（交通信息工程及控制专业论文）感潮河段桥梁水域界定方法研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着我国航运业的迅速发展，其对经济发展的推动作用与日俱增，长江、 珠江等重要水道都成为区域经济的输血动脉，怎么解决水道上一座座桥梁对航 道通航的影响也越来越受到关注，合理的界定桥梁水域对正确评估桥梁通航影 响和维护桥梁自身安全有重要意义。 桥梁水域的界定，在很大程度上受到桥梁所在水道中水文条件的影响，水 流条件随着时间发生周期性的变化，对在该水道航行的船舶航行产生的影响也 在发生周期行的变化，直接影响着桥梁水域的通航安全和自身安全。 我国的很多河流都是向东流入海洋，这些水道的水文条件不仅受到气候造 成的降水季节性变化的影响，同时受到海洋的潮汐作用带来的短周期水流运动， 甚至在一些潮汐作用较强的河流入海口，潮汐成为水文条件主要的影响因素。 在对感潮河段内的桥梁水域进行界定时，不仅要分析该地区水文条件的季节行 变化，同时要考虑到潮汐作用造成的水文变化以及两者的叠加作用。 本文共分为七章，第一章为绪论，主要介绍论文的研究目的、意义及相关 研究的现状。第二章为感潮河段水文通航条件分析，主要对潮汐的成因和感潮 河段的水位及通航特征进行介绍。第三章为基于船舶操纵性能的桥梁水域范围 界定，主要从船舶操纵的角度对桥梁水域的界定进行分析，并得出相应的数学 模型。第四章为基于船舶漂移计算的桥梁水域范围界定，主要从船舶受风流影 响在桥梁水域产生漂移的角度进行分析计算，得出桥梁水域的界定模型。第五 章为桥梁水域界定方法及模型验证，以南通华能电厂输煤栈桥为例，对第三章 和第四章中建立的数学模型进行验证。第六章为桥梁水域界定实际意义及作用， 对桥梁水域界定研究在实际通航安全中的应用进行探讨。第七章为总结与展望， 对本论文在写作过程中的问题进行总结。 本论文的研究目的旨在于得出一套感潮河段桥梁水域的界定方法，从而为 海事部门进行桥梁水域的界定及通航管理提供科学的决策依据和参考。 关键字：桥梁水域；感潮河段；大角度转向；抛锚制动；船舶漂移 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a ss h i p p i n gi n d u s t r y , i t sg r o w i n gr o l ei n p r o m o t i n g e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ey a n g t z er i v e r , p e a r lr i v e ra n do t h e r w a t e r w a y sh a v eb e c o m ea l li m p o r t a n tr e g i o n a le c o n o m i ca r t e r yf o rb l o o dt r a n s f u s i o n ， h o wt os o l v eaw a t e r w a yn a v i g a b l ew a t e r w a yb r i d g e si m p a c to nm o r ea n dm o r e a t t e n t i o nr e a s o n a b l ed e f i n i t i o no ft h ec o r r e c ta s s e s s m e n to ft h eb r i d g e b r i d g e n a v i g a b l ew a t e r so ft h ei m p a c ta n dm a i n t a i ni t so w ns e c u r i t yi si m p o r t a n tb r i d g e t h ed e f i n i t i o no fw a t e r so ft h eb r i d g e ，t h eb r i d g ei sl o c a t e di na l a r g ee x t e n tb y t h eh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n so fw a t e rc o u r s e s ，w a t e rc o n d i t i o n sc h a n g ep e r i o d i c a l l y o v e rt i m e ，s a i l i n gi nt h en a v i g a t i o nc h a n n e li m p a c t sa r eo c c u r r i n gc y c l eo ft r a v e l ， i m p a c to nn a v i g a b l ew a t e r sb r i d g es e c u r i t ya n dp e r s o n a ls a f e t yd i r e c t l y m a n yr i v e r si no u rc o u n t r ya r ee a s ti n t