三峽庫區深水航道航標配置分析

劉作飛，蔣明貴，聞光華

（長江重慶航道局，重慶 401147）

三峽庫區深水航道航標配置分析

劉作飛，蔣明貴，聞光華

（長江重慶航道局，重慶 401147）

三峽庫區175 m蓄水運行后，由于水深增加，河道變寬，風浪作用增強，先前在水上設置的浮標變成了深水標，原有的航標浮具（標志船、標體、標燈）配置不能適應航道條件變化，存在著整體穩定性變差、助航效果降低、安全隱患增大等諸多問題。文章結合目前三峽庫區航標設置及系留設施有關情況，通過浮具的受力分析與維護實踐，對航標的浮具、系纜設施、鋼纜、錨石形狀、尺寸等進行了匹配選型，找到了庫區深水航標合理的型號配置。

三峽庫區；深水航標；型號配置

航標是最重要的助航設施之一，被譽為船舶航行的“眼睛”，要保障通航安全，首先必須保證航標助航效能的正常發揮。

原天然情況下，川江航道彎曲狹窄，水深不大，流速較急，為滿足助航及維護工作需要，水上的航標（浮標）設置普遍采用6.7 m標志船及配套設施。三峽庫區蓄水后，一方面原有浮標配置已不能適應航道水流條件的變化，出現了如航道水深抬高后浮標錨纜增長、自重增大，河面寬度增加、流速減緩后浮標受到風浪作用增強，標志易漂移走位等問題，難以保證助航效能的發揮；另一方面，由于上游航運的發展，船舶大型化、標準化趨勢明顯，對庫區航標標志大型化、燈光明亮化的助航效能提高需求也日益強烈，而原設置的浮標尺寸較小，助航效果不明顯，給船舶航行帶來重大安全隱患。為此，針對三峽庫區蓄水后形成的深水航道特點，優選出合理的浮標浮具型號及系留設施配置，這對于保證船舶航行安全有著重要作用。

1 庫區航標配布原則及現狀

目前三峽庫區干線航道維護類別及航標配布類別均為一類。其轄區航標配布主要有兩種［1］：一種是位于涪陵李渡（長江上游航道里程548 km）以下已實施了航路改革的河段，該河段主要是按照船舶定線制各自靠右航行要求，全年在航道兩側鎖鏈式配布航標，其配布原則是：在河段兩側按一標接一標的方式連續配布航標，確保白天可以從一座標看到次一座標，晚上可以從一盞燈看到次一盞燈，并保證相鄰標志所標示的航道界限內有規定的維護水深。另一種是位于李渡以上未實施航路改革的河段，該河段主要是根據上行船舶航線配布航標，其配布原則是：當航道寬度等于或小于兩倍標準航寬時，兩側連續配布航標，標示航道方向和界限；當航道寬度大于兩倍標準航寬時，僅在上行船舶航線一側連續配布航標，標示航道方向和界限，另一側根據航道條件和船舶駕引操作特點，適當配布航標［2］。

據統計，目前三峽庫區長江重慶航道局轄區內共配布設置有航標1 600余座，其中岸標400余座，浮標1 200余座，浮標數量約占配標總數的75%。浮標組成包括標體、浮具（標志船）及系留設施，其中，浮具作為浮標標體的承載物主要采用的有10 m鋼質標志船和6.7 m鋼質標志船兩種，系留設施通常為鋼纜和錨石。

2 深水浮標運行狀態分析

庫區浮標在正常運行狀態下主要受自身重力、上浮力、水流荷載、風荷載、波浪荷載以及系纜力的綜合作用，力平衡狀態較復雜。為清楚闡述浮標受力關系，可將浮標所受風荷載、水流荷載和波浪荷載合并為一水平外力R，豎向除受自重G和向上浮力F外，還受錨纜的拉力Tf作用。錨石除受自重和浮力外，還受河床摩擦力（即抓地力）f和錨纜拉力Tm作用。錨纜由于采用鋼絲繩，其受力除有Tf和Tm的反作用力外，還有其自身自重和所受浮力。考慮其在水下的單位長度重力為ω。

浮標及其系留設施力平衡系統示意圖如圖1所示。

圖1 浮標及其系留設施力平衡系統示意圖Fig.1 Sketch of force balance system of buoy and its mooring facilities

圖1中H為實際設標水深，Φ為鋼纜在錨石處與水平向的夾角，坐標原點O處為假設的錨纜懸鏈曲線的反向延長線與x軸的交點，在該點處錨纜趨于水平，Φ值等于零。S1為錨石至原點O的錨纜長度，S2為浮標至原點O的錨纜長度，設標鋼纜的實際長度S＝S2-S1。

