西江干線跨江橋梁通航船型適應性評價與分析

譚力 梁芳

摘要：文章以廣西西江航運干線某跨江橋梁所處水域通航環境為例，分析西江干線各主要代表船型的通航安全性，為航運企業船型選取、通航橋梁設計等在船型選取時提供借鑒和參考。

關鍵詞：橋梁通航;設計船型;建模;安全風險分析

0 引言

隨著廣西內河水路運輸網絡的完善和航道等級不斷提升，商船隊總的發展趨勢是船舶大型化。但船隊船舶受通航環境影響較大，在航行過程中存在不同程度的安全風險。

本文以西江干線某跨江橋梁及其所處水域條件為例，分析各類主尺度船型的適航性和橋梁建設對船舶通航的影響，為航運企業船型選取、通航橋梁設計等提供一定的借鑒和參考。

1 項目概述

某擬建橋梁橫跨郁江，橋址位于庫區河段，常水位時期河面寬約500m，擬建橋梁共3聯，采用[5×30+（100+2×185+100）+7×30]m跨徑組合，設計為雙孔單向通航，通航孔跨徑均為185m（詳見圖1）。橋址距上游河道彎段約1.2km，距下游河道彎段約1.8km，橋區河段順直、無影響駕駛通視的建筑物，水深條件良好。

2 規范符合性

本文主要針對西江干線常規2000噸級單船、3000噸級單船和國標的3000噸級一頂二排一列船隊進行通航安全風險分析。

如表1所示，以上3種船型中，型長最長的為3000噸級一頂二排一列船隊的223m，其4倍船長為892m，擬建橋梁距上游彎道約1.2km，所選3種船型距河道彎段距離均滿足規范要求。3種船型中，3000噸級一頂二排一列船隊的3倍船長為669m，橋梁上游彎道的航道最小彎曲半徑為900m，航道彎曲半徑滿足規范對所選3種船型的要求。本橋橋區河段水深充足、河面寬闊、無水下礙航物，從以上分析可知橋區水域通航條件滿足相關標準規范要求。

3 模擬分析

3.1 水流流態模擬分析

本文采用數字流域系統軟件對橋址附近約16km的沿江水域進行分析計算，并在橋址上游700m至橋址下游350m范圍布設220個數據采樣點進行數據統計分析（見圖2）。計算工況分別采用了20年洪水重現期的最高通航水位工況和98%多年歷時保證率最低的通航水位工況（見圖3）。

根據模型計算結果，20年一遇洪水工況下：工程前橋區附近河段的水流流速集中在1.62～2.61m/s之間，平均流速約2.35m/s;工程后橋區附近河段的水流流速集中在1.61～2.94m/s之間，平均流速約2.42m/s，工程后河道總體水流流速略大于工程建設前，且流速增大區域僅出現在橋軸附近水域。此外，工程后橋軸上游壅水<0.01m/s、橋區河段橫流<0.3m/s，橋區河段掃彎、紊流、橫流等礙航流態不大，對船舶航行的影響在可控范圍內。據此工況，按《內河通航標準》《航道工程設計規范》計算3種船型的橋梁雙孔單向通航所需通航凈寬為130m、直線段雙線航道寬度為135m、上游1.2km的彎曲段雙線航道寬度為165m。

根據模型計算結果，98%多年歷時保證率工況下：工程前橋區附近河段的水流流速集中在0.10m/s之內，平均流速約0.08m/s;工程后橋區附近河段的水流流速集中在0.13m/s之內，平均流速約0.09m/s。工程前后橋區附近水域流速基本不變，水流平緩，船舶航行不受水流影響，航行條件遠優于20年一遇洪水時期。

根據以上計算結果分析，本文結合規范要求按表2和圖4所示方案布置橋區航道：

本文按國標要求布置航道，并通過船舶仿真模擬實驗分析西江干線常規2000噸級單船、3000噸級單船和國標的3000噸級一頂二排一列船隊在此通航條件下的適航性。

3.2 船舶操縱仿真模擬試驗分析

采用NT-PRO5000型模擬器建立船舶運動數學模型，分別輸入3種研究船型的模型基本信息、幾何尺度、排水量、舵機特性、螺旋槳、停車性能、旋回性能和主機狀況等，建立研究船型的六自由度船舶運動數學模型。采用Transas模擬器的SceneEditor建模平臺，建立上文擬定的航道布置方案的電子航道圖，對工程水域常水期流場和洪水期流場進行計算和擬合，并將數據導入模擬器平臺進行仿真試驗。