ot h eo c e a n ，t h eh y d r o l o g j i c a lc o n d i t i o n s o ft h e s ew a t e r w a y si sn o to n l yt h es e a s o n a lp r e c i p i t a t i o nc a u s e db yc l i m a t ec h a n g e i m p a c t s , w h i l et h er o l eb yt h eo c e a n st i d a lf l o wm o v e m e n tc a u s e db yas h o r tp e r i o d , e v e ni ns o m et i d a lp o t e n tr i v e r s ，e s t u a r i e s ，t i d a lh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n sa sam a j o r f a c t o r i nt h et i d a lr e a c hw a t e r sw i t h i nt h ed e f i n i t i o no fab r i d g eab r i d g e ，n o to n l yt o a n a l y z et h eh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n so ft h er e g i o n ss e a s o n a ll i n ec h a n g e s ，t a k i n gi n t o a c c o u n tt h eh y d r o l o g i c a lc h a n g e sc a u s e db yt i d a la c t i o n ，a n dt h et w os u p e r i m p o s e d t h i sp a p e ri sd i v i d e di n t os e v e nc h a p t e r s ，c h a p t e rii sa ni n t r o d u c t i o n , p u r p o s eo ft h es t u d y , m e a n i n ga n dr e l a t e ds t u d i e s c h a p t e r i ii s a n a l y s i so f n a v i g a b l et i d a lr i v e rh y d r o l o g i c a lc o n d i t i o n s ，i n t r o d u c t i o no ft h em a i nc a u s e so ft h e t i d e sa n dt h et i d a lr e a c ho ft h ew a t e rl e v e ln a v i g a t i o nf e a t u r e s c h a p t e ri i ii st h e d e f i n eo fb r i d g ew a t e ra r e ab a s e do nfs h i ph a n d l i n gp e r f o r m a n c e ，m a i n l yf r o mt h e p e r s p e c t i v eo ft h es h i pb r i d g ec o n t r o lt og e tt h em a t h e m a t i c a lm o d e l c h a p t e ri vt h e d e f i n eo fb r i d g ea r e ab a s e do ns h i pd r i f t ，m a i n l yf r o mt h es h i pd r i f tb yw i n da n d w a t e rf l o wa f f e c tt og e tt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ed e f i n eo fb r i d g ew a t e r s c h a p t e rvi st h ev e r i f i c a t i o no ft h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，t oh u a n e n gn a n t o n g p o w e rc o a lt r e s t l ea sa ne x a m p l e ，t ov e r i f yt h et h em a t h e m a t i c a lm o d e li nc h a p t e r s i i ia n di v c h a p t e rv ii st h es i g n i f i c a n c ea n de f f e c to ft h ed e f i n