鄭大明，

(1.浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310002；2.同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，浙江 嘉興 314051)

0 引言

《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》要求水上過(guò)河建筑物軸線的法線方向與水流流向的交角不宜超過(guò)5°，如果超過(guò)5°且橫向流速大于0.3 m/s時(shí)，通航凈寬應(yīng)該加大[1]。規(guī)范未對(duì)橋梁斜交角度的上限做出規(guī)定，從船舶過(guò)橋操縱的角度來(lái)看，大角度(系指斜交角超過(guò)5°)斜交橋梁的建設(shè)一定程度上縮減了航道尺度，改變了該水域的流速、流態(tài)，過(guò)往船舶的習(xí)慣航路也將隨之改變，從而影響船舶過(guò)橋操縱方案的選擇，增加該水域的通航風(fēng)險(xiǎn)。

近年來(lái)，對(duì)船舶過(guò)橋操縱的研究主要集中在風(fēng)流對(duì)船舶的影響[2]、模擬操縱[3]、通過(guò)能力[4]等方面，國(guó)內(nèi)尚未有橋梁斜交角度對(duì)船舶過(guò)橋操縱的影響分析，因此，本文旨在通過(guò)分析斜交橋梁對(duì)船舶過(guò)橋操縱的影響因素，結(jié)合船舶操縱及內(nèi)河引航的相關(guān)理論，提出適應(yīng)船舶過(guò)橋操縱的斜交角度控制范圍，并針對(duì)特殊情況下選取的橋梁斜交角度建設(shè)方案提出改善措施，從而為斜交橋梁的建設(shè)及保護(hù)通航環(huán)境提供參考依據(jù)。

1 斜交橋梁船舶過(guò)橋操縱

1.1 常用操縱方法

理想狀態(tài)下船舶應(yīng)從橋孔正中通過(guò)，但一般情況下，橋梁軸線的法向方向與河道主流流向均有一定的夾角，船舶過(guò)橋操縱時(shí)，尤其是下行船舶，主要困難表現(xiàn)在因橫流的影響使得船位不易控制。因此依據(jù)文獻(xiàn)[5-6]以及實(shí)際的操船經(jīng)驗(yàn)，過(guò)橋操縱一般采用如下方法：

1)掛高船位。在接近橋梁時(shí)，應(yīng)將航路選擇在上流水一側(cè)，盡量減小船舶首尾線與流向的夾角，減小因橫流的作用而產(chǎn)生的船位偏移。

2)掌握船位。當(dāng)船舶從橋梁上游以一定夾角與橋梁斜交通過(guò)時(shí)，船舶剛達(dá)橋墩，應(yīng)迅速掉向甩尾，使船身與橋梁成正交通過(guò)。

1.2 操縱存在的主要問(wèn)題

受橋梁斜交角度不同的影響，船舶在選擇過(guò)橋方案時(shí)主要存在以下問(wèn)題：

1)船舶首尾線垂直橋梁軸線方向通過(guò)橋梁。目前，多數(shù)駕駛員已習(xí)慣選擇此種方案通過(guò)橋梁，即選擇掛高船位，但是，當(dāng)橋梁斜交角度較大時(shí)，過(guò)橋船舶首尾線與主流存在較大夾角，受流影響產(chǎn)生的流致漂移量急劇增大，極易誘發(fā)因橫流推壓船身而導(dǎo)致碰撞橋墩事故的發(fā)生。

2)船舶首尾線順航道主流方向通過(guò)橋梁。當(dāng)駕駛員選擇此種方案通過(guò)橋梁時(shí)，雖然過(guò)橋時(shí)船身與水流流向交角較小，受橫流影響也較小，但是，因橋梁斜交的影響，有效凈空寬度相對(duì)較小。另外，選擇該種方案時(shí)，船舶在利用助航標(biāo)志時(shí)存在一定的視覺(jué)影響，從而增加了駕駛員操作或判斷失誤的機(jī)率。

2 橋梁斜交角度控制推算模型

2.1 斜交角度控制推算原則

本文基于船舶航行漂移量數(shù)學(xué)模型，并考慮過(guò)橋操縱中的人為因素，推算船舶過(guò)橋操縱的斜交角度控制范圍，在建立推算模型時(shí)遵循以下原則：

1)船舶只能在特定的外界環(huán)境下通過(guò)橋梁，即當(dāng)風(fēng)速、流速超過(guò)一定界限值時(shí)，禁止船舶通過(guò)橋梁。

2)設(shè)計(jì)橋梁斜交角度不得影響船舶過(guò)橋操縱方案的選擇，即橋梁有效航行凈寬均應(yīng)滿足船舶垂直橋梁、順?biāo)魍ㄟ^(guò)橋梁的要求；

3)船舶過(guò)橋操縱需避免的最大風(fēng)險(xiǎn)為撞擊橋墩；

4)船舶選定過(guò)橋方案時(shí)，假定當(dāng)船首到達(dá)橋墩后航向、航速不變，直至船尾通過(guò)橋梁為止。

2.2 船舶過(guò)橋航行漂移量計(jì)算

為了計(jì)算船舶過(guò)橋航行時(shí)受風(fēng)、流影響而產(chǎn)生的漂移量，必須先建立船舶過(guò)橋漂移量的計(jì)算坐標(biāo)系，如圖1、圖2所示。

其中：Vw為水流速度；Vs為航速；Va為相對(duì)風(fēng)速；Bsh為順航道主流方向過(guò)橋所需航跡帶寬；S為計(jì)算河長(zhǎng)；Id為橋面寬度；α、β、λ分別表示船舶過(guò)橋時(shí)，風(fēng)向、流向、船舶首尾線與Y軸的交角；θ為航道密度與橋梁斜交角。

