浙北主通道集装箱船型主尺度比选

徐红昌，王 奇

(1.嘉兴市港航管理服务中心，浙江 嘉兴 314033；2.嘉兴市金航船舶设计有限公司，浙江 嘉兴 314001)

0 引言

浙江省作为长三角经济带重要组成部分，内河集装箱运输发展迅猛。自2010年第一艘内河集装箱船投入运营以来，内河集装箱运输业得到发展，特别是在“十三五”规划中提出建设内河集装箱运输主通道后，全省内河集装箱运输得到快速发展。主通道由三级航道和四级航道组成，建成后水面以上净空高度大于等于7 m，可航行装载3层集装箱的船舶。目前，受到部分航道桥梁净空高度不足的影响，现有内河集装箱船只能装载2层集装箱，因此，必须改变现有集装箱船型已落后航道发展的现状，降低单箱运输成本高，提高经济性。

浙北地区航道在营运的集装箱船型主要有30、36、48、54、64 TEU，主尺度总长为54～64 m，船宽为9.7～12.7 m。其主尺度及载箱量都受到现有航道的限制无法继续提高。集装箱主通道虽给船舶大型化提供了有利条件，但针对集装箱主通道的集装箱船型还是一片空白，因此研发装载3层集装箱的船型显得十分必要。本文以浙北集装箱主通道为研究对象，根据主通道的限制条件，分析船舶在弯曲航道中的运动轨迹、码头的装卸条件、航道的水深条件等，研究可行的集装箱主尺度。该船型可在主通道中通行，对内河集装箱船大型化发展、提高船舶经济性等方面具有重要的现实意义。

1 影响船型主尺度的主要因素

集装箱船型主尺度的选取应考虑航道弯曲半径、宽度、水深、净空高度，以及船闸、港口装卸条件等因素。杭州、嘉兴地区实地调研情况如下：

(1)航道的弯曲半径

根据规划，三级航道的弯曲半径为480 m，四级航道的弯曲半径为320 m。调研发现：由于一些不可抗拒的因素，杭平申线转至黄姑塘线转弯处的最小弯曲半径仅为280 m，此处是制约船长的一个关键因素。

(2)水深

根据规划，集装箱运输主通道最低通航水位时的航道水深：四级航道为2.5 m，三级航道为3.2 m。调研发现：主通道一年中最高、最低通航水位差为1.4～2.0 m，在最高和最低水位的时间每年不超过5 d；每年约有300 d通航水位维持在最低水位以上0.5 m，最高水位以下0.3 m；有200 d维持在最低水位以上0.7 m，最高水位以下0.5 m。

(3)船闸情况

一般来说，船闸对船宽的限制比较显著。本船型从嘉兴到杭州方向会通过八堡船闸，因而应考虑此船闸对船宽的限制条件。八堡船闸闸室的有效尺度(长×宽×槛上水深)为300 m×23 m×4.2 m。

(4)码头装卸设备

码头装卸设备吊臂的长度是影响集装箱船宽的另一个主要因素。目前的集装箱码头只能满足4列集装箱宽度船舶的装卸需求。

2 主尺度比选

2.1 船宽的确定

船宽的确定需要综合考虑航道底宽、船闸宽度限制、码头装卸设备的舷伸距离及船舶性能的影响，其中：集装箱码头的装卸设备舷伸距离为船宽的主要限制因素。浙北地区内河集装箱码头的装卸设备舷伸距离最大可以保证4列集装箱的装卸。目前，全省现有的集装箱船型装载4列集装箱所对应的船宽均为12.70 m，总宽为12.85 m。基于上述考虑，主通道集装箱船型船宽应不小于12.70 m。

2.2 船长的确定

2.2.1 初步比选

根据现有集装箱船舶设计经验，经初步估算，布置集装箱行数所需最小的船长要求见表1。

表1 布置所需最小船长

在限制性航道中，航道弯曲半径对船长的选取有限制。船长L与航道的标准曲率半径ρ关系为：L=ρ/(3～4)[1]。由于上文所述最小弯曲半径为280 m，船长应限制在93.3 m以内，因此初步选择船长为79、85、91 m 这3个方案。