根據H.O.貝托和巖井聰［3－4］對浮標受力的平衡分析，得出如下計算公式［5］

根據設標實際情況，當φ＝0°時為錨石抓地力最大的臨界狀態，此時錨纜對錨的拉力Tm＝ f＝R，錨纜長度S=S2。如錨纜再增長將平臥于河床上。當φ＞0°時，設標錨纜長度縮短，Tm值增大，錨石抓地力（與河床的摩擦力）減弱，容易導致走錨現象。

如圖2浮標浮具受力分析圖，標志船在Tf、F、G和R四力作用下處于平衡狀態，在Tf和R一定的情況下，所受浮力的富余值（F-G）越大，浮具越穩定。

3 深水浮標浮具選型

目前三峽庫區浮標所使用的浮具有6.7 m鋼質標志船和10 m鋼質標志船（分A、B型），其中庫區B型10 m標志船是在原長江上游10 m標志船A型基礎上通過結構優化和線性改進而成，其船型主尺度及技術參數見表1。

圖2 浮具受力分析圖Fig.2 Analysis diagram of forces acting on buoying device

由表1可知，庫區B型10 m標志船排水量最大，浮力富余值（排水量－總重）更多。由于在其底板和側板均采用了較厚的5 mm船用鋼板，降低了重心，提高了整體穩性，并相應減小長度型深比（L/ D）和型寬吃水比（B/T），增大型深吃水比（D/T），使船舶耐波性和抗沉性能變好，更適合庫區蓄水后河寬水深的工況條件。

另外，根據國標《內河助航標志》（GB5863-93）［6］及《內河助航標志的主要外形尺寸》（GB5864-93）［7］，浮標標體采用較大的外觀尺寸（錐形1.8 m× 1.5 m、罐形D1.2 m×1.5 m），能更好的與庫區10 m標志船尺寸相匹配，且滿足蓄水后航標的視距要求和助航效能，若采用型寬尺度更大的B型10 m標志船作為浮具，還能為標體安裝及維護提供更大的空間，有利于人員安全操作。

4 庫區深水浮標系留設施選配

4.1 錨纜長度確定及選型

根據浮標運行狀態的受力分析，設標錨纜長度S不僅與設標水深H有關，還與浮標所受水平力R、鋼纜單位長度水下重量ω以及鋼纜在錨石處與水平向的夾角φ有關，詳見公式1。

為在浮標設置時更便捷的預估和確定設標鋼纜長度，需要找出一定條件下設標錨纜長度與設標水深的相似關系。現以三峽庫區某大橋橋區浮標為例，設標水深H＝80 m，浮標浮具所受總水平力R＝2 500 N（考慮各種水平力的概率及組合疊加，見表2），錨纜采用庫區現使用的直徑d＝9.8 mm的鋼絲繩，水下單位長度重量ω＝7.54 N/m，計算不同夾角φ值情況下設標鋼纜的長度值，見表3［5］。

表1 標志船尺度及主要技術參數Tab.1 Dimension and main technical parameters of lightship

表2 浮具水平受力組成表Tab.2 Horizontal force acting on buoying device

表3 不同φ值鋼纜設標長度及拉力表Tab.3 Length and tension of mooring wirerope in different φ

由計算可知，當鋼纜在錨石處與水平向的夾角在0°～30°之間發生變化時，浮標所需的設標鋼纜長度為1.64～3.05倍水深范圍。結合現有庫區航道航標設置和維護經驗，庫區航標工人在確定設標鋼纜長度時，一般按2～2.5倍設標水深取值，若河段內出現的風浪作用相對較小時，適當縮短鋼纜長度，若河段內有較強風浪作用時，其鋼纜長度適當增加，因此，目前的庫區設標鋼纜長度取值是較為合理的。

目前，三峽庫區乃至整個上游航道浮標系留設施均采用鋼絲繩作為錨纜，一方面其單位長度重量較錨鏈輕，其防掛雜草及水上漂浮物的性能較錨鏈好；但另一方面，較長鋼纜在起錨收纜時容易打結纏繞，不易理順，再次拋錨時鋼纜容易彈跳纏掛機艇，甚至可能將人帶入江中。鋼絲繩按基本結構形式主要分單股繩和多股繩兩種，根據長江上游多年航道維護經驗，并結合庫區深水浮標設置的特點，現運用于浮標系留設施上的鋼絲繩普遍采用了1×37單股鍍鋅鋼絲繩。該鋼絲繩為三層捻制，各層捻制方向相反，具有較好的抗旋轉性能，在一定程度上能防止扭結打轉。同時該結構鋼絲繩捻制的鋼絲根數較多，單根鋼絲直徑相對較小，其彎曲性能和柔軟度較用粗鋼絲捻制的相同繩徑鋼絲繩要好，能較好滿足浮標移設過程中纜繩在航標艇甲板上收盤纜的需要。同時其最小破斷拉力為73.9 KN，遠大于浮標鋼纜的計算拉力。