ef ot h eb r i d g ew a t e r i i 武汉理工大学硕士学位论文 a r e a ，t h ea c t u a lm e a n i n ga n dr o l eo nt h eb r i d g ew a t e ra r e ai nn a v i g a b l es e c u r i t y c h a p t e rv i ii ss u m m a r ya n do u t l o o k ，t os u m m a r i z et h ep r o b l e mi nt h ew r i t i n gt h i s p a p e r n e p u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st og e tam e t h o do ft h eb r i d g ew a t e ri nt i d a lr i v e r , s oa st op r o v i d eas c i e n t i f i cb a s i sf o rd e c i s i o nm a k i n ga n dr e f e r e n c ef o rt h e d e f i n i t i o no fw a t e r so ft h eb r i d g ea n dn a v i g a t i o nm a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c eo ft b r i d g e so w ns a f e t yb ym s a k e y w o r d s ：b r i d g ew a t e r ；t i d a lr i v e r ；w i d e - a n g l e ；a n c h o rb r a k e ；s h i pd r i f t i i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：盔车1 日期：碰星：醴 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：銮牟 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 桥梁水域的定义及界定的影响因素【2 】 【6 】 1 1 1 桥梁水域的定义 桥梁水域是指通航桥梁两侧一定距离范围内，因桥梁的存在而影响或可能 影响船舶操纵或安全航行的水域。桥梁水域的划定应满足内河通航标准的 要求，且由水上安全主管机关划定。 桥梁水域的大小与该水域的自然环境、航道条件、船舶尺度、水流、水位、 通航桥孔尺度、交通流、交通秩序等因素密切相关。 1 1 2 影响桥梁水域界定的主要因素 l 、内河通航标准( g b 5 0 1 3 9 2 0 0 4 ) 中对通航河流建桥选址及上下游距 离的要求： ( 1 ) 水上过河建筑物应建在河床稳定、航道水深充裕和水流条件良好的河 段，远离易变的洲滩。 ( 2 ) 水上过河建筑物选址应避开滩险、通行控制河段、弯道、分流口、汇 流口，其距离，上游不得小于顶推船队长度的4 倍或拖带船队的3 倍，下游不 得小于顶推船队长度的2 倍或拖带船队的1 5 倍。 ( 3 ) 两座相邻水上过河建筑物的轴线间距，i v 级航道应大于代表船队 长度与代表船队下行5 m i n 航程之和，和级航道应大于代表船队长度与代表 船队下行3 m i n 航程之和。 对于单座桥梁，其上游4 倍顶推船队船长、下游2 倍顶推船队船长距离范 围内，不应有妨碍船舶安全航行的洲滩、汉河口等，水流条件良好，因此内 河通航标准实际上对桥梁水域的航行条件、范围大小作了原则上的界定。 2 、桥梁的通航净空尺度 桥梁通航净空尺度不仅与航道等级相适应，同时决定了通航船型的设计尺 度。桥梁水域的范围大小随着桥梁净空尺度的不同而变化。 3 、能见度的影响 武汉理_ 【大学硕士学位论文 根据目前国内部分海事主管机关颁布的桥梁通航安全管理规定，如江苏 海事局桥梁水域水上交通安全监督管理规定的要求，“船舶逆流航行江面视 距不足1 0 0 0 m ，顺流航行江面视距不足1 5 0 0 m 时，禁止船舶通过长江桥梁水域。 海上视距不足1 5 0 0 m 时，禁止船舶通过海上桥梁水域。”此项规定说明，船舶 一旦进入桥梁水域航行时，桥梁应处于驾驶员的可视能见范围之内，才能保证 船舶顺利通过桥梁。因此，桥梁水域的界定应该在能见度良好的范围之内。 4 、船舶航速 船舶进入桥梁水域时，航行行为受到约束，禁止船舶追越，船舶过桥应保 持安全航速。一方面，船舶航速小则在风、流作用下产生较大漂移，需要有较 大的通航孔宽度；另一方面，船舶进入桥梁水域时若无法过桥，则需要在一定 距离范围之内采用紧急措施( 诸如倒车、操舵或抛锚紧急制动等措施) ，避免 船桥碰撞事故的发生。船舶过桥航速的大小是影响桥梁水域范围大小的主要因 素之一。 5 、其它影响因素 桥梁水域的范围还受到水文、气象条件、船舶操纵性能、驾驶员的操纵技 术、船舶交通流、水域交通秩序以及海事监管设施及管理水平等因素有关。 