沿海港口深水航道选线及设计主要参数研究.docx

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沿海港口深水航道选线及设计主要参数研究

离岸深水港口建设关键技术研究课题之二

沿海港口深水航道选线及设计主要参数研究

报告简本

1项目概况

1.1项目研究的背景与意义

我国现行的《海港总平面设计规范》（JTJ211-99）已实施十余年，在许多方面已不适应我国港口发展现状，尤其是船舶大型化的趋势。

为了满足沿海港口深水航道的建设需求，提高深水航道建设水平，保证大型船舶的航行安全，有必要对沿海港口深水航道选线及设计主要参数进行深入研究。

此外，鉴于开挖以及维护航道的巨大投资，航道内船舶交通量增大、新型船舶出现而引起船种和船型的构成更加复杂，各港口投资者及政府主管部门都迫切期待能够准确把握港口航道通过能力情况，以确定拓宽航道或者由单向航道变为双向航道乃至多线航道的最佳时机，进而带来整个港口良好的经济效益。

为适应我国水运事业蓬勃发展、交通事业跨越式发展的需要，开展沿海深水航道选线与主要设计参数的研究，以促进交通运输向节能、环保和更加安全的方向发展。

研究深水航道选线的原则与分析方法、航道主要设计参数的确定等问题，提出深水航道选线原则与合理断面尺度确定方法、提出以服务水平为衡量标准的航道通过能力分析计算方法以及单线与双线航道确定标准，对提高船舶航行的安全性，提高航道工程的投资效益，从而保证沿海大型专业化码头装卸效率的充分发挥，具有重要意义。

在此背景下，交通部科教司组织和领导，中国交通建设集团有限公司协助，中交水运规划设计院具体承担编写了“十一五”交通重大攻关专项研究立项报告，经有关领导和专家多次审查、咨询，报告最后确定了11个课题作为我国“十一五”交通重大攻关专项离岸深水港建设关键技术研究的内容。

本课题“沿海港口深水航道选线及设计主要参数研究”即是其中之一。

1.2项目的总体目标

本项目研究的总体目标是提出能够适应船舶大型化、高速化、货种多样化、自然条件更加复杂的沿海港口深水航道选线原则、航道尺度参数确定方法及航道通过能力计算方法。

本项目的研究成果应为《海港总平面设计规范》相关条文的修订提供技术支撑，部分成果应能在规范中直接应用。

本项目中的部分研究成果达到国际领先水平。

1.3项目的研究内容及关键技术

本项目通过对比国内外相关规范和设计指南、船舶操作模拟研究、实船观测和仿真模拟等技术手段，在以下四个方面开展研究工作：

一、航道选线的研究

主要工作内容：

研究沿海港口进港航道选线的原则；研究影响航道转弯半径的因素和确定航道转弯半径的方法；研究影响两弯道间直线段长度的因素和确定方法。

二、航道设计水深的研究

主要工作内容：

研究影响船底富裕水深的因素和确定船底富裕水深的方法；研究确定航道备淤深度的原则和方法。

三、航道断面主尺度研究

主要工作内容：

研究影响船舶航迹带宽度的因素和确定船舶航迹带宽度的方法；研究影响航道内船岸间距、船船间距的因素及其确定方法。

四、航道通过能力的研究

主要工作内容：

研究影响航道通过能力的因素；研究航道通过能力和航道服务水平的关系；研究确定航道通过能力的方法；提出确定双线航道的初步标准。

本项目的关键技术主要有：

（1）通过对国内外关于海港航道主尺度确定方法的对比分析研究，分析各自的适用条件和考虑的主要因素，判断合理的适用范围，结合我国的实际情况，提出对现行规定的修订和补充建议；

（2）对大型船舶特别是集装箱船和LNG船，在转弯半径和航迹带宽度等设计参数的确定中，考虑横风的影响，提出相应的确定方法；

（3）在船底综合富裕水深的确定中，考虑适航水深及其他影响因素，对现行规定做出修订；

（4）在备淤深度的确定中，对骤淤强度较大的航道，增加骤淤备淤深度，提出骤淤备淤深度确定方法的建议；

（5）建立港航系统仿真模型，初步探索建立航道服务水平评价体系，研究航道服务水平与航道通过能力的关系，初步提出需建设双线航道的标准。

1.4项目的研究方法与技术路线

本项目的研究主要采用将国内外相关资料进行对比分析（专题一）、船舶操作模拟器试验（专题二）、现场实船观测（附件一）及仿真模拟（专题三、四）等方法，针对航道选线、航道设计水深、航道设计宽度、航道通过能力等航道设计主要因素进行分析研究。

