基于小尺度船模技術(shù)的小半徑回頭彎曲航道試驗研究

蔡 創(chuàng)，蔡新永

(1. 重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶西南水運(yùn)工程科學(xué)研究所，重慶 400016)

0 引 言

回頭彎曲航道的水流條件非常復(fù)雜，主流、橫流、斜流及回流等多種流態(tài)的組合給船舶通航安全造成了很大威脅，尤其是對下行船的航行安全影響更大。下行船轉(zhuǎn)向時，在慣性離心力、舵的橫移力和掃彎水作用方向一致的情況下，船體容易發(fā)生掃岸、觸坡等事故[1]。彎曲航道的水流狀況對船舶通航安全的影響受到越來越多的關(guān)注。

當(dāng)今，多數(shù)航運(yùn)發(fā)達(dá)國家研究內(nèi)河通航問題，通常采用一項新技術(shù)——自航船模技術(shù)。而內(nèi)河通航研究所采用的自航船模，由于受水工和河工模型比尺的限制，船模尺度一般都很小，其制作工藝要求高，很難達(dá)到與實船的運(yùn)動和操縱性完全相似[2]。在船舶通航研究中采用小尺度自航船模進(jìn)行試驗，相對于常規(guī)的水工、河工模型水流條件量測試驗，其最大的優(yōu)點就是能更直觀、真實地反映航道水流條件和邊界條件對船舶通航的綜合影響以及船舶與航道水流條件的相互作用。通航小尺度船模技術(shù)在人工通航建筑物設(shè)計和天然航道整治研究中，很有應(yīng)用價值[3]。即使在數(shù)學(xué)模型廣泛應(yīng)用的今天，自航船模物理模型試驗仍不可或缺，與數(shù)學(xué)模型互相驗證補(bǔ)充，并且，物理船模試驗還為數(shù)學(xué)模型通航研究提供了大量基本參數(shù)和邊界條件[3-7]。

琵琶洲彎曲航道的航道彎曲半徑r=360～480 m，在流量Q=1 160～7 550 m3/s的通航水流條件下，為保障上、下行船只安全順利通行，筆者開展了自航船模試驗，提出了琵琶洲彎曲航道的船舶最佳駕駛方式和通航難點。研究結(jié)論可為琵琶洲彎曲航道整治方案設(shè)計提供參考。

1 研究河段概況

研究河段主要集中在琵琶洲急彎河段，地處浯溪樞紐庫區(qū)，位于浯溪大壩上游約15 km處，包含彎道中部上、下游各約3.1 km，共6.2 km長的河段，平面上為典型的回頭彎U型河段，如圖1。此河段水深較大，河心自然彎曲，半徑僅約360 m。洪水期水流流速大，彎道掃彎水強(qiáng)烈，通航條件較差，對過往的船舶通航安全造成很大威脅。

圖1 琵琶洲彎道平面圖Fig. 1 Pipazhou curved channel plan

2 小尺度船模試驗

2.1 小尺度船模

工程設(shè)計優(yōu)化所用的代表船型為1 000 t級機(jī)動貨船，船模與實船的相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 船模與實船參數(shù)Table 1 Parameters of ship model and real ship

通過操縱性能率定和尺度效應(yīng)修正，小比尺船模符合實船操縱性能相似，且比實船航行時偏安全[8]。船模采用減少邊舵面積修正后與實船操縱性指數(shù)比較見表2。

表2 1 000 t實船的操縱性指數(shù)與船模校正后的操縱性指數(shù)對比Table 2 Comparison between maneuverability indexes of 1,000 t real ship and corrected maneuverability indexes of ship model

2.2 試驗方案

船模試驗航段為琵琶洲急彎河段，總長約1 500 m，如圖2。琵琶洲灘段雖然為急彎，但滿足2.40 m航深的寬度較大，最窄處約200 m，通航水域較為寬闊。為了較好分析航槽內(nèi)水流條件，筆者對預(yù)設(shè)的3個航槽和自選航線進(jìn)行了船模試驗研究。

1)方案1：航槽按彎曲半徑r=360 m(稍大于本工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)4倍船長340 m)布置，航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，且兩岸距離富裕較大。

2)方案2：航槽按彎曲半徑r=440 m于河中布置，留足右邊距岸距離。航槽范圍內(nèi)均滿足航深要求，且兩岸距離基本可行。

3)方案3：航槽按彎曲半徑r=480 m，靠左岸布置，右邊距岸最小距離留足約30 m。除左側(cè)彎頂下段不滿足航深要求外，其余部分均滿足，不滿足部分可通過適當(dāng)切嘴加以解決。