1 2 论文选题背景 随着我国经济的不断发展，跨越通航水道的桥梁建设数量也与日俱增。桥 梁的建设在给各地的交通和经济发展带来巨大推动的同时，也对在航道中航行 的船舶产生了深远的影响，以长江黄金水道为例，截止2 0 0 9 年6 月已建成7 5 座跨江大桥( 长江宜宾至上海江段已建成通车的) ，还有多座桥梁在建或规划 中，船舶如何在越来越密集的桥梁水域安全航行也备受关注。 针对桥梁建设的通航安全研究，不仅对桥梁所在水道的航运有着重要意义， 对桥梁自身的安全也至关重要。怎样确定桥梁水域在桥梁通航安全研究中有着 重要的意义，船舶在桥梁水域航行，航速和航向及船舶间距都受到一定的限制， 并禁止追越，对桥梁水域的通航密度产生影响；同时，桥梁水域的划定对处在 桥梁水域内的岸线使用及水工建筑的营运作业会产生影响，如规划布局和作业 时间等。 目前国内对桥梁水域船舶通航安全的研究多是针对各地特定的水域环境进 行的，尚没有成熟的理论研究。为适应当前航运发展的需要，保障船舶在桥梁 2 武汉理工大学硕士学位论文 水域安全航行，有必要对在桥梁水域船舶的安全通航进行系统的研究，为船舶 在桥梁水域安全航行和海事部门的监管提供科学依据。 本文在进行理论论证的基础上，以作者在校期间参加的科研项目为依托， 对理论进行实例验证，即提高了理论的可信度，又提供了桥梁水域界定方法在 实际运用的的详细步骤，具有一定的借鉴意义。 1 3 论文研究的目的和意义 1 3 1 论文研究的目的 分析感潮河段所特有的水位航道特征，根据感潮河段的船舶通航环境特点， 运用不同的数学模型，例如船舶在桥梁水域大角度转向模型、抛锚制动模型和 风流漂移模型，通过理论分析，得出不同情况下桥梁水域的划定范围，最后综 合分析各种因素对界定方法的研究，得出最终的感潮河段桥梁水域界定方法。 1 3 2 论文研究的意义 感潮河段由于所处的航道水文条件复杂，处在感潮河段的桥梁自身安全及 在桥梁水域内航行的船舶通航安全都受到不同程度的威胁，感潮河段桥梁水域 怎样界定对保障通航安全和桥梁安全有着重要意义。通过论文方法对桥梁水域 界定进行分析，得出界定模型并进行实例验证，得出感潮河段桥梁水域界定方 法。本方法的提出对感潮河段桥梁安全管理及桥梁水域内的岸线航道规划都具 有一定的参考价值，同时对桥梁水域的通航安全管理起到了积极作用。 1 4 与论文有关的研究现状 关于桥梁水域的界定，国内外所做的研究较少，目前主要的研究重点集中 在桥梁通航论证及安全研究，研究重点侧重于船舶，以桥梁为中心进行研究进 而得出桥梁水域的界定范围进行通航安全研究在国内还处在初期阶段。 国内对于桥梁通航安全研究有武汉理工大学的刘明俊教授，在其研究成果 中曾提出桥梁水域船舶航行及船舶失控漂移的数学模型，对船舶在桥梁水域航 行船舶失控撞桥进行分段计算，得出不同工况下的船舶漂移距离及其他通航参 数，对桥梁水域的界定有借鉴意义。 武汉理工大学硕士学位论文 河海大学对于感潮河段桥区水位及水动力模型研究较成熟，曾提出感潮河 段桥位处设计水位求算的频率组合法和感潮河段洪潮补偿调度模型，根据感潮 河段的径流和潮流动力因素的强弱比较判断感潮河段的属性，对桥梁水域潮汐、 水文及感潮河段设计通航水位的计算具有重要意义。 对于以桥梁为中心，综合水文、气象、通航环境等因素而对感潮河段桥梁 水域的界定还没有进行系统的研究，海事部门及桥梁营运维护部门往往根据经 验进行桥梁水域的界定，缺乏一定的科学性，因此对感潮河段桥梁水域的界定 进行系统的研究时十分必要的。 1 5 本论文研究的主要内容 本文通过对感潮河段的水文特征分析，对不同的桥梁水域界定模型进行论 证并进行实例验证，同时完成界定方法的程序实现，并提出相应的桥梁水域安 全管理建议，主要研究内容如下： 1 、感潮河段水文特征及其他影响桥梁水域界定的主要因素。 2 、基于船舶控制理论建立计算感潮河段桥梁水域数学模型的。 3 、实例验证桥区水域界定数学模型的准确性。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章感潮河段水文航行条件分析 2 1 潮汐的定义和分类【3 4 】【3 5 】 2 1 1 潮汐的定义 潮汐现象是指海水在天体( 主要是月球和太阳) 引潮力作用下所产生的周 期性运动，潮汐过程中海面上升的过程为涨潮，当海面升到最高时，称为高潮； 海面下降的过程称为落潮，当海面降到最低是，称为低潮。伴随海水周期性涨 落现象，还同时产生海水周期性的水平方向运动，即潮流。 2 1 2 潮汐的分类 潮汐现象非常复杂。仅以海水涨落的高低来说，各地就很不一样。有的地 方潮水几乎察觉不出，有的地方却高达几米。在我国台湾省基隆，涨潮时和落 潮时的海面只差0 5 米，而杭州湾的潮差竟达8 9 3 米。在一个潮汐周期( 约 2 4 小时5 0 分钟，天文学上称一个太阴日，即月球连续两次经过上中天所需的 时间) 里，各地潮水涨落的次数、时刻、持续时间也均不相同。潮汐现象尽管 很复杂，但大致说来不外三种基本类型。 半日潮型：一个太阴日内出现两次高潮和两次低潮，前一次高潮和低潮的 潮差与后一次高潮和低潮的潮差大致相同，涨潮过程和落潮过程的时间也几乎 相等( 6 小时1 2 5 分) 。我国渤海、东海、黄海的多数地点为半日潮型，如大 沽、青岛、厦门等。 