超大型海船彎曲航段所需航寬研究

徐新中 張玉峰 劉明俊 徐言民

（江陰海事局1） 江陰 214431） （江陰興澄特種鋼鐵有限公司2） 江陰 214431）（武漢理工大學航運學院3） 武漢 430063）

目前我國每年進口礦石達14 800萬t（2003年），礦石來源主要為澳大利亞（占40.2%）、巴西（占28.3%）、印度（占22.3%）、南非（占6.6%），另有2.5%來自其他國家.長江下游礦石運輸主要采用二程運輸方式.一程遠洋運輸以15萬～20萬DWT的船型為主.二程運輸通常有2種方式，一種是遠洋運輸大型船在外海碼頭完全中轉卸載后，用3萬～5萬DWT二程船轉運至長江下游水域的運輸方式，另一種遠洋運輸大型船在外海中轉碼頭減載后直抵長江下游碼頭.比較兩種運輸方式，在減載量占載重量的比例不大的條件下，采用一程遠洋運輸大型船減載直抵長江下游碼頭的運輸方式具有運輸成本相對較低的優勢，也可以適應長江下游水域發展的需要，做到合理、高效利用現有泊位資源的要求.超大型海船減載進出福姜沙水道后可以將大型海船進江里程大大延伸，對江陰的經濟將具有巨大的拉動作用，對江陰興澄特鋼的可持續發展和積極應對金融危機具有積極意義.

目前15萬t海船可以直抵江陰福姜沙水道下游的砂鋼碼頭，但由于福姜沙水道曲折多彎，而且流壓角較大，航行條件比較復雜.有必要對超大型海船彎曲航段通航寬度進行研究，以驗證超大型海船航經福姜沙水道的可能性.劉明俊等［1－5］曾分別對船舶風致漂移、流致漂移和過彎道航寬進行了研究.本文將風致漂移、流致漂移模型引入船舶過彎所需航寬模型，并進行了實例計算.

1 船舶彎曲航道通航寬度建模

1.1 彎道橫流角

橫流角β是指橫流方向與航道軸線的夾角，該值的大小決定了橫流對船舶過彎時的作用方向和大小.設某彎道凸岸和凹岸航道邊線的曲率半徑為R1和R2.彎道航寬示意圖見圖1.

圖1 彎道航寬示意圖

對于某一具體彎道而言，流向角β值變化不大，若圖中軸線的曲率半徑為R，河寬為B，則有

1.2 坐標系

為便于計算船舶通過時所需要的航道寬度，首先建立計算坐標.設定坐標的原點均位于各航段的軸線上，縱軸Y平行于航道軸線指向下游，橫軸X垂直于各自航道軸線指向右岸.船舶航行時，設船首尾線與Y軸的夾角稱為偏航角α，流向與Y軸的夾角稱為流向角β，風作用方向與Y軸的夾角稱為風向角αf，如圖2所示.

圖2 計算坐標示意圖

1.3 彎曲航段過彎運動數學建模

首先確定代表船舶在無風作用下通過彎曲河段所需航寬B1、受風作用產生的風致漂移量ΔBf，然后根據疊加原理建立代表船舶過彎時，在有風、流作用情況下所需的航道寬度.

1）無風流影響下所需航寬 船舶在無風流作用情況下，通過彎曲航段所占航寬（B1）的大小可用下式計算

式中：K為系數，按四六分心掛高，取1.25；R為航道軸線曲率半徑，m；b為船舶寬度，m；AC為船舶轉心至船尾的距離，m，由轉心位置確定，根據船舶操縱理論轉心位置一般位于船舶重心前1／5～1／3L，取AC＝3／4L，其中：L 為船舶長度，m；Vw為過彎時的航速，m／s；t為船舶對舵的響應時間，s，根據代表船型B船的實船旋回試驗結果選取，計算時取28s.

2）流致漂移量 代表船舶通過彎道時，在流的作用下產生的橫向漂移量，可用下式計算

式中：U為流速.

3）風致漂移量

式中：K′為修正系數，取0.038～0.041；Ba為船體水線上側受風面積，m2；Bw為船體水線下側面積，m2；Bw＝Ld，d為船舶吃水，m；Vs為風中船速，kn；Va為相對風速，m／s；αf為風向與航道法線的夾角，（°）.

4）所需航寬

2 彎曲航段所需航寬計算實例

2.1 航道描述

以江陰福姜沙水道為例進行計算.水道航道概況見圖3～4所示，基本參數如表1所列.

