譚力 梁芳

摘要：文章以廣西西江航運(yùn)干線某跨江橋梁所處水域通航環(huán)境為例，分析西江干線各主要代表船型的通航安全性，為航運(yùn)企業(yè)船型選取、通航橋梁設(shè)計(jì)等在船型選取時(shí)提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：橋梁通航;設(shè)計(jì)船型;建模;安全風(fēng)險(xiǎn)分析

0 引言

隨著廣西內(nèi)河水路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)的完善和航道等級(jí)不斷提升，商船隊(duì)總的發(fā)展趨勢(shì)是船舶大型化。但船隊(duì)船舶受通航環(huán)境影響較大，在航行過(guò)程中存在不同程度的安全風(fēng)險(xiǎn)。

本文以西江干線某跨江橋梁及其所處水域條件為例，分析各類主尺度船型的適航性和橋梁建設(shè)對(duì)船舶通航的影響，為航運(yùn)企業(yè)船型選取、通航橋梁設(shè)計(jì)等提供一定的借鑒和參考。

1 項(xiàng)目概述

某擬建橋梁橫跨郁江，橋址位于庫(kù)區(qū)河段，常水位時(shí)期河面寬約500m，擬建橋梁共3聯(lián)，采用[5×30+（100+2×185+100）+7×30]m跨徑組合，設(shè)計(jì)為雙孔單向通航，通航孔跨徑均為185m（詳見(jiàn)圖1）。橋址距上游河道彎段約1.2km，距下游河道彎段約1.8km，橋區(qū)河段順直、無(wú)影響駕駛通視的建筑物，水深條件良好。

2 規(guī)范符合性

本文主要針對(duì)西江干線常規(guī)2000噸級(jí)單船、3000噸級(jí)單船和國(guó)標(biāo)的3000噸級(jí)一頂二排一列船隊(duì)進(jìn)行通航安全風(fēng)險(xiǎn)分析。

如表1所示，以上3種船型中，型長(zhǎng)最長(zhǎng)的為3000噸級(jí)一頂二排一列船隊(duì)的223m，其4倍船長(zhǎng)為892m，擬建橋梁距上游彎道約1.2km，所選3種船型距河道彎段距離均滿足規(guī)范要求。3種船型中，3000噸級(jí)一頂二排一列船隊(duì)的3倍船長(zhǎng)為669m，橋梁上游彎道的航道最小彎曲半徑為900m，航道彎曲半徑滿足規(guī)范對(duì)所選3種船型的要求。本橋橋區(qū)河段水深充足、河面寬闊、無(wú)水下礙航物，從以上分析可知橋區(qū)水域通航條件滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求。

3 模擬分析

3.1 水流流態(tài)模擬分析

本文采用數(shù)字流域系統(tǒng)軟件對(duì)橋址附近約16km的沿江水域進(jìn)行分析計(jì)算，并在橋址上游700m至橋址下游350m范圍布設(shè)220個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)圖2）。計(jì)算工況分別采用了20年洪水重現(xiàn)期的最高通航水位工況和98%多年歷時(shí)保證率最低的通航水位工況（見(jiàn)圖3）。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，20年一遇洪水工況下：工程前橋區(qū)附近河段的水流流速集中在1.62～2.61m/s之間，平均流速約2.35m/s;工程后橋區(qū)附近河段的水流流速集中在1.61～2.94m/s之間，平均流速約2.42m/s，工程后河道總體水流流速略大于工程建設(shè)前，且流速增大區(qū)域僅出現(xiàn)在橋軸附近水域。此外，工程后橋軸上游壅水<0.01m/s、橋區(qū)河段橫流<0.3m/s，橋區(qū)河段掃彎、紊流、橫流等礙航流態(tài)不大，對(duì)船舶航行的影響在可控范圍內(nèi)。據(jù)此工況，按《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》《航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算3種船型的橋梁雙孔單向通航所需通航凈寬為130m、直線段雙線航道寬度為135m、上游1.2km的彎曲段雙線航道寬度為165m。

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，98%多年歷時(shí)保證率工況下：工程前橋區(qū)附近河段的水流流速集中在0.10m/s之內(nèi)，平均流速約0.08m/s;工程后橋區(qū)附近河段的水流流速集中在0.13m/s之內(nèi)，平均流速約0.09m/s。工程前后橋區(qū)附近水域流速基本不變，水流平緩，船舶航行不受水流影響，航行條件遠(yuǎn)優(yōu)于20年一遇洪水時(shí)期。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果分析，本文結(jié)合規(guī)范要求按表2和圖4所示方案布置橋區(qū)航道：

本文按國(guó)標(biāo)要求布置航道，并通過(guò)船舶仿真模擬實(shí)驗(yàn)分析西江干線常規(guī)2000噸級(jí)單船、3000噸級(jí)單船和國(guó)標(biāo)的3000噸級(jí)一頂二排一列船隊(duì)在此通航條件下的適航性。

3.2 船舶操縱仿真模擬試驗(yàn)分析

采用NT-PRO5000型模擬器建立船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，分別輸入3種研究船型的模型基本信息、幾何尺度、排水量、舵機(jī)特性、螺旋槳、停車性能、旋回性能和主機(jī)狀況等，建立研究船型的六自由度船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型。采用Transas模擬器的SceneEditor建模平臺(tái)，建立上文擬定的航道布置方案的電子航道圖，對(duì)工程水域常水期流場(chǎng)和洪水期流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算和擬合，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)入模擬器平臺(tái)進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

