合裕线湖区航道尺度的计算分析

张德春

（安徽省港航管理局，安徽 合肥 230011）

1 工程概况

合裕线航道是国家干线航道网之一，是安徽省合肥市通往长江的唯一水上通道，全长139.2 km。合肥港是全国28个内河主要港口之一，为省会经济圈的中心港，2006年合肥港完成吞吐量874万t，2009年完成1 170万t[1]，年平均增长11.3%。近年来随着腹地内国民经济的快速增长和船舶大型化的发展，合裕线航道已不能满足腹地内运输发展的要求，急需升级改造。

合裕线航道整治工程是国家“十一五”的重点水运工程建设项目之一，工程建设内容是：按Ⅲ级标准整治航道139.2 km，新建裕溪、巢湖2座2 000吨级复线船闸（200 m×23 m×4.5 m），以及助航设施等，工程概算投资9.35亿元。目前，裕溪和巢湖2座复线船闸已开工建设，航道整治工程在年内开工。工程完成后，合裕线航道可常年通航1 000吨级船舶，合肥、巢湖及周边地区大量物资可通过水运直达沿江各地，部分可在江海航行的船舶可达沿海各地，既满足了腹地内经济和社会发展的需要，又完善了以合肥为中心的铁路、公路、航空、水运综合运输网络，同时对改善巢湖水域的生态环境、促进巢湖旅游业发展都具有重要的意义。

2 航道现状

合裕线航道自1954年起，水利、交通部门为综合利用水资源，改善巢湖流域水利和航运落后面貌，先后对南淝河、巢湖、裕溪河进行了一系列治理，经过近50 a治理，合裕线航道已成为国家干线航道网之一。

合裕线航道起点为合肥市当涂路桥，终点为裕溪河入长江口，由南淝河、巢湖、裕溪河三段组成，其中南淝河航道24 km，巢湖湖区（施口～巢湖闸）航道54 km，裕溪河航道61.2 km。1998年底，南淝河航道按限制性Ⅲ级航道标准整治竣工；2000年3月至2004年4月，巢湖湖区、裕溪河航道按Ⅲ级线型、Ⅳ级断面标准进行了整治。

巢湖湖区航道（施口～巢湖闸）（见图1）现状等级为Ⅳ级，可常年通航500吨级船舶，中高水位时可通航1 000吨级船舶；按照一类航标配布，设置钢筋混凝土桩基、玻璃钢标体固定灯桩22座。

图1 巢湖湖区（施口～巢湖闸）航道示意图

3 影响湖区航道尺度计算的因素分析

航道尺度是指在设计通航期内，航道能够保证设计船型（船队）安全航行的最小尺度，它包括在设计最低通航水位下的航道水深、航道宽度、航道最小弯曲半径。航道尺度的确定主要受运输需求、船舶特征、航道条件、自然条件和投资效益等因素影响。在设计代表船型（船队）确定的情况下，湖区航道尺度的计算应考虑以下主要影响因素。

3.1 航道宽度的影响因素

湖区航道宽度应根据船舶航行密度、航道条件等分析确定。一般情况下，以保证两个对开船队安全错船航行为原则，设计成双线航道。当船舶（队）航行密度较大，双线航道不能满足运输要求时，应采用三线或三线以上航道，其宽度根据船舶通航要求确定。

湖区航道宽度由航迹带宽度、船舶间的安全富余宽度和船舶（队）外舷与航道边缘间的安全富余宽度组成。航道宽度的计算公式较多[2]，有理论计算公式，也有以船宽的倍数表示的经验计算式，如我国直线段航道标准宽度一般采用设计船型（船队）宽度的4倍，随着运输船舶标准化、大型化、专业化发展的趋势，此比值将会加大。在2004年修订的GB 50139-2004《内河通航标准》中给出了天然和渠化河流航道宽度的计算公式，其中双线直线段航道宽度的计算公式如下：

式中：B为直线段双线航道宽度，m；BFd为下行船舶或船队航迹带宽度，m；BFu为上行船舶或船队航迹带宽度，m；d1为下行船舶或船队外舷至航道边缘的安全距离，m；d2为上行船舶或船队外舷至航道边缘的安全距离，m；C为船舶或船队会船时的安全距离，m；Bsd为下行船舶或船队宽度，m；Ld为下行顶推长度或货船长度，m；β为船舶或船队航行漂角，（°）；Bsu为上行船舶或船队宽度，m；Lu为上行顶推长度或货船长度，m；d1+d2+C为各项安全距离之和，m。

3.1.1 航行漂角

在设计代表船型（船队）确定后，航迹带宽度主要取决于航行漂角的大小，航行漂角受水流、风速、船舶装载度、船舶操纵性能及驾驶技术的影响。在弯道中，船舶航行漂角与航道弯曲半径、船队长度更是密不可分。由于湖区航道水面宽阔，且大部分受下游枢纽控制，流速相对较小，水流流速对航行船舶的影响可以不计。因此，若排除船舶操纵性能及驾驶技术的影响，航行漂角主要与风速的大小、方向有关。

