徐新中 張玉峰 劉明俊 徐言民

（江陰海事局1） 江陰 214431） （江陰興澄特種鋼鐵有限公司2） 江陰 214431）（武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院3） 武漢 430063）

目前我國每年進(jìn)口礦石達(dá)14 800萬t（2003年），礦石來源主要為澳大利亞（占40.2%）、巴西（占28.3%）、印度（占22.3%）、南非（占6.6%），另有2.5%來自其他國家.長江下游礦石運(yùn)輸主要采用二程運(yùn)輸方式.一程遠(yuǎn)洋運(yùn)輸以15萬～20萬DWT的船型為主.二程運(yùn)輸通常有2種方式，一種是遠(yuǎn)洋運(yùn)輸大型船在外海碼頭完全中轉(zhuǎn)卸載后，用3萬～5萬DWT二程船轉(zhuǎn)運(yùn)至長江下游水域的運(yùn)輸方式，另一種遠(yuǎn)洋運(yùn)輸大型船在外海中轉(zhuǎn)碼頭減載后直抵長江下游碼頭.比較兩種運(yùn)輸方式，在減載量占載重量的比例不大的條件下，采用一程遠(yuǎn)洋運(yùn)輸大型船減載直抵長江下游碼頭的運(yùn)輸方式具有運(yùn)輸成本相對較低的優(yōu)勢，也可以適應(yīng)長江下游水域發(fā)展的需要，做到合理、高效利用現(xiàn)有泊位資源的要求.超大型海船減載進(jìn)出福姜沙水道后可以將大型海船進(jìn)江里程大大延伸，對江陰的經(jīng)濟(jì)將具有巨大的拉動作用，對江陰興澄特鋼的可持續(xù)發(fā)展和積極應(yīng)對金融危機(jī)具有積極意義.

目前15萬t海船可以直抵江陰福姜沙水道下游的砂鋼碼頭，但由于福姜沙水道曲折多彎，而且流壓角較大，航行條件比較復(fù)雜.有必要對超大型海船彎曲航段通航寬度進(jìn)行研究，以驗證超大型海船航經(jīng)福姜沙水道的可能性.劉明俊等［1－5］曾分別對船舶風(fēng)致漂移、流致漂移和過彎道航寬進(jìn)行了研究.本文將風(fēng)致漂移、流致漂移模型引入船舶過彎所需航寬模型，并進(jìn)行了實例計算.

1 船舶彎曲航道通航寬度建模

1.1 彎道橫流角

橫流角β是指橫流方向與航道軸線的夾角，該值的大小決定了橫流對船舶過彎時的作用方向和大小.設(shè)某彎道凸岸和凹岸航道邊線的曲率半徑為R1和R2.彎道航寬示意圖見圖1.

圖1 彎道航寬示意圖

對于某一具體彎道而言，流向角β值變化不大，若圖中軸線的曲率半徑為R，河寬為B，則有

1.2 坐標(biāo)系

為便于計算船舶通過時所需要的航道寬度，首先建立計算坐標(biāo).設(shè)定坐標(biāo)的原點(diǎn)均位于各航段的軸線上，縱軸Y平行于航道軸線指向下游，橫軸X垂直于各自航道軸線指向右岸.船舶航行時，設(shè)船首尾線與Y軸的夾角稱為偏航角α，流向與Y軸的夾角稱為流向角β，風(fēng)作用方向與Y軸的夾角稱為風(fēng)向角αf，如圖2所示.

圖2 計算坐標(biāo)示意圖

1.3 彎曲航段過彎運(yùn)動數(shù)學(xué)建模

首先確定代表船舶在無風(fēng)作用下通過彎曲河段所需航寬B1、受風(fēng)作用產(chǎn)生的風(fēng)致漂移量ΔBf，然后根據(jù)疊加原理建立代表船舶過彎時，在有風(fēng)、流作用情況下所需的航道寬度.

1）無風(fēng)流影響下所需航寬 船舶在無風(fēng)流作用情況下，通過彎曲航段所占航寬（B1）的大小可用下式計算

式中：K為系數(shù)，按四六分心掛高，取1.25；R為航道軸線曲率半徑，m；b為船舶寬度，m；AC為船舶轉(zhuǎn)心至船尾的距離，m，由轉(zhuǎn)心位置確定，根據(jù)船舶操縱理論轉(zhuǎn)心位置一般位于船舶重心前1／5～1／3L，取AC＝3／4L，其中：L 為船舶長度，m；Vw為過彎時的航速，m／s；t為船舶對舵的響應(yīng)時間，s，根據(jù)代表船型B船的實船旋回試驗結(jié)果選取，計算時取28s.

2）流致漂移量 代表船舶通過彎道時，在流的作用下產(chǎn)生的橫向漂移量，可用下式計算

式中：U為流速.

3）風(fēng)致漂移量

式中：K′為修正系數(shù)，取0.038～0.041；Ba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；Bw＝Ld，d為船舶吃水，m；Vs為風(fēng)中船速，kn；Va為相對風(fēng)速，m／s；αf為風(fēng)向與航道法線的夾角，（°）.

4）所需航寬

2 彎曲航段所需航寬計算實例

2.1 航道描述

以江陰福姜沙水道為例進(jìn)行計算.水道航道概況見圖3～4所示，基本參數(shù)如表1所列.