4)方案4：船模試驗自選航線，沿緩流區(qū)抱凸岸上行，順江心主流下行。

圖2 船模試驗Fig. 2 Ship model test

為了較為準(zhǔn)確地獲得各級流量的水流特性和通航水流條件，根據(jù)浯溪樞紐、瀟湘樞紐的主要運(yùn)行方式，結(jié)合主要特征通航流量等參數(shù)，筆者主要研究了以下4個代表流量工況下的通航水流條件：

1)工況1：Q=1 160 m3/s，浯溪4臺機(jī)組滿發(fā)不泄洪；

2)工況2：Q=4 000 m3/s，浯溪4臺機(jī)組滿發(fā)控泄；

3)工況3：Q=6 000 m3/s，浯溪4臺機(jī)組滿發(fā)控泄；

4)工況4：Q=7 550 m3/s，浯溪停機(jī)控泄，P=20%洪水。

船舶航行過程中，影響船舶航行狀態(tài)的主要因素包括通航水域水流條件、船舶本身的動力特性和船舶操縱性能等，而船舶航行狀態(tài)常通過航行軌跡、舵角R、漂角D、車檔、航速V等航行參數(shù)來體現(xiàn)[2]。國內(nèi)在研究三峽樞紐和許多內(nèi)河航道的通航條件時，對小尺度船模航行過程中的舵角R及航速V作了相應(yīng)的限定，即最大舵角Rmax≯25°，最小航速Vmin≮0.4 m/s，以此來判別航行狀態(tài)的優(yōu)劣[8]。通常，船舶的最大舵角Rmax=35°，但安全舵角須控制在25°以內(nèi)，主要基于2個因素：①如果船舶航行中使用滿舵才能避免危險，那么說明船舶已經(jīng)處于發(fā)生事故的臨界狀態(tài)；②一般模型試驗中都會存在一定的誤差，為確保船舶通航必須留有一定的安全余地。小尺度船模的舵角和航速等航行參數(shù)如果劣于上述限值，則認(rèn)為航道通航處于不安全狀態(tài)[2]。

為了減小船模試驗結(jié)果的隨機(jī)誤差，保證試驗結(jié)果的真實可靠，對各個代表通航流量工況進(jìn)行多航次試驗，并對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，用其特征值來判別航道通航條件的優(yōu)劣。

3 船模試驗結(jié)果及分析

3.1 不同航槽方案的試驗結(jié)果分析

對于不同航槽方案，筆者主要進(jìn)行了河段最高通航流量Q=7 550 m3/s(P=20%洪水)下無工程措施布置方案的通航試驗研究。在Q=7 550 m3/s工況下，1 000 t級機(jī)動貨船在航槽半徑r=360、440、480 m和自選航線航行時的船模試驗結(jié)果見表3。

表3 不同航槽方案船模試驗結(jié)果匯總Table 3 Summary of ship model test results with different channel schemes

從表3可以看出：

1)在方案1～方案3中，由于設(shè)計航道中較強(qiáng)的橫向流速(在彎道上段，橫向流速達(dá)到1.00 m/s)，妨礙船舶航行，船舶上、下行的舵角均已超過25°(船模試驗最大舵角限值)，航行安全已不能保證。而且，在航槽半徑r=440、480 m時，最小上行航速Vmin,上行=0.74、0.67 m/s，已接近船模試驗最小航速限值0.40 m/s，不可能再向上提升通航流量。

2)在自選航線時，船舶上、下行的最大舵角Rmax，上行=24.67°、Rmax，下行=24.87°，均小于船模試驗最大安全舵角限值25°；上行最小航速為Vmin,上行=1.86 m/s，優(yōu)于船模試驗最小航速限值0.40 m/s，船舶可自航通過彎道河段。船模自選航線(即沿左岸緩流區(qū)抱凸岸上行、順江心主流下行)，明顯優(yōu)于其他3個預(yù)設(shè)航槽方案。原因是這3條預(yù)設(shè)航槽方案中均有較高的橫流，必須用很大的舵角才能保持船舶在航道中航行，而船模自選航線上行、下行均是順?biāo)畡莺叫校骄€上橫流較小，船舶航行條件比其他3條預(yù)設(shè)航槽方案好，但由于船模試驗上、下行最大舵角已接近船模試驗最大舵角限值25°，為確保安全需謹(jǐn)慎駕駛。