全日潮型：一个太阴日内只有一次高潮和一次低潮。如南海汕头、渤海秦 皇岛等。南海的北部湾是世界上典型的全同潮海区。 混合潮型：一月内有些日子出现两次高潮和两次低潮，但两次高潮和低潮 的潮差相差较大，涨潮过程和落潮过程的时间也不等；而另一些日子则出现一 次高潮和一次低潮。我国南海多数地点属混合潮型。如榆林港，十五天出现全 日潮，其余日子为不规则的半日潮，潮差较大。 不论那种潮汐类型，在农历每月初、十五以后两三天内，各要发生一次 潮差最大的大潮，那时潮水涨得最高，落得最低。在农历每月初八、二十三以 5 武汉理工大学硕士学位论文 后两三天内，各有一次潮差最小的小潮，届时潮水涨得不太高，落得也不太低。 2 2 潮汐的成因 产生潮汐的原动力是天体的引潮力，即天体引力和惯性离心力的向量和， 其中主要是月球的引潮力，其次是太阳的引潮力。目前，现代潮汐科学发展迅 速，潮汐理论更为丰富。本节将从航海实际需求出发，利用平衡潮理论对潮汐 进行分析。 所谓平衡潮是海水在引潮力和重力作用下达到平衡时的潮汐。为了使问题 简化，平衡潮理论有2 个假设： 1 ) 整个地球被等深的大洋所覆盖，所有天然地理因素对潮汐不起作用。 2 ) 海水没有摩擦力和惯性力，外力是海水在任何时候处于平衡状态。 以下根据平衡潮理论讨论潮汐的基本成因。 2 2 1 月球的引力 月球的引力是月球与地球之间的万有引力。根据万有引力定律，地球上各 点所艘月球引力的大小和方向均不相同，其大小取决于改至月球中心的距离， 方向均指向月球中心，如图2 2 - 1 所示 2 2 2 惯性离心力 图2 2 1 月球引力 1 ) 月一地系统的旋转运动 月球绕地球的公转是在一个平衡引力系统下的运动。确切的说，地球和月 球都绕着位于二者连线上且距地球中心0 7 3 倍的地球半径( r ) 出的公告质心 ( g ) 运动，而且是平动运动，周期为2 7 3 日，如图2 2 - 2 所示。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 2 月一地系统的运动 平动运动是指物体运动时，其上两点间的连线始终保持平行。对于地球和 月球来讲，由于它们既做旋转运动又做平动运动，其上各点不能同时围绕点 做旋转运动，而是以相同的绑架围绕各自的中心做旋转运动。 2 ) 地球上各点的惯性离心力 惯性离心力的大小等于g l r w ，m 、r 和w 分别是旋转物体的质量、旋转 半径和角速度。因为地球上各点均一相同的角速度和半径旋转，所以各质点的 惯性力的大小必然相同。又因为各点每一时刻的选择方向均相同，所以离心力 的方向也相同，即力矢量线相互平行，指向同一方向。有用地球的惯性离心力 的方向是背离月球的，其他各点惯性离心力的方向也必然是背离月球的方向， 且相互平行。 2 2 3 月引潮力和月潮椭圆体 通过上述讨论，我们可知，地球上各点在任何时候均同时受到月球引力和 地球绕公共质心进行平动运动说产生的惯性离心力的作用，这两个力的矢量即 为月潮引潮力。 图2 2 3 是地球上各点月引潮力的示意图。显然，在地球中心，引力和惯 性离心力大小相等，方向相反，处于力的平衡状态，引潮力等于零。但是，在 地球的表面上各点，引力和惯性离心力则不会相互抵消，从而产生了引潮力。 虽然各点引潮力的大小和方向皆不相同，但是对整个地球而言，仍处于一种平 衡状态。然而，对地球表面上的水质点来说，将受到这种引潮力的作用而产生 潮汐现象。 根据假设，地球表面被等深的海水所覆盖，在引潮力的作用下，形成了长 轴与月一地连线重合的椭圆体，称为月潮椭圆体( 图2 2 - 4 ) ，其上所收的引潮 力指向地球的各点组成的水圈称为赵耀圈。 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 4 潮汐的形成 矿之。 图2 2 3 月引潮力 图2 2 4 是假定月球赤纬为零时的月潮椭圆体，p 为地级，a 1 ，a 2 ，a 3 ，a 4 分别表示地球表面上任意一点a 随着地球自转中的4 个位置。潮汐椭圆体的长 轴在月一第中线的连线上。 a 2 a 4 a 3 图2 2 4 月潮椭圆体 a 1 点，月球在该点的上中天，该地海面水位升到最高，产生该地该日第一 次高潮；当地球自转至a 2 ( 第一次过照耀圈) 点是，海面水位下降到最低，产 生该地该日第一次低潮、当地球自转到a 3 点时，即月下中天，海面水位再次升 到最高，即发生该地改日第二次高潮；当地球自转到a 4 ( 第二次过照耀圈) 时， 海面水位再次下降到最低，发生该地该日第二次低潮。月球连续两次上( 下) 8 武汉理工大学硕七学位论文 中天的时间问隔称为一个太阴日，约为2 4 h 5 0 m i n 。相邻两个高潮( 低潮) 的时 间间隔( 约为1 2 h 2 5 m i n ) 称为潮汐周期。可见，我们所讨论的潮汐是以半个太 阴日为周期的，故称为半r 潮。 2 3 感潮河段水文特征【3 6 】 4 1 】【4 3 】【5 0 卜 5 2 1 当潮汐沿水道溯流向上，由于河口变窄和深度变浅，潮波速度变慢，加上 水流与陆地及水质点之间的摩擦作用和径流的影响，使潮汐逐渐发生变形。因 此，越向上游，涨潮历时越短，落潮历时越长，发生高潮的时刻月落后，潮差 也越来越小，这是一般河口潮汐的显著特点。 