三峡库区深水航道航标配置分析

刘作飞，蒋明贵，闻光华

（长江重庆航道局，重庆 401147）

三峡库区深水航道航标配置分析

刘作飞，蒋明贵，闻光华

（长江重庆航道局，重庆 401147）

三峡库区175 m蓄水运行后，由于水深增加，河道变宽，风浪作用增强，先前在水上设置的浮标变成了深水标，原有的航标浮具（标志船、标体、标灯）配置不能适应航道条件变化，存在着整体稳定性变差、助航效果降低、安全隐患增大等诸多问题。文章结合目前三峡库区航标设置及系留设施有关情况，通过浮具的受力分析与维护实践，对航标的浮具、系缆设施、钢缆、锚石形状、尺寸等进行了匹配选型，找到了库区深水航标合理的型号配置。

三峡库区；深水航标；型号配置

航标是最重要的助航设施之一，被誉为船舶航行的“眼睛”，要保障通航安全，首先必须保证航标助航效能的正常发挥。

原天然情况下，川江航道弯曲狭窄，水深不大，流速较急，为满足助航及维护工作需要，水上的航标（浮标）设置普遍采用6.7 m标志船及配套设施。三峡库区蓄水后，一方面原有浮标配置已不能适应航道水流条件的变化，出现了如航道水深抬高后浮标锚缆增长、自重增大，河面宽度增加、流速减缓后浮标受到风浪作用增强，标志易漂移走位等问题，难以保证助航效能的发挥；另一方面，由于上游航运的发展，船舶大型化、标准化趋势明显，对库区航标标志大型化、灯光明亮化的助航效能提高需求也日益强烈，而原设置的浮标尺寸较小，助航效果不明显，给船舶航行带来重大安全隐患。为此，针对三峡库区蓄水后形成的深水航道特点，优选出合理的浮标浮具型号及系留设施配置，这对于保证船舶航行安全有着重要作用。

1 库区航标配布原则及现状

目前三峡库区干线航道维护类别及航标配布类别均为一类。其辖区航标配布主要有两种［1］：一种是位于涪陵李渡（长江上游航道里程548 km）以下已实施了航路改革的河段，该河段主要是按照船舶定线制各自靠右航行要求，全年在航道两侧锁链式配布航标，其配布原则是：在河段两侧按一标接一标的方式连续配布航标，确保白天可以从一座标看到次一座标，晚上可以从一盏灯看到次一盏灯，并保证相邻标志所标示的航道界限内有规定的维护水深。另一种是位于李渡以上未实施航路改革的河段，该河段主要是根据上行船舶航线配布航标，其配布原则是：当航道宽度等于或小于两倍标准航宽时，两侧连续配布航标，标示航道方向和界限；当航道宽度大于两倍标准航宽时，仅在上行船舶航线一侧连续配布航标，标示航道方向和界限，另一侧根据航道条件和船舶驾引操作特点，适当配布航标［2］。

据统计，目前三峡库区长江重庆航道局辖区内共配布设置有航标1 600余座，其中岸标400余座，浮标1 200余座，浮标数量约占配标总数的75%。浮标组成包括标体、浮具（标志船）及系留设施，其中，浮具作为浮标标体的承载物主要采用的有10 m钢质标志船和6.7 m钢质标志船两种，系留设施通常为钢缆和锚石。

2 深水浮标运行状态分析

库区浮标在正常运行状态下主要受自身重力、上浮力、水流荷载、风荷载、波浪荷载以及系缆力的综合作用，力平衡状态较复杂。为清楚阐述浮标受力关系，可将浮标所受风荷载、水流荷载和波浪荷载合并为一水平外力R，竖向除受自重G和向上浮力F外，还受锚缆的拉力Tf作用。锚石除受自重和浮力外，还受河床摩擦力（即抓地力）f和锚缆拉力Tm作用。锚缆由于采用钢丝绳，其受力除有Tf和Tm的反作用力外，还有其自身自重和所受浮力。考虑其在水下的单位长度重力为ω。

浮标及其系留设施力平衡系统示意图如图1所示。

图1 浮标及其系留设施力平衡系统示意图Fig.1 Sketch of force balance system of buoy and its mooring facilities

图1中H为实际设标水深，Φ为钢缆在锚石处与水平向的夹角，坐标原点O处为假设的锚缆悬链曲线的反向延长线与x轴的交点，在该点处锚缆趋于水平，Φ值等于零。S1为锚石至原点O的锚缆长度，S2为浮标至原点O的锚缆长度，设标钢缆的实际长度S＝S2-S1。

