基于仿真试验的头门港进港航道宽度有效性分析

2018-02-13周丽丽柳良伟王若晨

浙江交通职业技术学院学报 2018年4期

周丽丽,柳良伟，王若晨

(1.台州港湾工程咨询有限公司,浙江台州 318000; 2.浙江交通职业技术学院，杭州 311112)

0 引言

台州港位于浙江省沿海中部，北邻宁波、南连温州，是浙江省沿海地区性重要港口，在台州市及浙江中部地区能源、矿建等物资运输中发挥了重要的作用，港口的发展有力促进了腹地经济、社会的发展。规划头门作业区西起白沙半岛，东至头门岛，利用白沙、大竹山浅滩围涂造陆，并配套建设连岛工程。依托北洋涂二期围垦工程，规划形成头门岛南、北部两大码头区，远景预留东矶列岛发展空间。起步码头工程位于规划的南部码头区面长山岛附近，头门作业区一期工程包括1个2万吨级(水工结构按5万吨级预留)泊位，于2011年9月30日开工建设，2014年12月26日投入试运营，2016通过竣工验收。2017年9月起，拟建设2个5万吨级通用泊位(按照7万吨级船舶设计)，二期工程拟建设2个5万吨级(水工结构按7万吨级散货船靠泊设计)泊位。本文研究的航道宽度有效性作为头门作业区进港航道的一期工程，主要服务于南部起步码头(包括一期和二期码头)。

对于航道宽度有效性分析的典型研究主要有：对海港航道转弯段主尺度中航道宽度的设计进行研究[1]；对航道宽度与通航水域关系中总结估算单向通航航道宽度的经验公式[2]；针对海港航道设计宽度进行探讨[3]；探讨10万吨级航道设计中航道宽度的设计及注意的事项[4]；对海港航道直线段宽度确定方法进行比较[5]；对大横流情况海港航道宽度计算提出数学模型[6]；采用航海模拟器对海港航道设计宽度模拟进行试验研究，并取得良好的效果[7]；尝试采用基于最大横流累积频率设计航道宽度[8]；国内外海港航道宽度设计方法对比[9]。综上所述，采用仿真实验方法可以分析航道宽度有效性与合理性，故采用仿真试验对头门港进港航道宽度有效性进行分析。

1 航道宽度的规范性分析

航道宽度是指设计低水位或乘潮水位时，航槽断面设计水深处两底边线之间的宽度。航道有效宽度一般由航迹带宽度、船舶间富裕宽度以及船舶与航道底边之间的富裕宽度等3部分组成，如图1所示。

图1 航道设计基本尺度

航道宽度W可按式(1)计算：

双线航道：W=2A+b+2C单线航道：W=A+2C

(1)

式中：W为航道通航宽度，m；b为船舶间富裕宽度，m，取设计船宽B；C为船舶与航道底边间的富裕宽度，m。

1.1 航迹带宽度

规范规定航迹带宽度A(m)按下式确定：

A=n(Lsinγ+B)

式中：n为船舶漂移倍数；γ为风、流压偏角，工可报告按7°考虑；L为船长，m；B为船宽，m。具体取值见表1所示。

表1 满载船舶漂移倍数n和风、流压偏角值表

1.2 船舶间富裕宽度

当船舶相遇会船时，为了防止船吸效应，两航迹带间应留有一定的安全距离，一般取一倍船宽。

1.3 船舶与航道底边间的富裕间距

对于人工开挖的航道，由于航槽内外水深差形成航槽壁，船舶在这样狭窄的航道内航行，为防止船舶因船吸效应而擦壁或搁浅，减少操船困难，必须与槽壁保持一定距离。规范规定此富裕间距C按表2取值。

表2 船舶与航道底边间的富裕宽度C

该航道全长约24.1km，见图2。其中Q～Q1航段长5.4km，航道通航宽度170m，设计底高程-11.7m(当地理论最低潮面)；Q1～D1航段长18.7km，航道通航宽度170m，设计底高程-11.7m，可满足5万吨级散货船乘潮单线通航(乘潮历时2.5h 90%保证率)，兼顾7万吨级散货船乘潮单线通航(乘潮历时2.5h 50%保证率)。