潮汐向上推进不是无止境的。它到来一定阶段，当涨潮流速恰好与径流下 泄的速度相抵，潮水即停止倒灌，此处称为“潮流界”。在潮流界以上，潮水虽 然停止倒灌，但由于径流被阻贰仍有壅高现象。潮汐继续上溯，因各种摩擦力 作用，能量不断消耗，潮波高度急剧降低，当传播到某一地点是，潮波幅度等 于零，潮波消失，即水位不再受潮汐的影响，此处称为潮区界。潮流界和潮区 界之间一般有一定的距离。由于自潮区界至河口均受潮汐的影响，因此此段称 为感潮河段。 潮流界和潮区界离河口的远近，即潮汐烟河道上溯传播范围的大小，各个 河流是不一样的。这取决于临近海区潮差的大小，河底纵比降的陡缓以及径流 量的多少。一般临近的海区潮差越大，河底纵比降越缓，径流量越小，则潮汐 上溯的范围就越大。 在同一条河流，潮流界和潮区界的位置并不是固定不变的。总是在一定的 范围内摆动着，这种潮流界变动范围是感潮河段的过渡段。在洪水期，如遇到 小潮，风向与上溯留方向相同，径流作用强时，则潮流界和潮区界大幅度下移； 在枯水期，如遇到大潮，风向与上溯流方向相反，径流的作用弱市，则潮流界 和潮区界就大幅度上推。 2 3 1 水位特征 在感潮河段中，除潮流界以上及潮区界以下河段内水位与流量具有较稳定 的关系外，其他河段一般都找不到水位与流量关系。潮流界以下，潮水位愈高 流量愈小，因潮流倒灌还可出负流量：潮水位愈低，潮流与河流流速方向一致， 流量愈大，如图2 3 一l 所示。潮汐河口在汛期因高潮位顶托造成的潮水例灌， 9 武汉理工大学硕士学位论文 可严重影响河流的泄洪排涝能力，加剧洪涝灾害；在枯水期，倒灌的咸水可使 农田盐碱化，影响作物生长及供水水质。作为水资源的兴利开发，常需作必要 的治理。 口( - 瑚 、八 lk,-,t v 气j 脚 图2 3 1 潮流量与潮水位过程线 2 3 2 感潮河段的流量流速 感潮河e l 的流量与流速不但随时间变化，而且有正、负变化，水位与流量无 稳定关系，也无法从每天的水位施测推求潮流过程，只能通过实测高低潮水位的 水面曲线( 如图2 3 2 所示) 按下式推算入海的流量与流速。 在t 时段内，河段进、出流量关系有： q ：= 石v _ q l + 警 ( 2 - 1 ) v = v 2 一v 1 一v 3 ( 2 2 ) 河口流速按下式计算： r = 乒 式中：v 1 、v 3 、q 1 一时段初的河段蓄水量及上游来水量； v 、v 2 、q 2 一时段末入海水量，河段蓄水及入海流量； h 一断面平均水深； 1 r 一波高。 l o ( 2 3 ) 武汉理工大学硕十学位论文 图2 3 2 感潮河段的流量流速关系 通常在河口断面的潮水位过程线接近正弦曲线。长期潮水位的平均值，称为“海 拔零点 ，即平均海平面。对于河口上游的其他断面，潮流因受河床阻力及来水的 影响，潮水过程线通常不是正弦曲线，情况比较复杂，以上公式不适用，应按非 恒定流计算。 2 3 3 感潮河段的泥沙特征 河口区泥沙来自河流上游，海滨及河床冲蚀。从总趋势说，泥沙从河流输 入海洋，形成河口三角洲并不断向海洋延伸。 但是，由于潮汐现象，河口流速正逆交替瞬变，河口泥沙常处于时沉时扬 的往复搬运状态。涨潮时，悬移质向河口上游搬运，落潮时，又向下游搬移， 流出河口，愁潮时，部分泥沙沉积于河底。据实测资料表明，最大涨潮流速与 最大落潮流速时，含沙量最大，在一个潮期中，憨流前后颗粒较细，最大流速 前后颗粒较粗。 进入河口的泥沙，一般颗粒很细。在感潮河段内，河水海水相混，表面带 负电荷的泥沙胶粒和海水中的离子发生交换，可使部分泥沙之间发生絮凝而成 絮团，加速泥沙下沉，常形成河口的拦门沙。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章基于船舶操纵性能的桥梁水域范围界定 3 1 现行桥梁水域界定方法 3 1 1 内河通航标准中关于桥梁水域的规定 在内河通航标准中，第5 1 节，水上过河建筑物选址中有如下描述： 水上过河建筑物选址应满足下列要求： 1 水上过河建筑物应建在河床稳定、航道水深充裕和水流条件良好的平 顺河段远离易变的洲滩。 2 水上过河建筑物选址应避开滩险、通行控制河段、弯道、分流口、汇 流口、港口作业区和锚地：其距离上游不得小于顶推船队长度的4 倍或拖带船队 长度的3 倍，下游不得小于顶推船队长度的2 倍或拖带船队长度的1 5 倍。 3 两座相邻水上过河建筑物的轴线间距，i v 级航道应大于代表船队长度 与代表船队下行5 m i n 航程之和，级和级航道应大于代表船队长度与代表船 队下行3 m i n 航程之和。 特殊情况下，当水上过河建筑物的选址不能满足本标准第5 1 1 条的要求 时应采取下列相应措施，保证安全通航。 1 在洲滩易变河段兴建水上过河建筑物，可能引起航槽变迁。影响设计通 航孔通航时，必须采取保持航道稳定的工程措施。 2 在滩险、通行控制河段、弯道、分流口或汇流口等航行困难河段兴建 水上过河建筑物，影响通航时，必须采取整治工程措施满足通航条件。 3 当两座相邻水上过河建筑物的轴线间距不能满足要求，且其所处通航 水域无碍航水流时，可靠近布置但两过河建筑物间相邻边缘距离应控制在5 0 m 以内，且通航孔必须相互对应。