图1-1船舶操作模拟器试验图

图1-2基于AIS系统的实船观测示意图

图1-3AIS系统数据查询界面

图1-4虚拟仿真RockwellArena软件界面

图1-5本课题研究技术路线图

2航道选线

进港航道选线主要从安全和经济两个方面考虑。

在安全方面，风、浪、流的方向与航道的夹角应尽可能的小，通常夹角在±20°范围内为最佳方向，但是由于水流的主流向很少与强风向和强浪向一致，且航道的走向与强浪向一致时会降低港区的掩护效果，因此，几乎没有理想的航道布置。

设计者应根据流场、风场和波浪场的特点，抓住主要矛盾，优选方案布置。

一般情况下，应首先保证航道轴线与水流的主导流向一致，然后满足航道轴线与强风向和强浪向的交角应尽可能小。

在保证安全的前提下航道在疏浚和维护中的费用应尽量降低。

此外航道应尽量保持顺直。

在确定航道轴线时，可咨询有经验的引航员和船长，必要时可采用船舶模拟器进行通航模拟，从而优化航道的选线。

通过把不同规范、设计手册中的转弯半径取值范围进行对比（图2-1），可发现各国在航道转弯半径的取值上基本相当。

在船舶模拟器试验拟合的公式中，考虑了航速的影响。

通过对比可以看出，目前各国规范提出的转弯半径通常在10节的航速条件下，对于以12节以上的航速航行船舶，目前规范规定的转弯半径偏小。

此外，实船观测的结果也表明大角度转向的转弯半径稍大于我国现行规范中的规定结果。

图2-1不同转向角航道转弯半径对比

航道转弯处的加宽部分设置在弯道内侧效果较好，各国规定转弯段的加宽值的范围在0~2倍的设计船宽，采用的加宽方式主要有切角法和圆弧法，加拿大的《航道设计参数》中还对直线段航道与转弯段航道间的过渡段作出规定。

实船观测的结果表明航道转弯处特别是角度较大的转弯处的曲线性加宽是必须的，如果设计不合理，必然造成转向中的困难。

船舶模拟器试验结果的轨迹分布表明，单向过弯的船舶轨迹在中轴线略偏向于弯曲段凸侧，因此，当转向角≥30°时，采用折线切割法进行加宽是合理有效的。

与美国和加拿大的规定相比，当转向角等于30°时，我国规范规定采用切角法加宽，加宽值与美国和加拿大的规定基本相等；当转向角小于30°时，我国规范规定的加宽值略小；当转向角大于30°时，采用折线法加宽是可行的。

国外规范和设计手册中普遍规定两个连续转弯之间的直线长度至少等于5倍船长，在不能满足时，必须进行船舶操纵模拟器进行研究论证。

3航道水深

航道水深是在港口当地一定的自然条件下，满足设计船型满载吃水航行所要求的最小安全深度。

通常，确定进港航道水深的影响因素有：

船舶装载条件、水位条件、船舶航行条件、波浪影响条件、航道底质条件等。

对比国内外相关规范和设计手册，航道的设计水深通常由航道的通航水深和超深富裕水深构成，其中航道的通航水深主要包括：

船舶吃水、船舶航行下沉量、波浪富裕水深、龙骨下最小富裕水深、船舶纵倾、淡水修正水深等（如图3-1所示）。

图3-1航道水深构成

我国规范在确定航行下沉量时，只考虑了船舶吨级和航速两个因素，相比于国外的计算方法，考虑因素较少。

以下将各国规范和设计手册推荐的公式与中国规范进行对比。

图3-2船舶航行下沉量对比

从图3-2对比结果可以看出，各种方法所得的结果趋势变化相同，但数值差异较大，中国规范中规定的结果与其他方法相比取值适中，在低航速时取值偏大。

图3-3不同航速下、不同吨级油轮船舶航行下沉量对比

从图3-3可以看出中国规范中的取值比较适中，只是在大吨位低航速时结果偏大，小吨位计算结果偏小。

图3-425万吨级油轮在不同类型航道中航行下沉量对比

从图3-4中可以看出中国规范没有考虑到航道类型的影响，从对比中可以看出运河中的船舶航行下沉量采用中国规范所得的值偏小。

图3-5不同航道内中国规范与Huval方法计算船舶航行下沉量对比

图3-5将不同方法计算不同类型航道内的航行下沉量进行对比，从中可以看出Barras（2009）公式计算结果和Huval计算结果基本一致，而我国规范规定值只相当于非限制性航道内的情况，对于限制性航道我国规范规定值偏低。

