彎曲航道通航水流條件技術(shù)要求的確定

1彎曲段航道的基本特征隨著水行業(yè)越來越重視，對航行規(guī)則和航行條件的要求也越來越高。作為研究、設(shè)計、施工和維護(hù)的基本理論和技術(shù)，這是扭曲航道的規(guī)模和水位。根據(jù)對全國內(nèi)河彎曲航道基本資料的整理和分析,彎曲河段對船舶航行產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)彎曲半徑太小或航寬不足;(2)彎道過渡段枯季淤淺礙航;(3)彎道凹岸線型不順、退水淤淺礙航;(4)彎曲分汊河段的航道問題主要是主支汊的交替發(fā)展,使航道變化不定,以及由于通航汊道的年內(nèi)變化常造成局部水深不足。我國目前執(zhí)行的《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ50139—2004)(以下簡稱“04標(biāo)準(zhǔn)”)中,僅對彎曲段的航道寬度作出這樣的原則性規(guī)定,即“內(nèi)河航道彎曲段的寬度應(yīng)在直線段航道寬度的基礎(chǔ)上加寬,其加寬值可通過分析計算或試驗研究確定”。“04標(biāo)準(zhǔn)”沒有給出不同航道等級、不同水流條件的彎曲河段適應(yīng)于代表航行船舶(隊)的航道尺度的量化標(biāo)淮,這樣每條河流的彎曲航道都需分析計算或試驗,必將帶來時間、人力和財力的浪費。為此,本文對彎曲航道尺度和通航水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了專門研究,通過研究得到的彎曲航道的航道尺度和通航水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定方法,可為水運工程建設(shè)、維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的確定提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。2彎曲航道概化模型針對彎曲航道對船舶航行的影響及存在的問題,本文主要通過建立彎曲航道概化模型和彎道船模,分析彎曲航道水流條件,研究不同彎曲半徑的彎曲航道寬度計算方法和通航水流條件要求。2.1概化模型平面比尺由于彎曲航道概化模型同時也為遙控船模試驗提供試驗場地,故概化模型平面比尺采用船模比尺,即:110,100。模型設(shè)計為正態(tài)定床模型,故平面比尺和垂直比尺分別為110,100,本次模型試驗比尺見表1。2.2船沉準(zhǔn)備船隊船型及尺度、船隊試驗靜水航速見表2。通過船模尺度效應(yīng)修正,可滿足船模試驗要求。2.3民國時期航道模擬2.根據(jù)實測資料,建立8個不同彎曲半徑的概化模型,其參數(shù)見表3,研究在不同流量級、不同航道等級的船舶通航尺度。模型布置見圖1(R=280m)。(1)流速:由量水堰控制流量,調(diào)節(jié)尾門控制模型水深,使斷面平均流速分別達(dá)到3.0,2.5,2.0,1.5,1.0,0.5m/s。(2)水深:不考慮水深的影響,模型水深控制在20cm左右。(3)船模航行方向:由于船舶通過彎道時,下行難度明顯大于上行,下行為彎道通航的控制條件,所以主要進(jìn)行下行試驗。(4)試驗組合:根據(jù)前面各種因素的變化,進(jìn)行試驗設(shè)計,共48種工況。3蜿蜒的航道寬度3.1理論計算分析現(xiàn)行《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》(簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》、《規(guī)范》)中,均未對彎曲航道偏航距的計算與取值給出明確的規(guī)定。據(jù)武漢理工大學(xué)、天津水運科學(xué)研究所、西南水運科學(xué)研究所、長江航道規(guī)劃設(shè)計研究院等單位的實船、船模試驗研究及經(jīng)驗方法提出了不同的偏航距計算公式和方法。以下采用彎道船模試驗,通過理論計算分析方法探討船舶(隊)通過彎曲航道的偏航距P的計算與取值(以下行船隊為例)。故有式中:Vs為船隊航速;Vc為水流流速;ue54f為流向與彎道中心線法線夾角;S為船隊航行距離為一個船長L時的漂移量。