圖3 組合式錨石單體結構圖Fig.3 Monomer structure diagrams of combined anchor stones

根據上述深水浮標錨纜受力計算，并結合鋼纜收放操作的難易程度及維護經驗，選用直徑9.8 mm的1×37單股鍍鋅鋼絲繩作為庫區深水設標10 m標志船的錨纜規格是合理的。

4.2 錨石選型

通過計算與分析，浮標運行的整體穩定性主要依靠錨石與河床的摩擦力 f（即抓地力）。根據公式 f＝μ×N，錨石抓地力與錨石所受浮重、錨石與河床的摩擦系數成正比。因此，深水設標錨石選型除要有足夠的錨石重量外，還要考慮錨石形狀、與河床接觸面大小等與摩擦系數相關的因素。

由于不同標位處河床底質的不同，且水流速度有差異，根據現有庫區浮標維護經驗，單個10 m浮標選用0.8～1.2 t重量的錨石基本能滿足錨固要求，不容易發生走錨現象。

在以往的設標工作中，大部分錨石直接采用的是岸邊的天然石塊，形狀系數較差，不好捆綁栓系，且容易選到軟巖。目前長江重慶航道局通過試用，選用了一種組合式混凝土錨石，如圖3所示，該錨石結構由2～3塊扁平的鋼筋混凝土塊體組合而成，單塊重約400 kg，并根據設標實際情況組合選用。錨石塊體上設置有導纜槽和導纜孔便于纜繩的栓系；同時，由于錨石塊體采用了扁平的形狀，增大了與河床的接觸面，有利于錨石抓地力的增強。

5 結論

經本文理論分析與維護實踐，可得出以下結論：（1）三峽庫區深水航標設置宜選用型號較大、正浮穩定性能較好的B型10 m鋼質浮具；（2）系留設施宜選用防扭結、柔性較好的1×37單股鍍鋅鋼絞線，直徑9.8 mm，庫尾航道可適當減小；（3）鋼纜設置長度一般為設標水深的2～2.5倍，可根據航道內實際風浪大小適當增加或減小；（4）浮標錨石宜選用與河床接觸面積更大、抓地力更強的組合式錨石，方便系結和拋設，重量一般取0.8～1.2 t。

［1］GB5863-93，《內河航道維護技術規范》［S］.

［2］長江航道局.長江上游航行參考圖（宜昌至宜賓）［M］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

［3］巖井聰.操船論［M］.北京：人民交通出版社，1984.

［4］貝托H Q.浮標工程［M］.北京：人民交通出版社，1980.

［5］楊斌.三峽庫區航道深水浮標受力及纜索長度計算探討［D］.重慶：重慶交通學院，2004.

［6］GB5864-93，內河助航標志的主要外形尺寸［S］.

［7］內河航標編寫組.內河航標［M］.北京：人民交通出版社，1979.

Research of configuration for buoys in deep channel of the Three Gorges Reservoir area

LIU Zuo?fei，JIANG Ming?gui，WEN Guang?hua
（Changjiang Chongqing Waterway Bureau，Chongqing 401147，China）

After the running of the water storage of the Three Gorges Reservoir at 175 m,the environment of traditional navigation aids is changed into deep water.Original buoy(flag ship,beacon body,beacon light)configuration can not adapt to changes in channel conditions.There exist a lot of problems including the deterioration of overall stability,the reduction of navigational aids effect and the increasing security risks.In this paper,combined with the current settings and the situation of the Three Gorges Reservoir buoy mooring facility,the floating buoy,mooring facilities,ropes,shape and size of anchor stone were selected on the basis of stress analysis and maintenance of buoying device,and the reasonable model configuration was obtained.

Three Gorges Reservoir area;deepwater buoy;model configuration

U 617

A

1005-8443（2016）01-0067-04

2015-07-08；

2015-08-12

交通運輸部科技項目（2011 328 350 1490）

劉作飛(1982-)，男，重慶市人，工程師，主要從事港口航道方面的管理工作。

Biography：LIU Zuo-fei（1982-），male，engineer.