根据H.O.贝托和岩井聪［3－4］对浮标受力的平衡分析，得出如下计算公式［5］

根据设标实际情况，当φ＝0°时为锚石抓地力最大的临界状态，此时锚缆对锚的拉力Tm＝ f＝R，锚缆长度S=S2。如锚缆再增长将平卧于河床上。当φ＞0°时，设标锚缆长度缩短，Tm值增大，锚石抓地力（与河床的摩擦力）减弱，容易导致走锚现象。

如图2浮标浮具受力分析图，标志船在Tf、F、G和R四力作用下处于平衡状态，在Tf和R一定的情况下，所受浮力的富余值（F-G）越大，浮具越稳定。

3 深水浮标浮具选型

目前三峡库区浮标所使用的浮具有6.7 m钢质标志船和10 m钢质标志船（分A、B型），其中库区B型10 m标志船是在原长江上游10 m标志船A型基础上通过结构优化和线性改进而成，其船型主尺度及技术参数见表1。

图2 浮具受力分析图Fig.2 Analysis diagram of forces acting on buoying device

由表1可知，库区B型10 m标志船排水量最大，浮力富余值（排水量－总重）更多。由于在其底板和侧板均采用了较厚的5 mm船用钢板，降低了重心，提高了整体稳性，并相应减小长度型深比（L/ D）和型宽吃水比（B/T），增大型深吃水比（D/T），使船舶耐波性和抗沉性能变好，更适合库区蓄水后河宽水深的工况条件。

另外，根据国标《内河助航标志》（GB5863-93）［6］及《内河助航标志的主要外形尺寸》（GB5864-93）［7］，浮标标体采用较大的外观尺寸（锥形1.8 m× 1.5 m、罐形D1.2 m×1.5 m），能更好的与库区10 m标志船尺寸相匹配，且满足蓄水后航标的视距要求和助航效能，若采用型宽尺度更大的B型10 m标志船作为浮具，还能为标体安装及维护提供更大的空间，有利于人员安全操作。

4 库区深水浮标系留设施选配

4.1 锚缆长度确定及选型

根据浮标运行状态的受力分析，设标锚缆长度S不仅与设标水深H有关，还与浮标所受水平力R、钢缆单位长度水下重量ω以及钢缆在锚石处与水平向的夹角φ有关，详见公式1。

为在浮标设置时更便捷的预估和确定设标钢缆长度，需要找出一定条件下设标锚缆长度与设标水深的相似关系。现以三峡库区某大桥桥区浮标为例，设标水深H＝80 m，浮标浮具所受总水平力R＝2 500 N（考虑各种水平力的概率及组合叠加，见表2），锚缆采用库区现使用的直径d＝9.8 mm的钢丝绳，水下单位长度重量ω＝7.54 N/m，计算不同夹角φ值情况下设标钢缆的长度值，见表3［5］。

表1 标志船尺度及主要技术参数Tab.1 Dimension and main technical parameters of lightship

表2 浮具水平受力组成表Tab.2 Horizontal force acting on buoying device

表3 不同φ值钢缆设标长度及拉力表Tab.3 Length and tension of mooring wirerope in different φ

由计算可知，当钢缆在锚石处与水平向的夹角在0°～30°之间发生变化时，浮标所需的设标钢缆长度为1.64～3.05倍水深范围。结合现有库区航道航标设置和维护经验，库区航标工人在确定设标钢缆长度时，一般按2～2.5倍设标水深取值，若河段内出现的风浪作用相对较小时，适当缩短钢缆长度，若河段内有较强风浪作用时，其钢缆长度适当增加，因此，目前的库区设标钢缆长度取值是较为合理的。

目前，三峡库区乃至整个上游航道浮标系留设施均采用钢丝绳作为锚缆，一方面其单位长度重量较锚链轻，其防挂杂草及水上漂浮物的性能较锚链好；但另一方面，较长钢缆在起锚收缆时容易打结缠绕，不易理顺，再次抛锚时钢缆容易弹跳缠挂机艇，甚至可能将人带入江中。钢丝绳按基本结构形式主要分单股绳和多股绳两种，根据长江上游多年航道维护经验，并结合库区深水浮标设置的特点，现运用于浮标系留设施上的钢丝绳普遍采用了1×37单股镀锌钢丝绳。该钢丝绳为三层捻制，各层捻制方向相反，具有较好的抗旋转性能，在一定程度上能防止扭结打转。同时该结构钢丝绳捻制的钢丝根数较多，单根钢丝直径相对较小，其弯曲性能和柔软度较用粗钢丝捻制的相同绳径钢丝绳要好，能较好满足浮标移设过程中缆绳在航标艇甲板上收盘缆的需要。同时其最小破断拉力为73.9 KN，远大于浮标钢缆的计算拉力。

