[发明专利]横跨弯曲河道的建筑物的跨度确定方法

说明书

技术领域

本发明涉及弯曲河道跨河建筑物的修建领域，尤其涉及一种横跨弯曲河道的建筑物的跨度确定方法。

背景技术

弯曲河道与顺直河道相比，河槽水势复杂。由于受到惯性离心力的作用，弯道除了有纵向流速以外，还存在面流流向凹岸，底流流向凸岸的横向环流。而底部浑浊的环流将大量泥沙输向凸岸，使凸岸存在大量的浅点，从而对航行产生影响。例如，循缓流上驶的船舶，由于过于靠拢，会发生阻力增大、船首向偏摆等现象，甚至搁浅。由于弯曲河道的流态本身就非常复杂，因此，如果一旦在弯曲航道上建设桥梁等跨河建筑物，那么建筑物墩部又会产生紊流漩涡区，对船舶航行又会产生进一步的不利影响。例如，黄石长江大桥附近的弯道水域，由于船舶密度大和驾驶人员疏忽，导致该水域碰撞事故不断，仅在1993年4月16日至9月16日的154天中，就发生撞桥事故16起，沉船9艘，直接经济损失数百万元。也就是说，跨河建筑物对弯曲河道通航的安全问题有至关重要的影响，尤其是跨河建筑物的跨度，因为其与航道宽度密切相连。

在实际应用中，弯道跨河建筑物的跨度通常是以航道的通航宽度作为设计基础，即跨河建筑物的跨度不应小于航道的通航宽度，否则会影响船舶的安全通航。目前，我国、法国、前苏联、加拿大等国的航道规范都提出了弯曲航道宽度加宽值的具体计算公式，但是从这些公式结构来看，主要是从弯道曲率半径、代表船型尺度和对应顺直航道宽度等角度考虑，并没有充分考虑弯道环流对船舶操纵的影响。然而，弯道环流会促使船舶产生横向漂移，而横向漂移量也是确定航道宽度的重要指标之一。基于此，有人提出采用概化连续弯道水槽水流试验与遥控船模试验相结合的方法，分析船舶在概化连续弯道中航行时的漂角、漂距及对应的航迹带宽度、加宽值，并根据试验数据导出相应的漂角及加宽值计算公式。虽然这种方法从漂角、漂距角度较好考虑了弯道环流对船舶运动的影响，但是却忽视了弯道环流对不同吃水船舶的作用。而另外也有人从船舶过弯甩尾角度出发，导出船舶过弯所需航道宽度加宽值，但这种方式仅仅是从船舶过弯操纵性去讨论，并没有充分考虑弯道环流对航道宽度加宽值的影响。

综上，现有的方法都是只考虑了单一方面的因素，然而，为了确保船舶能安全过弯，建有跨河建筑物的弯曲航道宽度应包括以下因素：船舶的航迹带宽度、船间间距、船与建筑物墩部的最小距离、弯道附加宽度等，因此，现在亟需一种结合船舶的操纵性、弯道特殊水流特性和天然弯曲河道航道宽度的方法，来确定弯道跨河建筑物的最小跨度，从而为跨河建筑物设计提供依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种横跨弯曲河道的建筑物的跨度确定方法，其结合了船舶的操纵性、弯道特殊水流特性，以及弯曲河道航道宽度，来确定弯道跨河建筑物的最小跨度，进而为跨河建筑物设计提供了可靠的依据。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种横跨弯曲河道的建筑物的跨度确定方法，其包括步骤：

获取弯曲河道中横向环流的横流流速，并根据所述横向环流的横流流速以及弯曲航道的长度，确定船舶在弯曲航道中的流致漂移量B₁；

获取相对风速和船舶在风中的船速，并根据所述相对风速和船速确定船舶在弯曲航道中的风致漂移量B₂；

获取弯曲河道的面流纵向流速，并根据所述面流纵向流速和建筑物迎流面的最大宽度，确定建筑物墩部紊流范围L；

根据所述流致漂移量，所述风致漂移量和所述建筑物墩部紊流范围，计算建筑物的跨度值B_s。

进一步地，所述根据横向环流的流速以及弯曲航道的长度，确定船舶在弯曲航道中的流致漂移量的步骤，具体包括步骤：

以弯曲航道宽度方向为X轴，航道轴线方向为Y轴构建坐标系；

分别获取所述横向环流流速U_r和所述船舶船速U_s在X轴和Y轴的分量；

根据所述所述横向环流流速U_r和所述船舶船速U_s各自在X轴和Y轴的分量，以及弯曲航道的长度S计算所述流致漂移量B₁，所述流致漂移量B₁的计算公式为：

其中，α为船舶行驶时偏离航道轴线的偏航角；β为所述横向环流的流向角。

更进一步地，当所述横向环流的流向角β为90°时，根据所述横向环流计算作用在船舶船体上的平均横流流速U_d，并根据所述平均横流流速U_d计算所述流致漂移量B₁，则所述流致漂移量的计算公式为：