彎曲航道通航水流條件技術(shù)要求的確定

彎曲航道通航水流條件技術(shù)要求的確定

1彎曲段航道的基本特征隨著水行業(yè)越來越重視，對(duì)航行規(guī)則和航行條件的要求也越來越高。作為研究、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)的基本理論和技術(shù)，這是扭曲航道的規(guī)模和水位。根據(jù)對(duì)全國(guó)內(nèi)河彎曲航道基本資料的整理和分析,彎曲河段對(duì)船舶航行產(chǎn)生的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)彎曲半徑太小或航寬不足;(2)彎道過渡段枯季淤淺礙航;(3)彎道凹岸線型不順、退水淤淺礙航;(4)彎曲分汊河段的航道問題主要是主支汊的交替發(fā)展,使航道變化不定,以及由于通航汊道的年內(nèi)變化常造成局部水深不足。我國(guó)目前執(zhí)行的《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GBJ50139—2004)(以下簡(jiǎn)稱“04標(biāo)準(zhǔn)”)中,僅對(duì)彎曲段的航道寬度作出這樣的原則性規(guī)定,即“內(nèi)河航道彎曲段的寬度應(yīng)在直線段航道寬度的基礎(chǔ)上加寬,其加寬值可通過分析計(jì)算或試驗(yàn)研究確定”?！?4標(biāo)準(zhǔn)”沒有給出不同航道等級(jí)、不同水流條件的彎曲河段適應(yīng)于代表航行船舶(隊(duì))的航道尺度的量化標(biāo)淮,這樣每條河流的彎曲航道都需分析計(jì)算或試驗(yàn),必將帶來時(shí)間、人力和財(cái)力的浪費(fèi)。為此,本文對(duì)彎曲航道尺度和通航水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了專門研究,通過研究得到的彎曲航道的航道尺度和通航水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定方法,可為水運(yùn)工程建設(shè)、維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的確定提供技術(shù)支持和科學(xué)依據(jù)。2彎曲航道概化模型針對(duì)彎曲航道對(duì)船舶航行的影響及存在的問題,本文主要通過建立彎曲航道概化模型和彎道船模,分析彎曲航道水流條件,研究不同彎曲半徑的彎曲航道寬度計(jì)算方法和通航水流條件要求。2.1概化模型平面比尺由于彎曲航道概化模型同時(shí)也為遙控船模試驗(yàn)提供試驗(yàn)場(chǎng)地,故概化模型平面比尺采用船模比尺,即:110,100。模型設(shè)計(jì)為正態(tài)定床模型,故平面比尺和垂直比尺分別為110,100,本次模型試驗(yàn)比尺見表1。2.2船沉準(zhǔn)備船隊(duì)船型及尺度、船隊(duì)試驗(yàn)靜水航速見表2。通過船模尺度效應(yīng)修正,可滿足船模試驗(yàn)要求。2.3民國(guó)時(shí)期航道模擬2.根據(jù)實(shí)測(cè)資料,建立8個(gè)不同彎曲半徑的概化模型,其參數(shù)見表3,研究在不同流量級(jí)、不同航道等級(jí)的船舶通航尺度。模型布置見圖1(R=280m)。(1)流速:由量水堰控制流量,調(diào)節(jié)尾門控制模型水深,使斷面平均流速分別達(dá)到3.0,2.5,2.0,1.5,1.0,0.5m/s。(2)水深:不考慮水深的影響,模型水深控制在20cm左右。(3)船模航行方向:由于船舶通過彎道時(shí),下行難度明顯大于上行,下行為彎道通航的控制條件,所以主要進(jìn)行下行試驗(yàn)。