水流平缓的河网地区两相邻过河建筑物的边缘 距离经论证可适当加大。 4 当采取工程措施不能满足通航条件时应加大水上过河建筑物跨度或采取 一孔跨过通航水域。 1 2 武汉理工大学硕十学位论文 3 1 2 实际桥梁水域划定范围及管理规定 1 杭州湾跨海大桥通航安全管理规定中关于桥梁水域通航管理规定： 第十三条气象部门发布桥区海域风力达到8 级及以上时，禁止船舶通过大桥 北通航孔两侧的副通航孔；海面风力达到9 级及以上时，禁止船舶通过大桥。 视程小于1 5 0 0 米时，禁止船长超过1 0 0 米( 含拖带长度，下同) 的船舶 以及载运一级危险货物的船舶驶入桥区航道； 视程小于1 0 0 0 米时，禁止所有船舶驶入桥区航道； 视程小于5 0 0 米时，禁止船舶在大桥附近水域航行和靠离泊作业； 2 南京长江大桥水上交通安全管理规定中有关桥梁水域划定的规定： 北岸浦口火车轮渡码头与南岸护桥部队铁制燎望台之间的联线为大桥水域上游 界限；大桥以下1 0 0 0 米南北两岸的联线为大桥水域下游界限。 3 中华人民共和国江苏海事局桥梁水域水上交通安全监督管理规定 中关于桥梁水域通航安全相关规定：第十九条船舶逆流航行江面视距不足 1 0 0 0 米，顺流航行江面视距不足1 5 0 0 米时，禁止船舶通过长江桥梁水域。海 上视距不足15 0 0 米时，禁止船舶通过海上桥梁水域。 风力达到七级以上时，禁止船队通过桥梁水域。 装载爆炸品的船舶、试航船舶禁止夜间通过桥梁水域。 3 1 3 现行桥梁水域界定方法分析 通过以上两节的叙述我们可以发现，目前国内各桥梁管理及海上部门在桥 梁水域划定是，一般是根据经验和相关管理规定进行统一划定，即所有桥梁的 桥梁水域范围基本相同，这种方法缺少一定的针对性，笔者认为，在进行桥梁 水域界定是，应该根据不同桥梁所设计通航标准、桥梁处的的通航环境( 如桥 梁水域的水文、气象、附近水工建筑等) 、通航的船舶等进行单独划定。 本文将对舶在桥梁水域航行中所需要的实际航行距离进行推导计算，得出 不同情况下船舶航行所需要的航行距离，同时结合桥梁水域内的航道、水文、 水工建筑等，提出具有针对性的桥梁水域界定方法。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 界定方法的前提条件 3 2 1 关于通航环境的假设 1 风：风对船舶的影响除了失速、增速和横倾外，还使船向下风漂移和 使船产生偏转。风的存在增加了船舶操纵复杂性。 本模型的建立假设桥梁水域的风向稳定，且风级较小，不会对船舶的操纵 性能( 如大角度转向、抛锚制动等) ，没有有较明显影响。 2 流：潮流可使船舶产生增减速、偏转、横倾和漂移。急落潮时，潮流 对船舶操纵的影响明显，此时，船位控制难度增大。 本模型的建立假设船舶在桥梁水域航行时流态比较稳定，潮汐涨落潮历时 较长，流失及流向变化不大，且船舶航行时受到紊流影响较小。 3 2 2 关于船舶操纵行为的假设 船舶进入桥梁水域时对船舶过桥的航行行为需要进行约束，同时船舶遇到 紧急情况在不能通过大桥时，应有足够的水域范围供船舶采取应急操纵方法， 如大幅度转向、紧急倒车、抛锚制动等应急措施，避免船舶碰撞桥梁，造成重 大损失。因此，基于船舶操纵性能的桥梁水域范围主要考虑船舶在桥梁上、下 游采取应急操纵措施所需要的水域范围。 在本模型中，船舶的操纵性能处于最佳状态。 3 3 船舶操纵方法及桥梁水域界定 3 3 1 大角度转向 在船舶操纵中，就舵的使用而言，可分为小舵角的保向操纵、般舵角的 转向操纵及大舵角的旋回操纵三种。船舶以一定航速直线航行中，操大舵角( 满 舵) 并保持之，船舶将作旋回运动。如图3 3 1 、图3 3 2 所示，船舶下行或上 行过桥发生紧急情况时，采取操大舵角旋回，至船舶航向改变9 0 度及以上时， 如果不发生船桥碰撞事故，则初始船位与桥墩的距离为船舶最小操纵水域范围， 即为桥梁水域范围的下限值。 1 、进距s a d ( a d v a n c e ) 进距是指船舶开始操舵到航向转过任角度时重心所移动的纵向距离。进 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 距又称纵距，通常所说的进距是指船舶航向转过9 0 度时的进距。进距可按照公 式( 4 - - 1 ) 计算： 耻州n + 去) ( 3 。) 上式中： k ，丁一船舶操纵性能指数： y ，一船舶旋回时的初始速度( m s ) ； - 一操舵时舵角由正舵至8 0 所需的时间( s ) ； 2 、桥梁水域上界 船舶下行应急转向时，沿纵向航行最大距离为桥梁水域上界，如图3 3 2 所 示。桥梁水域上界的大小与船舶旋回运动的进距与水流速度有关。根据有关船 武汉理t 大学硕士学位论文 朋操纵毅字俣型，桥梁水域1 2 乔口j 田瓦( 3 - 2 ) f l - 舁o k s 谢+ s ， 吧吲。t 秒+ 去，+ 争 p 2 ， 上式中： k 一无因次化的k 、t 指数，且k = k 毒, t - t 暑； 匕一水流流速( r r g s ) ； l 一船长f m 、 图3 3 2 船舶上行过桥应急转向避让桥梁示意图 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 、桥梁水域下界 船舶上行应急转向时，沿纵向航行的最大距离为桥梁水域下界。