船舶在湖区航道航行时，风浪对船舶航行产生较大影响，当航行船舶受横向风压力时，产生转动力矩使船舶顺着风向横移和旋转，致使船舶偏航和漂移。为使船舶航向稳定，驾驶员采用舵力使船舶向偏航和漂移的反向旋转，随着舵角的增加，船舶所受合力的作用点逐渐向重心移动，转动力矩相应减少，直至船舶处于新的平衡状态。此时，船舶以一平衡风压偏角沿导航线前进。横向风速越大，使船舶产生的偏航和漂移运动越大，相应的航行漂角就越大。一般情况下，航行漂角取3°～5°，航道标准高，取值较大；航道标准低，取值较小[3]。由于湖区航道水面宽阔，风速较大，航行漂角宜取上限值。

3.1.2 船舶（队）外舷至航道边缘的安全富余宽度d

船舶距离设计航道边缘的安全富余宽度与通航水流条件、船舶航速、航道条件和船舶大小等因素有关。对于平原地区直线航道富余宽度可由下式计算[4]：

式中：d为船舶（队）至航道边缘距离，m；B为设计代表船型（船队）宽度，m。

对于水流平顺的顺直航道，也可参考表1数据，并结合航道条件、船舶大小分析确定[5]。

表1 顺直航道d值表m

3.1.3 船舶（队）与船舶（队）之间的安全富余宽度C

船舶（队）间的安全富余宽度是为了保障船舶航行安全，克服船吸现象的最小富余尺度。船舶在湖区航道航行交会时，船队两侧存在流速差和水位差，从而产生压力差互相吸引，主要受船舶航速、船舶尺度和航道水流条件影响。对于平原地区航道，船舶（队）交会时的安全富余宽度可参考下式计算[5]：

式中：C为船舶（队）间的安全富余宽度，m；B为设计代表船舶（队）宽度，m。

对于水流平顺的顺直航道，也可参考表2数据，并结合航道条件、交会方式分析确定[6]。

3.2 航道水深的影响因素

航道水深是航道尺度中非常重要的指标，决定着船舶航行的速度和载重量，若水深不足，船舶只能减速减载航行。影响航道水深的主要因素有设计代表船型（船队）标准吃水、船舶航行下沉量、船舶龙骨下最小富余深度、波浪影响的富余深度、船舶装载纵倾富余深度等[6]。

表2 顺直航道C值表m

GB 50139-2004《内河通航标准》和其它有关规范中提出的航道设计水深计算公式如下：

式中：H为航道水深，m；T为设计代表船型（船队）标准吃水，m；ΔH为富余水深，m，可按表3中选用。

表3 航道富余水深值

船舶在风浪中航行，随着波高、波向、波周期、水深、船舶吨级和航速的不同，将产生纵倾、横摇和升沉三种垂直运动，波浪使船舶产生的这些垂直运动是一个复杂的随机过程。由于湖区航道水面宽阔，风大浪高，船舶航行速度较快，航道富余水深主要考虑船舶航行下沉量和波浪影响的富余深度。船舶航行下沉量随着航速的增大而增加；风速、波高值越大时，波浪影响的富余深度应随之增大，因此，湖区航道富余水深应在表3中上限值的基础上适当加大。

3.3 航道最小弯曲半径的影响因素

航道最小弯曲半径是保证设计代表船舶（队）安全航行通过弯道的最小弯曲半径。从便利航行的角度考虑，航道弯曲半径越大越好。它主要与船舶（船队）长度和船舶操纵性能有关，还与弯道宽度、航速、流速、流态以及通视条件密切相关。湖区航道水域宽阔，流速较小，流态不复杂，通视条件良好，因此，在湖区航道弯曲半径计算时，应主要考虑设计代表船型（船队）长度、航速、航道转向角等因素。设计代表船型（船队）长度越大、航速越快，航道转向角越大，对应的弯曲半径也越大。

湖区航道最小弯曲半径可参考以下公式确定[7]。

1）φ≤10°（不考虑转弯段圆滑过渡，航道内外边线直接相交）

2）10°≤φ≤30°（R=3L ～ 5L）

3）φ ＞30°（R=3L～10L）

式中：R为航道最小弯曲半径，m；φ为航道转向角，（°）；L为设计代表船型（船队）长度，m。

4 设计代表船型（船队）论证

4.1 船舶现状

根据安徽省有关船舶资料统计分析，长江干流矿建运输以500～2 000 t船舶为主，油船以200～500 t的机动船为主，集装箱运输船舶装载能力一般在100 TEU左右。目前，长江中上游约60%以上的船舶，载重吨位在2 000 t左右，合裕线航道航行船舶多为500～1 000吨级船舶，最大有2 000 t级，也有1拖4×1 500吨船队。