3.2 不同流量工況的通航條件比較分析

對于不同通航流量，筆者主要對河段無工程措施和工程措施優(yōu)化這2種布置方案進(jìn)行了通航試驗研究。船模試驗結(jié)果見表4。船舶上、下行參數(shù)比較見圖3。

表4 不同流量船模試驗結(jié)果匯總Table 4 Summary of ship model test results with different flow conditions

注：所有數(shù)據(jù)均已換算為原型值。

圖3 不同流量上、下行航行參數(shù)Fig. 3 Navigation parameters of sailing up and down with different flow conditions

從表4及圖4可以看出，1 000 t級機(jī)動貨船在Q=1 160、4 000、6 000、7 550 m3/s這4種流量工況下，具有以下特性：

1)上行的最大舵角Rmax,上行、最大漂角Dmax,上行均隨流量Q的增大而增大，上行最小航速Vmin,上行、平均航速VA,上行均隨流量Q的增大而減小，上行難度隨流量Q加大而增加。

2)下行的最大舵角Rmax,下行、最大漂角Dmax,下行均隨流量Q的增大而增大，下行最大航速Vmin,上行、平均航速VA,下行均隨流量Q增大而增大，下行難度隨流量Q增大而增加。

4 建 議

4.1 最佳航線和駕駛方式

根據(jù)船模試驗，選擇出最佳航線和駕駛方式：沿左岸緩流區(qū)抱凸岸上行，沿江心主流下行。

4.1.1 1 000 t級機(jī)動貨船上行

在彎道下游300～500 m處即沿左岸緩流區(qū)上行，先保持岸距50～100 m上行，逐步向彎道下口凸岸靠攏，在船舶靠近凸岸時保持岸距40～50 m，適時操右舵，抱凸岸右轉(zhuǎn)上行，右轉(zhuǎn)后繼續(xù)沿凸岸保持岸距50～60 m左右上行，在彎道上口適當(dāng)操舵調(diào)整航向駛出彎道，繼續(xù)駛向上游。

4.1.2 1 000 t級機(jī)動貨船下行

在彎道上游沿江心進(jìn)入彎道，沿江心順主流水勢下行，操縱難度最小。下行船舶在彎道上口適當(dāng)操左舵，順江心主流入彎，過彎過程中，適時左右用舵調(diào)整航向和航線，沿彎道中部，順流通過彎道。

4.2 航行難點

4.2.1 上行難點

在彎道下口抱凸岸右轉(zhuǎn)上行的操縱，保持適當(dāng)?shù)陌毒?40～50 m)和操舵時機(jī)(船頭接近彎道下口凸岸時及時操右舵)均很重要，岸距過遠(yuǎn)過近，操舵過早過遲均不利于抱凸岸右轉(zhuǎn)，要恰當(dāng)掌握才能順利右轉(zhuǎn)過彎。

4.2.2 下行難點

在船舶駛出彎道下口時要注意用舵控制好航線和船向，既要適當(dāng)操左舵，避免船舶被水流甩向凹岸，又要在船舶駛出彎道下口時及時適當(dāng)操右舵，避免船舶轉(zhuǎn)向過度而船頭偏向凸岸，才能順利通過彎道下行。

5 結(jié) 論

1)在航槽半徑r=360、440、480 m時，由于航道中較強(qiáng)的橫向流速(在彎道上段，橫向流速已達(dá)1.00 m/s)，妨礙船舶航行，船舶上、下行的舵角R均已大于船模試驗最大安全舵角限值25°，船舶航行安全已得不到保證。在自選航線時，船舶上、下行的舵角R均低于船模試驗最大安全舵角限值25°，上行最小航速Vmin,上行均高于船模試驗最小航速限值0.40 m/s，船舶可自航通過小半徑回頭彎曲航道。

2)琵琶洲彎道不同方案的船模試驗成果，都呈現(xiàn)出上、下行舵角R、漂角D隨流量Q增大而加大，上行航速V上行隨流量增大Q而減小，航行難度隨流量Q增大而增加的規(guī)律。這是因為隨著流量Q的增加，琵琶洲彎道航線上的縱向流速和橫向流速都加大，船舶上灘的難度和過彎航行的操縱難度也隨之增加，航行難度增加。