湘江湘潭铁路桥水域船舶安全航速研究

刘晓平，李 帆，李 明，林积大，范宁阳

（长沙理工大学水利学院，长沙 410076）

湘江湘潭铁路桥水域船舶安全航速研究

刘晓平，李 帆，李 明，林积大，范宁阳

（长沙理工大学水利学院，长沙 410076）

湘江湘潭铁路桥水域的通航条件较为复杂，为了研究船舶通过此水域的安全航速，确保桥和船的安全，进行桥区水域航道的船模试验研究。根据相似准则制作1∶100正态定床水工模型和船模，模拟II级航道各典型船舶在此水域的航行状况。试验采用流场实时测量系统VDMS对船模运动进行快速检测，由其内置程序得到船模的漂角、漂距以及相应的航速。根据安全航行的原则，通过对试验成果的分析，提出了在最大通航流量Q＝20 000 m3／s下，2 000 t级自动船舶、2×2 000 t级驳船队和4×1 000 t级驳船队通过此水域的安全航速分别为：18.36～25.49 km／h，14.40～19.40 km／h和14.40～18.47 km／h。该研究方法可供同行参考，其研究可为航道管理部门及设计部门提供依据。

桥区水域；安全航速；船模试验

1 研究背景

随着现代交通网络的发展，跨河铁路、公路桥梁和城市交通桥梁大量兴建。船舶作为水上运输工具，有着悠久的历史，对推动社会进步和经济发展发挥了巨大的作用。但在通航河流上，桥梁建设与船舶的安全航行又成为了一对矛盾，建桥的同时，也给船舶航行带来了不可忽视的影响。据2004年的第二次全国内河航道普查资料［1］，至2004年，全国共有跨航道桥梁4.1万座，其中不能满足通航标准或要求的桥梁近2.9万座，占总量的69.8%，桥梁碍航问题的凸现是我们国家在交通建设高速发展过程当中不可避免的一个问题。该问题不仅影响通航安全，而且限制了河段区域进一步提升通航能力以及经济高速发展的空间。

规划建设中的长株潭城际铁路大桥是长株潭城际铁路湘潭段的重要组成部分，位于湘潭市市区，横跨湘江。为遵从城市交通网络的总体规划，同时综合考虑地形、水流等条件，该桥选址于湘潭三桥下游600 m处，但是，大桥桥址上游42 m处紧邻湘潭湘黔铁路桥及其复线。船舶航行此水域时需在较短的时间内连续通过4座桥梁，船舶操纵难度较大。同时，随着湘江航道标准的提高，通行的船舶将逐渐大型化，并且将以船队为主，复杂的通航条件和船舶操纵性的降低将不利于此水域的安全通航。为了确保船舶安全航行，避免船船相碰以及船桥相碰事故发生，需通过水工模型试验和船舶模型试验，研究湘潭湘江铁路桥河段的安全航速问题。

2 船舶确定安全航速的基本原则

对于桥区水域，船舶确定安全航速应该遵循的原则如下：

（1）船速下限以保证船舶的操纵性为基本原则，船舶不应减速到失去舵效或失去维持其航向操作能力的程度。

（2）船速上限应该是当船舶以此速度撞击桥墩时，船舶撞击力小于桥墩的设计防撞力。

3 模型试验

3.1 模型制作及控制测量设备［2－3］

根据几何相似、水流运动相似、动力相似及阻力相似准则，模型试验所用的水工模型采用1∶100正态定床模型，按照模型进口选择单一顺直河道的原则，模型范围选取包括桥址上游1.3 km及下游1.0 km河段，宽度范围取整个河宽，约800 m宽。

船模模拟的船体为Ⅱ级航道典型船舶，船模概况如表1所示。试验采用VDMS（Vehicle Dynamic Matlab Simulink）实时采集安装在船模船头、船尾的白色粒子，对船模运动进行快速检测，并用舵角接受仪对船模操纵要素进行同步遥测，最后由系统内置程序得出漂角、漂距以及相应的航速。

