通航河流上水文纜道工程通航凈空高度的計(jì)算方法

秦 磊，胡 鵬

(1.東西湖區(qū)港航海事處，武漢 430040；2.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010)

通航河流上水文纜道工程通航凈空高度的計(jì)算方法

秦 磊1，胡 鵬2

(1.東西湖區(qū)港航海事處，武漢 430040；2.長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，武漢 430010)

水文纜道是一種由岸上進(jìn)行操縱控制，進(jìn)行江河流量、泥沙等測(cè)驗(yàn)工作架設(shè)的跨河索道系統(tǒng)。由于需要沿測(cè)驗(yàn)斷面運(yùn)送水文測(cè)驗(yàn)設(shè)備到預(yù)定水平位置和垂線測(cè)點(diǎn)位置，因此水文纜道對(duì)通航的影響不同于橋梁、電力及通信等水上過(guò)河建筑物。以保障船舶和水上過(guò)河建筑物安全為原則，根據(jù)水文纜道運(yùn)行的特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)通航技術(shù)要求，對(duì)通航河流上水文纜道工程的通航凈空高度要求及計(jì)算方法進(jìn)行探討。

通航條件；水文纜道；凈空高度；計(jì)算方法

水文纜道是一種由承載索(主索)、牽引索(循環(huán)索)、支柱(塔架)、拉線、地錨、轉(zhuǎn)(導(dǎo))向滑輪、運(yùn)載行車、懸吊鉛魚(儀器)、驅(qū)動(dòng)絞車、信號(hào)儀表裝置、防雷設(shè)施、操作室(機(jī)房)等系統(tǒng)組成的，通過(guò)鉛魚(懸桿)將流速儀(泥沙采樣器)送至河道過(guò)水?dāng)嗝鏈y(cè)點(diǎn)位置，進(jìn)行測(cè)點(diǎn)流速(泥沙含量)測(cè)量，是江河流量、泥沙等水文測(cè)驗(yàn)專用設(shè)備[1]。水文纜道定位精度較高，測(cè)驗(yàn)人員無(wú)需下水，極大地提升了自動(dòng)化測(cè)驗(yàn)技術(shù)水平，能快捷并安全地完成測(cè)驗(yàn)任務(wù)[2]。由于需要通過(guò)索道把水文測(cè)驗(yàn)儀器送到測(cè)驗(yàn)斷面任一指定位置，并進(jìn)行作業(yè)，對(duì)船舶通航安全產(chǎn)生較大影響。由于水文纜道對(duì)通航的影響不同于電力、通信等水上過(guò)河纜線，本文從通航技術(shù)要求出發(fā)，對(duì)在通航河流建設(shè)水文纜道工程的通航凈空高度要求及計(jì)算方法進(jìn)行探討。

圖1 水文纜道布設(shè)示意圖Fig.1 Layout plans of hydrometric cableway

1 水文纜道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

水文纜道主要有纜索系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)驗(yàn)儀器設(shè)備[2]。測(cè)驗(yàn)時(shí)，操縱儀器沿主索作水平運(yùn)動(dòng)，到達(dá)測(cè)驗(yàn)位置后，下放儀器(鉛魚)到預(yù)定測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)速、取沙。典型的水文纜道布設(shè)形式如圖1所示。一般由動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、避雷系統(tǒng)等部分組成。動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)主要包括主桿支架、地錨、主索、牽引索、滑輪、行車、絞車，鉛魚等部分；變頻調(diào)速系統(tǒng)包括動(dòng)力控制器、變頻調(diào)速器、電機(jī)等；智能控制系統(tǒng)主要包括計(jì)算機(jī)、主控接口、計(jì)數(shù)控制接口、水下信號(hào)源等；避雷系統(tǒng)一般由避雷接地網(wǎng)、過(guò)河避雷索、避雷針、三相電源避雷器等部分組成。

2 通航凈高的確定

通航凈高是在跨越航道建筑物的通航孔兩側(cè)墩柱的內(nèi)空范圍內(nèi)，從建筑物梁底最低點(diǎn)至設(shè)計(jì)最高通航水位間的垂直距離。《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱“標(biāo)準(zhǔn)”)給出了相應(yīng)等級(jí)航道應(yīng)滿足的最小尺度，不同等級(jí)的航道所要求的通航凈空高度是不同的。通航凈高值為工程航段代表船型空載水線以上至最高固定點(diǎn)高度與富裕高度之和[3-4]。底部有斜撐或拱形過(guò)河建筑物的通航凈空尺度要求如圖2所示。對(duì)通航凈空為矩形的過(guò)河建筑物其上底寬(b)與通航凈寬(Bm)一致，且無(wú)側(cè)高(h)的規(guī)定。

根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”，水上過(guò)河纜線的通航凈空高度，是指工程河段通航最大船舶空載高度在設(shè)計(jì)最高通航水位時(shí)安全通過(guò)纜線的最小高度。通航凈空高度數(shù)值應(yīng)按纜線垂弧最低點(diǎn)計(jì)算，不小于最大船舶空載高度、船舶航行安全富裕高度與纜線安全富裕高度之和[5]。

