潮間帶-近海水域內通航平面尺度確定方法

張繼良，江澤安，王 穎

(長江河湖建設有限公司，湖北 武漢 430000)

水路運輸的主要運輸工具為船舶。水路運輸主要存在航道水域與港口水域，港口水域包含制動水域與潮間帶-近海水域等。港口通航水域設計的難點是通航平面尺度確定問題，其中通航水域設計難度最高的港口水域為潮間帶-近海水域[1]。平面尺度越大，船舶航行安全程度越高，但航道建設與水域維護成本較高，平面尺度越小，船舶航行危險性越高，但會降低成本，為此需確定通航平面尺度，提升船舶通航安全性與經濟性。

寧書江等[2]為避免出現擱淺風險，設計船舶通航寬度確定方法，充分分析船舶自身特點與航行基本尺度等因素，塑造通航寬度計算模型，該方法可有效確定不同航行長度與風速時的通航寬度，該方法在確定通航寬度方面具備一定的有效性和可信度。甘浪雄等[3]依據風流漂移因素，設計船舶通航寬度計算模型，確定雙向通航寬度，該方法在不同流速與風速時，均可有效確定通航雙向寬度，該方法具備一定的適用性與精準性，獲取船舶在不同風速及流速條件下的航行限制條件。

但以往的研究成果均存在費用較高、方案保守等缺陷，無法在工程實例中直接應用。為此研究潮間帶-近海水域內通航平面尺度確定方法，有效確定通航平面尺度，確保船舶通航安全。

1 通航平面尺度確定方法

1.1 潮間帶-近海水域工程概況

某潮間帶-近海水域的徑流主要來源是降水，植物覆蓋度較高。年均徑流量是160.8億m3，年均徑流深是523.5mm，25%頻率洪水流量是13300m3/s。年均輸沙量是1820萬t，年輸沙模數是693t/km2，年均輸沙率是654kg/s，年均含沙量是2.28kg/m3，該潮間帶-近海水域海勢與海岸比較穩定，常年水面無大波瀾，流速很小。該潮間帶-近海水域具備中小型船舶自由會船條件，還符合大型船隊單向通航條件。大型船隊雙向通航受限，但確定安全平面尺度后也可實現雙向通航。

1.2 潮間帶-近海水域船舶通航操作模擬軟件數學模型

潮間帶-近海水域內船舶的運動方程為六自由度剛性物體運動方程，分別是3個移動速度與角速度分量U=(u，v，w)、Ω=(p，q，r)。

Oxyz坐標原點是船舶重心位置，3個坐標方向與船舶慣性主軸平行[4-5]，船舶六自由度方程為：

(1)

式中，m—船舶質量；X、Y、Z—3個方向的水動力分量；Jx、Jy、Jz—船舶慣性力矩；K、M、N—船舶速度分量。

在xOy平面為對稱的，同時船舶橫搖角較小情況下，w、p、q相對X、Y與N的影響可無須考慮，式(1)可簡化成四自由度方程，公式如下：

(2)

船舶通航操作模擬軟件DynaSIM內采用的水動力與船舶力矩的數據模型均為模塊化的[6]，即令各分量描繪水動力分量總和F與船舶力矩的分量總和M，公式如下：

(3)

式中，ZH、MH—裸船舶水動力與力矩分量；ZR、MR—舵水動力與力矩分是；ZP、MP—螺旋槳水動力與力矩分量；ZT、MT—推進器水動力與力矩分量；ZA、MA—風水動力與力矩分量；ZW、MW—波浪水動力與力矩分量；ZC、MC—水流水動力與力矩分量；Zint、Mint—相互作用水動力與力矩分量。

利用上述船舶通航操作模擬軟件DynaSIM模擬船舶通航情況，通過處理與分析通航情況，獲取確定通航平面尺度所需參數，設計通航平面尺度的寬度數學模型與水深數學模型，計算寬度與水深，確定安全的船舶通航平面尺度。

1.3 潮間帶-近海水域內通航平面尺度的寬度確定方法

令潮間帶-近海水域內船舶進入彎道過程中的初始航向角是ε1，潮間帶-近海水域內船舶駛出彎道過程中的航向角是ε2，ε1與ε2均按航道軸線逆時針轉至船舶首尾線是正，否則是負[7]。在船舶不受風、流影響時的通航平面尺度的寬度數學模型如下[8-10]：

(1)在ε1>0，ε2≥0情況下。

潮間帶-近海水域內通航平面尺度的寬度數學模型如下：

Gsinε1-Gsinε2+Bsinε2

(4)

式中，l—船舶寬度；B船舶長度；G—船舶轉心到船尾距離；E—船舶航跡曲率半徑。

(2)在0≤ε2≤ε1情況下。

潮間帶-近海水域內通航平面尺度的寬度計算公式與式(4)一致。

在船舶通航受風力影響情況下，通航寬度需加入風致漂移量ΔL，計算公式如下：

(5)

式中，λ—修正系數；η—隨機數；La—船舶水線上方受風面積；Ls—船舶水線下方面積；Ms—風中船速；Ma—相對風速；φ—風向和船舶主軸法線夾角；M—船舶靜水速度；θ—船舶彎曲角。

在船舶受水流影響情況下，潮間帶-近海水域內通航寬度需加入流致漂移量ΔL′，計算公式如下：

(6)

式中，v—潮間帶-近海水域流速；β—流向角。

按照疊加原理，確定單船舶在潮間帶-近海水域內的通航寬度，公式如下：

(7)

