CC BY
76
НАУКА И ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ
Повышение безопасности при движении судов под мостами
В.И. ЗАЙКОВ, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Управление судном» СПГУВК М.А. КОЛОСОВ, д.т.н., профессор кафедры «Гидротехнические сооружения, конструкции и гидравлика» СПГУВК
Существующая система обеспечения безопасности судоходства при плавании судов в мостовых зонах является недостаточной, о чем свидетельствует статистика аварий и навалов судов на опоры мостов. Накопленный опыт доказывает эффективность применения математических моделей движения судов для оценки безопасности судоходства при движении под мостами. Для безопасного прохождения судов через мостовые пролеты необходимо совершенствование системы ориентации и оборудование мостовых устоев отбойными устройствами.
Большое количество навалов на опоры невских мостов было отмечено в навигацию 2005 г. В основном в навигацию 2005 г. аварии происходили в судоходном пролете Троицкого моста, при этом четыре аварии произошли с повреждением корпусов судов, а в одном случае произошел излив мазута в р. Неву. В результате навалов повреждения получили и устои моста, от ударов были выбиты отдельные гранитные блоки облицовки. Анализируя эти аварийные случаи в Санкт-Петербурге, можно отметить следующие основные причины роста аварийности при прохождении разводных пролетов мостов:
• недостаточная подготовка судоводителей к работе в экстремальных ситуациях;
• техническая изношенность судов и неудовлетворительное состояние средств управления судном, рулевых машин, главных и вспомогательных двигателей судна;
• оснащение судов устаревшими навигационными приборами и системами;
• недостаточная оснащенность фарватеров на реках навигационными знаками и навигационным оборудованием. При этом функционирующие береговые прицельные огни не обеспечивают достаточную точность прицеливания и ориентирования судна по оси судового хода;
• изменение гидрологического режима при существенном изменении скоростей течения не только по модулю, но и направлению векторов течения. Так, в навигацию 2005 г. из-за роста расхода в реке Неве на 20-25% увеличились скорости течения в мостовых пролетах, что заметно сказалось на управляемости судов.
Современный подход к оценке безопасности судоходства при движении под мостами основывается на применении математических моделей управ-
ляемого движения судов и баржевых составов с учетом действия реальных гидрометеорологических факторов.
Актуальны три аспекта применения математических моделей управляемого движения судна:
• расчетная оценка безопасности прохождения и маневрирования судов и баржевых составов в районе судопро-пускных пролетов мостов;
• определение нагрузок на ограждения и устои мостов в случае навалов судов;
• оптимизация конструктивного типа мостов и расположения опор при проектировании.
В наиболее общем виде пригодная для всех вышеперечисленных целей математическая модель управляемого движения судна может быть представлена как система п нелинейных дифференциальных уравнений. Специфическая особенность этой системы уравнений заключается в том, что все силы, приложенные к судну, представлены в форме сеточных функций (таблиц). В процессе интегрирования численные значения этих функций определяются сплайн-интерполяцией.
При навале на ограждения и устои мостов в общий баланс сил, приложенных к судну, вводятся дополнительные реакции. Эти реакции считаются приложенными в тех точках поверхности корпуса судна, которые соприкасаются с препятствием. Касательные составляющие этих реакций определяются с учетом коэффициента трения. При вычислении величин нормальных составляющих реакций следует учитывать, что пластические деформации корпуса судна зависят от энергии, обусловленной нормальной к препятствию локальной скоростью судна в точке контакта с ограждением или устоем моста. О повреждениях судна можно судить по пиковой энергии удара, вычисляемой для момента навала судна.
При движении в районе мостов важен адекватный учет особенностей действия неравномерного криволинейного течения, обусловленных турбулентной структурой потока. Такая структура приводит к появлению значительных продольных и поперечных градиентов скоростей течения в объеме, занимаемом судном. Кроме этого, при прохождении судна между опорами моста возникает встречный поток и изменение уклона уровня воды в пределах длины судна. Влияние этих эффектов учитывается дополнительными модулями математической модели на основе решения дифференциальных уравнений движения воды. Решение этих дифференциальных уравнений в частных производных с подвижной сеткой выполняется численными методами.
Дополнительные продольная Хт и поперечная Ут силы, а также момент Мт воздействия на судно локально-неравномерного течения, характеризующегося продольной иТх, поперечной составляющей иТу и угловой скоростью шт, имеют инерционную природу (то есть пропорциональны массе судна ш, радиусу инерции тгг, коэффициентам присоединенных масс кп, к22и моментам инерции воды к№, к26) и определяются относительным ускорением и ускорением Кориолиса:
, "У№. . Ч,
' Эх
к22ту-^с1-2киа>гУ1х+к2б1'—-
ау ш
2 , > . , Т дпг,
ГакжЮг + К2б
Угловые скорости и градиенты скоростей течения рассчитываются по скоростям течения в нескольких характерных точках корпуса судна. Таким образом, вычисление дополнительных сил, обусловленных локально-неравномерным течением, требует нахождения осредненных по длине и ширине судна производных скорости течения в объеме, занимаемом подводной частью корпуса судна.
