內河水上運輸單一方向過航的曲線段航道設計配置研究

趙文戩 江西省贛北航道事務中心

1.曲線段航道單一方向過航的航寬設計

船只于曲線段航道內的運動可分為兩個運動過程的疊加。一是船只圍繞本身的回轉運動。二是伴隨流態一直前進的運動。兩者都會造成船只所需航寬的提升。加寬值不但同航道環境相關，而且同船只的操作及自身的長度有關。下表為某航道發生的不同航道寬度的對應事故數量統計。表中的事故比=（區域對應事故數）/（流域年度總事故數）×100%。

從表1數據能夠發現，伴隨曲線段航道寬度的提升，事故產生頻率越來越低。根據實驗數據分析可知，航道寬度的對數與船只之間撞碰率的對數基本呈線性關系。當船只通過航道的數量不變條件下，航道寬度提升1倍時，船只撞碰率將降低一半。所以，航道寬度盡量最大化有助于降低撞碰率。影響曲線段航道寬度的要素不但要考慮船只轉向所需寬度和船只本身的尺寸，也要考慮流態和風引發的橫向漂移。

表1 航道寬度的對應事故數量統計

1.1 確定航跡帶寬度

為方便計算對船只曲線段航道航行做以下假定：

（1）將曲線段航道看成一個圓弧，其中心線、流線邊沿、航跡線都有等同的半徑和圓心；

（2）水流和風互不發生影響；

（3）船只回轉中心沿航跡線運行；

（4）船只運行是與時間無關的一個量，即水流動速率、船只的速度和船只漂移角均與時間沒有關系；

所以，曲線段航道過航所需的航道寬度為：B0=B1+2ZL+B2+B3。

B0系為航道整體寬度；B2系為曲線段航道中船只風致漂移量；B3系為曲線段航道中船只因流態引發的漂移量；ZL系為船岸間隔距離。

在忽略環流和風載荷影響的情況下，依據曲線段航道寬度增加公式：

上數公式中：L系為船體泊長；B系為船體泊寬（m）；P系為船只轉心至船尾的間距（m）；R系為曲線段航道曲率半徑；α1系為船只進入曲線段航道的初始航行角；α2系為船只駛出曲線段航道時的航向；B1系為船只在駛出和駛入曲線段航道時，由船只操縱所引發的航跡帶的基本寬度。

1.2 確定流致漂移量

以航道的軸線方向為縱坐標（y）值，航道寬度方向為橫坐標（x）值，可得曲線段航道內流態引發的船只漂移量如下：

公式中：Ux=Ucsinβ+USsinα，US船速，Uc是流動速率；Uy=Uccosβ+UScosα，β是流向角；α是偏航角；S是曲線段航道的長度。對于存在建筑物跨河的航道，由于船位此時應為擺正好，因此可考慮船只在距離建筑物500m處的位置做好通過準備。對于曲線段航道，其橫向環流速度ur是流致漂移的關鍵影響要素。假如考慮曲線段航道橫流是垂直作用于船身，β=90°。假如僅考慮作用于船身的平均水流速度ud，則前述公式可簡化為：

通過分析作用在曲線段航道內單位水體上的力，根據流態控制方程，可以獲得該曲線段航道內橫向水流速度的公式。可是，橫向環流ur同曲線段航道曲率、水深度、曲線段航道縱方向速度、河床粗糙度等諸多要素有關，難以完全在理論上獲得其準確的計算公式。當前的曲線段航道環流公式大多為半理論半經驗公式，這些公式雖然樣式比較簡單，但是具有很強的工程使用價值。為便于研究，建議采用以下公式來研究曲線段航道橫流：

上公式中，R系為曲線段航道曲率；H系為曲線段航道水深；U系為曲線段航道縱方向平均流動速率；y=z/H系為相對水深。曲線段航道中橫流的底流與面流的流動方向相反，所以吃水深度不同的船只，作用于船身的橫流平均速度亦不同，作用于船身的平均橫流速度是造成流致漂移量的重要參數。為科學起見，作用于吃水深度是d的船只曲線段航道平均橫流速度可按下式確定：

公式中，ud系為作用于具有d吃水線的船只的曲線段航道橫流平均流動速率。可得：

若曲線段航道的曲率、平均縱方向速度、水深以及船只吃水深度均已知，那么作用于船身的平均橫流速度則基本明確。表2計算了曲線段航道的平均縱向水流速度為5m/s，作用于吃水深度不同船只上的平均橫流速度以及船速是10kn，計算了吃水深度是11m，偏航角是5°時的船只流致漂移量。從表2能夠發現，當水深和船只吃水深度一定時，ud隨著曲線段航道曲率的增加而降低；當船只吃水深度和曲線段航道曲率一定時，ud隨著水深的提升而提升。當水深和曲線段航道曲率一定時，ud隨著吃水深度的加大而降低。所以，當曲線段航道寬度不足時，適當增大航道曲率半徑，增加船只吃水深度，有利于船只安全航行。

表2數據揭示，曲線段航道橫向速度所引發的漂移比較大，這是配置曲線段航道寬度不可忽視的因素。公式（6）揭示，船只速度越高，曲線段航道環流所引發的漂移則越小。該結論同《船只操縱》中船只速度越高，船只保向性將越好的結論相同。該式還揭示，當偏航角越大，流動引發的漂移亦越大。所以，在曲線段航道內，船只應盡量航行在流態動力軸線上，以防觸岸情況發生。

表2 不同狀態下的ud及B3

2.曲線段航道曲率半徑設計

曲線段航道的曲率半徑，關系影響船只的航行安全。為揭示曲線段航道曲率和事故數量的關系，現在長于2000Km的一段案例航道，對曲線段航道曲率與船只事故數量的關系給予分析，具體見表3所示。

表3 航道曲率與船只事故數量的關系統計分析

表3中：

nR系為標準曲線段航道數量；

na系為發生在曲線段航道的事故量；

na/nR系為該曲線段航道半徑內事故量與該整個曲線段航道的事故量比值。

從上表中提取部分數據，獲得相對事故量與曲率半徑的關系：

分析揭示，在此次抽取的目標航道上，彎線航道內的事故次數伴隨曲率的增加而降低。

曲率半徑是最具代表性的航道主線圓弧的曲率半徑。計算航道曲率非常復雜，它與航向流向的夾角、航寬與船寬比、航速與流速比、舵的效應等多種因素有關。在航道曲率半徑設計時，有時會受到地形的制約，因此需建立能夠保障船只安全航行的最小曲率半徑。依據實驗和經驗，可取帶（拖）貨船隊里的最長船體的4倍標準，作為最小曲率半徑長度。如果受場地條件限制，實在不能確保最小曲率半徑，亦可考慮加寬曲線段航道。當然亦存在例外情況，例如漢口以下長江航道的半徑為800m，長度為226m，曲線率為3.54，還有萊茵河曲線段航道曲率為1.89。這表明伴隨船只操作性的增強，雖然某些地方的曲線段航道達不到最小曲率半徑的需求，但仍然能夠安全通過。

3.結語

本文研究了明確單一方向曲線段航道航跡帶寬度的方法，研究了單一方向曲線段航道對吃水深度不同的船只橫向漂移的影響。并通過不同船型的操作性和不同的航道寬度，給出了不同型式曲率設計方法。由研究得知，曲線段航道的合理配置不但能夠最大限度地提高過往船只的效率，還可以降低水上交通事故的產生率。