風(fēng)引起的航行漂移量：

流引起的航行漂移量

BL=Vwsinβ×S/(Vscosλ±Vacosα±Vwcosβ)；

偏航角引起的航行漂移量

BP=Vssinλ×S/(Vscosλ±Vacosα±Vwcosβ)。

式中：K為系數(shù)，一般取0.038～0.041；Bα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)。

2.3 橋梁斜交角度控制

船舶過(guò)橋操縱時(shí)，選擇順航道操縱方式將存在一定偏航角(參照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》確定)，選擇垂直橋梁操縱方式則不存在偏航角，根據(jù)圖1、圖2所示，兩種操縱方案下計(jì)算河長(zhǎng)分別為：

Ssh=L+Ld/cos(θ+λ)；

(1)

Sch=L+Ld。

(2)

式中：L為船長(zhǎng)。

由于航行坐標(biāo)系以主流流向?yàn)閄軸，因此可認(rèn)為航道主流流向與航道中心線一致，即β在X軸方向角度為0；考慮最不利風(fēng)、流、偏航角的影響，即風(fēng)舷角α始終為90°；在考慮最不利因素影響下，航跡帶寬度應(yīng)由同向疊加而得，即BF+BL+BP，由此推算出順航道主流方向和垂直橋梁軸線方向過(guò)橋所需航跡帶寬分別為：

(Vwsin(0°)+Vssinλ)/(Vscosλ-Vacos(90°-λ)+Vwcos(0°))×

Ld/cos(θ+λ)+Lcosλ+Lsinλ+Bcosλ；

(3)

(Vwsin(0°)+Vssinθ)/(Vscosθ+Vacos(90°-θ)+Vwcos(0°))×

Ld+Lcosθ+Lsinθ+Bcosθ。

(4)

根據(jù)斜交角度控制的推算原則，在一定的外界風(fēng)流條件下，假定由于人為因素導(dǎo)致的偏航角不變，為了不影響船舶過(guò)橋操縱方案的選擇，橋梁斜交角度應(yīng)控制在一定的角度內(nèi)，以滿足船舶選擇兩種過(guò)橋方案時(shí)所需的有效凈寬應(yīng)相等，聯(lián)立式(3)和式(4)，即可求出橋梁斜交角度控制范圍推算公式。利用Matlab制圖工具，繪制航跡帶寬度與橋梁斜交角度(θ)的關(guān)系，如圖3所示。

圖3反映出：1)在選擇順航道過(guò)橋操縱方式時(shí)，船舶航跡帶寬度受θ的影響較小，而當(dāng)選擇垂直橋梁過(guò)橋操縱方式時(shí)，航跡帶寬度受θ的影響較大;2)為不影響過(guò)橋操縱方案的選擇，橋梁斜交角度不應(yīng)大于兩種方案航跡帶寬度相同時(shí)所對(duì)應(yīng)的角度；3)對(duì)于特定的橋梁，當(dāng)設(shè)計(jì)通航風(fēng)速Va、流速Vw、船速Vs確定后，斜交角度θ控制范圍也可確定。

3 斜交橋梁通航控制改善措施

斜交橋梁，尤其是大角度斜交橋梁的建設(shè)對(duì)通航及橋梁自身安全的影響是永久性的，橋梁的建設(shè)最好采取一跨過(guò)江的方案，且橋梁的凈寬不影響船舶的過(guò)橋操縱。但我國(guó)內(nèi)河航道寬闊，尤其是長(zhǎng)江中下游，基本都需在江中設(shè)置橋墩，因此橋梁建設(shè)應(yīng)保持足夠的航道有效寬度，供過(guò)往船舶通行。為平衡通航與工程本身的矛盾，本文從通航安全的角度出發(fā)，提出幾點(diǎn)斜交橋梁通航控制改善措施。

1)當(dāng)受各種因素的影響使得橋梁建設(shè)僅能選取斜交角度較大的建設(shè)方案時(shí)，應(yīng)保證足夠的有效通航凈寬，不得影響船舶的過(guò)橋操縱。

2)斜交角度應(yīng)控制在本文所提出的斜交角度控制范圍內(nèi)，從而最大限度減小斜交橋梁對(duì)船舶過(guò)橋操縱的影響。

3)完善助航標(biāo)志，當(dāng)流向與橋梁軸線的水平垂線存在10°以上夾角時(shí)，則橋墩上游浮標(biāo)的中心線應(yīng)與流向平行。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的橋梁斜交角度控制推算模型旨在為最大限度地保護(hù)通航環(huán)境提供科學(xué)的依據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)科學(xué)合理確定所在航道的設(shè)計(jì)通航風(fēng)速、流速、船速，并參照《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》確定橋梁斜交角度和通航凈空寬度。對(duì)于船舶和環(huán)境復(fù)雜航段，還應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬或?qū)嵈囼?yàn)，確保水域通航安全。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)：GB50139-2014[S]. 北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2014.

[2]田超.風(fēng)浪流作用下船舶操縱運(yùn)動(dòng)的仿真計(jì)算[D].武漢:武漢理工大學(xué),2003.

[3]徐言民.基于操縱模擬的橋區(qū)水域船舶通航安全預(yù)控研究[D].上海:上海交通大學(xué),2010.

[4]應(yīng)靜華,肖英杰.橋梁通航孔船舶通行能力研究[J].中國(guó)航海,2007.

[5]郭國(guó)平.船舶操縱[M].北京:人民交通出版社,1999.

[6]劉明俊.航道與引航[M].北京:人民交通出版社,1999.

[7]劉明俊,呂習(xí)道.船舶過(guò)彎道所需航寬建模[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2006，30(1)：178-179.