潮间带-近海水域内通航平面尺度确定方法

2023-09-22张继良江泽安

水利技术监督 2023年9期

张继良，江泽安，王颖

(长江河湖建设有限公司，湖北武汉 430000)

水路运输的主要运输工具为船舶。水路运输主要存在航道水域与港口水域，港口水域包含制动水域与潮间带-近海水域等。港口通航水域设计的难点是通航平面尺度确定问题，其中通航水域设计难度最高的港口水域为潮间带-近海水域[1]。平面尺度越大，船舶航行安全程度越高，但航道建设与水域维护成本较高，平面尺度越小，船舶航行危险性越高，但会降低成本，为此需确定通航平面尺度，提升船舶通航安全性与经济性。

宁书江等[2]为避免出现搁浅风险，设计船舶通航宽度确定方法，充分分析船舶自身特点与航行基本尺度等因素，塑造通航宽度计算模型，该方法可有效确定不同航行长度与风速时的通航宽度，该方法在确定通航宽度方面具备一定的有效性和可信度。甘浪雄等[3]依据风流漂移因素，设计船舶通航宽度计算模型，确定双向通航宽度，该方法在不同流速与风速时，均可有效确定通航双向宽度，该方法具备一定的适用性与精准性，获取船舶在不同风速及流速条件下的航行限制条件。

但以往的研究成果均存在费用较高、方案保守等缺陷，无法在工程实例中直接应用。为此研究潮间带-近海水域内通航平面尺度确定方法，有效确定通航平面尺度，确保船舶通航安全。

1 通航平面尺度确定方法

1.1 潮间带-近海水域工程概况

某潮间带-近海水域的径流主要来源是降水，植物覆盖度较高。年均径流量是160.8亿m3，年均径流深是523.5mm，25%频率洪水流量是13300m3/s。年均输沙量是1820万t，年输沙模数是693t/km2，年均输沙率是654kg/s，年均含沙量是2.28kg/m3，该潮间带-近海水域海势与海岸比较稳定，常年水面无大波澜，流速很小。该潮间带-近海水域具备中小型船舶自由会船条件，还符合大型船队单向通航条件。大型船队双向通航受限，但确定安全平面尺度后也可实现双向通航。

1.2 潮间带-近海水域船舶通航操作模拟软件数学模型

潮间带-近海水域内船舶的运动方程为六自由度刚性物体运动方程，分别是3个移动速度与角速度分量U=(u，v，w)、Ω=(p，q，r)。

Oxyz坐标原点是船舶重心位置，3个坐标方向与船舶惯性主轴平行[4-5]，船舶六自由度方程为：

(1)

式中，m—船舶质量；X、Y、Z—3个方向的水动力分量；Jx、Jy、Jz—船舶惯性力矩；K、M、N—船舶速度分量。

在xOy平面为对称的，同时船舶横摇角较小情况下，w、p、q相对X、Y与N的影响可无须考虑，式(1)可简化成四自由度方程，公式如下：

(2)

船舶通航操作模拟软件DynaSIM内采用的水动力与船舶力矩的数据模型均为模块化的[6]，即令各分量描绘水动力分量总和F与船舶力矩的分量总和M，公式如下：

(3)

式中，ZH、MH—裸船舶水动力与力矩分量；ZR、MR—舵水动力与力矩分是；ZP、MP—螺旋桨水动力与力矩分量；ZT、MT—推进器水动力与力矩分量；ZA、MA—风水动力与力矩分量；ZW、MW—波浪水动力与力矩分量；ZC、MC—水流水动力与力矩分量；Zint、Mint—相互作用水动力与力矩分量。

利用上述船舶通航操作模拟软件DynaSIM模拟船舶通航情况，通过处理与分析通航情况，获取确定通航平面尺度所需参数，设计通航平面尺度的宽度数学模型与水深数学模型，计算宽度与水深，确定安全的船舶通航平面尺度。

1.3 潮间带-近海水域内通航平面尺度的宽度确定方法

令潮间带-近海水域内船舶进入弯道过程中的初始航向角是ε1，潮间带-近海水域内船舶驶出弯道过程中的航向角是ε2，ε1与ε2均按航道轴线逆时针转至船舶首尾线是正，否则是负[7]。在船舶不受风、流影响时的通航平面尺度的宽度数学模型如下[8-10]：

(1)在ε1>0，ε2≥0情况下。

潮间带-近海水域内通航平面尺度的宽度数学模型如下：

Gsinε1-Gsinε2+Bsinε2

(4)

式中，l—船舶宽度；B船舶长度；G—船舶转心到船尾距离；E—船舶航迹曲率半径。

(2)在0≤ε2≤ε1情况下。

潮间带-近海水域内通航平面尺度的宽度计算公式与式(4)一致。

在船舶通航受风力影响情况下，通航宽度需加入风致漂移量ΔL，计算公式如下：

(5)

式中，λ—修正系数；η—随机数；La—船舶水线上方受风面积；Ls—船舶水线下方面积；Ms—风中船速；Ma—相对风速；φ—风向和船舶主轴法线夹角；M—船舶静水速度；θ—船舶弯曲角。

