张一鸣
(浙江省交通规划设计研究院,浙江杭州 310006)
浙江交通职业技术学院学报,第16卷第2期,2015年6月
Journal of Zhejiang Institute of Communications
Vol.16 No.2,Jun.2015
浙江省资源节约型内河限制性三级航道尺度分析
张一鸣
(浙江省交通规划设计研究院,浙江杭州310006)
摘要:浙江省内河航运承担了经济社会发展所需的大量物资运输任务,从浙江省航道的实际情况出发,经过计算分析,提出资源节约型内河限制性三级航道的关键尺度,并进一步分析了在航道面宽及弯曲半径不变的前提下,现有四级及五级航道提升为三级航道的可能性,为航道升级提供了必要的设计参数。
关键词:内河限制性航道;等级;提升;尺度
0引言
内河水运具有运能大、占地少、能耗低等优势,是国家综合运输体系和水资源综合利用的重要组成部分。随着我国国民经济的发展,内河水运运量不断增大,内河船舶日趋大型化,我国不断增大内河航道基础建设投资,建设三级骨干航道网,提升航道通过能力,改善通航条件。
截至2012年底,浙江省内河航道通航总里程为9739km,居全国第5位;其中四级及以上高等级航道里程为1386km,占全省通航里程的14.2%,与全国13%的平均水平基本持平。但是三级以上航道浙江省仅为2.1%,远低于全国7%的平均水平。根据《全国内河航道与港口布局规划》、《长江三角洲地区高等级航道网布局规划》和《浙江省内河航运发展规划》,浙江省内河骨干航道(京杭运河、杭申线、长湖申线、杭平申线、湖嘉申线等)提升为三级航道已非常紧迫。
然而土地、环境、资源、经济成本等因素严重制约着内河航道的建设步伐,必须认真研究航道尺度与土地节约、资源保护、航运安全、建设成本等相互关系,实现效益最大化的协调发展,因此提出了“资源节约型内河限制性航道”建设理念。但现行《内河通航标准》[1]是基于我国大江大河而制定的,不能完全适应内河限制性航道的特点,亦不能全面反映浙江省内河地区经济社会发展情况,如限制性航道尺度无计算公式,其取值未与船型等建立相应关联,且以顶推船队作为代表船型不符合浙江省内河水运发展的实际情况。
为了适应浙江省内河航运发展需要,提升航道等级,尽可能减少房屋拆迁及土地征用,开展资源节约型内河限制性三级航道尺度分析具有十分重要的意义。
1通航标准及航道、船舶营运现状
目前,适用于浙江省内河航道的标准有《内河通航标准》[1]及《运河通航标准》[2]两个,分述如下:
(1)《内河通航标准》[1]三级、四级、五级航道尺度如下:
三级航道:水深3.2 m,底宽45 m,弯曲半径480 m;
四级航道:水深2.5 m,底宽40 m,弯曲半径320 m;
五级航道:水深2.5 m,底宽35 m,弯曲半径250 m。
根据该标准第3.0.5第4条规定:内河航道的最小弯曲半径,应采用顶推船队长度的3倍、货船长度的4倍、拖带船队最大单船长度的4倍中的大值。在条件受限河段,航道最小弯曲半径不能达到上述要求时,航道宽度应加大,加大值应经专题研究确定。
(2)《运河通航标准》[2]三级、四级、五级航道尺度如下:
三级航道:水深3.2 m,底宽45 m,弯曲半径280 m;
四级航道:水深2.5 m,底宽40 m,弯曲半径210 m;
五级航道:水深2.5 m,底宽35 m,弯曲半径170 m。
根据该标准第4.2.2.1规定:运河航道弯曲段的最小弯曲半径,应符合上述规定,也可采用顶推船队长度的3倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的4倍计算。对特殊困难河段,在宽度加大和驾驶通视均能满足需要的前提下,弯曲半径可适当减小,但不应小于顶推船队长度的2倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的3倍。
浙江省内河骨干航道有:京杭运河、杭申线、湖嘉申线、杭平申线、长湖申线、杭甬运河等,均属内河限制性航道,目前除少量航段达到三级航道外,其余以四级、五级航道为主。控制建设成本最主要的是航道面宽及弯曲半径,根据浙江省交通规划设计研究院多年资料统计,三级航道的现状面宽基本为70 m,四级及五级航道的现状面宽分别为60 m及52 m,现状航道其它尺度如下:
