合裕線湖區航道尺度的計算分析

張德春

（安徽省港航管理局，安徽 合肥 230011）

1 工程概況

合裕線航道是國家干線航道網之一，是安徽省合肥市通往長江的唯一水上通道，全長139.2 km。合肥港是全國28個內河主要港口之一，為省會經濟圈的中心港，2006年合肥港完成吞吐量874萬t，2009年完成1 170萬t[1]，年平均增長11.3%。近年來隨著腹地內國民經濟的快速增長和船舶大型化的發展，合裕線航道已不能滿足腹地內運輸發展的要求，急需升級改造。

合裕線航道整治工程是國家“十一五”的重點水運工程建設項目之一，工程建設內容是：按Ⅲ級標準整治航道139.2 km，新建裕溪、巢湖2座2 000噸級復線船閘（200 m×23 m×4.5 m），以及助航設施等，工程概算投資9.35億元。目前，裕溪和巢湖2座復線船閘已開工建設，航道整治工程在年內開工。工程完成后，合裕線航道可常年通航1 000噸級船舶，合肥、巢湖及周邊地區大量物資可通過水運直達沿江各地，部分可在江海航行的船舶可達沿海各地，既滿足了腹地內經濟和社會發展的需要，又完善了以合肥為中心的鐵路、公路、航空、水運綜合運輸網絡，同時對改善巢湖水域的生態環境、促進巢湖旅游業發展都具有重要的意義。

2 航道現狀

合裕線航道自1954年起，水利、交通部門為綜合利用水資源，改善巢湖流域水利和航運落后面貌，先后對南淝河、巢湖、裕溪河進行了一系列治理，經過近50 a治理，合裕線航道已成為國家干線航道網之一。

合裕線航道起點為合肥市當涂路橋，終點為裕溪河入長江口，由南淝河、巢湖、裕溪河三段組成，其中南淝河航道24 km，巢湖湖區（施口～巢湖閘）航道54 km，裕溪河航道61.2 km。1998年底，南淝河航道按限制性Ⅲ級航道標準整治竣工；2000年3月至2004年4月，巢湖湖區、裕溪河航道按Ⅲ級線型、Ⅳ級斷面標準進行了整治。

巢湖湖區航道（施口～巢湖閘）（見圖1）現狀等級為Ⅳ級，可常年通航500噸級船舶，中高水位時可通航1 000噸級船舶；按照一類航標配布，設置鋼筋混凝土樁基、玻璃鋼標體固定燈樁22座。

圖1 巢湖湖區（施口～巢湖閘）航道示意圖

3 影響湖區航道尺度計算的因素分析

航道尺度是指在設計通航期內，航道能夠保證設計船型（船隊）安全航行的最小尺度，它包括在設計最低通航水位下的航道水深、航道寬度、航道最小彎曲半徑。航道尺度的確定主要受運輸需求、船舶特征、航道條件、自然條件和投資效益等因素影響。在設計代表船型（船隊）確定的情況下，湖區航道尺度的計算應考慮以下主要影響因素。

3.1 航道寬度的影響因素

湖區航道寬度應根據船舶航行密度、航道條件等分析確定。一般情況下，以保證兩個對開船隊安全錯船航行為原則，設計成雙線航道。當船舶（隊）航行密度較大，雙線航道不能滿足運輸要求時，應采用三線或三線以上航道，其寬度根據船舶通航要求確定。

湖區航道寬度由航跡帶寬度、船舶間的安全富余寬度和船舶（隊）外舷與航道邊緣間的安全富余寬度組成。航道寬度的計算公式較多[2]，有理論計算公式，也有以船寬的倍數表示的經驗計算式，如我國直線段航道標準寬度一般采用設計船型（船隊）寬度的4倍，隨著運輸船舶標準化、大型化、專業化發展的趨勢，此比值將會加大。在2004年修訂的GB 50139-2004《內河通航標準》中給出了天然和渠化河流航道寬度的計算公式，其中雙線直線段航道寬度的計算公式如下：

式中：B為直線段雙線航道寬度，m；BFd為下行船舶或船隊航跡帶寬度，m；BFu為上行船舶或船隊航跡帶寬度，m；d1為下行船舶或船隊外舷至航道邊緣的安全距離，m；d2為上行船舶或船隊外舷至航道邊緣的安全距離，m；C為船舶或船隊會船時的安全距離，m；Bsd為下行船舶或船隊寬度，m；Ld為下行頂推長度或貨船長度，m；β為船舶或船隊航行漂角，（°）；Bsu為上行船舶或船隊寬度，m；Lu為上行頂推長度或貨船長度，m；d1+d2+C為各項安全距離之和，m。

3.1.1 航行漂角

在設計代表船型（船隊）確定后，航跡帶寬度主要取決于航行漂角的大小，航行漂角受水流、風速、船舶裝載度、船舶操縱性能及駕駛技術的影響。在彎道中，船舶航行漂角與航道彎曲半徑、船隊長度更是密不可分。由于湖區航道水面寬闊，且大部分受下游樞紐控制，流速相對較小，水流流速對航行船舶的影響可以不計。因此，若排除船舶操縱性能及駕駛技術的影響，航行漂角主要與風速的大小、方向有關。