選取ENE、E、SSE、NE和SW五個(gè)風(fēng)向及對(duì)應(yīng)的4、6級(jí)風(fēng)力強(qiáng)度作為試驗(yàn)風(fēng)要素，波浪方向同風(fēng)向一致，流場(chǎng)選取常水期流場(chǎng)和洪水期流場(chǎng)兩種工況，組合模擬試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果顯示（見(jiàn)圖5～7）：

（1）2000噸級(jí)單船在各工況下，均可在該水域安全上、下航行。模擬試驗(yàn)的最大下行航跡帶寬度為22m，最大上行航跡寬度為24m，擬建橋梁橋區(qū)航道寬度富余較多，船舶過(guò)橋安全可控。

（2）3000噸級(jí)單船在各工況下，均可在該水域安全上、下航行。單船通航模擬試驗(yàn)的最大航跡帶寬度為30m，擬建橋梁橋區(qū)航道寬度富余較多，船舶過(guò)橋安全可控。

（3）3000噸級(jí)一頂二排一列船隊(duì)在平均流量流場(chǎng)工況下，可下行通過(guò)橋址上游約1.2km的80°轉(zhuǎn)角河道大彎段，并順利通過(guò)橋梁通航孔。

[HJ1.54mm]

（4）3000噸級(jí)一頂二排一列船隊(duì)在洪水流量流場(chǎng)工況下，水流流速可達(dá)6節(jié)，該編組模式的船隊(duì)由于機(jī)動(dòng)性很差、受水流影響敏感，船舶經(jīng)過(guò)橋址上游約1.2km的河道大彎段時(shí)，操控困難，極易發(fā)生失控、打橫、傾覆等事故，無(wú)法通過(guò)該彎道到達(dá)橋區(qū)水域。

（5）3000噸級(jí)一頂二排一列船隊(duì)在洪水流量流場(chǎng)工況和平均流量流場(chǎng)工況下，船舶上行受水流影響很大，水流流速是影響船舶安全上行的最主要因素。在此條件下，船舶稍有轉(zhuǎn)角極易發(fā)生打橫、失控等事故，無(wú)法通過(guò)橋址下游約1.5km的河道轉(zhuǎn)彎段到達(dá)橋區(qū)水域。

4 模型結(jié)果分析及優(yōu)化方案

4.1 結(jié)果分析

本次研究的橋區(qū)河段水域順直，橋梁選址、橋型方案和航道布置方案均滿足國(guó)家相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，廣西現(xiàn)狀主流機(jī)動(dòng)單船在高流量洪水時(shí)期的航行安全性仍是有保障的。但對(duì)于頂推船隊(duì)，由于船隊(duì)的阻力、推進(jìn)和操縱性能等問(wèn)題，船隊(duì)在中水期、洪水期航行均存在安全隱患，不適宜在此區(qū)間航段航行。通過(guò)船舶仿真模擬試驗(yàn)比對(duì)分析，本次研究水域船隊(duì)航行失敗的主要原因?yàn)榇巴七M(jìn)能力不足和操縱性能弱，與建橋影響關(guān)系甚微。

本次研究水域相較于西江航運(yùn)干線其它航段的通航條件并不差，各相關(guān)參數(shù)均滿足國(guó)標(biāo)要求，但由于廣西山區(qū)性河流具有彎急、水急等特點(diǎn)，致使頂推等機(jī)動(dòng)性較弱船隊(duì)對(duì)于運(yùn)輸組織、適航條件等的要求相對(duì)苛刻。

4.2 優(yōu)化方案

（1）加大上游河彎航段的彎曲半徑。中洪水時(shí)期，水位抬高，原右岸側(cè)淺水區(qū)域的水深條件能滿足船舶航行吃水要求，[JP+1]通過(guò)利用該水域，河彎航段彎曲半徑可達(dá)到1600m以上，控制船舶轉(zhuǎn)舵以降低船舶失控風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)船模試驗(yàn)分析，該方案可在一定程度上降低風(fēng)險(xiǎn)，但效果并非特別明顯。

（2）調(diào)整船隊(duì)編隊(duì)方式。將一頂二排一列的編隊(duì)方式改為一頂一排二列，通過(guò)縮短船隊(duì)長(zhǎng)度以降低空氣動(dòng)力、流體動(dòng)力等對(duì)機(jī)動(dòng)船產(chǎn)生的推力和彎矩，降低船舶操縱難度（見(jiàn)圖8～9）。通過(guò)船模試驗(yàn)分析可知，該方案對(duì)船舶航行風(fēng)險(xiǎn)的降低較為明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以西江航運(yùn)干線某區(qū)間航段為研究對(duì)象，分析建橋?qū)Υ巴ê降挠绊懞透鞔偷耐ê桨踩L(fēng)險(xiǎn)性，認(rèn)為該航段在各通航工況下西江主流機(jī)動(dòng)單船均可安全行駛，但3000噸級(jí)一頂二排一列船隊(duì)在高流量高流速時(shí)期航行風(fēng)險(xiǎn)較大，不適宜航行。

廣西河流大多具備明顯的山區(qū)河流特點(diǎn)，河道蜿蜒曲折、洪水期水位暴漲暴落、水流湍急，不適宜操縱性能、阻力性能表現(xiàn)較弱的船隊(duì)運(yùn)輸，目前廣西航運(yùn)以機(jī)動(dòng)單船為主，船隊(duì)運(yùn)輸方式已基本淘汰。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]JTS181-2016，航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]汪 浩，陳順懷.西江船隊(duì)阻力性能模型試驗(yàn)[J].船海工程，2017，46（4）：94-97.