三级航道:水深3.2 m,底宽45 m,弯曲半径480 m(局部困难地段320 m);
四级航道:水深2.5 m,底宽40 m,弯曲半径320 m(局部困难地段260 m);
五级航道:水深2.5 m,底宽35 m,弯曲半径260 m。
随着区域经济形势的发展,内河航道水运运量的增长,航道等级的提高,内河船舶平均载重吨位逐年提高,企业在充分考虑物流成本的基础上,投入更多的大型船舶。以京杭运河为例,其船舶平均载重吨位已达到420吨。目前以机动驳为主,部分为拖带船队及集装箱船,但无顶推船队。根据目前运营的杭嘉湖航区,超过800吨船舶信息抽样调查资料统计如下:
船长44.5~54.6 m,船宽9.1~10.95 m,空载水线以上倒桅高度4.24~6.55 m,空载水线以上不倒桅高度5.2~7.5 m,满载吃水:2.45~3.38 m,航速:3~15 km/h。从统计资料可以看出,超过800吨船舶的满载吃水普遍偏深。
从现状船舶航行来看,船舶长度及宽度与现有航道底宽及弯曲半径基本适应,但现状船舶吃水普遍偏深,枯水期航道水深偏小,航道较窄处船舶螺旋桨往往搅动河床底泥;桥梁净空基本能满足目前船舶的航行,高水位船舶空载情况下,个别船舶需倒伏桅杆。根据《内河限制性航道通航尺度及跨航桥梁拆建方案探讨》[3]统计:①浙北航道网三级航道通航船型以散货船为主,占90%以上,集装箱船、专业运输船(液体化工、水泥船等)及船队为辅;② 800吨以上散货船中,98%的船舶倒桅空载线以上净高在5.5 m以下,均小于四级和三级航道7.0 m的净高值;③集装箱船中,1,000吨级(51~75 TEU)集装箱船,当装箱2层时空载线以上最大高度为4.6 m,当装箱3层时空载线以上最大高度为6.9 m,也小于四级和三级航道7.0 m的净高值。关于四级及五级航道提升为三级航道时的桥梁拆建标准,在该文中已有详细论述,本文不作展开。
2代表性船型
在航道设计时,代表船型的选取是确定航道尺度的关键因素之一,考虑到航道网是一个整体,航道互相通达,运输船舶标准应基本一致。通过调研,并结合我省在京杭运河、长湖申线、湖嘉申线三级航道对船型的论证结果,提出推荐船型和营运组织方式(表1),其中1,000 t机动驳(长68 m,宽10.8 m,吃水2.6 m)可作为设计计算控制船型。
表1 船型营运组织方式表 (单位:m)
3资源节约型航道关键尺度研究
资源节约主要是为了节约土地、避免因航道升级拓宽造成城镇段大量的房屋拆迁,同时还要控制护岸加固等建设成本,实现效益最大化。资源节约型航道关键尺度主要涉及航道底宽、水深、面宽及弯曲半径,其中面宽及弯曲半径尤为关键。
根据2012年1月1日起实施的《运河通航标准》[2],明确三级双向航道底宽为45 m,水深为3.2 m。根据多年来的运行情况及理论计算,认为航道底宽45 m是比较适宜的,但由于目前船舶吃水普遍较大,标准中要求的最小水深3.2 m明显偏小。据实际运行情况,船舶经过水深为3.2 m的标准断面航道时,螺旋桨往往搅动底泥,造成水体浑浊。参考《内河通航标准》(送审稿-2010年交通运输部)公式计算为: H=T+△H
式中 H—运河航道水深(m);T—船舶或船队的设计吃水(m);△H—富裕水深(m),取1.2 m。
根据设计计算控制船型船舶的设计吃水为2.6 m,算得航道水深为3.8 m。
根据2014年实测的京杭运河(浙江段)两千多个航道横断面统计分析,目前京杭运河四级航道的横断面基本上显锅底状,航道底宽内水深基本达到3.2 m,航道中心线附近水深基本上在3.8 m左右,由此可以看出,三级航道设计水深取3.2 m明显偏小,三级航道设计水深取3.8 m比较合理。
虽然航道面宽不能作为航道定级的参数(由底宽确定),但资源节约型航道最关键的尺度还是航道面宽,当然是在保证航道底宽及水深满足定级标准的前提下,面宽不仅涉及征迁数量及工程造价,同时征迁还会对社会稳定造成一定的影响。
