沿海港口深水航道选线及设计主要参数研究.docx

1、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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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1-3 AIS系统数据查询界面图1-4 虚拟仿真Rockwell Arena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

7、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

8、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02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

9、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

10、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

11、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3-4 25万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

12、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

13、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0.30.9m，中国规范规定取0.30.8m，三国规定基

14、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0.60.9m。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

15、（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812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

16、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，我国规范规定值偏保守。图4-7中给出了10万吨级LNG船在7级风条件下，不同航速航行时模拟试验的结果，从中可以看出原LNG码头设计规范

17、中规定的单向航道设计中，航道有效宽度为1倍设计船长，试验数据表明航道宽度明显偏大，单从船舶航行角度考虑可取5倍设计船宽作为航道宽度。图4-7 10万吨级LNG船模拟试验航迹带宽度结果（2）船岸间距关于船与岸间距，采用中国规范和PIANC导则推荐的方法略微不同，对软底质航道或散货船和危险品船，中国规范的规定大一些，如表4-1。但应注意对危险品船的规定PIANC导则是在航迹带附加宽度中规定的，对于大型油轮、LNG船，在航迹带附加宽度中还分别增加了0.5B和1.0B。表4-1 中国规范与PIANC导则关于船与岸间距的对比比较工况PIANC导则中国规范外航道内航道杂货、集装箱船散货船油船航速为6节，软

18、底质0.3B0.3B0.5B0.75B1.0B航速为6节，硬底质0.5B0.5B0.5B0.75B1.0B航速为9节，软底质0.5B0.5B0.75B1.0B1.5B航速为9节，硬底质1.0B1.0B0.75B1.0B1.5B航速为14节，软底质0.7B0.75B1.0B1.5B航速为14节，硬底质1.3B0.75B1.0B1.5B加拿大规范规定，船与岸间距按船舶克服岸吸力的要求确定。加拿大规范建议的船与岸间距与船舶操作性能和岸吸影响程度有关。船舶操作性能中等时，船与岸间距取值为0.75 B1.25B，与中国规范的规定基本相当。（3）船船间距我国规范中规定船与船间距统一取设计船宽（1.0B）。

19、PIANC导则中船与船间距主要与航速、航道是否掩护以及船舶交会密度有关。船速为58节、交会密度较小的内航道取值为1.0B。其他情况均大于1.0B。船速为812节、交会密度较大的外航道取值为2.1B，船速大于12节、交会密度较大的外航道取值为2.5B，船速为812节、交会密度较大的内航道取值为1.8B。加拿大规范规定船-船间距的最小宽度应为30米（100英尺）。当B30 m时，船与船间距=1B。当船舶交通密度较大时应考虑交通密度的附加宽度，船舶（不包括小船）小时交通量大于3艘/时，附加宽度为0.4B。相比之下，我国规范中未考虑交汇密度的影响，船船间距规定值较低。（4）航道总宽度从对比结果可以看出

20、，我国现行的海港总平面设计规范中对于杂货船单向航道取值与国外取值基本相当，对于双向航道在横流小的时候偏小，横流大的时候基本相当；对于散货船单向航道取值与国外取值基本相当，在非限制性及缓坡航道的情况下取值偏保守，对于双向航道在横流小的时候偏小，横流大的时候基本相当；对于集装箱船单向航道取值与国外取值基本相当，在非限制性及缓坡航道的情况下取值偏保守，对于双向航道横流较小的情况下取值偏小，横流较大的情况下基本相当。 我国规范对于油轮单向航道的取值与国外硬质、陡峭边坡情况下取值基本相当，在非限制性和缓坡航道情况下的取值偏保守；我国规定LNG船航道宽度取一倍设计船长，其取值基本与国外最苛刻条件下的取值相

21、当，对于横流较小和非限制性和缓坡航道情况下的取值偏保守。国际航运协会和加拿大的设计指南中在确定双向航道的船船间距时都考虑了船舶交汇密度的影响，从对比中可以看出我国规范规定的值在交汇密度较大的情况下普遍偏低。5 航道通过能力研究本课题研究结合港口航道自身的特点，借鉴已有航道通过能力的研究成果，参照道路交通方面的基础理论与科研成果，并利用先进的计算机仿真技术对港口航道通过能力计算方法进行深入的研究。本研究从船舶航行作业系统的实际出发，在大量的文献阅读、现场调研和数据采集处理分析的基础上，以排队论及离散事件仿真为理论基础，以现代通用仿真软件Rockwell Arena为计算机软件技术支撑，考虑影响航

22、道通过能力的不同因素，编码实现与验证港口航道通过能力的仿真模型，设计仿真试验并运行，输出分析仿真结果，得出不同因素与航道通过能力的关系曲线。在港口航道通过能力研究主要开展工作包括：从多个角度研究航道通过能力，并分析航道通过能力的影响因素，从而定义港口航道通过能力；分析船舶作业系统的元素组成，建立港航作业系统模型；确认、编码实现基于Rockwell Arena仿真软件的港口船舶航行作业仿真模型，实现港口航道作业仿真模型；验证仿真模型的准确性、真实性及稳定性；考虑航道通过能力的影响因素，设计仿真试验；仿真运行获得各影响因素下的港口航道通过能力，分析其对港口航道通过能力的影响，初步提出建设双线航道定