表1 船模概况Table1 Designs of ship models

3.2 试验内容与方案

本文主要研究船舶在最大通航流量下，通行铁路桥水域时的安全航速。试验在工况Q＝20 000 m3／s流量下进行。分别选取1 000 t级顶推船队、2 000 t级顶推船队和2 000 t级自航船舶沿航线以不同航速航行，记录船模航行参数并进行对比，得到航行状况较好的航速。为了避免船模试验及人工操作的随机性，对同一试验航段的试验进行多次航行，对航行状态及参数最优的试验组取值。船模采用保持与设定航线平行的无艏向角航行方式。

本次船舶试验航段全长约700 m，由湘潭三桥开始，直至湘江长株潭城际铁路桥的下游100 m处。航线和桥梁的布置如图1所示。

图1 湘江湘潭铁路桥试验布置图Fig.1 Schematic diagram of the arrangement for the test around Xiangtan railway bridge across Xiangjiang river

4 试验结果分析

分别对3种船型进行试验。现以2 000 t级自航船舶在20 000m3／s流量时的情况为例，探讨分析该河段安全航速的确定方法。

4.1 船舶下行安全航速

4.1.1 2 000 t级自航船舶下行安全航速下限值

在拟定的试验方案下，详细测试船模的航行状态和操纵要素，得出了船模在不同航速下舵角、漂角和漂距随时间变化的关系图，其分别如图2至图4所示。

图2 2 000 t级自航船不同航速下行舵角随时间变化对比图Fig.2 Rudder angles of 2000 t self-propelled downbound ship vs.time at different speeds

图3 2 000 t级自航船不同航速下行漂角随时间变化对比图Fig.3 Drift angles of 2000t self-propelled downbound ship vs.time at different speeds

图4 2 000 t级自航船不同航速下行漂距随时间变化对比图Fig.4 Drift distances of 2000 t self-propelled downbound ship vs.time at different speeds

船模航行试验结果表明：

（1）当v＝4.26 m／s时，船模下行舵角较大，最大舵角接近35°，超过了船模安全舵角限值［2］（25°），这是因为船速太小船模的舵效不明显；当提高船模航速到5.10 m／s时，船模下行过程的舵角明显减小，最大舵角在15°左右，满足船舶航行要求；继续提高航速到5.57，6.61，7.04 m／s后，最大舵角在15°左右，无明显减小趋势。

（2）当v＝4.26 m／s时，船模漂角较大，最大漂角达30°，已经超出了船模安全漂角限值［4］（20°），不满足航行要求；提高航速到5.10 m／s后，船模抵抗水流影响的能力加强，下行的漂角减小至10°以内，满足行船要求；继续加大船模航速至5.57，6.61，7.04 m／s后，船模下行的漂角减小趋势不明显，最大值在10°左右。

（3）当v＝4.26 m／s时，因速度太小，船模下行时漂距较大，最大漂距达到了35 m左右，当船速加大至5.10 m／s时，漂距减小至10 m左右，继续加大船速到5.57，6.61，7.04 m／s后，漂距变化幅度不大，最大漂距仍然在10 m左右。

综上所述，提高航速至5.10 m／s后，船模航行状态得到较大的改善，各参数均满足船模航行要求，但继续加大航速，船模航行参数基本不变。根据安全航速原则，船舶5.10 m／s的航速即为保持船舶舵效和航行操作能力的最低安全航速。

4.1.2 2 000 t级自航船舶下行安全航速上限值

船速的上限应该是当船舶以此速度撞击桥墩时，其撞击力应小于桥墩的设计防撞力。当船舶的质量一定时，其对桥的撞击力大小取决于船舶的航速，因此为了防止船舶的撞击力大于桥墩的设计防撞力，须控制船舶的最高航速。

根据《铁路桥涵设计基本规范》第4.4.6条船舶撞击力计算公式：

式中：F为撞击力（kN），根据该桥可行性阶段设计文件，取F＝18 500 kN；γ为动能折减系数（s／m1／2），取γ＝0.3 s／m1／2；v为船只或排筏撞击墩台时的速度（m／s）；α为船只或排筏驶近方向与墩台撞击点处切线所成的夹角，取α＝90°；W为船只重或排筏重（kN）；C1／C2为船只或排筏的弹性变形系数和墩台的弹性变形系数，取0.000 5 m／kN。

