船舶模拟器在引江济汉通航工程与长江交汇口布置中的应用

孔宪卫，李金合，冯小香，郝媛媛，李君涛

（交通部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

引江济汉通航工程的目的是依托引江济汉引水干渠，建设沟通长江、汉江中游航线。通航工程的主要内容包括引水干渠两端进出口和连接河段，且在进出口处分别布置一座Ⅲ级船闸。其中，进口船闸布置在长江左岸的荆州市李埠镇龙洲垸，与引水干渠取水口相邻；出口船闸布置在汉江右岸潜江市高石碑镇，与干渠出水口相依。工程建成后，将大大缩短长江与汉江水路直达运输里程，避免了船舶绕道行驶，节约了船舶运输时间，提高了船舶运输效率。

引江济汉通航工程与长江交汇口位于长江沙市河段，下距沙市水文站11.76 km，上距三峡水利枢纽148 km。交汇口的平面布置形式以及船舶能否从长江航道顺利安全的进出通航干渠，是关系引江济汉工程能否发挥其通航效益的关键问题，必须进行深入研究。

1 船舶操纵模拟器在通航建筑物平面布置优化中的应用方法

船舶操纵模拟器采用了当今先进的技术手段，包括计算机成像技术、虚拟现实技术、无缝拼接宽视场角环幕投影技术、船舶操纵数学模型技术等［1］。用船舶操纵模拟器进行平面布置研究属于船舶工程学范畴［2］，研究过程不受模型比尺的影响。

其具体方法为：（1）建立模拟区域的平面数字地图。（2）建立船舶操纵数学模型并对代表船型进行率定。（3）建立水流数学模型或物理模型进行通航水流条件的模拟，然后将水流结果导入模拟器。（4）用模拟器系统进行船舶操纵模拟，根据模拟结果判断平面布置形式是否满足设计要求。（5）根据试验结果对不满足要求的平面布置形式进行优化。（6）提出优化方案，重复以上实验过程，直至平面布置形式满足设计要求。

船舶操纵模拟器的模拟环境和实际水域环境基本一致，所应用的水流环境采用模型实验的结果，主流、缓流、回流等不同流态同实际情况基本一致，模拟环境选用的有关设计方案图与建成后的航行图基本一致；其次，模拟船操纵特性与参考原型船操纵特性相似，在对车舵的响应、船舶惯性和旋回性等方面，将模拟船舶模型与原型船舶进行了比对，结果基本一致；最后模拟器操纵的方案与实际船舶航行等操纵方案基本一致［3］。因此采用船舶操纵模拟器进行平面布置形式研究是科学的。

2 代表船型及通航环境率定

2.1 代表船型率定实验

选用代表船型为双排单列式1顶2船队，驳船为1 000 t，长67.5 m，宽10.8 m，吃水2 m，船队队型及平面主尺度见图1。由于1顶2船队没有实测的船舶操纵资料，主要根据2004年颁布的《长江运输船舶操纵性衡准》（JTT 258-2004）（以下简称标准）对其操纵性进行率定。标准规定了5个性能的衡准指标形式，分别为航向稳定性指标、航向改变性指标、定常旋回性指标、倒车制动性指标及倒航稳定性指标；该标准还给出了各个指标的衡量参数（表1）。本文主要对航向稳定性指标、航向改变性指标及定常旋回性指标进行率定。

表1 长江运输船舶操纵性衡准表Tab.1 Ship maneuverability standard on the Yangtze River

（1）航向稳定性实验。在无流情况下，正舵操船3 min，经测定ΔC0=0°＜3.0°，满足标准要求。

（2）航向改变性实验。在常车稳速且航向稳定初始状态下，按规定舵角 15°操舵，航向由 0°变为 15°，r0-15=0.62°/s，满足标准要求。

（3）定常回转性实验。对1顶2船队进行左旋回与右回转的试验，所得旋回试验结果分别见图2和表2。

由图2及表2可知，1顶2船队旋回操纵特性满足标准要求。

表2 1顶2船队旋回试验表Tab.2 Turning test of design fleets

2.2 通航水流条件率定

水流数学模型的计算范围为长江陈家湾—玉和坪河段，地形采用2009年2月实测地形，并采用2009年2月实测水文资料（验证流量6 907 m3/s）对模型进行验证，计算水面线与实测值比较接近，最大水位误差为±0.03 m，小于《内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程》（JTJ/T 232-98）规定的±0.10 m的误差要求。不同断面实测垂线平均流速与计算值的符合程度良好，实测流速与计算流速在流速大小和横向分布上比较一致，能够反映流速的断面分布情况，采用的平面二维水流数学模型能够基本反映河道阻力和断面水流运动特征［4］。

3 在引江济汉通航工程与长江交汇口平面布置研究中的应用

3.1 设计方案平面布置形式概况

引江济汉通航工程通航干渠位于引水干渠下游约1.6 km处，引水干渠与通航干渠分离，通航干渠长2.7 km，沿线依次布置通航干渠与长江连接段（即交汇口）、天鹅公路桥和船闸，其轴线与长江左岸岸线夹角约90°，与引水干渠轴线交角约25°，通航干渠与长江连接段轴线长800 m［5］；渠道左侧以200 m转弯半径与长江上游相连，渠道右侧以360 m转弯半径与长江下游相连，口门宽（交汇口长江大堤处宽度）约280 m，上游航线与下游航线的转弯半径均为640 m。

3.2 航行模拟实验结果

3.2.1 试验组合

试验组合包括设计方案和优化方案下，代表船型在长江 5 000 m3/s、7 500 m3/s、10 000 m3/s、15 000 m3/s、25 000 m3/s、45 000 m3/s流量下的船舶双向进出通航干渠试验。