根据我院多年的航道设计经验并结合我省的工程实际情况,无大量拆迁的地段,三级航道的面宽一般取70 m,但考虑到原有四级及五级航道现状面宽分别为60 m及52 m,为了把四级及五级航道改造成三级航道,在设计时,经过多条航道的经济性比较,认为对有条件拓宽(指基本上无征迁及重要设施)的地段,三级航道面宽取70 m较为经济合理;但对处于城镇段的航道,要拓宽困难较大,征迁费用及赔偿企业损失费用非常高,故需研究位于城镇段的四级及五级航道在加大底宽及水深使之满足三级航道标准的前提下,保持现状面宽,提升改造为三级航道的可行性。但航道面宽越小,船舶的航行阻力也就越大,控制航行阻力的航道断面系数应满足《运河通航标准》[2]的规定,即不应小于6。
根据目前我省的实际情况,初拟面宽分别为70 m、60 m、52 m三种航道横断(图1),拟定设计最低通航水位0.5 m,水下边坡1:4,按三级航道标准,取底宽45 m,水深3.8 m,计算航道断面系数是否满足要求。
(1)70 m面宽横断面
其过水面积为227m2,选择船型为1000 t散货船(长×宽×吃水=68×10.8×2.6 m),设计船舶满载吃水舯横剖面浸水面积A=10.8×2.6=28.1m2,横断面系数=227/28.1=8.1>6,满足要求。
(2)60 m面宽横断面
其过水面积为211m2,选择船型同上,横断面系数=211/28.1=7.5>6,满足要求。
(3)52 m面宽横断面
其过水面积为188m2,选择船型同上,横断面系数=188/28.1=6.7>6,满足要求。
从以上计算可以看出,三种面宽的航道断面系数均满足《运河通航标准》[2]的规定,即原有四级及五级航道在面宽不变的前提下,通过加大水深及底宽均能满足三级航道通航标准要求。
图1 三种典型航道面宽横断面图
资源节约型航道另一个关键尺度是航道弯曲半径,对原有四级及五级航道的现状弯曲半径是否满足三级航道的要求,也必须作进一步计算分析。
(1) 根据《内河通航标准》[1]分析弯道半径
根据《内河通航标准》[1],内河限制性三级航道弯曲半径≥480 m,但根据该标准第3.0.5第4条规定:内河航道的最小弯曲半径,应采用顶推船队长度的3倍、货船长度的4倍、拖带船队最大单船长度的4倍中的大值。在条件受限河段,航道最小弯曲半径不能达到上述要求时,航道宽度应加大,加大值应经专题研究确定。计算如下:
因我省内河航道不适合顶推船队,故按货船长度、拖带船队最大单船长度的4倍计算。
根据推荐船型表,选择1000吨散货船(长×宽×吃水=68×10.8×2.6 m),即在条件受限河段,在宽度加大的前提下,三级航道的最小弯曲半径可降低为4×68=272 m。
(2)根据《运河通航标准》[2]分析弯道半径
根据该标准第4.2.2.1规定:运河航道弯曲段的最小弯曲半径,应符合表4.2.1的规定,也可采用顶推船队长度的3倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的4倍计算。对特殊困难河段,在宽度加大和驾驶通视均能满足需要的前提下,弯曲半径可适当减小,但不应小于顶推船队长度的2倍或货船长度、拖带船队最大单船长度的3倍。
① 根据推荐的设计船型,按《运河通航标准》[2]表4.2.1规定,三级航道的弯曲半径为280 m;
② 若按货船长度、拖带船队最大单船长度的4倍计算,则三级航道的弯曲半径为4×68=272 m;
③ 特殊困难河段,在宽度加大和驾驶通视均能满足需要的前提下,弯曲半径可适当减小,按货船长度、拖带船队最大单船长度的3倍计算,则三级航道的弯曲半径为3×68=204 m。
⑶ 综合分析
由于以前设计时采用的老规范对航道半径要求较高,我省目前航道弯曲半径的实际情况如下:四级航道的弯曲半径≥320 m(局部困难地段260 m),五级航道的弯曲半径≥260 m,结合以上分析计算,认为三级航道最小弯曲半径选择280 m较为合适,但对个别改造极困难的城镇段,在宽度加大和驾驶通视距离均能满足需要的前提下,通过适当限速,其最小弯曲半径可降低到204 m,但考虑到目前我省四级、五级航道的最小半径已达到260 m,故可取最小弯曲半径260 m。
4结语