圖3 福北FB＃5～FB＃7（彎曲段）

圖4 福南FB＃47（彎曲段）

表1 江陰姜沙水道尺度 m

由表1可見，福北水道相對福南水道而言航行條件較優越，航道基本順直，但航道寬度不大，其中FB＃5～FB＃7航道呈彎曲狀，是代表船舶安全通過該水道的主要礙航因素.在該水道航標標示的可航水域范圍內，順直段最窄處在FB＃4～FB＃5之間約650m長的航段，航寬175m；彎曲段（FB＃5～FB＃7）最窄處航寬也僅175m.

福南水道下端出現呈S形的2個連續反向的急彎，航道不僅彎曲狹窄，且碼頭密布，船舶流量大，是代表船舶安全通過該水道的主要礙航因素.航標標示的可航水域范圍內，2個反向彎道的最窄處航寬分別為137.5m和100m.

按照最不利的原則，代表船舶過福北水道時，如果最窄處能保證安全通過，則其他航段一般能安全航行，因此順直段僅對福北水道航標標示水域可航寬度最窄處進行分析計算，即FB＃4～FB＃5之間約650m長的航段.

2.2 計算條件

1）流速與流向 福姜沙水道水流以落潮流為主，洪水期落潮流流速一般在1.5～1.8m／s，最大可達2.5m／s，其中順直段流速大小按1.0，1.5和2.0m／s 3個流速級計算，順流航行取正值，逆流航行取負值，流向角β取5°；彎曲河段流速大小仍按1.0，1.5和2.0m／s 3個流速級計算，流向角β通過式（1）求取.

2）風速與風向 計算中分別按照5，6，7等4個風級考慮，取不利橫風，即風向角αf取90°.

3）航速 船舶航速分別按限制速度8，10，12 kn考慮.相關計算參數見表2.

表2 相關計算參數

4）船速 對應不同航速和流速下，船舶的順、逆流船速計算值，見表3.

表3 船舶順、逆流船速

2.3 計算結果

根據上述計算條件對船舶上、下行通過福姜沙水道彎曲航段的所需航寬情況進行計算，結果如表4所列.

表4 通過彎道所需航寬計算表

從表5可以看出，在目前設標情況下超大型海船通過福北水道的彎曲航段，由于航標標示航寬最窄處僅約175m，遇流速較高和不利橫風時航標標示的可航水域會略顯不足.但福北水道彎曲段最窄處，在多年平均低潮位下的實際可航水域寬度可達363m，去掉航標繞標位旋回所需水域2×50m，則平均低潮位下最窄處至少有263 m的有效航寬，說明代表船舶通過福北水道的彎曲段時，只要合理控制航速、及時調整航向防止偏航、有效布置航標安全航行是有保障的.福南水道主要是以彎、窄礙航為主，其2個反向彎道方向變化較大.在現有航標標示的航道范圍內，2個反向彎道的有效航寬分別僅為135.5，100m（扣除代表船舶航行中必須與左右側航標保持的安全距離2×50＝100m），因此目前代表船舶安全通過福南水道，從現有航標標示的實際航寬看，不能滿足代表船舶安全通航所需航寬的要求.

3 結束語

本文提出的超大型海船彎曲航段通航尺度計算模型，可以在考慮風致漂移、流致漂移和航道尺度的情況下，分析現有航道條件是否滿足超大型海船的通航條件.通過本文的分析，可以看出，在利用本文提出的模型分析后，15萬t超大型海船在減載并滿足本文提出的通航條件下，是可以安全通過福姜沙水道的.本文的研究成果對超大型海船進江具有指導意義.

表5 代表船舶通過彎道所需航寬分析表

［1］劉明俊，萬長征.航道通過能力影響因素的分析［J］.船海工程，2008（5）：116－118.

［2］劉明俊，周崇喜，楊曉妍，等.蘇通大橋船舶通航標準論證方法［J］.船海工程，2005（3）：24－27.

［3］劉明俊，甘浪雄.在風流作用下船舶橋區運動模型探討［C］／／海船進江與航行安全保障論文集.中國航海學會，2003.

［4］劉明俊，劉先棟，齊傳新.船舶（隊）通過黃石大橋引航技術研究［J］.航海技術，1999（1）：2－5.

［5］劉明俊，呂習道.船舶過彎道航寬計算及應用［C］／／內河船舶駕駛專業委員會學術年會論文集.中國航海學會，2004.