3.2.2 试验结果

在长江流量为5 000 m3/s时，上游航线上最大横流达0.59 m/s，下游航线上最大横流达0.66 m/s，随着长江流量的加大，长江航线上的流速及航线横流都加大。到45 000 m3/s流量时，上游航线上最大横流达到1.58 m/s，下游航线上最大横流达到1.64 m/s。

在长江流量小于等于15 000 m3/s时，1顶2船队可以在设计方案交汇口双向航行且成功避让，航态较好；在25 000 m3/s流量时，1顶2船队不能顺利的从上游航线进入通航干渠，模拟结果见图4。若操舵过早或操大舵角时间过长，船舶会撞上通航干渠的左岸，若操舵过迟或操大舵角时间过短，船舶无法克服在长江航道内的横漂作用而撞上通航干渠的右岸；出通航干渠进入长江航道的船舶可以在25 000 m3/s流量时顺利航行。从长江航道进入通航干渠比出通航干渠进入长江航道困难，是由于从长江航道进入通航干渠是从开阔水域进入限制性航道，需要准确的落位在航道中心线上，才能通过天鹅公路桥进入船闸，并且进通航干渠时顺流而行，受横流的影响也大，船舶操纵困难。1顶2船队在上游航线能安全双向航行的上限流量为15 000 m3/s。

下游进出通航干渠的上限流量是25 000 m3/s，上游进出通航干渠的上限流量是15 000 m3/s，下游进出通航干渠比上游困难，原因在于从下游进通航干渠为从长江航道逆行进入，船舶操纵容易，而从上游进通航干渠为从长江航道顺流进入通航干渠，船舶操纵困难，因此船舶的航行方式选用进通航干渠沿岸边航行。

根据设计方案的模拟结果，对平面布置进行了一系列优化，最终优化方案为：将交汇口左岸与长江大堤改用900 m的圆弧连接，交汇口右岸与长江大堤改用600 m的圆弧相连。整体来看，交汇口平面布置呈喇叭口形式，长546 m，交汇口口门宽度由280 m调整为约670 m，喇叭口内侧最窄处为70 m。上游航线的转弯半径扩大为1 000 m，下游航线的转弯半径扩大为700 m，平面布置形式如图5。

从水流条件的模拟看，在5 000 m3/s流量下，上游航线上最大横流达到0.39 m/s，下游航线上最大横流达到0.43 m/s。随着长江流量的加大，长江航线上的流速及航线横流都加大，到45 000 m3/s流量时，上游航线上最大横流达到1.19 m/s，下游航线上最大横流达到1.35 m/s。同设计方案相比，航线上的最大流速减小，这主要是由于交汇口变大，航线的转弯半径扩大，航线更靠近岸边，航线上流速减小，航线与水流的夹角也同时减小，导致航线上横流减小。

从船舶操纵的模拟看，在设计方案条件下，1顶2船队在25 000 m3/s流量与45 000 m3/s流量下不能顺利双向航行，在修改方案下可以顺利的双向航行并成功避让，图6～图8给出了船舶航迹带及航行参数图，船舶可以顺利进入的原因是在修改方案下，船舶交汇口缓流区内操纵的余地比较大，船舶可以以距岸较大的安全横距进入通航干渠，并且预先与航线保持一定的横距，以克服船舶在横流区产生的惯性横漂，从而使船舶最终落位于进入通航干渠的中心线上，顺利的进入通航干渠及船闸［6］，但同时也应看到，在45 000 m3/s流量时，船舶的舵角范围为-20°～20°，船舶的横移速度最大达到2 m/s，船舶操纵比较困难，需要谨慎操纵。

4 结论

本文对船舶操纵模拟器应用于通航工程平面布置研究的方法进行了论证，并用水流数学模型与船舶操纵模拟器研究了引江济汉通航工程与长江交汇口的平面布置方案，得到结论如下：

（1）船舶操纵模拟器结合通航水流模型试验进行通航建筑物平面优化研究是一种比较科学的方法。

（2）用船舶操纵模拟器对引江济汉通航工程与长江交汇口的设计方案进行了通航安全操纵模拟，结果表明在设计方案下，代表船舶在交汇口的最大通航上限流量仅为15 000 m3/s，不满足设计要求。

（3）优化方案加大了上下游连接段的弯曲半径，进而提高了上下游航线的转弯半径，减小了航线上的横流，并且使船舶有足够的空间调顺船位，代表船舶在各研究流量下均能够顺利进出通航干渠并安全避让，满足设计要求。

［1］王胜正，施朝健，石永辉.新一代船舶操纵模拟器关键技术［J］.上海海事大学学报，2007，28（1）：143-149.WANG S Z，SHI C J，SHI Y H.New key techniques for navigation simulator［J］.Journal of Shanghai Maritime University，2007，28（1）：143-149.

［2］张庆河，李炎保.船舶操纵数学模型在港口航道设计中的应用［J］.中国港湾建设，2000（1）：49-53.ZHANG Q H，LI Y B.Application of Mathematical Model for Ship Maneuvering in Designs of Harbors and Waterways［J］.China Harbour Engineering，2000（1）：49-53.

［3］赵春波.航海模拟器仿真研究在港航工程评估中的应用［J］.中国水运，2007（4）：9-10.ZHAO C B.Navigation simulator simulation research in port navigation project appraisal application［J］.China Water Transport，2007（4）：9-10.

［4］吴秀恒，刘祖源，施生达，等.船舶操纵性［M］.北京：国防工业出版社，2005.

［5］孔宪卫，冯小香，李金合.引江济汉通航工程通航安全模拟研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2009.

［6］孙保虎.引江济汉通航工程初步设计综合说明［R］.武汉：湖北省交通规划设计院，2009.