船舶在湖區航道航行時，風浪對船舶航行產生較大影響，當航行船舶受橫向風壓力時，產生轉動力矩使船舶順著風向橫移和旋轉，致使船舶偏航和漂移。為使船舶航向穩定，駕駛員采用舵力使船舶向偏航和漂移的反向旋轉，隨著舵角的增加，船舶所受合力的作用點逐漸向重心移動，轉動力矩相應減少，直至船舶處于新的平衡狀態。此時，船舶以一平衡風壓偏角沿導航線前進。橫向風速越大，使船舶產生的偏航和漂移運動越大，相應的航行漂角就越大。一般情況下，航行漂角取3°～5°，航道標準高，取值較大；航道標準低，取值較小[3]。由于湖區航道水面寬闊，風速較大，航行漂角宜取上限值。

3.1.2 船舶（隊）外舷至航道邊緣的安全富余寬度d

船舶距離設計航道邊緣的安全富余寬度與通航水流條件、船舶航速、航道條件和船舶大小等因素有關。對于平原地區直線航道富余寬度可由下式計算[4]：

式中：d為船舶（隊）至航道邊緣距離，m；B為設計代表船型（船隊）寬度，m。

對于水流平順的順直航道，也可參考表1數據，并結合航道條件、船舶大小分析確定[5]。

表1 順直航道d值表m

3.1.3 船舶（隊）與船舶（隊）之間的安全富余寬度C

船舶（隊）間的安全富余寬度是為了保障船舶航行安全，克服船吸現象的最小富余尺度。船舶在湖區航道航行交會時，船隊兩側存在流速差和水位差，從而產生壓力差互相吸引，主要受船舶航速、船舶尺度和航道水流條件影響。對于平原地區航道，船舶（隊）交會時的安全富余寬度可參考下式計算[5]：

式中：C為船舶（隊）間的安全富余寬度，m；B為設計代表船舶（隊）寬度，m。

對于水流平順的順直航道，也可參考表2數據，并結合航道條件、交會方式分析確定[6]。

3.2 航道水深的影響因素

航道水深是航道尺度中非常重要的指標，決定著船舶航行的速度和載重量，若水深不足，船舶只能減速減載航行。影響航道水深的主要因素有設計代表船型（船隊）標準吃水、船舶航行下沉量、船舶龍骨下最小富余深度、波浪影響的富余深度、船舶裝載縱傾富余深度等[6]。

表2 順直航道C值表m

GB 50139-2004《內河通航標準》和其它有關規范中提出的航道設計水深計算公式如下：

式中：H為航道水深，m；T為設計代表船型（船隊）標準吃水，m；ΔH為富余水深，m，可按表3中選用。

表3 航道富余水深值

船舶在風浪中航行，隨著波高、波向、波周期、水深、船舶噸級和航速的不同，將產生縱傾、橫搖和升沉三種垂直運動，波浪使船舶產生的這些垂直運動是一個復雜的隨機過程。由于湖區航道水面寬闊，風大浪高，船舶航行速度較快，航道富余水深主要考慮船舶航行下沉量和波浪影響的富余深度。船舶航行下沉量隨著航速的增大而增加；風速、波高值越大時，波浪影響的富余深度應隨之增大，因此，湖區航道富余水深應在表3中上限值的基礎上適當加大。

3.3 航道最小彎曲半徑的影響因素

航道最小彎曲半徑是保證設計代表船舶（隊）安全航行通過彎道的最小彎曲半徑。從便利航行的角度考慮，航道彎曲半徑越大越好。它主要與船舶（船隊）長度和船舶操縱性能有關，還與彎道寬度、航速、流速、流態以及通視條件密切相關。湖區航道水域寬闊，流速較小，流態不復雜，通視條件良好，因此，在湖區航道彎曲半徑計算時，應主要考慮設計代表船型（船隊）長度、航速、航道轉向角等因素。設計代表船型（船隊）長度越大、航速越快，航道轉向角越大，對應的彎曲半徑也越大。

湖區航道最小彎曲半徑可參考以下公式確定[7]。

1）φ≤10°（不考慮轉彎段圓滑過渡，航道內外邊線直接相交）

2）10°≤φ≤30°（R=3L ～ 5L）

3）φ ＞30°（R=3L～10L）

式中：R為航道最小彎曲半徑，m；φ為航道轉向角，（°）；L為設計代表船型（船隊）長度，m。

4 設計代表船型（船隊）論證

4.1 船舶現狀

根據安徽省有關船舶資料統計分析，長江干流礦建運輸以500～2 000 t船舶為主，油船以200～500 t的機動船為主，集裝箱運輸船舶裝載能力一般在100 TEU左右。目前，長江中上游約60%以上的船舶，載重噸位在2 000 t左右，合裕線航道航行船舶多為500～1 000噸級船舶，最大有2 000 t級，也有1拖4×1 500噸船隊。

