基于實船試驗的作業(yè)耙吸船對長江口深水航道通航影響

常俊宇，李毓敏，吳善剛，閆化然，肖英杰

(上海海事大學(xué) 航運仿真技術(shù)教育部工程研究中心,上海 201306)

長江口12.5 m深水航道是大型船舶進出我國上海港和長江下游港口群的主要通道，擔負著“長三角”地區(qū)進出口商品和大宗物資運輸?shù)闹匾蝿?wù)，全長約92.2 km，有效寬度350 m(口外段為400 m)，通航水深12.5 m(理論最低潮面下)，于2010年3月貫通。[1]長江口深水航道回淤量大、回淤時空分布集中，12.5 m航道通航以來，年均維護疏浚量約8 000萬m3。[2]

為提高疏浚效率，2010年交通運輸部長江口航道管理局開展“耙吸船艕帶泥駁聯(lián)合疏浚工藝” (簡稱“耙吸裝駁工藝”)應(yīng)用研究，開發(fā)專用泥駁用于疏浚土的運輸和拋泥，以實現(xiàn)挖運分離。為保證通航安全，長江口深水航道相關(guān)規(guī)定要求交會船舶寬度不得超過90 m。施工船組在一定程度上占用原本已緊張的通航資源,會加劇通航安全與航道疏浚維護安全之間的矛盾。因此，本文對耙吸裝駁工藝與通航安全之間的關(guān)系進行分析，提出有針對性的通航安全管理措施，在確保通航和施工安全的基礎(chǔ)上，提高耙吸裝駁工藝作業(yè)時間和作業(yè)效率。[3]

1 耙吸裝駁作業(yè)船組可航水域范圍分析

與限于吃水大型重載船舶必須在航道邊線內(nèi)側(cè)航行的情況不同，耙吸船滿載吃水8.37 m,泥駁滿載吃水7.50 m。目前,北槽上段邊坡最小水深約10 m，北槽下段邊坡最小水深在9～10 m，圓圓沙段邊坡最小水深在10～11 m，耙吸裝駁作業(yè)船組可在邊坡水域航行和作業(yè)。工作性質(zhì)決定耙吸裝駁作業(yè)船組也應(yīng)在包括邊坡在內(nèi)的長江口深水航道整個寬度斷面的所有位置進行維護性疏浚作業(yè)。[4]作為《長江口深水航道(12.5 m)試通航期間通航安全管理辦法》和即將實施的《長江口深水航道通航安全管理辦法(試行)》提出的北槽深水航道內(nèi)上行與下行會遇船舶寬度之和以不超過80 m控制的前提之一，雙向交會船舶的可航水域?qū)挾?即設(shè)計通航寬度)350 m，不得利用邊坡且航跡帶與設(shè)計航道邊線保持富余寬度c。因此，對耙吸裝駁作業(yè)船組可航水域范圍和作業(yè)性質(zhì)而言，不宜完全套用80 m寬度的控制標準。[5-6]雙向通航寬度要素和耙吸裝駁作業(yè)船組作業(yè)水域范圍見圖1。

圖1 雙向通航寬度要素和耙吸裝駁作業(yè)船組作業(yè)水域范圍

2 耙吸裝駁作業(yè)船組和通航船舶交會寬度控制原則[7-8]

耙吸裝駁作業(yè)船組對反向航行船舶交會的影響在于船組航行作業(yè)時，其航跡帶可能占用設(shè)計航道通航寬度范圍內(nèi)的一定寬度，本質(zhì)上耙吸裝駁作業(yè)船組航跡帶左側(cè)邊緣的位置決定了其對通航水域的占用范圍。這里分析決定耙吸裝駁作業(yè)船組航跡帶左側(cè)邊緣界的影響因素，見圖2。

圖2 耙吸裝駁作業(yè)船組航跡帶左邊界的計算要素

2.1.1計劃疏浚點在航道橫斷面上的位置

計劃疏浚點在航道橫斷面上的位置，即耙吸船耙頭計劃作業(yè)位置，用該點距右側(cè)航道設(shè)計通航寬度邊緣的距離d1表示。d1<0表示計劃疏浚點在邊坡上。

2.1.2風流壓差角

耙吸裝駁船組作業(yè)航行期間，為克服橫向風流的影響，其艏向橫風橫流的來向偏離風流壓偏角γ，以保持航跡向與航道走向一致。由于風流壓偏角的出現(xiàn)，任一瞬間航跡帶在航道橫截面上的投影會大于船寬B，瞬間航跡帶寬度為

