臨淮崗復線船閘上游引航道船舶過閘仿真模擬試驗

李社平，鄧 偉

(中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071)

1 工程概況

臨淮崗洪水控制工程為一等大(1)型工程，主體工程由攔河壩、進泄水閘、船閘等組成。主壩軸線上的建筑物由北至南依次為姜唐湖進洪閘、淺孔閘、深孔閘、臨淮崗船閘、城西湖船閘[1]，見圖1。

圖1 臨淮崗水利樞紐現狀

隨著社會經濟的發展，淮河水系船舶大型化趨勢明顯，臨淮崗一線船閘通過能力已經飽和，不能滿足航道未來貨運量增長需求、不適應船舶大型化發展的需求，須修建臨淮崗復線船閘[2]。臨淮崗復線船閘為II級船閘，布置在一線船閘右側，兩閘軸線間距120 m[3]。設計最大船舶噸級為2 000噸級(船長×船寬×吃水為68 m×13.8 m×3.2 m)。結合貨運量預測和通過能力計算，臨淮崗復線船閘閘室有效尺度采用240 m×23 m×5.2 m(有效長度×有效寬度×門檻水深)。

2 折線型上游引航道布置

2.1 折線型上游停泊段引航道布置

根據船舶過閘流程，進閘船舶需待出閘船舶駛離停泊段后才能啟動進閘。常規引航道停泊段緊鄰調順段布置，對于彎曲型河流，引航道直線段不足時也可將停泊段與導航、調順段分開布置。這種分離式停泊段布置(圖2)由于停泊段與調順段、導航段間存在長約347 m的弧線段航道，由此造成進閘船舶進閘航行時間比常規引航道布置多5.8 min，影響過閘效率。

圖2 分離式停泊段引航道布置

折線型停泊段總長364 m，分為停泊段1和停泊段2。停泊段1與調順段、導航段和船閘主體在一條直線上，長194 m，可停泊1排2列共2艘過閘船舶，過閘船舶緊鄰上游調順段布置，保證了過閘效率，停泊段1后方預留了48 m的間距，方便了停泊段2過閘船舶調整航向進閘。停泊段2與停泊段1的夾角參照碼頭端部泊位水域底邊線與碼頭前沿線的夾角規定，取139°。停泊段2長度為170 m，可停泊1排1列共1艘過閘船舶。同時折線型停泊段兩側預留的48 m和68 m距離符合兩碼頭前沿線成折線相交時富余長度的要求。引航道左側布置有與輔導航墻相接的22個警示分隔墩，分布長度210 m，具體平面布置方案見圖3。

圖3 折線型停泊段引航道布置

折線型停泊段的引航道布置符合規范要求，導航段、調順段和停泊段緊鄰布置在同一直線上，同時為了滿足一個閘次的過閘船舶停靠要求，在折線外設置了停泊段2。折線段的挖入式區域保證了停泊段2船舶啟動進閘所需調順航向的空間。因此折線型停泊段引航道布置與常規引航道布置方案過閘效率基本一致，減少侵占上游灘地約22.3萬m2、減少土方開挖量約102萬m3，節省工程投資的同時減少征地賠償工作，有利于工程的后期實施。

2.2 引航道布置存在的問題及解決方法

折線型停泊段引航道是在分離式停泊段布置的基礎上演化而來，與傳統直線式布置有較大差別，可能會存在船舶進出閘不順暢、出閘船舶與停泊段船舶互相干擾等問題，應進行必要的驗證，為營運期船舶調度提供技術支撐。

船舶操縱仿真模擬試驗是解決類似問題有效和常用的方法，其特點如下：

1)模擬試驗的環境和實際水域環境接近，可實現邊界條件下的通航環境模擬，確定設計船型的通航可行性。

2)模型船舶的操縱特性數據與原型的操縱特性具有相似性，較實船試驗而言，模擬試驗可增強船舶通航安全性、能夠較為準確地預估航行風險。

3)對所進行的模擬試驗可隨時回放，及時發現問題，修正實施方案，優化船閘平面布置。

4)所進行試驗的模擬結果可以記錄、打印，以供進一步分析研究，對于方案存在的不合理之處可及時修改。

滑帶土(T1d)④(圖2、圖3)：灰褐色，為粉質粘土和強風化泥灰巖碎石組成，可塑，很濕，無搖振反應，干強度及韌性中等，層厚0.40～0.50 m。巖土力學性質詳見表1。

3 船舶過閘操縱仿真模擬試驗

船舶操縱仿真模擬研究借助船舶操縱模擬器，根據不同類型的船舶操縱特征，考慮各類船舶實際航行、作業習慣，在港航工程水域對船舶航行、作業操作過程進行計算機仿真模擬，獲取模擬環境下船舶航行及靠、離泊作業等的運動特征、軌跡及相關技術參數，通過統計、分析和研究試驗數據和結果，檢驗港航工程設計方案的合理性，為有關管理部門立項審批或批復港航工程建設提供決策依據。

