基于船舶漂移的桥梁水域界定模型的研究

李中刚 张海涛

（武汉理工大学，湖北武汉 430063 ）

随着我国道路交通的快速发展，各种跨越天然及人工航道的桥梁也在不断增多，众多桥梁的建设在对公路、铁路运输带来便利的同时，也对航运产生深远的影响。针对桥梁建设的通航安全研究，不仅对桥梁所在水道的航运有着重要意义，对桥梁自身的安全也至关重要。本文将从船舶在桥梁水域航行时漂移量计算的角度建设模型，对桥梁水域的界定进行探讨。船舶在桥区航行时，受到风流的影响会产生横向的漂移。根据不同的风流组合，在限定的通航净宽条件下，可以计算出航行距离与通航净宽之间的数量关系，从而为桥梁水域范围的划定提供参考。

1 风流影响下漂移量的计算

1．1 船舶过桥漂移量坐标系的建立

为了计算船舶过桥时受风流作用下的漂移量值，必须先建立船舶过桥漂移量的计算坐标系［1］（船舶过桥漂移量计算坐标系如图1 所示）。

设定计算坐标系的原点为输煤栈桥单向通航孔的中心位置，横轴（X）垂直于大桥轴线，正轴指向长江的下（上）游方向，纵轴（Y）平行于大桥轴线，正轴指向长江的左（右）岸。船舶过桥时，船舶首尾线X与轴的夹角称为偏航角α，水流方向与X轴的夹角称为流向角β。

①坐标原点O 为计算初始时刻（t＝0）船舶重心的位置；

②船速V s，（单位：m／s ）；

图1 船舶过桥漂移量计算坐标系

③α—船舶偏航角，（单位：°）；

④V a—风速，船舶受横风的影响，（单位：m／s ）；

⑤V w—流速，（单位：m／s ）；

⑥β—桥梁轴线的法线方向与水流流向的交角，（单位：°）。

1．2 船舶过桥漂移量数学模型的建立

船舶航行时漂移量数学模型的建立，首先应分别确定船舶在无风、无流影响情况下通过所需航宽B1和船舶在风流作用下因漂移增加的航迹带宽度B2，其中B2应包括船舶受风的影响产生的风致漂移量BF、船舶受流的影响产生的流致漂移量BL、和船舶航行中偏航角引起的航迹带宽度的增加量（又称为偏航量）BP［2］。然后根据叠加原理建立船舶上、下水通过该顺直航段时，在有风、流影响情况下所需航宽数学模型。（船舶漂移量数学模型如图2 所示）。

（1）无风、流情况下船舶航迹带宽度B1

在无风无流情况下，船舶航迹带宽度可按下式进行计算：

图2 船舶漂移量数学模型

（2）船舶航行中风致漂移量BF

考虑在极限的情况下（风舷角为90°），即船舶正横受风时，风动力最大，则船舶航行中风致漂移速度V F可由下面公式计算得出：

Bα—船体水线上侧受风面积（m2）；

Bw—船体水线下侧面积（m2）；

L—设计船长（m）；

d—船舶吃水（m）；

VS—船速（单位：Kn）；

Vα—相对风速（m／s）。

因此，船舶航行中受风影响情况下的漂移量BF可用下式计算：

（3）船舶航行中流致漂移量BL

船舶航行在各种水流情况下的流致漂移量BL可用下式计算

其中：VW—水流速度（m／s ）；

V S—船速（m／s ）；

α—船首尾线与X 轴的夹角，称为偏航角（°）；

β—水流流向与 X 轴的交角，（°）；

S—计算河长（m）。

（4）船舶航行中由偏航角引起的航迹带宽度增加量BP

偏航角α所引起的航迹带宽度的增加量B P可用下式进行计算：

综上所述，船舶在不同风流作用下，以不同的偏航角航行时，在最为不利风流组合下，即风致漂移量、流致漂移量和偏航角所引起的航迹带宽度增加量在相同方向上叠加，船舶航行时所需航迹带宽度应为：

可推出航行距离与风、流及通航净宽间的距离公式：

航行距离为船长、桥宽、与桥梁水域之和，可推出桥梁水域长度为：

其中：Bq—桥梁宽度（通航孔两侧桥墩宽度）

2 桥梁水域界定的意义

桥梁水域的界定，对在桥梁水域航行的船舶航行安全和桥梁自身的安全，以及在桥梁水域内，船舶的行为、通航环境、和桥梁设施设置都会受到影响［3～4］，包括：

（1）船舶在桥梁水域航行，航速和航向及船舶间距都受到一定的限制，并禁止追越，对桥梁水域的通航密度产生影响；

（2）桥梁水域的划定对处在桥梁水域内的岸线使用及水工建筑的营运作业会产生影响，如规划布局和作业时间等；

（3）桥梁水域内助航标志的设置和航路、航法的制定；

（4）航行保证措施和应急预案的制定。

1 郭国平．船舶操纵［M］．人民交通出版社，1999

2 程志友．桥区船舶失控漂移航机计算机模拟研究［J ］．武汉理工大学，2007

3 吴兆麟．海上交通工程学［M］．大连海事大学出版社，2002

4 甘浪雄．航道条件对船舶航行可靠性的影响［J ］．中国航海，2001 （2）：55 ～57

5 E．van Manen．Ship Collisions due to the Presence of Bridges［R］．Brussels PIANC General Seeretariat ，2001