桥梁水域下 界可由式( 3 3 ) 计算： k 犯一盼 毒( n 去) + 】 ( 3 - 3 ) 3 3 2 船舶抛锚制动 船舶通过桥梁水域时，在紧急情况下( 如主机、舵机故障失控时) ，可以采 用抛锚制动。船舶采用抛锚制动时，船舶拖锚淌航距离是界定桥梁水域的主要 参考值。 拖锚淌航距离是指船舶在一定航速及大致保向的前提下，从抛锚点开始凭借 拖锚阻力刹减余速使船舶制动，直至停船点的距离。这段距离与船舶实时的排 水量、航速、拖锚抓力、船体阻力及水流流速有关。 输煤栈桥在界定桥梁水域范围时主要考虑船舶在满载、余速较小时抛双锚制 动，计算拖锚淌航距离，同时假定抛双锚，锚链强度及出链长度为1 5 倍水深。 船舶上行、下行过桥紧急抛锚制动如图3 3 3 、图3 3 - 4 所示，船舶抛锚淌航距 离可按照公式( 4 4 ) 所示。 s a = 0 0 1 3 5 器 ( 3 - 4 ) 上式中： 配。一船舶抛锚淌航距离( m ) ； 一船舶排水量( t ) ； 一开始拖锚时船舶对水的余速( k n ) ； 九一锚抓力系数； 呒一锚重( t ) 。 1 7 武汉理1 = 大学硕士学位论文 。y f 1 水流fl ，( 自。 一i l 一 桥： t 厂 s雕 ， 区il ? ? 水t 擎i l ：lh 茎l - ；膨 | | r iu 1 r f 一 s w t； 厂、 ，、x lj 0 ；j 褥墩桥墩 图3 3 3 船舶下行过桥抛锚淌航制动避让桥梁示意图 ( i ) 桥梁水域上界( 船舶顺流航行时) l 6 l i s 。+ s ，+ l ：o 1 3 5 垒：! 兰竖z + 三 2 2 w o ( 2 ) 桥梁水域下界( 船舶逆流航行时) l b d s 髓一s 。 ：o 1 3 5 垒：! 竺二竖 2 丸呢 1 8 ( 3 - 5 ) ( 3 6 ) 武汉理- t 大学硕士学位论文 图 桥梁水域范围的取值： 由3 3 1 节和3 3 2 节中船舶转向和抛锚制动操纵中桥梁水域范围公式进行计 算可以得出桥梁水域的取值范围，引感潮河段水域水流的复杂性和往复性，考 虑到各种极端的情况，在最后的取值时应尽量取较大值，以留出足够的安全余量。 3 3 3 各参数选取 1 髟，丁船舶操纵性能指数：k 表示船舶旋回性的优劣，又称旋回性指数。k 值大，则操舵后的转向角加速度初始值、定常转向角速度值均较高，易于有较 大的转向角。船舶进入定常旋回后，因为k 可用定常旋回角速度r o 与所操舵角 备。之比60 来表示，所以及值实质上是定常旋回中的船舶每单位舵角所能给 出的转头角速度值，又称增益常数。该增益越大，则船舶的旋回性能越好。 t 表示船舶追随性的优劣：又称追随性指数。t 值小，则操舵后的转向角加 速度初始值较高，向定常角速度趋近较快，易于有较大的转向角。船舶操舵后， 因为t 表示转向角加速度向零衰减、转向角速度向定常角速度趋近的周期，而 且每经t 的时间均趋近o 3 7 倍，所以t 又称时间常数。该时间越短，追随性能 越好。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 为了便于比较不同船舶直接按的操纵性，常将操纵性指数k ，t 作物因次化处 理，即消去其量纲的处理，即： 足= k 旦 r ：r 堡 式中：l 为船长，单位为n l ；v 为船速，单位为m s 。 无因次化后的船舶操纵性指数k 、t 由于已经除去了船舶尺度与船速的 影响，故可直接用来比较不同船舶或同一船舶在不同条件下的操纵性优劣及其 变化趋势；反过来说，当两船的k 、t 指数相等时，要使其操纵性能也相同， 其船长和船速也相同。 对于具备一般的操纵性的船舶在满载状态下的k ，t 应处于下列数值范围 之内： 满载货船( l = 1 0 0 1 5 0 ) ：k ，= 1 5 - 2 0 ；t = 1 5 2 5 满载油船( l = i5 0 - - - 2 5 0 ) ：k = 1 7 - - 3 o ：t = 3 0 6 0 在实际操船中，每一船舶在不同载态和舵角条件下的足k ，t 数值的大小 可从船舶的操跃资料中查取。无该项资料的船舶则可通过实船z 形试验测定。 下表l 一1 是部分船舶的实船z 形试验所测定的操纵性指数k ，t 值。 表3 3 1 部分船舶操纵性指数k t 只得实测数据 船型载况 l b d船速( k n )k 7 t 7 舵角( 。) 压载 1 1 41 6 43 2 71 5 7o 7 60 4 91 5 压载 1 5 22 0 64 0 21 7 20 7 40 6 11 5 货 压载 1 5 02 0 5 4 8 91 9 o 9 2o 7 2 1 0 半载 1 5 22 0 64 0 21 7 20 7 40 6 41 5 满载 1 5 02 0 59 2 31 81 2 51 5 5 1 0 船 满载1 5 71 9 68 2 51 91 2 91 4 81 0 满载 1 4 01 9 o8 2 51 51 7 01 9 3 1 0 压载 2 1 63 0 64 8 91 80 7 9o 5 l1 5 满载 2 7 6