A′=(B+Lsinγ)

(1)

2.1.3橫向漂移

由于風和流的作用不穩(wěn)定，船組航跡會左右漂移，因此規(guī)范規(guī)定的航跡帶寬度還要考慮橫向漂移的影響，該影響用橫向漂移倍數(shù)n表示。考慮橫向漂移后的航跡帶寬度用A表示，可反映船舶的航跡帶在一定航程內(nèi)占據(jù)航道寬度的最大值。

A=n(B+Lsinγ)

(2)

顯然，考慮橫向漂移的影響后的航跡帶寬度A與瞬間航跡帶寬度的差即為船組作業(yè)航行時橫向漂移的距離，用D表示為

D=A-A′=(n-1)×(B+Lsinγ)

(3)

橫風橫流的波動具有不穩(wěn)定性。因此，船組作業(yè)航行期間橫向漂移的方向也具有隨機性。設(shè)船組向左右兩側(cè)漂移的概率相同，即向左或向右漂移的最大距離各為0.5L，船組單側(cè)橫向漂移的距離Dh為

Dh=0.5×(n-1)×(B+Lsinγ)

(4)

耙頭向航道中心漂移的最大距離(距航道右側(cè)邊線)用d21表示。d21與d1的差lh為船組航行時單側(cè)橫向漂移的距離。

d21=d1+lh=d1+0.5×(n-1)×(B+Lsinγ)

(5)

2.1.4船體最左側(cè)輪廓特征點向航道中心的漂移

在最不利的情況下，由于風流壓偏角的存在，艏向航道中線偏離，船體最左側(cè)輪廓特征點在左舷平行中體最前端，該點距航道右邊線的距離為d22，可根據(jù)d21、耙頭橫向外伸距離b(取6 m)和耙頭至左舷平行中體最前端的縱向距離D(取92 m)計算,即

d22=d21-b+lsinγ

(6)

耙吸裝駁船組作業(yè)期間航跡帶邊界距航道右邊線的距離d2由d22和d21中的較大者決定，即

d2=max(d21,d22)

(7)

2.2 耙吸裝駁作業(yè)船組和通航船舶交會寬度控制原則

耙吸裝駁作業(yè)船組航跡帶左邊界至設(shè)計航道通航寬度左邊界的距離，即為作業(yè)船組左側(cè)可供大型船舶交會的剩余航道寬度Wr。耙吸裝駁作業(yè)船組航跡帶左邊界與剩余航道寬度的關(guān)系見圖3。

Wr=Wd-d2

(8)

式(8)中：剩余航道寬度Wr的最大值為350 m。

圖3 耙吸裝駁作業(yè)船組航跡帶左邊界與剩余

交會船舶需要的通航寬度Wn計算見式(9)，其中船舶間富余寬度b和船舶與航道底邊間富余寬度C按規(guī)范取值。

Wn=A1+C1+b

(9)

根據(jù)剩余航道寬度Wr計算滿足交會船舶需要的通航寬度Wn的最大船型，可確定耙吸裝駁作業(yè)船組與通航船舶交會寬度控制標準。

3 實船試驗數(shù)據(jù)采集 [9-10]

3.1 試驗船型

本文選取的試驗對象為耙吸船“長江口01”、開底泥駁船“航駁7001”“航駁7002”“長江口駁1”和“長江口駁2”等，具體參數(shù)見表1。由于在“耙吸船艕帶泥駁聯(lián)合疏浚工藝”整個作業(yè)過程中，耙吸船“長江口01”為主要研究對象，運動操縱較為復(fù)雜，因此試驗設(shè)備安放在耙吸船“長江口01”上進行試驗數(shù)據(jù)采集。

表1 試驗船舶參數(shù)