為了驗證臨淮崗上游折線型引航道布置條件下過閘船舶操縱的便利性和安全性，開展了臨淮崗復線船閘船舶過閘操縱仿真模擬試驗。

3.1 仿真模擬試驗方法

試驗采用全任務大型船舶操縱模擬器，通過構建ECDIS及視景系統、建立船舶運動數學模型、模擬通航環境、建立擬建工程仿真試驗模型、分析船舶操縱理論和計算，采用TRANSAS公司新一代仿真軟件(NT-PRO5000型)進行仿真模擬試驗數據分析，從而確定過閘船舶的安全性和操作便利性。模擬試驗的方法流程見圖4。

圖4 試驗方法流程

3.2 試驗船型

采用設計代表船型2 000噸級標準化船舶，總長為63～90 m、型寬為13.8～16.2 m，設計吃水為2.6～3.5 m，見圖5。本次試驗模擬船型尺寸為長68 m、寬13.8 m、滿載吃水3.2 m。

圖5 2 000噸級船舶6自由度船舶數學模型三維視景

3.3 模擬試驗工況

結合臨淮崗復線船閘工程水域通航特點，充分考慮有關安全通航和作業限制條件，確定模擬試驗工況設計方案：1)水流條件。根據《淮河航道臨淮崗復線船閘工程水工物理模型試驗研究報告》成果[4]，仿真模擬試驗按工程不同運行水位取值模擬流場。2)氣象條件。水平能見度不小于2 000 m；風向為E向，風速為3.1 m/s；波浪方向同風向一致，浪高0.2～0.4 m。見表1。

表1 2 000噸級船舶出閘試驗方案設計

3.4 仿真模擬試驗結果

數值分析顯示試驗船型出閘航跡帶寬度和所需航道寬度見表2。

表2 2 000噸級船舶出閘航道通航寬度

以上數據表明，2 000 t散貨船出閘航行航跡帶寬度最大為16 m，所需雙向航道寬度為43.6 m，配套航道寬度65 m，滿足船舶雙向航行對航道寬度的要求。

物理模型試驗顯示，最高通航水位下引航道通航水流條件最差，灘槽泄水工況出現頻次最多，最低通航水位時水面寬度最小。圖6分別為各種工況下船舶出閘航跡圖。

圖6 上行出閘航跡

3.5 研究結論

試驗選取2 000噸級散貨船模型，在最高通航水位、河道灘槽泄水、最低通航水位時所對應的流場及3.1 m/s常風工況條件下，根據工程航道特點確定了通航模擬試驗方案。在試驗取得的相關數據的基礎上形成結論：

1)代表船型上行最大航跡帶寬度為16 m，下行最大航跡帶寬度為16 m，最大雙向航道通航寬度為43.6 m。設計上游引航道總長517.5 m，其中導航段長度為68 m、調順段長102 m，水深4.8 m，寬度65 m。能夠滿足2 000噸級散貨船在試驗工況組合條件下航行要求。

2)2 000噸級散貨船上行出閘模擬試驗表明，左側警示分隔墩數量為22個時，為避讓進閘停靠船舶，并且由于受到風、浪、流的影響，船舶在上行轉彎航段低速條件下舵效降低，容易與左側警示分隔墩擦碰。左側警示分隔墩減至13個時，船舶出閘后能在留出富余安全距離的情況下同時避讓右側等待進閘船舶和左側警示分隔墩，大大提高了船舶上行出閘的安全性。

3)船舶通航限制條件為：①能見度良好，視距不小于2 000 m；②除應急操作外，代表船型作業條件，限制作業風力不大于蒲氏風力4級(≤6.7 m/s)；③船舶全程安全富余水深應不小于船舶最大吃水的10%。

仿真模擬試驗有效地支撐了臨淮崗船閘上游引航道布置的合理性。試驗結果表明：臨淮崗復線船閘上游折線型引航道布置是合理的，將左側警示分隔墩由22個減少至13個(長度130 m)后可滿足2 000噸級船舶過閘通航要求。

4 結語

1)臨淮崗復線船閘上游引航道布置創新地采用了折線型布置，仿真模擬試驗有效驗證了這種布置的可靠性。

2)臨淮崗船閘在河道條件或用地受限制情況下的引航道采用折線型布置可以節省占地、減少征地拆遷等社會風險、降低對過閘時間的影響。

3)通過船舶試驗驗證優化，折線型引航道停泊段不作為引航道直線段的必要組成部分是可行的。

4)停泊段至閘首之間的引航道水流條件、氣象條件對引航道尺度有一定影響，可通過船舶過閘仿真模擬試驗進行優化。