圖2 通航凈空示意圖Fig.2 Dimensions of navigation clearance

(1)最大船舶空載高度。

水上過(guò)河纜線相比橋梁等水上過(guò)河建筑物目標(biāo)小，船舶航行、特別是夜間航行時(shí)難以發(fā)現(xiàn)，且數(shù)量較多。因此，水上過(guò)河纜線通航凈空高度論證中通航船型的選取不同于橋梁論證中通航代表船型的選取原則。水上過(guò)河纜線應(yīng)根據(jù)工程航段船舶通航實(shí)際狀況、船型規(guī)劃情況以及特殊作業(yè)船舶等綜合選取，以此確定最大船舶空載高度(包括特種船舶或船舶承擔(dān)特種運(yùn)輸任務(wù)、船舶跨航道等級(jí)航行時(shí)的空載高度以及帆船、漁船進(jìn)入內(nèi)河航道航行時(shí)的桅桿高度)。

(2)船舶航行安全富裕高度。

船舶航行安全富裕高度值是為保障水上過(guò)河建筑物下方船舶行駛安全而設(shè)置的富裕量。所考慮的各項(xiàng)因素基于以下幾種情況：①船舶駕駛的安全高度是一個(gè)綜合性的因素，其中包括駕駛員的心理因素，船舶越大，波浪越高，船舶過(guò)橋時(shí)航行條件越差，要求的安全高度也越大；②水流及波浪引起的船舶縱搖和垂蕩使船舶水線以上至最高固定點(diǎn)高度產(chǎn)生較大的變化；③船舶水線以上至最高固定點(diǎn)高度的計(jì)量誤差由以下情況造成：不同的載重量，船舶大修后發(fā)生的高度變化，船舶高度量測(cè)時(shí)的誤差，船舶在淡、海水中的吃水差等；④目前的技術(shù)水平在水位觀測(cè)、預(yù)報(bào)和氣象增水的預(yù)報(bào)方面存在著一定的誤差，但其量值不大。

(3)纜線安全富裕高度。

纜線安全富裕高度是考慮電力、通信線路設(shè)計(jì)電氣安全距離要求的富裕高度。一般，輸電線路按各電壓等級(jí)取值的極差遞增取值。水文纜道采用無(wú)線信號(hào)傳輸，由起重索、水下鉛魚及儀器和岸邊水下極板通過(guò)水體組成信號(hào)傳輸通道，鉛魚為無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)乃螺敵龆耍瑑?nèi)置電源[6]。因此，水文纜道無(wú)需考慮電氣安全距離富裕高度值，其通航凈高值應(yīng)不小于最大船舶空載高度與船舶航行安全富裕高度之和，即水文纜道垂弧最低點(diǎn)至設(shè)計(jì)最高通航水位的最小距離。

圖3 非工作狀態(tài)時(shí)水文纜道通航凈空高度分析圖Fig.3 Analysis of navigable clearance height in non-operating state

3 垂弧最低點(diǎn)的確定

水文纜道垂弧最低點(diǎn)的確定應(yīng)考慮纜道運(yùn)行設(shè)備的影響因素，本文根據(jù)水文纜道非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)分別進(jìn)行分析[7]。

(1)非工作狀態(tài)。當(dāng)水文纜道不進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)時(shí)，纜道運(yùn)行設(shè)備行車及吊載儀器(鉛魚)停滯于岸側(cè)塔桿附近。根據(jù)水文纜道設(shè)計(jì)方案的不同，有兩種情況區(qū)別考慮：第一種情況，方案中僅有主索和循環(huán)索的設(shè)計(jì)。此時(shí)，僅分析主索和循環(huán)索中垂度最大、處于最下方纜索的垂弧最低點(diǎn)即可。一般情況，下循環(huán)索處于最下方。第二種情況，方案中增加支索器的設(shè)計(jì)[8]。支索器是在上、中、下部位分別用兩塊角鐵夾住1組滑輪的一個(gè)桿件裝置。3組滑輪中，中間1組滑輪夾住主索，起到固定支索器的作用；上、下端各1組滑輪分別夾住上、下循環(huán)索，讓上下循環(huán)索與主索始終保持一定距離，既不相互打絞，也不會(huì)與主索接觸，上下循環(huán)索均控制在支索器范圍內(nèi)。在纜道非工作狀態(tài)時(shí)，由于重力作用，支索器自然滑至主索最低點(diǎn)(纜道中部)。按最不利情況考慮，可以主索負(fù)載垂度與支索器的12長(zhǎng)度之和作為纜道的垂弧最低點(diǎn)，見圖3所示。

