桥梁斜交角度控制对船舶过桥操纵的影响

2018-03-21郑大明

集美大学学报（自然科学版） 2018年1期

郑大明，

(1.浙江交通职业技术学院，浙江杭州 310002；2.同济大学浙江学院，浙江嘉兴 314051)

0 引言

《内河通航标准》要求水上过河建筑物轴线的法线方向与水流流向的交角不宜超过5°，如果超过5°且横向流速大于0.3 m/s时，通航净宽应该加大[1]。规范未对桥梁斜交角度的上限做出规定，从船舶过桥操纵的角度来看，大角度(系指斜交角超过5°)斜交桥梁的建设一定程度上缩减了航道尺度，改变了该水域的流速、流态，过往船舶的习惯航路也将随之改变，从而影响船舶过桥操纵方案的选择，增加该水域的通航风险。

近年来，对船舶过桥操纵的研究主要集中在风流对船舶的影响[2]、模拟操纵[3]、通过能力[4]等方面，国内尚未有桥梁斜交角度对船舶过桥操纵的影响分析，因此，本文旨在通过分析斜交桥梁对船舶过桥操纵的影响因素，结合船舶操纵及内河引航的相关理论，提出适应船舶过桥操纵的斜交角度控制范围，并针对特殊情况下选取的桥梁斜交角度建设方案提出改善措施，从而为斜交桥梁的建设及保护通航环境提供参考依据。

1 斜交桥梁船舶过桥操纵

1.1 常用操纵方法

理想状态下船舶应从桥孔正中通过，但一般情况下，桥梁轴线的法向方向与河道主流流向均有一定的夹角，船舶过桥操纵时，尤其是下行船舶，主要困难表现在因横流的影响使得船位不易控制。因此依据文献[5-6]以及实际的操船经验，过桥操纵一般采用如下方法：

1)挂高船位。在接近桥梁时，应将航路选择在上流水一侧，尽量减小船舶首尾线与流向的夹角，减小因横流的作用而产生的船位偏移。

2)掌握船位。当船舶从桥梁上游以一定夹角与桥梁斜交通过时，船舶刚达桥墩，应迅速掉向甩尾，使船身与桥梁成正交通过。

1.2 操纵存在的主要问题

受桥梁斜交角度不同的影响，船舶在选择过桥方案时主要存在以下问题：

1)船舶首尾线垂直桥梁轴线方向通过桥梁。目前，多数驾驶员已习惯选择此种方案通过桥梁，即选择挂高船位，但是，当桥梁斜交角度较大时，过桥船舶首尾线与主流存在较大夹角，受流影响产生的流致漂移量急剧增大，极易诱发因横流推压船身而导致碰撞桥墩事故的发生。

2)船舶首尾线顺航道主流方向通过桥梁。当驾驶员选择此种方案通过桥梁时，虽然过桥时船身与水流流向交角较小，受横流影响也较小，但是，因桥梁斜交的影响，有效净空宽度相对较小。另外，选择该种方案时，船舶在利用助航标志时存在一定的视觉影响，从而增加了驾驶员操作或判断失误的机率。

2 桥梁斜交角度控制推算模型

2.1 斜交角度控制推算原则

本文基于船舶航行漂移量数学模型，并考虑过桥操纵中的人为因素，推算船舶过桥操纵的斜交角度控制范围，在建立推算模型时遵循以下原则：

1)船舶只能在特定的外界环境下通过桥梁，即当风速、流速超过一定界限值时，禁止船舶通过桥梁。

2)设计桥梁斜交角度不得影响船舶过桥操纵方案的选择，即桥梁有效航行净宽均应满足船舶垂直桥梁、顺水流通过桥梁的要求；

3)船舶过桥操纵需避免的最大风险为撞击桥墩；

4)船舶选定过桥方案时，假定当船首到达桥墩后航向、航速不变，直至船尾通过桥梁为止。

2.2 船舶过桥航行漂移量计算

为了计算船舶过桥航行时受风、流影响而产生的漂移量，必须先建立船舶过桥漂移量的计算坐标系，如图1、图2所示。

其中：Vw为水流速度；Vs为航速；Va为相对风速；Bsh为顺航道主流方向过桥所需航迹带宽；S为计算河长；Id为桥面宽度；α、β、λ分别表示船舶过桥时，风向、流向、船舶首尾线与Y轴的交角；θ为航道密度与桥梁斜交角。

风引起的航行漂移量：

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为系数，一般取0.038～0.041；Bα为船体水线上侧受风面积(m2);Bw为船体水线下侧面积(m2)。

2.3 桥梁斜交角度控制

船舶过桥操纵时，选择顺航道操纵方式将存在一定偏航角(参照《内河通航标准》确定)，选择垂直桥梁操纵方式则不存在偏航角，根据图1、图2所示，两种操纵方案下计算河长分别为：

Ssh=L+Ld/cos(θ+λ)；

(1)

Sch=L+Ld。

(2)

式中：L为船长。

由于航行坐标系以主流流向为X轴，因此可认为航道主流流向与航道中心线一致，即β在X轴方向角度为0；考虑最不利风、流、偏航角的影响，即风舷角α始终为90°；在考虑最不利因素影响下，航迹带宽度应由同向叠加而得，即BF+BL+BP，由此推算出顺航道主流方向和垂直桥梁轴线方向过桥所需航迹带宽分别为：

(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)

根据斜交角度控制的推算原则，在一定的外界风流条件下，假定由于人为因素导致的偏航角不变，为了不影响船舶过桥操纵方案的选择，桥梁斜交角度应控制在一定的角度内，以满足船舶选择两种过桥方案时所需的有效净宽应相等，联立式(3)和式(4)，即可求出桥梁斜交角度控制范围推算公式。利用Matlab制图工具，绘制航迹带宽度与桥梁斜交角度(θ)的关系，如图3所示。

图3反映出：1)在选择顺航道过桥操纵方式时，船舶航迹带宽度受θ的影响较小，而当选择垂直桥梁过桥操纵方式时，航迹带宽度受θ的影响较大;2)为不影响过桥操纵方案的选择，桥梁斜交角度不应大于两种方案航迹带宽度相同时所对应的角度；3)对于特定的桥梁，当设计通航风速Va、流速Vw、船速Vs确定后，斜交角度θ控制范围也可确定。

3 斜交桥梁通航控制改善措施

斜交桥梁，尤其是大角度斜交桥梁的建设对通航及桥梁自身安全的影响是永久性的，桥梁的建设最好采取一跨过江的方案，且桥梁的净宽不影响船舶的过桥操纵。但我国内河航道宽阔，尤其是长江中下游，基本都需在江中设置桥墩，因此桥梁建设应保持足够的航道有效宽度，供过往船舶通行。为平衡通航与工程本身的矛盾，本文从通航安全的角度出发，提出几点斜交桥梁通航控制改善措施。

1)当受各种因素的影响使得桥梁建设仅能选取斜交角度较大的建设方案时，应保证足够的有效通航净宽，不得影响船舶的过桥操纵。

2)斜交角度应控制在本文所提出的斜交角度控制范围内，从而最大限度减小斜交桥梁对船舶过桥操纵的影响。

3)完善助航标志，当流向与桥梁轴线的水平垂线存在10°以上夹角时，则桥墩上游浮标的中心线应与流向平行。