(4)試驗(yàn)組合:根據(jù)前面各種因素的變化,進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì),共48種工況。3蜿蜒的航道寬度3.1理論計(jì)算分析現(xiàn)行《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》和《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》、《規(guī)范》)中,均未對(duì)彎曲航道偏航距的計(jì)算與取值給出明確的規(guī)定。據(jù)武漢理工大學(xué)、天津水運(yùn)科學(xué)研究所、西南水運(yùn)科學(xué)研究所、長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等單位的實(shí)船、船模試驗(yàn)研究及經(jīng)驗(yàn)方法提出了不同的偏航距計(jì)算公式和方法。以下采用彎道船模試驗(yàn),通過理論計(jì)算分析方法探討船舶(隊(duì))通過彎曲航道的偏航距P的計(jì)算與取值(以下行船隊(duì)為例)。故有式中:Vs為船隊(duì)航速;Vc為水流流速;ue54f為流向與彎道中心線法線夾角;S為船隊(duì)航行距離為一個(gè)船長(zhǎng)L時(shí)的漂移量。其中,流向與彎道中心線法線夾角ue54f可根據(jù)航道工程的有關(guān)知識(shí)求取,式中:B0為彎曲航道水域河寬(m);R為彎曲航道的曲率半徑(m);C為船舶(隊(duì))分心航行所占航寬的比例系數(shù),如按四六分心法,則C=0.4。將上式轉(zhuǎn)換為以A1,A2為變量的二元一次方程,即十二駁船隊(duì)Vf=0.2984Vx+0.0437;六駁船隊(duì)Vf=0.3537Vx+0.049;800t三駁船隊(duì)Vf=0.4171Vx+0.0547;300t兩駁船隊(duì)Vf=0.4993Vx+0.0824。根據(jù)以上公式計(jì)算出相應(yīng)工況下的偏航距,將其與船模試驗(yàn)值進(jìn)行比較可看出,各點(diǎn)均勻分布在斜率為1的直線兩側(cè)且離散效果較好,這說明計(jì)算值與船模試驗(yàn)值吻合較好,見圖2。3.2彎曲航道航道寬度現(xiàn)行《標(biāo)準(zhǔn)》未對(duì)彎曲航道寬度作具體規(guī)定,現(xiàn)行《規(guī)范》規(guī)定彎曲段航道寬度應(yīng)根據(jù)彎曲半徑、流速、流向、流態(tài)、船舶或船隊(duì)及操縱性能等因素確定。頂推船隊(duì),當(dāng)彎曲半徑小于等于3倍設(shè)計(jì)船隊(duì)長(zhǎng)度時(shí),必須在直線段航道寬度的基礎(chǔ)上加寬;當(dāng)彎曲半徑大于3倍設(shè)計(jì)船隊(duì)長(zhǎng)度,但小于6倍設(shè)計(jì)船隊(duì)長(zhǎng)度時(shí),應(yīng)根據(jù)水流等具體條件確定加寬值。彎曲段航道加寬值宜通過實(shí)船試驗(yàn)確定。當(dāng)無實(shí)船試驗(yàn)資料時(shí),頂推船隊(duì)彎曲段航道寬度增加值可按下式估算,式中:ΔB為彎曲段航道寬度增加值(m);R為彎曲半徑(m);B為直線段航道設(shè)計(jì)寬度(m);L為頂推船隊(duì)長(zhǎng)度或拖帶船隊(duì)最大船長(zhǎng)(m)。由本次船模試驗(yàn)和以往實(shí)船觀測(cè)成果都證實(shí),上述公式計(jì)算的結(jié)果偏小,不能滿足航行要求,但在實(shí)際工作中,凡采用彎道加寬的地方都需要做大量工作,不能單憑公式計(jì)算確定。