其中,流向與彎道中心線法線夾角ue54f可根據(jù)航道工程的有關(guān)知識求取,式中:B0為彎曲航道水域河寬(m);R為彎曲航道的曲率半徑(m);C為船舶(隊)分心航行所占航寬的比例系數(shù),如按四六分心法,則C=0.4。將上式轉(zhuǎn)換為以A1,A2為變量的二元一次方程,即十二駁船隊Vf=0.2984Vx+0.0437;六駁船隊Vf=0.3537Vx+0.049;800t三駁船隊Vf=0.4171Vx+0.0547;300t兩駁船隊Vf=0.4993Vx+0.0824。根據(jù)以上公式計算出相應(yīng)工況下的偏航距,將其與船模試驗值進(jìn)行比較可看出,各點均勻分布在斜率為1的直線兩側(cè)且離散效果較好,這說明計算值與船模試驗值吻合較好,見圖2。3.2彎曲航道航道寬度現(xiàn)行《標(biāo)準(zhǔn)》未對彎曲航道寬度作具體規(guī)定,現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定彎曲段航道寬度應(yīng)根據(jù)彎曲半徑、流速、流向、流態(tài)、船舶或船隊及操縱性能等因素確定。頂推船隊,當(dāng)彎曲半徑小于等于3倍設(shè)計船隊長度時,必須在直線段航道寬度的基礎(chǔ)上加寬;當(dāng)彎曲半徑大于3倍設(shè)計船隊長度,但小于6倍設(shè)計船隊長度時,應(yīng)根據(jù)水流等具體條件確定加寬值。彎曲段航道加寬值宜通過實船試驗確定。當(dāng)無實船試驗資料時,頂推船隊彎曲段航道寬度增加值可按下式估算,式中:ΔB為彎曲段航道寬度增加值(m);R為彎曲半徑(m);B為直線段航道設(shè)計寬度(m);L為頂推船隊長度或拖帶船隊最大船長(m)。由本次船模試驗和以往實船觀測成果都證實,上述公式計算的結(jié)果偏小,不能滿足航行要求,但在實際工作中,凡采用彎道加寬的地方都需要做大量工作,不能單憑公式計算確定。根據(jù)船模試驗成果,以及對試驗數(shù)據(jù)和偏航距計算值的分析,我們發(fā)現(xiàn)偏航距的大小對彎曲航道通航寬度加寬值ΔB的取值有直接的影響。因此,繪制在最不利情況下(即流速為2.0m/s、車檔為2.5m/s時)的彎曲航道通航寬度加寬值ΔB(ΔB=Bz+d1+d2-B單直)與偏航距關(guān)系曲線見圖3(a),從圖中可以看出,加寬值ΔB與偏航距呈線性關(guān)系,其線性方程為:ΔB=10.19P-48.8?？紤]到計算公式的適用性和可靠性,繪制各工況下的彎曲航道通航寬度加寬值ΔB(ΔB=Bz+d1+d2-B單直)與偏航距關(guān)系曲線見圖3(b),從圖中可以看出,加寬值ΔB與偏航距呈線性關(guān)系,其線性方程為:ΔB=9.816P-35.1。3.3彎曲段航道寬度計算公式的改進(jìn)根據(jù)船舶(隊)在彎道航行所產(chǎn)生的漂角計算彎道寬度,彎道單向通航寬度表達(dá)式為式中:BF為船隊下行時航跡帶寬(m);d1,d2為船與航道邊緣的安全距離(m);P為偏航距(m),按式(3)相關(guān)參數(shù)計算。經(jīng)船模試驗觀測驗證,用上述公式計算的航跡帶寬度要比試驗觀測值的稍小,但總的來說是很接近(見表4),其原因除漂角度量誤差外,主要是船模試驗時激光反射識別器有不同程度的偏斜。根據(jù)船模試驗觀測,試驗觀測航跡帶寬為計算寬度的1.00~1.03倍。在制訂航道標(biāo)準(zhǔn)時,考慮到實際彎曲航道的地形、水流條件等多因素的影響,為使計算出的航跡帶寬有一定富裕,在實際計算中對以上值進(jìn)行修正,取1.1。彎曲段航道中,船到航道邊緣的富裕寬度d與直航道相似,但也有不同,它不但要滿足視線長度的要求,還要考慮船舶在彎道中航行時向凹岸一側(cè)偏移的現(xiàn)象,因此彎道中的富裕寬度比直道大些。根據(jù)全國內(nèi)河船舶航行軌跡實船觀測成果及大量的調(diào)查資料分析研究的成果,并參考國外定值原則,d1+d2=(1.5~2.0)BS。通過以上計算分析,應(yīng)用加寬值公式計算彎道航寬與船模試驗值對照見表5。從表中可以看到彎道航寬計算值與船模試驗值十分接近。因此,彎道單向通航寬度計算公式改進(jìn)為式中:B單直為直線航道寬度(m);P為偏航距(m),按式(3)及圖3(b)中相關(guān)參數(shù)計算。