2.2.2 进一步比选

通过分析船舶在内河弯道水域的曲线运动轨迹，可以计算船舶安全通过的容许船长L和航迹宽度bH。弯道运动几何图见图1[1]。图中：R为航道弯曲半径，b为航道宽度，Δb为安全富裕宽度，b′为容许航宽；矩形AEDC为漂角为β0时的船舶示意，L0为长，B为宽；矩形A′E′DC为漂角为β1时的船舶示意，L1为长，B为宽；矩形A″E″D′C′为漂角为β2时的船舶示意，L2为长，B为宽；F0、F1、F2为3个示意船舶的重心位置。

图1 弯道运动几何图

船舶过弯会产生漂角。航道的弯曲半径越小，要求的回转半径越小，相应的漂角就越大，弯道所能容许的船舶长度也就越小。

(1)当船舶漂角达到式(1)表示的临界漂角β0时，计算如下：

(1)

(2)

(2)当船舶以小于β0的漂角β1通过时，按式(3)计算：

(3)

(4)

式中：A=tan2β1；D=2[L′tanβ1+(2R+B)(2+

tan2β1)]；C=L′2+(2R+B)(2L′tanβ1+4B)+

tan2β1(2R+B)2；L′为实际船长。

(3)当船舶以大于β0的漂角β2通过时，按式(5)计算：

(5)

(6)

航行漂角的影响因素很多，一般所用的漂角为试验测得[2]。本文计算采用的漂角借鉴某85 m集装箱船按15 km/h做船模操纵性试验定常回转时的特性数据，具体数据见表2。对于79 m和91 m这2种集装箱船船长，也采用这个漂角进行近似计算。

表2 某85 m集装箱船定常回转特性估算数据

三级航道底宽45 m，容许航宽一般为航道底宽的0.9倍，即40.5 m。当航道弯曲半径为280 m时，根据式(1)[1]，可以得到临界漂角β0=13.34°。

对79、85、91 m 3种船长，在操舵角度为5°、10°、15°时，分别按照上述式(2)～式(6)[1]计算，可得到各船长通过弯曲航道对应的容许船长和航迹宽度，其数据见表3。

表3 各船长通过弯曲航道对应的容许船长和航迹宽度

分析表3可知：3种船长在5°、10°的舵角下以15 km/h航速均可单向通行；在15°舵角的情况下，91 m船长的船舶不可通行，其他两个可以单向通行。在追求大箱量的前提下，考虑到通行安全，本文建议选择85 m作为方案船长比较合适。

2.3 吃水

确定方案船型吃水的主要限制因素为航道的最低通航水深和船闸的闸室门槛高度。本方案在满足上述限制因素的情况下考虑最大吃水，船舶吃水越大，其排水量也越大，为装载大箱量提供可能。考虑航道水深情况，本文建议方案吃水不超过3 m。

2.4 型深

影响型深的主要因素是结构强度、稳性、干舷及航道的过桥高度。本文研究的是集装箱船型，桥梁的净空高度对型深的限制不大。从集装箱船型本身分析，吃水一定时，型深的大小取决于干舷等因素。根据研究，集装箱船型的型深与吃水比的合理区间为1.3～2[3]，结合某标准船型型深与吃水的比为1.1～1.5[4]，因而建议型深取1.3～1.5倍吃水，即3.9～4.5 m。

3 结论

(1)浙北主通道集装箱船型主尺度选择的难点在于弯曲航道对船长的约束。通过分析船舶在弯曲航道的运动规律，确定了船舶的最佳船长。

(2)集装箱船型在适应主通道的前提下，基本达到了能装载的最大箱量，降低了单箱运输成本，减少了单箱排放量，有利于节能环保。

(3)船舶大型化后，可以提高航道利用率，减少堵航情况发生。