图3 组合式锚石单体结构图Fig.3 Monomer structure diagrams of combined anchor stones

根据上述深水浮标锚缆受力计算，并结合钢缆收放操作的难易程度及维护经验，选用直径9.8 mm的1×37单股镀锌钢丝绳作为库区深水设标10 m标志船的锚缆规格是合理的。

4.2 锚石选型

通过计算与分析，浮标运行的整体稳定性主要依靠锚石与河床的摩擦力 f（即抓地力）。根据公式 f＝μ×N，锚石抓地力与锚石所受浮重、锚石与河床的摩擦系数成正比。因此，深水设标锚石选型除要有足够的锚石重量外，还要考虑锚石形状、与河床接触面大小等与摩擦系数相关的因素。

由于不同标位处河床底质的不同，且水流速度有差异，根据现有库区浮标维护经验，单个10 m浮标选用0.8～1.2 t重量的锚石基本能满足锚固要求，不容易发生走锚现象。

在以往的设标工作中，大部分锚石直接采用的是岸边的天然石块，形状系数较差，不好捆绑栓系，且容易选到软岩。目前长江重庆航道局通过试用，选用了一种组合式混凝土锚石，如图3所示，该锚石结构由2～3块扁平的钢筋混凝土块体组合而成，单块重约400 kg，并根据设标实际情况组合选用。锚石块体上设置有导缆槽和导缆孔便于缆绳的栓系；同时，由于锚石块体采用了扁平的形状，增大了与河床的接触面，有利于锚石抓地力的增强。

5 结论

经本文理论分析与维护实践，可得出以下结论：（1）三峡库区深水航标设置宜选用型号较大、正浮稳定性能较好的B型10 m钢质浮具；（2）系留设施宜选用防扭结、柔性较好的1×37单股镀锌钢绞线，直径9.8 mm，库尾航道可适当减小；（3）钢缆设置长度一般为设标水深的2～2.5倍，可根据航道内实际风浪大小适当增加或减小；（4）浮标锚石宜选用与河床接触面积更大、抓地力更强的组合式锚石，方便系结和抛设，重量一般取0.8～1.2 t。

［1］GB5863-93，《内河航道维护技术规范》［S］.

［2］长江航道局.长江上游航行参考图（宜昌至宜宾）［M］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015.

［3］岩井聪.操船论［M］.北京：人民交通出版社，1984.

［4］贝托H Q.浮标工程［M］.北京：人民交通出版社，1980.

［5］杨斌.三峡库区航道深水浮标受力及缆索长度计算探讨［D］.重庆：重庆交通学院，2004.

［6］GB5864-93，内河助航标志的主要外形尺寸［S］.

［7］内河航标编写组.内河航标［M］.北京：人民交通出版社，1979.

Research of configuration for buoys in deep channel of the Three Gorges Reservoir area

LIU Zuo⁃fei，JIANG Ming⁃gui，WEN Guang⁃hua
（Changjiang Chongqing Waterway Bureau，Chongqing 401147，China）

After the running of the water storage of the Three Gorges Reservoir at 175 m,the environment of traditional navigation aids is changed into deep water.Original buoy(flag ship,beacon body,beacon light)configuration can not adapt to changes in channel conditions.There exist a lot of problems including the deterioration of overall stability,the reduction of navigational aids effect and the increasing security risks.In this paper,combined with the current settings and the situation of the Three Gorges Reservoir buoy mooring facility,the floating buoy,mooring facilities,ropes,shape and size of anchor stone were selected on the basis of stress analysis and maintenance of buoying device,and the reasonable model configuration was obtained.

Three Gorges Reservoir area;deepwater buoy;model configuration

U 617

A

1005-8443（2016）01-0067-04

2015-07-08；

2015-08-12

交通运输部科技项目（2011 328 350 1490）

刘作飞(1982-)，男，重庆市人，工程师，主要从事港口航道方面的管理工作。

Biography：LIU Zuo-fei（1982-），male，engineer.