4曲線水流條件的討論4.1彎曲段航道航道水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的評價彎曲河段航道,不僅自然彎曲甚至非常狹窄,限制了船舶通過彎道的航道尺度,增加了船舶操作的難度。目前關(guān)于彎曲航道水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)外可供查詢和參考的資料極少。我國內(nèi)河通航水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是用水面比降、水流流速、水流流向和流態(tài)等指標(biāo)來衡量的,對于彎曲段航道通航水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來說,用什么指標(biāo)來衡量,是一個值得探討的問題。從本次試驗研究結(jié)果來看,彎曲段航道通航水流條件的優(yōu)劣,主要取決于:(1)水流方向與船舶(隊)航行方向。船舶(隊)在彎曲段航行時,由于航線與水流方向的不一致,導(dǎo)致水流對船舶航行產(chǎn)生斜向作用,使得船舶(隊)偏離航線,而船舶、船隊的偏航主要是斜流在航線法線上的分量一橫向流速的作用造成的,偏航程度的大小,直接反應(yīng)了橫向流速作用的強弱?？梢哉f,彎曲段航道中橫向流速的大小是衡量船舶、船隊能否安全航行的重要標(biāo)準(zhǔn)。(2)水面比降。彎道中水流的水深沿縱向、橫向都發(fā)生變化,這種不穩(wěn)定的橫向水面高差,必然造成橫向流動,并且沿流程而變化的橫向流動與縱向主流的迭加,就使水面發(fā)生扭曲,影響船舶(隊)上駛阻力。4.2預(yù)彎段航道橫向流速為了便于分析和衡量斜流對船(舶)隊航行的影響程度,將水流流速u分解為航線切線方向的縱向流速uy和垂直于航線切線的橫向流速ux,當(dāng)流速u與航線切線方向之間的夾角為θ時,ux=usinθ,uy=ucosθ。在彎曲航道中產(chǎn)生斜向流速的主要原因是航線與水流流向形成較大的夾角,產(chǎn)生的橫向作用對船舶(隊)航行具有非常明顯的影響。因此,ux,uy是研究彎曲航道通航水流條件的重點。本次船模試驗采用6種船型的船隊分別在8種彎曲半徑的彎道上,并在4種水流速度、2種車檔的工況下進(jìn)行的彎道通航船模試驗,其中彎曲半徑為280m,斷面平均流速為2.0m/s時,彎道最大橫向流速為1.42m/s,彎道橫向流速隨著斷面平均流速的增大而增大,隨著彎曲半徑的增大而減小。通過試驗研究表明,當(dāng)船舶(隊)尺度和船舶(隊)車檔一定的情況下,船舶(隊)通過彎曲航道航行時,彎道的彎曲半徑越小、彎曲航道水流越急,船舶(隊)通過彎道時的漂角也就越大,從而導(dǎo)致航跡帶寬和所需航道寬度加大,航行難度也越大。一般情況下,航道的彎曲是產(chǎn)生橫向流速的主要因素,對于流速較小的彎曲段航道,一般來說斜流流速一般比主流流速小,因此產(chǎn)生的橫向流速也不大,對于彎曲半徑較小的彎曲段航道,斷面平均流速較大時,其橫向流速一般情況下要大,從橫向流速與彎曲半徑的關(guān)系可以看出,當(dāng)彎曲半徑越大,則產(chǎn)生的橫向流速則越小,因此,將彎曲段航道水流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為在不同彎曲半徑的情況下進(jìn)行討論。在本試驗中,表6中所列船舶(隊)通過相應(yīng)彎曲半徑的彎道時,漂角均接近0,航道占寬已和試驗航道寬度相近。因此,將最大流量工況下,彎曲半徑分別為1000,600,340,280m彎道的最大橫向流速作為相應(yīng)彎道的臨界橫向流速。從表中可以看出,最大流量工況下,彎曲半徑為1000m的彎道,橫向流速大多在1.15m/s以內(nèi);彎曲半徑為600m的彎道,橫向流速大多在1.24m/s以內(nèi);彎曲半徑為340m彎道,橫向流速大多在1.31m/s以內(nèi);彎曲半徑為280m彎道,橫向流速大多在1.42m/s以內(nèi)。其余工況下,船舶(隊)均可以很容易地通過彎曲段航道,航行安全基本可以得到保障。5彎曲航道尺度計算本文通過理論分析,結(jié)合有關(guān)研究成果、概化模型及船模試驗,在分析彎曲航道對通航的影響的基礎(chǔ)上,對內(nèi)河彎曲航道通