李中剛 張海濤

（武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430063 ）

隨著我國(guó)道路交通的快速發(fā)展，各種跨越天然及人工航道的橋梁也在不斷增多，眾多橋梁的建設(shè)在對(duì)公路、鐵路運(yùn)輸帶來(lái)便利的同時(shí)，也對(duì)航運(yùn)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。針對(duì)橋梁建設(shè)的通航安全研究，不僅對(duì)橋梁所在水道的航運(yùn)有著重要意義，對(duì)橋梁自身的安全也至關(guān)重要。本文將從船舶在橋梁水域航行時(shí)漂移量計(jì)算的角度建設(shè)模型，對(duì)橋梁水域的界定進(jìn)行探討。船舶在橋區(qū)航行時(shí)，受到風(fēng)流的影響會(huì)產(chǎn)生橫向的漂移。根據(jù)不同的風(fēng)流組合，在限定的通航凈寬條件下，可以計(jì)算出航行距離與通航凈寬之間的數(shù)量關(guān)系，從而為橋梁水域范圍的劃定提供參考。

1 風(fēng)流影響下漂移量的計(jì)算

1．1 船舶過(guò)橋漂移量坐標(biāo)系的建立

為了計(jì)算船舶過(guò)橋時(shí)受風(fēng)流作用下的漂移量值，必須先建立船舶過(guò)橋漂移量的計(jì)算坐標(biāo)系［1］（船舶過(guò)橋漂移量計(jì)算坐標(biāo)系如圖1 所示）。

設(shè)定計(jì)算坐標(biāo)系的原點(diǎn)為輸煤棧橋單向通航孔的中心位置，橫軸（X）垂直于大橋軸線(xiàn)，正軸指向長(zhǎng)江的下（上）游方向，縱軸（Y）平行于大橋軸線(xiàn)，正軸指向長(zhǎng)江的左（右）岸。船舶過(guò)橋時(shí)，船舶首尾線(xiàn)X與軸的夾角稱(chēng)為偏航角α，水流方向與X軸的夾角稱(chēng)為流向角β。

①坐標(biāo)原點(diǎn)O 為計(jì)算初始時(shí)刻（t＝0）船舶重心的位置；

②船速V s，（單位：m／s ）；

圖1 船舶過(guò)橋漂移量計(jì)算坐標(biāo)系

③α—船舶偏航角，（單位：°）；

④V a—風(fēng)速，船舶受橫風(fēng)的影響，（單位：m／s ）；

⑤V w—流速，（單位：m／s ）；

⑥β—橋梁軸線(xiàn)的法線(xiàn)方向與水流流向的交角，（單位：°）。

1．2 船舶過(guò)橋漂移量數(shù)學(xué)模型的建立

船舶航行時(shí)漂移量數(shù)學(xué)模型的建立，首先應(yīng)分別確定船舶在無(wú)風(fēng)、無(wú)流影響情況下通過(guò)所需航寬B1和船舶在風(fēng)流作用下因漂移增加的航跡帶寬度B2，其中B2應(yīng)包括船舶受風(fēng)的影響產(chǎn)生的風(fēng)致漂移量BF、船舶受流的影響產(chǎn)生的流致漂移量BL、和船舶航行中偏航角引起的航跡帶寬度的增加量（又稱(chēng)為偏航量）BP［2］。然后根據(jù)疊加原理建立船舶上、下水通過(guò)該順直航段時(shí)，在有風(fēng)、流影響情況下所需航寬數(shù)學(xué)模型。（船舶漂移量數(shù)學(xué)模型如圖2 所示）。

（1）無(wú)風(fēng)、流情況下船舶航跡帶寬度B1

在無(wú)風(fēng)無(wú)流情況下，船舶航跡帶寬度可按下式進(jìn)行計(jì)算：

圖2 船舶漂移量數(shù)學(xué)模型

（2）船舶航行中風(fēng)致漂移量BF

考慮在極限的情況下（風(fēng)舷角為90°），即船舶正橫受風(fēng)時(shí)，風(fēng)動(dòng)力最大，則船舶航行中風(fēng)致漂移速度V F可由下面公式計(jì)算得出：

Bα—船體水線(xiàn)上側(cè)受風(fēng)面積（m2）；

Bw—船體水線(xiàn)下側(cè)面積（m2）；

L—設(shè)計(jì)船長(zhǎng)（m）；

d—船舶吃水（m）；

VS—船速（單位：Kn）；

Vα—相對(duì)風(fēng)速（m／s）。

因此，船舶航行中受風(fēng)影響情況下的漂移量BF可用下式計(jì)算：

（3）船舶航行中流致漂移量BL

船舶航行在各種水流情況下的流致漂移量BL可用下式計(jì)算

其中：VW—水流速度（m／s ）；

V S—船速（m／s ）；

α—船首尾線(xiàn)與X 軸的夾角，稱(chēng)為偏航角（°）；

β—水流流向與 X 軸的交角，（°）；

S—計(jì)算河長(zhǎng)（m）。

（4）船舶航行中由偏航角引起的航跡帶寬度增加量BP

偏航角α所引起的航跡帶寬度的增加量B P可用下式進(jìn)行計(jì)算：

綜上所述，船舶在不同風(fēng)流作用下，以不同的偏航角航行時(shí)，在最為不利風(fēng)流組合下，即風(fēng)致漂移量、流致漂移量和偏航角所引起的航跡帶寬度增加量在相同方向上疊加，船舶航行時(shí)所需航跡帶寬度應(yīng)為：

可推出航行距離與風(fēng)、流及通航凈寬間的距離公式：

航行距離為船長(zhǎng)、橋?qū)?、與橋梁水域之和，可推出橋梁水域長(zhǎng)度為：

其中：Bq—橋梁寬度（通航孔兩側(cè)橋墩寬度）

2 橋梁水域界定的意義

橋梁水域的界定，對(duì)在橋梁水域航行的船舶航行安全和橋梁自身的安全，以及在橋梁水域內(nèi)，船舶的行為、通航環(huán)境、和橋梁設(shè)施設(shè)置都會(huì)受到影響［3～4］，包括：

（1）船舶在橋梁水域航行，航速和航向及船舶間距都受到一定的限制，并禁止追越，對(duì)橋梁水域的通航密度產(chǎn)生影響；

（2）橋梁水域的劃定對(duì)處在橋梁水域內(nèi)的岸線(xiàn)使用及水工建筑的營(yíng)運(yùn)作業(yè)會(huì)產(chǎn)生影響，如規(guī)劃布局和作業(yè)時(shí)間等；

（3）橋梁水域內(nèi)助航標(biāo)志的設(shè)置和航路、航法的制定；

（4）航行保證措施和應(yīng)急預(yù)案的制定。

1 郭國(guó)平．船舶操縱［M］．人民交通出版社，1999

2 程志友．橋區(qū)船舶失控漂移航機(jī)計(jì)算機(jī)模擬研究［J ］．武漢理工大學(xué)，2007

3 吳兆麟．海上交通工程學(xué)［M］．大連海事大學(xué)出版社，2002

4 甘浪雄．航道條件對(duì)船舶航行可靠性的影響［J ］．中國(guó)航海，2001 （2）：55 ～57

5 E．van Manen．Ship Collisions due to the Presence of Bridges［R］．Brussels PIANC General Seeretariat ，2001