4.2 设计代表船型（船队）

目前，合裕线航道裕溪复线船闸（200 m×23 m×4.5 m）和巢湖复线船闸（2 000吨级）正在建设，合肥港综合码头3个1 000吨级泊位正在建设中，4月底可建成投产，设计年吞吐能力100万t，集装箱7万TEU。

安徽省港航投资集团公司正在进行南淝河综合码头建设，通过船舶营运组织分析后认为：近期推荐1 000～2 000 t机动驳和1 000～2 000吨级拖带船队，远期发展为一顶2×1 000吨级顶推船队。

根据合裕线航道发展和船舶标准化、大型化、专业化发展趋势，经分析论证，其设计代表船型[8]如表4：

表4 设计代表船型（船队）及营运组织方式表

5 巢湖湖区航道尺度计算

5.1 航道宽度计算

合裕线巢湖湖区航道按照Ⅲ级航道双线标准设计。按公式（1）计算，船队长度Ld、Lu取194.0 m，船队宽度Bsd、Bsu取10.8 m，航行漂角β取上限值5°。

航迹带宽度为：

BFd=Bsd+Ldsin β =10.8+194 × sin 5°=26.0 m

由于船舶在湖区航道航行，岸吸现象不明显，船舶距离设计航道底边缘的富余宽度2d值按表1选取12 m。

船舶（队）间的安全富余宽度C值按表2选取20 m。所以湖区航道计算宽度为：

巢湖湖区由于受季风气候的影响，风向有显著的季节变化，春冬季以偏北风为主，夏秋季以偏南风为主，年平均风速为3.3 m/s左右，春季最大 （3—5月）平均风速3.4～3.8 m/s，秋季最大（9—11月）平均风速为2.8～3.1 m/s，常风向为南偏东。由于巢湖湖区航道中庙至巢湖闸近40 km航道大致呈东西走向，常风向为南偏东，船舶航行受常风向影响发生偏航和漂移较大，同时考虑到船舶操纵性能及驾驶技术的影响，巢湖湖区航道宽度实际选取B=90 m。

5.2 航道水深

根据《内河通航标准》第3.0.5条“天然和渠化河流航道水深应根据航道条件和运输要求通过技术经济论证确定”的要求，巢湖湖区航道设计水深可考虑两个方案：

1）按设计代表船型计算：合裕线航道整治工程设计代表船型（船队）标准吃水为2.1 m，富余水深在《内河通航标准》航道富裕水深值的基础上适当加大，选取0.5 m，则湖区航道水深为：

2）按运输要求选取：合裕线腹地出口货物主要目的地是长江三角洲地区，该地区航道网航道条件已大为改善，大部分干线航道已达到Ⅲ、Ⅳ级航道标准。根据统计资料，目前，巢湖湖区航行船舶载重量多为500～1 000 t，一般吃水在2.2～3.0 m，富裕水深为0.5 m，则湖区航道水深为：

综合考虑巢湖湖区通航船舶现状，为实现江河干支直达，减少很多中间环节和运输成本，提高运输效益，全面发挥长江“黄金水道”作用，充分考虑运输船舶大型化、专业化发展的趋势，巢湖湖区航道水深宜选取3.5 m。

5.3 最小弯曲半径

巢湖湖区航道设计代表船型（船队）按分节驳顶推248 kW+2×1 000 t考虑，总长90 m，在中庙附近，航道转向角大于30°，湖区航道最小弯曲半径取R=10L=900 m。

6 结语

航道尺度是航道整治工程规划、设计、施工、维护和管理的关键技术，与设计代表船型（船队）的确定和通航水域条件、货运量的大小等密切相关。鉴于湖区航道水面宽阔，风浪较大，流速较小，船舶航速较快的特点，在设计代表船型（船队）确定后，湖区航道宽度应着重考虑船舶因风压力产生的偏航和漂移而导致航行漂角变化的因素，以及两船队交会时产生的船吸现象；湖区航道水深应着重考虑船舶航行下沉量和波浪影响因素；由于湖区航道受航道线型及边界条件的影响较小，航道最小弯曲半径应尽可能选取较大的数值。总之，在湖区航道尺度计算时，应以《内河通航标准》为依据，充分考虑各种主要影响因素，进行分析计算确定。

[1]安徽省水运统计资料[G]，2006-2009.

[2]周连有.有关内河航道尺度计算公式的汇总[J].港工技术，2004（4）：7-10.

[3]陈德春，何蘅.风浪对洪泽湖区航行安全的影响[J].上海海事大学学报，2006（4）：36-39.

[4]刘永绣，等.注册土木工程师（港口与航道）执业资格考试辅导材料[M].人民交通出版社，2003，94-95.

[5]长江航道局，航道工程手册[M].人民交通出版社，2004，84.

[6]JTJ312-2003，航道整治工程技术规范[S].

[7]JTJ212-2006，海港工程总体设计规范[S].

[8]合裕线航道升级改造工程预可行性研究报告[R].安徽：安徽省交通勘察设计院，2009.