通过以上对浙江省内河限制性航道的现状分析、代表船型研究及航道关键尺度的计算分析可知,我省的四级航道及五级航道若要提升改造成三级航道,在水深及底宽加大的前提下,目前航道的面宽及半径可以基本保持不变,这样大大降低了征迁费用,但在航道面宽不变的情况下,因需对航道底宽加大及水深加深,故必须对现有护岸进行加固处理,但其成本较高。据我院近几年的设计资料分析统计,三级航道在面宽70 m的条件下,每延米新建护岸造价约3,000~4,000元(地质变化等原因引起造价变化,下同);60 m面宽时,每延米加固护岸造价约5,000~7,000元;52m面宽时,每延米加固护岸造价约7,000~9,000元。
在进行航道设计时,应综合分析比较,才能达到最优的设计参数,在征迁费用与护岸造价中找到一个平衡点,达到降低工程总造价,实现资源节约的目的。根据以上分析计算,建议三级航道底宽取45 m、水深取3.8 m为宜,面宽及弯道半径根据不同情况分别取值如下:
(1)在无征迁的地段,面宽取70 m,半径≥280 m,采取新建护岸;
(2)在城镇等建筑物密集区域,现状面宽及弯曲半径保持不变,采取加固护岸的措施。
三级航道选用最小尺度及适用范围详见表2。
表2 三级航道选用最小尺度及适用范围表 (单位:m)
在三级航道设计时,应因地制宜,对位于郊区无房屋拆迁的航段,航道面宽拟取70 m,最小弯曲半径拟取280 m;对位于城镇段的四级及五级现状航道提升为三级航道时,其面宽及弯曲半径可维持原状,采取加大底宽、加深水深及对现状护岸进行加固的措施,以达到三级航道的通航标准,这样,既避免了大量的房屋拆迁及土地征用,又对工厂企业及居民的影响降低到最低程度,达到了资源节约的目的。
参考文献:
[1]GB 50139—2014,内河通航标准[S].
[2]JTS 180—2—2011,运河通航标准[S].
[3]吕建伟,李志峰,徐朝辉.内河限制性航道通航尺度及跨航桥梁拆建方案探讨[J].水运工程,2014,(10):139-142.
Analysis on Dimensions of a Resource-Saving Inland Restricted
Class III Channel in Zhejiang Province
ZHANG Yi-ming
(Zhejiang Provincial Institute of Communications Planning, Design and Research, Hangzhou 310006, China)
Abstract:The inland channels in Zhejiang province have carried the transport of a large amount of cargoes required for the economic and social development. Based on the actual conditions of channels in Zhejiang Province, the key dimensions of a resource-saving inland restricted Class Ⅲ channel are put forward by means of calculation and analysis, and the possibility of upgrading the existing Class IV or Class V channel into a Class III channel is analyzed further in order to provide necessary parameters for upgrading of channels.
Key words:inland restricted channel; grade; upgrading; dimensions
文章编号:1671-234X(2015)02-0020-05
中图分类号:U612-
文献标识码:A-doi:10.3969/j.issn.1671-234X.2015.02.005
作者简介:张一鸣(1964-),男,浙江慈溪人,高级工程师,E-mail:zhangym@zjic.com。
收稿日期:2015-01-14