選取ENE、E、SSE、NE和SW五個風向及對應的4、6級風力強度作為試驗風要素，波浪方向同風向一致，流場選取常水期流場和洪水期流場兩種工況，組合模擬試驗。

試驗結果顯示（見圖5～7）：

（1）2000噸級單船在各工況下，均可在該水域安全上、下航行。模擬試驗的最大下行航跡帶寬度為22m，最大上行航跡寬度為24m，擬建橋梁橋區航道寬度富余較多，船舶過橋安全可控。

（2）3000噸級單船在各工況下，均可在該水域安全上、下航行。單船通航模擬試驗的最大航跡帶寬度為30m，擬建橋梁橋區航道寬度富余較多，船舶過橋安全可控。

（3）3000噸級一頂二排一列船隊在平均流量流場工況下，可下行通過橋址上游約1.2km的80°轉角河道大彎段，并順利通過橋梁通航孔。

[HJ1.54mm]

（4）3000噸級一頂二排一列船隊在洪水流量流場工況下，水流流速可達6節，該編組模式的船隊由于機動性很差、受水流影響敏感，船舶經過橋址上游約1.2km的河道大彎段時，操控困難，極易發生失控、打橫、傾覆等事故，無法通過該彎道到達橋區水域。

（5）3000噸級一頂二排一列船隊在洪水流量流場工況和平均流量流場工況下，船舶上行受水流影響很大，水流流速是影響船舶安全上行的最主要因素。在此條件下，船舶稍有轉角極易發生打橫、失控等事故，無法通過橋址下游約1.5km的河道轉彎段到達橋區水域。

4 模型結果分析及優化方案

4.1 結果分析

本次研究的橋區河段水域順直，橋梁選址、橋型方案和航道布置方案均滿足國家相關規范標準要求，廣西現狀主流機動單船在高流量洪水時期的航行安全性仍是有保障的。但對于頂推船隊，由于船隊的阻力、推進和操縱性能等問題，船隊在中水期、洪水期航行均存在安全隱患，不適宜在此區間航段航行。通過船舶仿真模擬試驗比對分析，本次研究水域船隊航行失敗的主要原因為船舶推進能力不足和操縱性能弱，與建橋影響關系甚微。

本次研究水域相較于西江航運干線其它航段的通航條件并不差，各相關參數均滿足國標要求，但由于廣西山區性河流具有彎急、水急等特點，致使頂推等機動性較弱船隊對于運輸組織、適航條件等的要求相對苛刻。

4.2 優化方案

（1）加大上游河彎航段的彎曲半徑。中洪水時期，水位抬高，原右岸側淺水區域的水深條件能滿足船舶航行吃水要求，[JP+1]通過利用該水域，河彎航段彎曲半徑可達到1600m以上，控制船舶轉舵以降低船舶失控風險。通過船模試驗分析，該方案可在一定程度上降低風險，但效果并非特別明顯。

（2）調整船隊編隊方式。將一頂二排一列的編隊方式改為一頂一排二列，通過縮短船隊長度以降低空氣動力、流體動力等對機動船產生的推力和彎矩，降低船舶操縱難度（見圖8～9）。通過船模試驗分析可知，該方案對船舶航行風險的降低較為明顯。

5 結語

本文以西江航運干線某區間航段為研究對象，分析建橋對船舶通航的影響和各船型的通航安全風險性，認為該航段在各通航工況下西江主流機動單船均可安全行駛，但3000噸級一頂二排一列船隊在高流量高流速時期航行風險較大，不適宜航行。

廣西河流大多具備明顯的山區河流特點，河道蜿蜒曲折、洪水期水位暴漲暴落、水流湍急，不適宜操縱性能、阻力性能表現較弱的船隊運輸，目前廣西航運以機動單船為主，船隊運輸方式已基本淘汰。

參考文獻：

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