3.2 數(shù)據(jù)采集的目的

長江口深水航道耙吸裝駁疏浚作業(yè)在通航安全方面的突出問題是船組在槽內(nèi)作業(yè)擠占了航道的有效寬度資源，使已經(jīng)相當緊張的航道有效寬度與超大型通航船舶通航寬度需求的矛盾變得更加突出。為有針對性地確定耙吸裝駁船組作業(yè)期間與過往船舶交會的寬度控制標準，需根據(jù)耙吸裝駁作業(yè)船組的尺度特征、操縱性能和作業(yè)特點，研究耙吸裝駁船組作業(yè)位置與占用航道寬度之間的關(guān)系。為此，需掌握耙吸裝駁船組在艕靠作業(yè)期間船體輪廓邊緣特征點的實時坐標變化和船舶真航向的實時變化，掌握實際作業(yè)條件下風流壓偏角、航跡橫向漂移距離和航跡帶寬度等重要航行參數(shù)，科學(xué)地評估耙吸裝駁船組在作業(yè)期間的通航寬度。為此，耙吸裝駁作業(yè)航行數(shù)據(jù)采集的目的為:

1) 記錄耙吸船在耙吸裝駁作業(yè)中的真航向。

2) 記錄耙吸船在耙吸裝駁作業(yè)中高精度實時船位坐標的變化。

3) 計算并研究耙吸裝駁船組在作業(yè)中的航跡帶寬度。

4) 根據(jù)航道邊界線的位置計算耙吸裝駁作業(yè)占用的航道寬度和船組與另一側(cè)航道底邊線間的剩余航道寬度。

3.3 數(shù)據(jù)采集的原則

為保證數(shù)據(jù)的真實性，保證記錄的航行動態(tài)能真實地反映耙吸裝駁船組的航行動態(tài)，航行數(shù)據(jù)采集以不預(yù)設(shè)操縱方案、不特別規(guī)定會遇距離和邊坡利用方案及不干預(yù)駕駛?cè)藛T實際操縱為前提。

3.4 數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)采集擬采用2套試驗設(shè)備，2套設(shè)備獨立工作，相互補充，互不干擾。設(shè)備套1由2套定位定向儀組成;設(shè)備套2由信標機和船舶姿態(tài)儀組成。2套試驗設(shè)備功能說明見表2。

表2 試驗設(shè)備功能說明

3.5 試驗設(shè)備安裝和使用

2套設(shè)備均需提前1 h上船安裝和校準，安裝完成之后可自動保存數(shù)據(jù)，對船舶的正常航行和作業(yè)不構(gòu)成任何干擾。

3.5.1設(shè)備套1

定位定向儀1設(shè)備天線安裝在船舶中軸線或中軸線的平行線上，設(shè)備主機放置在與天線距離相等的中間位置見圖4。

圖4 設(shè)備套1安裝位置示意

3.5.2設(shè)備套2

船舶姿態(tài)儀設(shè)備天線安裝在船舶中軸線或中軸線的平行線上，設(shè)備主機放置在與天線距離相等且靠近舯部的位置。信標機設(shè)備天線安裝在盡可能靠近舯部的位置。2臺設(shè)備各自采用工控機RS232串口接收數(shù)據(jù)，見圖5。

圖5 設(shè)備套2安裝位置示意

3.6 數(shù)據(jù)下載

在設(shè)備安裝連接完成之后，啟動相關(guān)設(shè)備驅(qū)動軟件可自動保存數(shù)據(jù)并通過界面現(xiàn)場監(jiān)控,需要記錄的耙吸裝駁作業(yè)過程完成之后，下載所記錄的航行動態(tài)數(shù)據(jù)。記錄的數(shù)據(jù)包括時間信息、設(shè)備主天線安裝位置的經(jīng)度和緯度、設(shè)備主副天線連線的真方向。定位定向儀下載的數(shù)據(jù)文本見圖6。

圖6 定位定向儀下載的數(shù)據(jù)文本

4 實船試驗數(shù)據(jù)分析

4.1 船體平面輪廓特征點

為便于進行數(shù)據(jù)采集和分析，在船舶總布置圖上準確地標注設(shè)備主天線的安裝位置。確定艉左舷、艉右舷、平行中體前端左舷、平行中體前端右舷和船舶幾何中心共5個特征點，在船舶總布置圖上量取上述特征點與主天線的安裝位置的縱、橫偏移距離，根據(jù)實時記錄的主天線經(jīng)度、緯度和船舶真航向，計算各特征點的精確經(jīng)度和緯度。船體平面輪廓特征點見圖7。

圖7 船體平面輪廓特征點

4.2 實船試驗過程

為滿足耙吸船組航行數(shù)據(jù)采集的需要，在前期設(shè)備采購和技術(shù)準備的基礎(chǔ)上，自2016年9月起正式實施耙吸裝駁作業(yè)船組實船試驗。時間分別是2016年9月10—11日(中潮)、2016年9月20—21日(小潮)和2016年10月15—16日(大潮)，試驗累計歷時6 d，共記錄耙吸裝駁作業(yè)船組航行數(shù)據(jù)9次，單船航行數(shù)據(jù)3次。實船試驗過程見表3。