23、量标准。沿海港口航道作为船舶进出港口的通道，其通过能力直接影响港区通过能力的发挥，是港口设计、建设以及扩建整治时不容忽视的关键问题之一。本研究结合沿海港口航道的特点，参考借鉴道路交通工程及内河航道通过能力的定义，提出以服务水平为衡量标准的航道通过能力的定义，即以确定港区的给定航道，在港口正常生产作业状态下，达到指定的港口服务水平时一年中通过该航道的所有船舶的载重吨总和作为航道通过能力。采用系统仿真手段，仿真模拟各专业化港区船舶航行作业系统，得到不同通航条件和港口服务水平下的航道通过能力。同时，以港区泊位吨级的加权平均值作为港区特征吨级，仿真确定特征吨级对航道通过能力的影响，本研究结论灵活运用于

24、实际港区。通过研究分析，得到如下结论：（1）沿海港口航道通过能力不仅与航道自身的通航条件有关，更与所在港区的定位密切相关。定位高的港区，航道通过能力相对低些，以更好地为到港船舶提供高效的服务；定位低的港区，则反之。无论何种港区，达到航道通过能力时，就需考虑扩建航道，以继续保持港区的服务水平。（2）沿海港口航道通过能力直接影响港区内的泊位数量及规模。当港区内泊位通过能力高于航道通过能力时，到港船舶将出现压港现象，严重时，船舶会放弃靠泊该港，给港方造成损失。因此，在设计、建设和扩建整治航道时，应适当考虑未来港口吞吐量的发展趋势，以更好地协调泊位与航道的通过能力。（3）随着港区内泊位数量增加，若港区

25、特征吨级不变，航道通过能力不变；或港区特征吨级发生变化，航道通过能力则相应变化。港区泊位组合对航道的通畅度影响较大。6 依托工程本课题在航道设计的研究中通过对各国规范、设计手册和指南中的方法进行分析，针对航道设计中的主要参数进行系统的分析，找出不同方法的优缺点，结合我国沿海航道的特点，提出了适合我国航道实际情况的设计方法，并在依托工程中进行应用，取得了较好的效果。本课题航道通过能力研究中从系统观点出发，对由锚地、航道、泊位和天气、潮汐等有关因素所组成的港航系统的作业过程进行分析，研究港航系统组成要素的特点和各自的运行规则，重点探讨了船舶、天气、潮汐、泊位以及航道自身的条件对航道通过能力的影响，

26、利用离散系统仿真方法建立具有一定通用意义的港航系统仿真模型，并从航道服务水平的角度研究航道通过能力问题。根据各依托工程的不同特点，修改通用的港航系统仿真模型建立具有针对性的港航系统仿真模型，进行有针对性的研究。在港航系统仿真模型研究的基础上进行扩展研究，对航道交叉口的仿真模型进行研究。本课题将航道设计和通过能力研究的成果广泛应用于我院的实际工程设计之中，其中航道尺度设计的研究成果分别应用于黄骅港航道工程、深圳港铜鼓航道工程、沙特Ras Az Zawr港航道工程；船舶模拟器试验研究应用于深圳港通过航道工程；航道通过能力研究成果应用于黄骅港航道工程、深圳港铜鼓航道工程。本课题的研究成果解决了依托工

27、程建设与运营的多个关键技术问题，有效地指导了依托工程的建设和运营，取得了较高的经济效益和社会效益。7 结论（1）我国现行海港总平面设计规范的有关规定基本可以满足船舶大型化发展的趋势。航道水深、航道宽度、航道转弯半径的选取，在细节上还需做出必要的修改。本项目的研究成果为海港总平面设计规范相关条文的修订提供了技术支撑。（2）关于航道转弯段设计，建议增加当转向角60时转弯半径选取的规定；建议补充规定两个连续转弯之间的直线长度的规定。（3）在航道水深设计中，建议增加在限制水域关于船舶航行下沉量的规定；建议增加波浪富裕水深中波浪平均周期介于6s和10s之间时的规定；增加关于淡水修正水深的规定；补充关于骤

28、淤备淤深度的规定。（4）在航道宽度设计中，以船长、船宽和风流压偏角作为控制因素是合理的。按现行规范确定航道宽度也是合理的。但对于硬底质且边坡较高的航道和交汇密度较大的双向航道，应适当增加航道宽度。对于LNG船，新颁布的液化天然气码头设计规范JTS16552009中的规定基本可行，在横流较小、缓边坡、软底质情况下，取5倍船宽略显保守。建议在总平面规范中取与液化天然气码头设计规范相同的规定。（5）沿海港口航道通过能力不仅与航道自身的通航条件有关，更与所在港区的定位密切相关。以港口服务水平为评价指标分析确定沿海港口航道通过能力是合理的。沿海港口航道通过能力不仅与航道长度、航道尺度、通航条件等航道自身条件有关，还与港口的生产规模、生产效率、经营货种、运输船型等条件有关。因此，沿海港口航道通过能力很难用简单的公式计算；建设双向航道的标准也很难用一个指标表述。对影响因素复杂的航道，应采用计算机仿真模拟研究，分析确定航道通过能力。