图3-6相同方形系数不同断面系数下Barrass（2009）公式计算值与中国规范计算值对比

图3-7相同断面系数不同方形系数下Barrass（2009）公式计算值与中国规范计算值对比

从图3-6和图3-7中可以看出对于断面系数较大和方形系数较大的情况下，我国规范规定值偏低，而对于断面系数较小和方形系数较小的情况下，我国规范规定值偏保守。

图3-8对比结果表明，在波周期小于6秒时，中国规范建议的值比RAO方法计算值稍大；在波周期大于8秒时，中国规范和设计手册推荐的值比RAO法计算的结果小。

船舶装载纵倾我国规定有掩护航道内的油轮和散货船纵倾可取0.15m，国外规范中对此规定较少，只有加拿大的设计指南《航道设计参数》中指出在航道设计中根据经验可考虑0.31m纵倾富裕深度。

当设计船型不同时，通常取船长的0.25%为纵倾富裕深度，其值较大。

对龙骨下富裕水深的规定，中国规范、美国陆军工程师团和加拿大的相关规定基本相当。

对硬底质情况，中国的规定略小（0.8m）。

对于淡水修正水深按照加拿大设计指南《航道设计参数》中规定的取船舶在海水中吃水的2-3%是合理的。

超深富裕水深中，对疏浚允许误差富裕量一项，加拿大设计手册中取0.3m，美国陆军工程师团中取0.3~0.9m，中国规范规定取0.3～0.8m，三国规定基本相当。

备淤深度一般都规定根据回淤情况和疏浚间隔时间分析确定，美国陆军工程师团中取0.6~0.9m。

本次研究对于大风骤淤比较严重的航道，在备淤深度的确定上，提出了骤淤备淤深度的概念，依据一定频率的骤淤分布，分段确定备淤深度，以保证一定频率的骤淤出现时，港口和航道能够正常营运。

图3-8不同波向角下船舶垂直运动对比

平均周期小于10s为《海港总平面设计规范》中规定值

平均周期大于等于10s为《海港工程设计手册》中推荐值

4航道宽度

直线段航道有效宽度一般由航迹带宽度、船舶间富裕宽度（船船间距）和船舶与航道底边间的富裕宽度（船岸间距）构成，如图4-1和图4-2所示。

图4-1单向航道示意图

图4-2双向航道示意图

（1）航迹带宽度

国际航运协会的《进港航道设计导则》中将航迹带宽度分为基本操作带和附加宽度两部分。

基本操作带与船舶操作性能有关。

附加宽度与船速、横风、横流、纵流、波浪、助航设施、航道底质、航道水深以及装载货物有关。

图4-3中国规范与国际航运协会航迹带宽度对比

从图4-3可以看出采用中国规范和PIANC导则推荐的方法得到的结果基本相当，特别是航速为8～12节时更为接近。

对于接近港区的航道，船舶航速不可能较高，当横流较小时，中国规范的规定偏小。

对有危险品船通过的航道还应适当增加宽度。

对于航速较高（大于12节）、横流较大的情况下，我国规范规定的航迹带宽度值较保守。

图4-4船舶模拟器试验航迹带宽度与中国规范规定航迹带宽度对比

（航速：

低速，左图为15万吨级集装箱船、右图为15万吨级散货船）

图4-5船舶模拟器试验航迹带宽度与中国规范规定航迹带宽度对比

（航速：

中速，左图为15万吨级集装箱船、右图为15万吨级散货船）

图4-6船舶模拟器试验航迹带宽度与中国规范规定航迹带宽度对比

（航速：

高速，左图为15万吨级集装箱船、右图为15万吨级散货船）

从以上三图对比中可以看出，我国现行规范中规定的数值与中速航行时的试验结果相当，在低速航行时，我国规范规定值偏危险，高速航行时，我国规范规定值偏