(2)工作狀態(tài)。當(dāng)水文纜道進(jìn)行水文測(cè)驗(yàn)時(shí)，纜道行車從一岸向另一岸開始水平運(yùn)動(dòng)，支索器在行車運(yùn)動(dòng)初期并不滑動(dòng)。當(dāng)行車運(yùn)行接近支索器時(shí)，行車運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)力通過(guò)循環(huán)索傳遞給支索器一個(gè)張力，從而推動(dòng)支索器前進(jìn)。當(dāng)行車和鉛魚返回運(yùn)動(dòng)時(shí)，支索器所受的張力逐漸減小，直到消失，在重力作用下又自然返回滑至主索最低點(diǎn)。當(dāng)行車停滯于測(cè)量斷面點(diǎn)時(shí)，鉛魚將進(jìn)行上下垂直作業(yè)，由于支索器的支撐與牽制作用，上下循環(huán)索與主索始終保持固定距離，循環(huán)索即使產(chǎn)生彈跳也不會(huì)打絞，更不會(huì)與主索接觸，纜道支索器與行車作用關(guān)系示意圖如圖4所示。

圖4 纜道支索器與行車作用關(guān)系示意圖Fig.4 The interaction between cableway separator and cable car

圖5 工作狀態(tài)時(shí)水文纜道通航凈空高度分析圖Fig.5 Analysis of navigable clearance height in operating state

工作狀態(tài)時(shí)，行車及測(cè)驗(yàn)儀器(鉛魚)從一岸向另一岸移動(dòng)，鉛魚位于行車下方并需深入河中進(jìn)行工作，在通航水域進(jìn)行測(cè)驗(yàn)時(shí)，會(huì)對(duì)船舶航行產(chǎn)生影響。當(dāng)纜道運(yùn)行工作時(shí)，遭遇航行船舶，為避讓航行船舶，可將鉛魚臨時(shí)提起，其通航凈空高度應(yīng)能夠滿足船舶航行的要求。考慮鉛魚臨時(shí)提起避讓航行船舶(從水面提至行車底部時(shí)間為1～2 min)，此種情況為最不利情況。此時(shí)，纜道工程距離河面最低點(diǎn)為主索負(fù)載垂度、行車行走輪至行車底部距離及鉛魚高度三者之和，如圖5所示。

4 小結(jié)

本文通過(guò)分析通航河流水上過(guò)河纜線通航凈高相關(guān)影響因素，確定水文纜道通航凈空高度值，即纜道垂弧最低點(diǎn)至設(shè)計(jì)最高通航水位的最小距離為工程河段最大船舶空載高度與船舶航行安全富裕高度之和。根據(jù)水文纜道工作運(yùn)行特點(diǎn)，分析了纜道非工作狀態(tài)和工作狀態(tài)下纜線垂弧最低點(diǎn)的確定方法，可供水文纜道設(shè)計(jì)和航道通航評(píng)價(jià)工作參考。

[1]SD121-84，水文纜道測(cè)驗(yàn)規(guī)范[S]．

[2]長(zhǎng)江流域規(guī)劃辦公室水文處．水文纜道[M]．北京：水利水電出版社，1978．

[3]查雅平，吳澎．跨海橋梁橋址選擇和通航凈空尺度問(wèn)題的探討[J]．水運(yùn)工程，2009，423(1)：203-207． ZHA Y P，WU P．Discussion on Bridge Site Selection and Navigational Clearances for Sea Crossings[J]．Port & Waterway Engineering，2009，423(1)：203-207．

[4]李一兵，何文輝．橋梁通航安全影響論證中的常見問(wèn)題及其處理方法[J]．水道港口，2014(4)：366-369． LI Y B，HE W H．Common problems in argument about bridge navigation safety influence and processing methods[J]．Journal of Waterway and Harbor，2014(4)：366-369．

[5]GB50139-2014，內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[6]劉澤文，韓友平．水文纜道的信號(hào)傳輸研究院[J]．氣象水文海洋儀器，2013(3)：5-6． LIU Z W，HAN Y P．Study on signal transmission of hydrometric cableway [J]．Meteorological，Hydrological and Marine Instruments，2013(3)：5-6．

[7]胡鵬．皇莊水文站纜道建設(shè)工程航道通航條件影響評(píng)價(jià)報(bào)告[R]．武漢：長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，2016．

[8]仇旭．水文纜道設(shè)計(jì)方法研究[D]．南京：河海大學(xué)，2004．

Calculation method of navigable clearance height of over-river structure for hydrometric cableway on navigable river

QINLei1，HUPeng2

(1.DongXiHuMSA,Wuhan430040,China; 2.ChangjiangWaterwayPlanning,DesignandResearchInstitute,Wuhan430010,China)

Hydrometric cableway is a specific survey instrument system, which is controlled on the bank, surveying the runoff of the water and sand. The section of over-river cableway is used to transport equipment to a predetermined horizontal position and vertical measuring point along the test section. Therefore, the effect of hydrometric cableway on navigation is different from the bridge, transmission cableway, telecommunication cableway and other over-river structures. In order to ensure the safety of ship navigation and the safety of over-river structure, according to the characteristics of hydrometric cableway operation, the calculation method of navigable clearance height of over-river structure for hydrometric cableway on navigable river was explored combined with the relevant technical requirements of navigation.

navigation condition; hydrometric cableway; navigable clearance height of over-river structure; calculation method

TV 123

：A

1005-8443(2017)04-0384-03

2017-03-01;

：2017-04-11

秦磊(1983-)，女，江蘇省鎮(zhèn)江人，助理工程師，主要從事港口航道管理工作。

Biography：QIN Lei(1983-),female, assistant engineer.