船舶在潮間帶-近海水域內通航時需留有一定的安全寬度，就是船舶和船岸間的安全寬度及會船過程中兩船間的安全寬度。

單向通航過程中，依據船舶駛出航道邊界的小概率條件，計算獲取船舶和船岸間的安全寬度。如果偏航角不大，那么通航寬度為兩舷允許偏離航道軸線和船舶寬度總和[11]。概率計算公式如下：

(8)

式中，σx—船舶均方偏差。

通常情況下設置兩舷駛出航道邊緣的概率為0.03，則式(8)可變更為：

(9)

式中，Φ(η)—拉普拉斯函數。

船舶和船岸間的安全寬度數學模型如下：

l=λησx

(10)

在潮間帶-近海水域內順直航段中，船舶需要的航道寬度數學模型為：

(11)

確定潮間帶-近海水域內船舶和船舶間的安全寬度，可避免兩船相遇過程中發生碰撞危險。令潮間帶-近海水域內上水船舶偏離航行帶軸線的值是d1，下水船舶偏離航行帶軸線的值是d2，d1與d2均為隨機量，均呈正態分布。潮間帶-近海水域內兩船會遇時的真實間距是d′=d0-d1-d2，會遇中船舷間標準間距是d0。

在d′>0情況下，則d1+d2

(12)

在潮間帶-近海水域內順直航段雙向通航過程中，航道允許寬度數學模型公式如下：

(13)

d′0的計算公式如下：

(14)

在式(12)內添加式(13)獲?。?/p>

(15)

在潮間帶-近海水域內雙向通航需要的寬度數學模型為：

(16)

1.4 潮間帶-近海水域內通航平面尺度的水深確定方法

令潮間帶-近海水域內船舶水下存在足夠的空間供船舶操縱，可確保船舶通航安全，考慮船舶通航的潮間帶-近海水域條件與氣象條件，在船舶龍骨下水深留有安全余量，該余量是富余水深。

潮間帶-近海水域內船舶通航平面尺度的富余水深為：

ΔH′=λ(?+h1+h2+h3+h4)

(17)

式中，?—船舶通航過程中下沉量；h1—船舶通航過程中龍骨下最小富余深度；h2—潮間帶-近海水域波動富余深度；h3—船舶縱傾富余深度；h4—其余富余深度。

潮間帶-近海水域內船舶通航平面尺度的水深數學模型如下：

(18)

式中，W—船舶通航過程中吃水；W1—船首吃水；W—船尾吃水。

2 實驗分析

將本文方法應用于長江河湖建設有限公司，確定該潮間帶-近海水域內通航平面尺度，驗證本文方法的有效性。

該潮間帶-近海水域內船舶進出港與靠離泊模擬的自然工況見表1。

表1 自然工況模擬信息

利用本文方法模擬油船與液化體化工船在不同自然工況下的通航情況，各船舶均按主航道進出1號港口，油船重量是60000～120000t，停靠在1號港口外側，液化體化工船重量是5000～20000t，?？吭?號港口外側，船舶通航主航道模擬情況如圖1所示。

圖1 船舶通航主航道模擬情況

以12萬t油船與2萬t液化體化工船為例，利用本文方法模擬這兩艘船舶在正常條件與惡劣條件下的通航情況，正常條件風速選擇3級，惡劣條件風速選擇5級，本文方法模擬兩種自然工況的船舶通航情況如圖2所示。

圖2 兩種自然工況下船舶通航情況模擬結果

分析圖2可知，本文方法可有效模擬船舶在正常條件與惡劣條件下的通航情況，正常條件下油船與液化體化工船均可成功?？吭谕鈧炔次慌c內側泊位，且實際航跡線與標準航道僅有微小差別；惡劣條件下油船與液化體化工船也均可成功?？吭谕鈧炔次慌c內側泊位，且船舶受風力影響，導致實際航跡線與標準航道存在較大差距，與實際情況相符。實驗證明：本文方法可精準模擬不同自然工況下，潮間帶-近海水域船舶通航情況。

依據不同自然工況下，各船舶在潮間帶-近海水域內的通航情況模擬結果，獲取船舶通航參數，依據這些通航參數，利用本文方法確定不同自然工況下，各船舶單向通航平面尺度，通航平面尺度確定結果見表2。

表2 通航平面尺度

分析表2可知，本文方法可有效確定不同自然工況下，各船舶的通航寬度與水深，即有效確定通航平面尺度，油船與液化體化工船的重量越大，其通航寬度均隨之增長，通航水深均隨之下降；當船舶重量一致時，風速等級越大，通航所需寬度越大，通航水深并未受風速等級影響。實驗證明：在不同自然工況下，本文方法均可有效確定潮間帶-近海水域內船舶通航平面尺度，為確保船舶通航安全提供保障。

以惡劣條件6級風速、12萬t油船為例，分析本文方法在不同船舶通航狀態及航速時的雙向通航平面尺度確定效果，通航平面尺度確定結果如圖3所示。

圖3 通航平面尺度確定結果

分析圖3可知，隨著船舶航速的提升，船舶上行、下行通航深度隨之提升，上行、下行通航水深隨之下降，上行通航深度大于下行通航深度，上行通航水深略低于下行通航水深；當航速達到7kn時，上行、下行通航水深趨于穩定。實驗證明：本文方法可有效確定不同航速及不同航行狀態下，潮間帶-近海水域內通航平面尺度。

3 結語

通航平面尺度問題非常繁瑣，為確保船舶通航安全，研究潮間帶-近海水域內通航平面尺度確定方法，有效確定不同情況下的通航平面尺度，為潮間帶-近海水域內船舶通航安全提供保障。為進一步提升通航平面尺度確定效果，日后需結合更多的船舶數值模擬資料與實船資料。