根據(jù)船模試驗(yàn)成果,以及對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和偏航距計(jì)算值的分析,我們發(fā)現(xiàn)偏航距的大小對(duì)彎曲航道通航寬度加寬值ΔB的取值有直接的影響。因此,繪制在最不利情況下(即流速為2.0m/s、車檔為2.5m/s時(shí))的彎曲航道通航寬度加寬值ΔB(ΔB=Bz+d1+d2-B單直)與偏航距關(guān)系曲線見圖3(a),從圖中可以看出,加寬值ΔB與偏航距呈線性關(guān)系,其線性方程為:ΔB=10.19P-48.8?？紤]到計(jì)算公式的適用性和可靠性,繪制各工況下的彎曲航道通航寬度加寬值ΔB(ΔB=Bz+d1+d2-B單直)與偏航距關(guān)系曲線見圖3(b),從圖中可以看出,加寬值ΔB與偏航距呈線性關(guān)系,其線性方程為:ΔB=9.816P-35.1。3.3彎曲段航道寬度計(jì)算公式的改進(jìn)根據(jù)船舶(隊(duì))在彎道航行所產(chǎn)生的漂角計(jì)算彎道寬度,彎道單向通航寬度表達(dá)式為式中:BF為船隊(duì)下行時(shí)航跡帶寬(m);d1,d2為船與航道邊緣的安全距離(m);P為偏航距(m),按式(3)相關(guān)參數(shù)計(jì)算。經(jīng)船模試驗(yàn)觀測(cè)驗(yàn)證,用上述公式計(jì)算的航跡帶寬度要比試驗(yàn)觀測(cè)值的稍小,但總的來說是很接近(見表4),其原因除漂角度量誤差外,主要是船模試驗(yàn)時(shí)激光反射識(shí)別器有不同程度的偏斜。根據(jù)船模試驗(yàn)觀測(cè),試驗(yàn)觀測(cè)航跡帶寬為計(jì)算寬度的1.00~1.03倍。在制訂航道標(biāo)準(zhǔn)時(shí),考慮到實(shí)際彎曲航道的地形、水流條件等多因素的影響,為使計(jì)算出的航跡帶寬有一定富裕,在實(shí)際計(jì)算中對(duì)以上值進(jìn)行修正,取1.1。彎曲段航道中,船到航道邊緣的富裕寬度d與直航道相似,但也有不同,它不但要滿足視線長(zhǎng)度的要求,還要考慮船舶在彎道中航行時(shí)向凹岸一側(cè)偏移的現(xiàn)象,因此彎道中的富裕寬度比直道大些。根據(jù)全國(guó)內(nèi)河船舶航行軌跡實(shí)船觀測(cè)成果及大量的調(diào)查資料分析研究的成果,并參考國(guó)外定值原則,d1+d2=(1.5~2.0)BS。通過以上計(jì)算分析,應(yīng)用加寬值公式計(jì)算彎道航寬與船模試驗(yàn)值對(duì)照見表5。從表中可以看到彎道航寬計(jì)算值與船模試驗(yàn)值十分接近。因此,彎道單向通航寬度計(jì)算公式改進(jìn)為式中:B單直為直線航道寬度(m);P為偏航距(m),按式(3)及圖3(b)中相關(guān)參數(shù)計(jì)算。4曲線水流條件的討論4.1彎曲段航道航道水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)價(jià)彎曲河段航道,不僅自然彎曲甚至非常狹窄,限制了船舶通過彎道的航道尺度,增加了船舶操作的難度。目前關(guān)于彎曲航道水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)外可供查詢和參考的資料極少。我國(guó)內(nèi)河通航水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是用水面比降、水流流速、水流流向和流態(tài)等指標(biāo)來衡量的,對(duì)于彎曲段航道通航水流條件技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來說,用什么指標(biāo)來衡量,是一個(gè)值得探討的問題。