4.2 設計代表船型（船隊）

目前，合裕線航道裕溪復線船閘（200 m×23 m×4.5 m）和巢湖復線船閘（2 000噸級）正在建設，合肥港綜合碼頭3個1 000噸級泊位正在建設中，4月底可建成投產，設計年吞吐能力100萬t，集裝箱7萬TEU。

安徽省港航投資集團公司正在進行南淝河綜合碼頭建設，通過船舶營運組織分析后認為：近期推薦1 000～2 000 t機動駁和1 000～2 000噸級拖帶船隊，遠期發展為一頂2×1 000噸級頂推船隊。

根據合裕線航道發展和船舶標準化、大型化、專業化發展趨勢，經分析論證，其設計代表船型[8]如表4：

表4 設計代表船型（船隊）及營運組織方式表

5 巢湖湖區航道尺度計算

5.1 航道寬度計算

合裕線巢湖湖區航道按照Ⅲ級航道雙線標準設計。按公式（1）計算，船隊長度Ld、Lu取194.0 m，船隊寬度Bsd、Bsu取10.8 m，航行漂角β取上限值5°。

航跡帶寬度為：

BFd=Bsd+Ldsin β =10.8+194 × sin 5°=26.0 m

由于船舶在湖區航道航行，岸吸現象不明顯，船舶距離設計航道底邊緣的富余寬度2d值按表1選取12 m。

船舶（隊）間的安全富余寬度C值按表2選取20 m。所以湖區航道計算寬度為：

巢湖湖區由于受季風氣候的影響，風向有顯著的季節變化，春冬季以偏北風為主，夏秋季以偏南風為主，年平均風速為3.3 m/s左右，春季最大 （3—5月）平均風速3.4～3.8 m/s，秋季最大（9—11月）平均風速為2.8～3.1 m/s，常風向為南偏東。由于巢湖湖區航道中廟至巢湖閘近40 km航道大致呈東西走向，常風向為南偏東，船舶航行受常風向影響發生偏航和漂移較大，同時考慮到船舶操縱性能及駕駛技術的影響，巢湖湖區航道寬度實際選取B=90 m。

5.2 航道水深

根據《內河通航標準》第3.0.5條“天然和渠化河流航道水深應根據航道條件和運輸要求通過技術經濟論證確定”的要求，巢湖湖區航道設計水深可考慮兩個方案：

1）按設計代表船型計算：合裕線航道整治工程設計代表船型（船隊）標準吃水為2.1 m，富余水深在《內河通航標準》航道富裕水深值的基礎上適當加大，選取0.5 m，則湖區航道水深為：

2）按運輸要求選取：合裕線腹地出口貨物主要目的地是長江三角洲地區，該地區航道網航道條件已大為改善，大部分干線航道已達到Ⅲ、Ⅳ級航道標準。根據統計資料，目前，巢湖湖區航行船舶載重量多為500～1 000 t，一般吃水在2.2～3.0 m，富裕水深為0.5 m，則湖區航道水深為：

綜合考慮巢湖湖區通航船舶現狀，為實現江河干支直達，減少很多中間環節和運輸成本，提高運輸效益，全面發揮長江“黃金水道”作用，充分考慮運輸船舶大型化、專業化發展的趨勢，巢湖湖區航道水深宜選取3.5 m。

5.3 最小彎曲半徑

巢湖湖區航道設計代表船型（船隊）按分節駁頂推248 kW+2×1 000 t考慮，總長90 m，在中廟附近，航道轉向角大于30°，湖區航道最小彎曲半徑取R=10L=900 m。

6 結語

航道尺度是航道整治工程規劃、設計、施工、維護和管理的關鍵技術，與設計代表船型（船隊）的確定和通航水域條件、貨運量的大小等密切相關。鑒于湖區航道水面寬闊，風浪較大，流速較小，船舶航速較快的特點，在設計代表船型（船隊）確定后，湖區航道寬度應著重考慮船舶因風壓力產生的偏航和漂移而導致航行漂角變化的因素，以及兩船隊交會時產生的船吸現象；湖區航道水深應著重考慮船舶航行下沉量和波浪影響因素；由于湖區航道受航道線型及邊界條件的影響較小，航道最小彎曲半徑應盡可能選取較大的數值。總之，在湖區航道尺度計算時，應以《內河通航標準》為依據，充分考慮各種主要影響因素，進行分析計算確定。

[1]安徽省水運統計資料[G]，2006-2009.

[2]周連有.有關內河航道尺度計算公式的匯總[J].港工技術，2004（4）：7-10.

[3]陳德春，何蘅.風浪對洪澤湖區航行安全的影響[J].上海海事大學學報，2006（4）：36-39.

[4]劉永繡，等.注冊土木工程師（港口與航道）執業資格考試輔導材料[M].人民交通出版社，2003，94-95.

[5]長江航道局，航道工程手冊[M].人民交通出版社，2004，84.

[6]JTJ312-2003，航道整治工程技術規范[S].

[7]JTJ212-2006，海港工程總體設計規范[S].

[8]合裕線航道升級改造工程預可行性研究報告[R].安徽：安徽省交通勘察設計院，2009.