水域，當(dāng)橫流流速為1.4 m/s，風(fēng)速8級時，設(shè)定船舶航速為7和8 kn等情況在外界條件取值相同的情況下，根據(jù)風(fēng)流漂移模型中的船舶通航寬度計算分析可知，具體船舶所需的通航寬度見表3。

表3 代表船型在縱向航行倍數(shù)不同時對應(yīng)船舶所需單雙向通航寬度(總噸位10 000客滾船)

由表3可見，案例船在橫流流速為1.4 m/s，風(fēng)速8級時，隨著航速不同，在絕大部分情況下，只要船舶合理控制航速航向，并選擇在適當(dāng)天氣環(huán)境下，船舶雙向通航所需寬度均小于322 m。而口門航道寬度疏浚至322 m，大于案例船雙向通航寬度320 m，且根據(jù)前期《海口新海港口門雙向通航調(diào)查意見反饋》可知，調(diào)查198位船長，有187位船長認(rèn)為口門寬度拓寬至322 m時可雙向通航。綜合可知，口門航道寬度疏浚至322 m可以滿足船舶雙向通航要求。

4 結(jié)論

1)將風(fēng)流漂移模型引用到測量規(guī)范之外的風(fēng)流條件下船舶的航行所需航道寬度，在相同的風(fēng)流環(huán)境下與《規(guī)范》中提出的船舶航道寬度計算公式進(jìn)行對比，驗證模型的可行性。

2)將風(fēng)流漂移模型進(jìn)行細(xì)化，分析不同風(fēng)流環(huán)境情況下的航行數(shù)據(jù)，所建模型能夠很好地運用船舶所在水域的環(huán)境變量。

3)文中沒有考慮駕駛?cè)藛T在實際操船過程中的行為對其他過往船舶對計算條件的影響，在以后的研究中，應(yīng)對以上未考慮的因素進(jìn)行深入研究，對模型進(jìn)行完善和改進(jìn)。

4)將模型引用到工程建設(shè)中，為?？谛潞８劭陂T航道的工程建設(shè)提供了理論依據(jù)，同時該方法可作為在《規(guī)范》之外的風(fēng)流條件下計算船舶航行所需航道寬度的參考。

由于口門航道處通航環(huán)境復(fù)雜，船舶操作難度大，在實行雙向通航前，建議由資歷較深的船長在自然環(huán)境較好時進(jìn)行口門雙向通航實操演練，逐漸積累經(jīng)驗，并提出相關(guān)意見和相關(guān)限制條件，保障船舶雙向通航安全。