在船舶受水流影响情况下，潮间带-近海水域内通航宽度需加入流致漂移量ΔL′，计算公式如下：

(6)

式中，v—潮间带-近海水域流速；β—流向角。

按照叠加原理，确定单船舶在潮间带-近海水域内的通航宽度，公式如下：

(7)

船舶在潮间带-近海水域内通航时需留有一定的安全宽度，就是船舶和船岸间的安全宽度及会船过程中两船间的安全宽度。

单向通航过程中，依据船舶驶出航道边界的小概率条件，计算获取船舶和船岸间的安全宽度。如果偏航角不大，那么通航宽度为两舷允许偏离航道轴线和船舶宽度总和[11]。概率计算公式如下：

(8)

式中，σx—船舶均方偏差。

通常情况下设置两舷驶出航道边缘的概率为0.03，则式(8)可变更为：

(9)

式中，Φ(η)—拉普拉斯函数。

船舶和船岸间的安全宽度数学模型如下：

l=λησx

(10)

在潮间带-近海水域内顺直航段中，船舶需要的航道宽度数学模型为：

(11)

确定潮间带-近海水域内船舶和船舶间的安全宽度，可避免两船相遇过程中发生碰撞危险。令潮间带-近海水域内上水船舶偏离航行带轴线的值是d1，下水船舶偏离航行带轴线的值是d2，d1与d2均为随机量，均呈正态分布。潮间带-近海水域内两船会遇时的真实间距是d′=d0-d1-d2，会遇中船舷间标准间距是d0。

在d′>0情况下，则d1+d2

(12)

在潮间带-近海水域内顺直航段双向通航过程中，航道允许宽度数学模型公式如下：

(13)

d′0的计算公式如下：

(14)

在式(12)内添加式(13)获取：

(15)

在潮间带-近海水域内双向通航需要的宽度数学模型为：

(16)

1.4 潮间带-近海水域内通航平面尺度的水深确定方法

令潮间带-近海水域内船舶水下存在足够的空间供船舶操纵，可确保船舶通航安全，考虑船舶通航的潮间带-近海水域条件与气象条件，在船舶龙骨下水深留有安全余量，该余量是富余水深。

潮间带-近海水域内船舶通航平面尺度的富余水深为：

ΔH′=λ(ϖ+h1+h2+h3+h4)

(17)

式中，ϖ—船舶通航过程中下沉量；h1—船舶通航过程中龙骨下最小富余深度；h2—潮间带-近海水域波动富余深度；h3—船舶纵倾富余深度；h4—其余富余深度。

潮间带-近海水域内船舶通航平面尺度的水深数学模型如下：

(18)

式中，W—船舶通航过程中吃水；W1—船首吃水；W—船尾吃水。

2 实验分析

将本文方法应用于长江河湖建设有限公司，确定该潮间带-近海水域内通航平面尺度，验证本文方法的有效性。

该潮间带-近海水域内船舶进出港与靠离泊模拟的自然工况见表1。

表1 自然工况模拟信息

利用本文方法模拟油船与液化体化工船在不同自然工况下的通航情况，各船舶均按主航道进出1号港口，油船重量是60000～120000t，停靠在1号港口外侧，液化体化工船重量是5000～20000t，停靠在1号港口外侧，船舶通航主航道模拟情况如图1所示。

图1 船舶通航主航道模拟情况

以12万t油船与2万t液化体化工船为例，利用本文方法模拟这两艘船舶在正常条件与恶劣条件下的通航情况，正常条件风速选择3级，恶劣条件风速选择5级，本文方法模拟两种自然工况的船舶通航情况如图2所示。

图2 两种自然工况下船舶通航情况模拟结果

分析图2可知，本文方法可有效模拟船舶在正常条件与恶劣条件下的通航情况，正常条件下油船与液化体化工船均可成功停靠在外侧泊位与内侧泊位，且实际航迹线与标准航道仅有微小差别；恶劣条件下油船与液化体化工船也均可成功停靠在外侧泊位与内侧泊位，且船舶受风力影响，导致实际航迹线与标准航道存在较大差距，与实际情况相符。实验证明：本文方法可精准模拟不同自然工况下，潮间带-近海水域船舶通航情况。

依据不同自然工况下，各船舶在潮间带-近海水域内的通航情况模拟结果，获取船舶通航参数，依据这些通航参数，利用本文方法确定不同自然工况下，各船舶单向通航平面尺度，通航平面尺度确定结果见表2。

表2 通航平面尺度

分析表2可知，本文方法可有效确定不同自然工况下，各船舶的通航宽度与水深，即有效确定通航平面尺度，油船与液化体化工船的重量越大，其通航宽度均随之增长，通航水深均随之下降；当船舶重量一致时，风速等级越大，通航所需宽度越大，通航水深并未受风速等级影响。实验证明：在不同自然工况下，本文方法均可有效确定潮间带-近海水域内船舶通航平面尺度，为确保船舶通航安全提供保障。

以恶劣条件6级风速、12万t油船为例，分析本文方法在不同船舶通航状态及航速时的双向通航平面尺度确定效果，通航平面尺度确定结果如图3所示。