Такой способ учета неравномерного течения накладывает дополнительные требования к точности и дискретности задания информации по полю скорос-
• НАУКА И ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ
тей течения. Необходимая точность и дискретность расчета полей скоростей течения могут быть достигнуты на основе численного решения дифференциальных уравнений Сен-Венана в частных производных в трехмерной постановке методом контрольных объемов Патанкара. Для того чтобы учесть влияние опор на поток, в системе данных соответствующей компьютерной программы расчета полей скоростей течения перекрываются для протекания отдельные элементы сетки.
Оценка безопасности движения судов и баржевых составов в районе мостов выполняется с использованием вышеописанной математической модели, реализованной в программном комплексе маневрирования и швартовки судов ММЭ1М. Для оценки возможности движения судна по намеченной траектории в сложной гидрометеорологической обстановке в систему ММЭ1М введено автоматическое управление по заданной траектории и с заданной скоростью.
Особенно важна оценка безопасности судоходства в судопро-пускных пролетах при проведении ремонта и реконструкции мостов. В этом случае обычно рядом с реконструируемым мостом строится временный мост, что удлиняет судопропускные пролеты, изменяет поле скоростей течения и усложняет условия плавания судов и баржевых составов в этом районе (рис. 1). Наиболее важной проблемой при этом является оценка условий прохождения такого сложного навигационного района при интенсивном ветре. Для обеспечения безопасности судоходства необходима разработка специальной информации, позволяющей определить требуемую ширину полосы движения для наиболее проблемного судна или баржевого состава при любых направлениях и скоростях ветра. На рис. 2 представлена такая информация для наиболее длинного из эксплуатируемых на реке толкаемых составов при прохождении судоходного пролета реконструируемого моста. Требуемая ширина полосы движения (отложена по радиусу в метрах) зависит от направления абсолютного ветра (отложено по окружности в градусах) и от скорости ветра. При сопоставлении требуемой ширины полосы движения с допустимой может быть принято реше-
Рис. 1. Траектория движения толкаемого состава через судоходный пролет реконструируемого моста
Рис. 2. Полярная диаграмма для определения требуемой ширины полосы движения отложена по радиусу толкаемого состава в судоходном пролете моста при различных скоростях и направлениях ветра
ние о безопасном прохождении конкретного судна или баржевого состава через судопропускной пролет моста.
Для безопасного прохождения судов в мостовых пролетах на р. Неве важнейшее значение приобретает система надежной ориентации судоводителя. В условиях города прицельные огни не удовлетворяют требованиям необходимой точности определения направления движения судна.
Установка линейных створов в условиях застройки берегов практически нереальна. Поэтому предлагается заме-
Рис. 3. Использование экранов оптической системы Inogon licens Mark (Швеция)
нить прицельные огни, установленные на берегах Невы, на экраны оптической системы Inogon licens Mark (Швеция) (рис. 3). Оптическая система при дальности видимости 2,0 км обеспечивает необходимую точность определения створной линии. Движение судна точно по линии створа фиксируется вертикальной линией на экране. При отклонении судна от линии створа эта вертикальная линия ломается, превращается в стрелку, острие которой указывает направление перекладки руля.
Однако при любых информационных системах судоводитель может допустить ошибки, которые приводят к навалам на устои мостов. Поэтому на большинстве устоев мостов в судоходных пролетах устанавливаются энерго-поглощающие амортизаторы, защищающие корпус судна от повреждений.
В качестве таких амортизаторов для невских мостов можно предложить две системы:
• отбойные устройства, закрепленные на внутренней грани устоя посредством анкерных болтов;
• плавучие отбойники (кранцы), прикрепленные к устою мостов цепной подвеской.
В практике чаще всего используются амортизаторы в виде резиновых блоков, облицованных стальными плитами или балками.
Также применяются колесные отбойные устройства (рис. 4).
При использовании плавучих отбойников на устоях невских мостов рекомендуется предусмотреть их демонтаж в конце навигации, что исключит повреждение оболочек во время ледохода.
Вышерассмотренный комплекс организационно-технических мероприятий позволит обеспечить более высокий уровень безопасности судоходства в мостовых зонах.
Рис. 4. Колесное отбойное устройство