從本次試驗(yàn)研究結(jié)果來看,彎曲段航道通航水流條件的優(yōu)劣,主要取決于:(1)水流方向與船舶(隊(duì))航行方向。船舶(隊(duì))在彎曲段航行時(shí),由于航線與水流方向的不一致,導(dǎo)致水流對(duì)船舶航行產(chǎn)生斜向作用,使得船舶(隊(duì))偏離航線,而船舶、船隊(duì)的偏航主要是斜流在航線法線上的分量一橫向流速的作用造成的,偏航程度的大小,直接反應(yīng)了橫向流速作用的強(qiáng)弱?？梢哉f,彎曲段航道中橫向流速的大小是衡量船舶、船隊(duì)能否安全航行的重要標(biāo)準(zhǔn)。(2)水面比降。彎道中水流的水深沿縱向、橫向都發(fā)生變化,這種不穩(wěn)定的橫向水面高差,必然造成橫向流動(dòng),并且沿流程而變化的橫向流動(dòng)與縱向主流的迭加,就使水面發(fā)生扭曲,影響船舶(隊(duì))上駛阻力。4.2預(yù)彎段航道橫向流速為了便于分析和衡量斜流對(duì)船(舶)隊(duì)航行的影響程度,將水流流速u分解為航線切線方向的縱向流速uy和垂直于航線切線的橫向流速ux,當(dāng)流速u與航線切線方向之間的夾角為θ時(shí),ux=usinθ,uy=ucosθ。在彎曲航道中產(chǎn)生斜向流速的主要原因是航線與水流流向形成較大的夾角,產(chǎn)生的橫向作用對(duì)船舶(隊(duì))航行具有非常明顯的影響。因此,ux,uy是研究彎曲航道通航水流條件的重點(diǎn)。本次船模試驗(yàn)采用6種船型的船隊(duì)分別在8種彎曲半徑的彎道上,并在4種水流速度、2種車檔的工況下進(jìn)行的彎道通航船模試驗(yàn),其中彎曲半徑為280m,斷面平均流速為2.0m/s時(shí),彎道最大橫向流速為1.42m/s,彎道橫向流速隨著斷面平均流速的增大而增大,隨著彎曲半徑的增大而減小。通過試驗(yàn)研究表明,當(dāng)船舶(隊(duì))尺度和船舶(隊(duì))車檔一定的情況下,船舶(隊(duì))通過彎曲航道航行時(shí),彎道的彎曲半徑越小、彎曲航道水流越急,船舶(隊(duì))通過彎道時(shí)的漂角也就越大,從而導(dǎo)致航跡帶寬和所需航道寬度加大,航行難度也越大。一般情況下,航道的彎曲是產(chǎn)生橫向流速的主要因素,對(duì)于流速較小的彎曲段航道,一般來說斜流流速一般比主流流速小,因此產(chǎn)生的橫向流速也不大,對(duì)于彎曲半徑較小的彎曲段航道,斷面平均流速較大時(shí),其橫向流速一般情況下要大,從橫向流速與彎曲半徑的關(guān)系可以看出,當(dāng)彎曲半徑越大,則產(chǎn)生的橫向流速則越小,因此,將彎曲段航道水流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分為在不同彎曲半徑的情況下進(jìn)行討論。在本試驗(yàn)中,表6中所列船舶(隊(duì))通過相應(yīng)彎曲半徑的彎道時(shí),漂角均接近0,航道占寬已和試驗(yàn)航道寬度相近。因此,將最大流量工況下,彎曲半徑分別為1000,600,340,280m彎道的最大橫向流速作為相應(yīng)彎道的臨界橫向流速。從表中可以看出,最大流量工況下,彎曲半徑為1000m的彎道,橫向流速大多在1.15m/s以內(nèi);彎曲半徑為600m的彎道,橫向流速大多在1.24m/s以內(nèi);彎曲半徑為340m彎道,橫向流速大多在1.31m/s以內(nèi);彎曲半徑為280m彎道,橫向流速大多在1.42m/s以內(nèi)。其余工況下,船舶(隊(duì))均可以很容易地通過彎曲段航道,航行安全基本可以得到保障。5彎曲航道尺度計(jì)算本文通過理論分析,結(jié)合有關(guān)研究成果、概化模型及船模試驗(yàn),在分析彎曲航道對(duì)通航的影響的基礎(chǔ)上,對(duì)內(nèi)河彎曲航道通