4.3 試驗數(shù)據(jù)分析

4.3.1航行軌跡

根據(jù)連續(xù)變化的各特征點的準確經(jīng)度和緯度，在電子海圖上繪制曲線，以表示作業(yè)期間耙吸船的航行軌跡，見圖8。

4.3.2航跡帶瞬間寬度

耙吸船最左側(cè)曲線和耙吸船最右側(cè)曲線距基準線(行駛方向的左側(cè)航道邊線)的距離差即為《海港總體設(shè)計規(guī)范》定義的航跡帶寬度A與漂移倍數(shù)n之比A′。該值為耙吸船輪廓在航道正橫斷面上投影的寬度，見圖9。

表3 實船試驗過程

圖8 船體各特征點的航行軌跡

(10)

式(10)中:A′為航跡帶瞬間寬度，m；A為航跡帶寬度，m；γ為風流壓偏角，(°)；n為船舶漂移倍數(shù)；L為船長，m；B為船寬，m。

4.3.3風流壓偏角

設(shè)備主副天線安裝在船舶中軸線或中軸線的平行線上，設(shè)備記錄的真方向即為船舶航行的真航向。若耙吸船在航槽內(nèi)航行，航跡向應(yīng)與航道走向一致，真航向與航道走向的差值即為風流壓偏角γ，見圖10。

圖9 耙吸船航跡帶圖瞬間寬度圖10 風流壓偏角

4.3.4剩余航道寬度

船體各特征點(在實際計算時已包括耙頭外伸的橫向距離，取6 m)的航行軌跡中最左側(cè)曲線與基準線(行駛方向的左側(cè)航道底邊線)之間的距離(見圖11)即為耙吸裝駁船組作業(yè)期間左側(cè)可供他船會遇或追越的剩余航道寬度。根據(jù)船體幾何中心點距基準線最小橫距在合理范圍內(nèi)的變化值，可計算船體在航行中的橫向漂移距離。

4.3.5瞬時航速

根據(jù)實時記錄的動態(tài)船位變化和相應(yīng)的時間，可計算出作業(yè)期間耙吸裝駁船組的瞬時航速見圖12。

4.4 航行數(shù)據(jù)分析結(jié)果

對表3中大潮、中潮和小潮的各次試驗進行分析，并對結(jié)果進行歸納總結(jié)，見表4。

表4 實船試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

5 結(jié)束語

綜合目前耙吸裝駁試驗和實船航行數(shù)據(jù)采集分析的具體情況，可得出以下分析結(jié)論：

1) 目前，長江口深水航道耙吸裝駁實船試驗主要在北槽上段和下段航道邊坡及航道內(nèi)側(cè)1/4寬度的水域范圍內(nèi)進行。耙吸裝駁船組航跡帶左側(cè)的剩余航道寬度由船組在航道截面上的作業(yè)位置決定。試驗記錄的9次作業(yè)過程，耙吸船左側(cè)供他船會遇和追越的剩余航道寬度在300 m以上，對通航船舶的航行基本不構(gòu)成影響。

2) 風流壓偏角和航跡帶寬度與航速負相關(guān)，與避讓浮筒和進出航道等操縱意圖有關(guān)，記錄的全程橫向漂流距離與操縱意圖有關(guān)。

3) 剔除避讓浮筒、進出航道等機動操縱航段，耙吸裝駁船組在槽內(nèi)作業(yè)期間，風流壓偏角不超過5°～7°。

4) 剔除避讓浮筒、進出航道等機動操縱航段，在槽內(nèi)作業(yè)期間，耙吸船(不包括艕靠的泥駁)最大瞬間航跡帶寬度不超過45 m。

5) 剔除避讓浮筒、進出航道等機動操縱航段，耙吸船在槽內(nèi)作業(yè)期間，最大橫向漂移倍數(shù)不超過1.66。

6) 耙吸式疏浚船和泥駁吃水較淺，作業(yè)水域包括航道邊坡，航行軌跡不受航道邊線的限制，用航跡帶寬度評估耙吸裝駁船組對航道寬度資源的占用是不合適的。