圖3 福北FB＃5～FB＃7（彎曲段）

圖4 福南FB＃47（彎曲段）

表1 江陰姜沙水道尺度 m

由表1可見，福北水道相對福南水道而言航行條件較優(yōu)越，航道基本順直，但航道寬度不大，其中FB＃5～FB＃7航道呈彎曲狀，是代表船舶安全通過該水道的主要礙航因素.在該水道航標(biāo)標(biāo)示的可航水域范圍內(nèi)，順直段最窄處在FB＃4～FB＃5之間約650m長的航段，航寬175m；彎曲段（FB＃5～FB＃7）最窄處航寬也僅175m.

福南水道下端出現(xiàn)呈S形的2個連續(xù)反向的急彎，航道不僅彎曲狹窄，且碼頭密布，船舶流量大，是代表船舶安全通過該水道的主要礙航因素.航標(biāo)標(biāo)示的可航水域范圍內(nèi)，2個反向彎道的最窄處航寬分別為137.5m和100m.

按照最不利的原則，代表船舶過福北水道時，如果最窄處能保證安全通過，則其他航段一般能安全航行，因此順直段僅對福北水道航標(biāo)標(biāo)示水域可航寬度最窄處進(jìn)行分析計算，即FB＃4～FB＃5之間約650m長的航段.

2.2 計算條件

1）流速與流向 福姜沙水道水流以落潮流為主，洪水期落潮流流速一般在1.5～1.8m／s，最大可達(dá)2.5m／s，其中順直段流速大小按1.0，1.5和2.0m／s 3個流速級計算，順流航行取正值，逆流航行取負(fù)值，流向角β取5°；彎曲河段流速大小仍按1.0，1.5和2.0m／s 3個流速級計算，流向角β通過式（1）求取.

2）風(fēng)速與風(fēng)向 計算中分別按照5，6，7等4個風(fēng)級考慮，取不利橫風(fēng)，即風(fēng)向角αf取90°.

3）航速 船舶航速分別按限制速度8，10，12 kn考慮.相關(guān)計算參數(shù)見表2.

表2 相關(guān)計算參數(shù)

4）船速 對應(yīng)不同航速和流速下，船舶的順、逆流船速計算值，見表3.

表3 船舶順、逆流船速

2.3 計算結(jié)果

根據(jù)上述計算條件對船舶上、下行通過福姜沙水道彎曲航段的所需航寬情況進(jìn)行計算，結(jié)果如表4所列.

表4 通過彎道所需航寬計算表

從表5可以看出，在目前設(shè)標(biāo)情況下超大型海船通過福北水道的彎曲航段，由于航標(biāo)標(biāo)示航寬最窄處僅約175m，遇流速較高和不利橫風(fēng)時航標(biāo)標(biāo)示的可航水域會略顯不足.但福北水道彎曲段最窄處，在多年平均低潮位下的實際可航水域?qū)挾瓤蛇_(dá)363m，去掉航標(biāo)繞標(biāo)位旋回所需水域2×50m，則平均低潮位下最窄處至少有263 m的有效航寬，說明代表船舶通過福北水道的彎曲段時，只要合理控制航速、及時調(diào)整航向防止偏航、有效布置航標(biāo)安全航行是有保障的.福南水道主要是以彎、窄礙航為主，其2個反向彎道方向變化較大.在現(xiàn)有航標(biāo)標(biāo)示的航道范圍內(nèi)，2個反向彎道的有效航寬分別僅為135.5，100m（扣除代表船舶航行中必須與左右側(cè)航標(biāo)保持的安全距離2×50＝100m），因此目前代表船舶安全通過福南水道，從現(xiàn)有航標(biāo)標(biāo)示的實際航寬看，不能滿足代表船舶安全通航所需航寬的要求.

3 結(jié)束語

本文提出的超大型海船彎曲航段通航尺度計算模型，可以在考慮風(fēng)致漂移、流致漂移和航道尺度的情況下，分析現(xiàn)有航道條件是否滿足超大型海船的通航條件.通過本文的分析，可以看出，在利用本文提出的模型分析后，15萬t超大型海船在減載并滿足本文提出的通航條件下，是可以安全通過福姜沙水道的.本文的研究成果對超大型海船進(jìn)江具有指導(dǎo)意義.

表5 代表船舶通過彎道所需航寬分析表

［1］劉明俊，萬長征.航道通過能力影響因素的分析［J］.船海工程，2008（5）：116－118.

［2］劉明俊，周崇喜，楊曉妍，等.蘇通大橋船舶通航標(biāo)準(zhǔn)論證方法［J］.船海工程，2005（3）：24－27.

［3］劉明俊，甘浪雄.在風(fēng)流作用下船舶橋區(qū)運(yùn)動模型探討［C］／／海船進(jìn)江與航行安全保障論文集.中國航海學(xué)會，2003.

［4］劉明俊，劉先棟，齊傳新.船舶（隊）通過黃石大橋引航技術(shù)研究［J］.航海技術(shù)，1999（1）：2－5.

［5］劉明俊，呂習(xí)道.船舶過彎道航寬計算及應(yīng)用［C］／／內(nèi)河船舶駕駛專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會論文集.中國航海學(xué)會，2004.