由上式反算得船速为7.08 m／s。即当大桥正向设计防撞力为18 500 kN时，2 000 t级自航船的下行安全航速上限值为7.08 m／s。

4.1.3 各典型船舶下行安全航速

根据安全航速定义，通过同样的方法得到1 000 t级顶推船队和2 000 t级顶推船队的下行安全航速。各典型船舶的下行安全航速如表2所示。

表2 各典型船舶下行安全航速Table2 Safe speeds of typical downbound ships

4.2 船舶上行安全航速

船舶上行时，水流流向与航向相反，舵页与水流的相对速度增加，舵页上承受的压力变大，故船舶上行的操纵性能比下行状况好。通过船模上行试验数据分析可知，船舶上行安全航速下限值比其下行安全航速下限值小。

船舶上行安全航速上限值同样由大桥防撞设计值确定，其值与船舶下行安全航速上限值相同。

5 结 论

据碰撞事故的统计，船速是导致碰撞的一个重要因素。限制航速是保证船舶通航安全的重要措施。本文采用船模试验的手段，研究了湘江湘潭铁路桥水域航道的安全航速。

（1）桥区水域安全航速受到地形条件、水流条件、桥梁布置形式、桥梁防撞设计及通行船舶类型等因素的影响；

（2）依据桥区水域安全航速的确定原则，通过水工模型试验和船模试验，并根据现有桥墩的防撞能力及控制船型可较好地确定船舶航行的安全航速；

（3）对于航行条件不佳的桥区水域，科学地限定船舶安全航速是保证船舶和桥梁安全的有效措施之一。

［1］ 中华人民共和国交通部.第二次全国内河航道普查资料［M］.北京：人民交通出版社，2004：293－297.（Ministry of Communications of the P.R.C.Data of the Second National Census on Inland Waterways［M］.Beijing：China Communications Press，2004：293－297.（in Chinese））

［2］ 刘晓平，邹开明，王能贝，等.施工导流期的斜流效应船模试验研究［J］.长江科学院院报，2010，27（9）：39－42.（LIU Xiao-ping，ZOU Kai-ming，WANG Nengbei，et al.Ship Model Test under Oblique Flow Effect During Construction Diversion［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2010，27（9）：39－42.（in Chinese））

［3］ 蔡 创，陈 里，蔡汝哲，等.向家坝水电站施工大桥船模通航指数模拟分析［J］.重庆交通大学学报，2009，28（4）：763－767.（CAIChuang，CHEN Li，CAI Ru-zhe，et al.Simulation Analysis on Navigation Indexes of Xiangjiaba Bridge by Ship Model Test［J］.Journal of Chongqing Jiaotong University（Natural Science），2009，28（4）：763－767.（in Chinese））

［4］ 须清华.通航建筑物应用基础研究［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.（XU Qing-hua.Application of Navigation Structures［M］.Beijing：China Water Power Press，1999.（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

Safe Speed of Navigation in the Water Area Around Xiangtan Railway Bridge

LIU Xiao-ping，LIFan，LIMing，LIN Ji-da，FAN Ning-yang
（School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science and Technology，Changsha 410076，China）

The navigation condition of the water area near Xiangtan railway bridge across Xiangjiang River is very complicated.To investigate the safe speed in thiswater area，we carried out simulation on the navigation of typical vessels in secondary channel in thewater area around the bridge through 1∶100 normal fix-bed hydraulicmodel and ship model test.We adopted the VDMS（Vehicle Dynamic Matlab Simulink）to rapidly detect themovementof ship models，and obtained the drift angles，drift distances and the corresponding speeds through the system’s build-in program.According to the principle of safe navigation and the analysis on test results，we found thatunder the peak discharge for navigation Q＝20 000 m3／s，the safe speeds of 2 000 DWT self-propelled ship，2×2 000 DWT pushed barge train and 4×1 000 DWT pushed barge train are，respectively，18.36－25.49 km／h，14.40－19.40 km／h and 14.40－18.47 km／h.This research could serve as a basis for waterway administration departments and design departments.

water area around bridge；safe speed；ship model test

TV135.4

A

1001－5485（2012）09－0046－03

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.09.011

2011－05－25；

2011－07－21

刘晓平（1956－），男，江苏泰州人，教授，主要从事港口、航道及近海工程研究，（电话）0731－82309694（电子信箱）lxplyt＠163.com。

李 帆（1987－），男，湖南涟源人，硕士研究生，主要从事港口、航道及近海工程方面的研究，（电话）13607310307（电子信箱）lifanzq＠hotmail.com。