内河水上运输单一方向过航的曲线段航道设计配置研究

赵文戬 江西省赣北航道事务中心

1.曲线段航道单一方向过航的航宽设计

船只于曲线段航道内的运动可分为两个运动过程的叠加。一是船只围绕本身的回转运动。二是伴随流态一直前进的运动。两者都会造成船只所需航宽的提升。加宽值不但同航道环境相关，而且同船只的操作及自身的长度有关。下表为某航道发生的不同航道宽度的对应事故数量统计。表中的事故比=（区域对应事故数）/（流域年度总事故数）×100%。

从表1数据能够发现，伴随曲线段航道宽度的提升，事故产生频率越来越低。根据实验数据分析可知，航道宽度的对数与船只之间撞碰率的对数基本呈线性关系。当船只通过航道的数量不变条件下，航道宽度提升1倍时，船只撞碰率将降低一半。所以，航道宽度尽量最大化有助于降低撞碰率。影响曲线段航道宽度的要素不但要考虑船只转向所需宽度和船只本身的尺寸，也要考虑流态和风引发的横向漂移。

表1 航道宽度的对应事故数量统计

1.1 确定航迹带宽度

为方便计算对船只曲线段航道航行做以下假定：

（1）将曲线段航道看成一个圆弧，其中心线、流线边沿、航迹线都有等同的半径和圆心；

（2）水流和风互不发生影响；

（3）船只回转中心沿航迹线运行；

（4）船只运行是与时间无关的一个量，即水流动速率、船只的速度和船只漂移角均与时间没有关系；

所以，曲线段航道过航所需的航道宽度为：B0=B1+2ZL+B2+B3。

B0系为航道整体宽度；B2系为曲线段航道中船只风致漂移量；B3系为曲线段航道中船只因流态引发的漂移量；ZL系为船岸间隔距离。

在忽略环流和风载荷影响的情况下，依据曲线段航道宽度增加公式：

上数公式中：L系为船体泊长；B系为船体泊宽（m）；P系为船只转心至船尾的间距（m）；R系为曲线段航道曲率半径；α1系为船只进入曲线段航道的初始航行角；α2系为船只驶出曲线段航道时的航向；B1系为船只在驶出和驶入曲线段航道时，由船只操纵所引发的航迹带的基本宽度。

1.2 确定流致漂移量

以航道的轴线方向为纵坐标（y）值，航道宽度方向为横坐标（x）值，可得曲线段航道内流态引发的船只漂移量如下：

公式中：Ux=Ucsinβ+USsinα，US船速，Uc是流动速率；Uy=Uccosβ+UScosα，β是流向角；α是偏航角；S是曲线段航道的长度。对于存在建筑物跨河的航道，由于船位此时应为摆正好，因此可考虑船只在距离建筑物500m处的位置做好通过准备。对于曲线段航道，其横向环流速度ur是流致漂移的关键影响要素。假如考虑曲线段航道横流是垂直作用于船身，β=90°。假如仅考虑作用于船身的平均水流速度ud，则前述公式可简化为：

通过分析作用在曲线段航道内单位水体上的力，根据流态控制方程，可以获得该曲线段航道内横向水流速度的公式。可是，横向环流ur同曲线段航道曲率、水深度、曲线段航道纵方向速度、河床粗糙度等诸多要素有关，难以完全在理论上获得其准确的计算公式。当前的曲线段航道环流公式大多为半理论半经验公式，这些公式虽然样式比较简单，但是具有很强的工程使用价值。为便于研究，建议采用以下公式来研究曲线段航道横流：

上公式中，R系为曲线段航道曲率；H系为曲线段航道水深；U系为曲线段航道纵方向平均流动速率；y=z/H系为相对水深。曲线段航道中横流的底流与面流的流动方向相反，所以吃水深度不同的船只，作用于船身的横流平均速度亦不同，作用于船身的平均横流速度是造成流致漂移量的重要参数。为科学起见，作用于吃水深度是d的船只曲线段航道平均横流速度可按下式确定：

公式中，ud系为作用于具有d吃水线的船只的曲线段航道横流平均流动速率。可得：

若曲线段航道的曲率、平均纵方向速度、水深以及船只吃水深度均已知，那么作用于船身的平均横流速度则基本明确。表2计算了曲线段航道的平均纵向水流速度为5m/s，作用于吃水深度不同船只上的平均横流速度以及船速是10kn，计算了吃水深度是11m，偏航角是5°时的船只流致漂移量。从表2能够发现，当水深和船只吃水深度一定时，ud随着曲线段航道曲率的增加而降低；当船只吃水深度和曲线段航道曲率一定时，ud随着水深的提升而提升。当水深和曲线段航道曲率一定时，ud随着吃水深度的加大而降低。所以，当曲线段航道宽度不足时，适当增大航道曲率半径，增加船只吃水深度，有利于船只安全航行。

表2数据揭示，曲线段航道横向速度所引发的漂移比较大，这是配置曲线段航道宽度不可忽视的因素。公式（6）揭示，船只速度越高，曲线段航道环流所引发的漂移则越小。该结论同《船只操纵》中船只速度越高，船只保向性将越好的结论相同。该式还揭示，当偏航角越大，流动引发的漂移亦越大。所以，在曲线段航道内，船只应尽量航行在流态动力轴线上，以防触岸情况发生。

表2 不同状态下的ud及B3

2.曲线段航道曲率半径设计

曲线段航道的曲率半径，关系影响船只的航行安全。为揭示曲线段航道曲率和事故数量的关系，现在长于2000Km的一段案例航道，对曲线段航道曲率与船只事故数量的关系给予分析，具体见表3所示。

表3 航道曲率与船只事故数量的关系统计分析

表3中：

nR系为标准曲线段航道数量；

na系为发生在曲线段航道的事故量；

na/nR系为该曲线段航道半径内事故量与该整个曲线段航道的事故量比值。

从上表中提取部分数据，获得相对事故量与曲率半径的关系：

分析揭示，在此次抽取的目标航道上，弯线航道内的事故次数伴随曲率的增加而降低。

曲率半径是最具代表性的航道主线圆弧的曲率半径。计算航道曲率非常复杂，它与航向流向的夹角、航宽与船宽比、航速与流速比、舵的效应等多种因素有关。在航道曲率半径设计时，有时会受到地形的制约，因此需建立能够保障船只安全航行的最小曲率半径。依据实验和经验，可取带（拖）货船队里的最长船体的4倍标准，作为最小曲率半径长度。如果受场地条件限制，实在不能确保最小曲率半径，亦可考虑加宽曲线段航道。当然亦存在例外情况，例如汉口以下长江航道的半径为800m，长度为226m，曲线率为3.54，还有莱茵河曲线段航道曲率为1.89。这表明伴随船只操作性的增强，虽然某些地方的曲线段航道达不到最小曲率半径的需求，但仍然能够安全通过。

3.结语

本文研究了明确单一方向曲线段航道航迹带宽度的方法，研究了单一方向曲线段航道对吃水深度不同的船只横向漂移的影响。并通过不同船型的操作性和不同的航道宽度，给出了不同型式曲率设计方法。由研究得知，曲线段航道的合理配置不但能够最大限度地提高过往船只的效率，还可以降低水上交通事故的产生率。