图2 航道工程平面布置方案

2 航道宽度有效性分析仿真试验方案

2.1 仿真试验关键技术环节

2.1.1 电子海图制作

根据实地调研获取试验水域现有码头、航道等通航要素技术资料和设计单位关于拟建工程设计相关资料，分别将其数字化后，对不同投影方式生成的数字化海图数据进行整理、变换，形成符合本模拟试验要求的数字化平面图，用于显示模拟试验过程的模拟航行环境和模拟船舶，见图3所示。

2.1.2 视景数据库建模

通过实地调研和采集现有特征(标志性)建筑高分辨率视景影像材料为建模做准备，对实地拍摄视景数据进行预处理，获取真实材质和模型，并用3D Max或AutoCAD等主流建模工具进行三维模型建立及优化，然后将纹理材质图片进行渲染，生成真实感很强的三维模型，如图4所示。最后进行数据结构优化，地理地形细节层次处理和导入到大型船舶操纵模拟器进行调试等。

图3 数字化电子航道图

图4 船舶与视景仿真图

2.1.3 通航环境及船舶建模

根据工程水域水文、气象、航道尺度、船舶特征等环境参数，利用全任务大型船舶操纵模拟器对通航环境进行建模，建立符合实际环境的三维视景系统，建立ECDIS海图及具有六自由度(前后、侧移、船首向变化、纵摇、横摇、垂荡)的特征船舶数学模型，如表3所示。

表3 本工程设计代表船型

本文研究的航道宽度有效性应该考虑兼顾船型的最大航道宽度，因此针对兼顾船型7万吨级船舶进行分析更为有意义。

模型真实地模拟本船在开阔水域及限制水域的水动力学特征，包括气象、潮汐、水流影响；模型真实地模拟本船在锚、车、舵、缆、拖轮作用下的多工况响应。

2.2 确定仿真试验方案

模拟方案是模拟操作关键，好的试验方案能够发现设计工程某些潜在问题。在研究确定模拟方案时，应充分考虑航行环境特点和模拟要求，并尽量考虑到方案的可行性、可操作性，以及是否符合航海操作惯例。

模拟方案的实施人选也是影响模拟结果的一个组成部分。同样的模拟环境和模拟船形，同样的模拟预案，由具有不同航海资历背景的操作者实施操作，其结果不尽相同，有时甚至有较大差别。因此确定本模拟试验方案实施人员由专业引航员、不同资历的海船船长、驾驶员组成，以尽量使模拟结果具有普遍性和代表性。

3 头门港进港航道宽度有效性仿真试验分析

7万吨级散货船进出头门作业区航道为单向通航，单向通航模拟试验选取自然条件分别为最大涨潮满载进港、落潮压载出港，风速选取4级、6级和7级，风向为常风向的条件组合，进出港航道C1点以外段航速为6～10kn，接近C1点进港速度将为6kn以下。

7万吨级散货船进出港模拟试验数据统计如表4和表5所示。

表4 设计船型模拟试验工况设置表

表5 7万吨级散货船进出港航道航行的航迹带宽度

图5 7万吨级散货船进出港航道所需单向航道宽度模拟数据统计分析图

图6 7万吨级散货船涨潮、风向205°、风力7级、进港航迹带(C1-D1)

图7 7万吨级散货船涨潮、风向025°、风力7级、进港航迹带(C1-D1)

如图5～7所示，通过对进出船舶航道航行试验的船舶航迹带进行统计、计算和分析， 7万吨级船舶在受横风7级及以下风力影响下，船舶进出Q1-C1段航迹带宽度最大为110m，所需航道宽度最大为174.6m；船舶进出C1-D1段航迹带宽度最大为113m，所需航道宽度最大为161.5m。试验表明，航道设计宽度值170m，能满足船型在风力6级及以下试验条件下的进出港要求，但不能满足横风7级情况下满载进港的要求。