基于国内外规范计算兼具航道功能狭长港池宽度设计.pdf
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1、基于国内外规范计算兼具航道功能狭长港池宽度设计吕威,孙国辉(中国港湾工程有限责任公司,北京100027)摘要:合理确定港池水域布置对狭长港池类港口升级改造项目成本控制和保障后期安全运营至关重要。根据欧美规范与中国规范关于兼有航道功能的狭长港池宽度设计影响因素与取值方法的对比分析,归纳不同规范的差异性与适用性,提出了中国规范设计时应增加考虑的因素,并给出了海外类似工程的设计建议。通过典型工程实例对设计计算加以说明,并结合船舶操纵模拟试验对狭长港池设计方案合理性加以论证和优化,对海外港池水域尺度的确定及拓宽国内海港工程港池尺度设计思路具有借鉴意义。关键词:兼有航道功能;狭长港池;港池宽度;欧美规范
2、中图分类号:U656.1文献标志码:A文章编号:2095-7874(2024)01-0055-06doi:10.7640/zggwjs202401010Design of width of narrow harbor basin with channel functionbased on domestic and international standardsL譈 Wei,SUN Guo-hui(China Harbour Engineering Company Ltd.,Beijing 100027,China)Abstract:Reasonable determining the layo
3、ut of the harbor basin water area is crucial for cost control and ensuring safeoperation in the later stage of upgrading and renovating the harbors with long and narrow basins.Comparative analysis of designinfluencing factors and value selection methods based on the European,American and Chinese cod
4、es on the design of the widthof a long and narrow harbor basin with the channel function,the differences and applicability of different standards weresummarized,the additional considerations for Chinese code designs was proposed,and the design recommendations for overseassimilar projects were provid
5、ed.By using typical engineering examples,the design calculations are explained,and the rationalityof the narrow and long harbor basin design scheme is demonstrated and optimized through a vessel maneuvering simulation test.It provides valuable references for the determination of harbor basin width i
6、n overseas project and broaden the design ideas ofharbor basin width of domestic harbor projects.Key words:with channel function;long and narrow harbor basin;harbor basin width;European and American codes中国港湾建设China Harbour Engineering第44卷第1期2024年1月Vol.44No.1Jan.2024收稿日期:2023-06-28修回日期:2023-10-27作者简
7、介:吕威(1985),男,河南泌阳人,硕士,高级工程师,从事港口与航道工程设计及施工管理工作。E-mail:0引言随着亚非拉地区经济贸易不断发展,港口业务逐渐攀升,既有主要港口普遍存在泊位等级和专业化程度较低的现状,难以适应船舶大型化和港口现代化发展趋势。因此,既有老旧港口升级改造已成为许多国家的必然选择。老港改造面临诸多难题,其中水域狭窄且泊位数量多已成为港口升级改造的关键制约因素。港池宽度是影响通航安全及建设成本最重要的因素之一,特别是部分老港,由于港内水域狭窄、泊位数量众多,船舶通航密度大,港池往往需要承担内航道功能,此类港池宽度的合理取值则尤为重要。当前国内对港池宽度研究主要集中在“港
8、池宽度对港口通航安全和港口服务水平的影响”1以及“各国规范和通用规定对比参数取值2”等领域。但上述研究均基于常规港池,未考虑兼有中国港湾建设2024年第1期航道功能的情况,难以满足境外相关狭窄水域类港口设计需求。关于港池宽度计算,欧美主流规范与中国规范差异较大,在项目实施过程中,标准的差异将会影响项目成本。为中资企业合理选用欧美规范及中国规范“走出去”提供参考意见,本文选取境外工程中常用的PIANC规范、英标、美标及西班牙规范与中国规范进行对比分析,总结了兼有航道功能的狭长港池宽度计算方法的差异性与适用性,并通过工程案例加以验证,为此类工程提供参考和借鉴。1国内外规范关于兼有航道功能的狭长港池
9、宽度计算方法兼有航道功能的狭长港池一般具有以下特点:1)多为挖入式港池或位于天然泻湖湾内,水域狭长,现有码头岸线长,泊位数量多,船舶通航密度大。2)港池水域狭窄,码头前沿水域一般不考虑调头作业,尽可能减少港池宽度。3)回旋水域集中布置,周边通常布置泊位,需尽可能缩减回旋圆半径。4)港池布置需综合考虑停泊水域、船舶通航宽度、回旋水域等,并需要通过操船试验验证。针对此类港池,为保证船舶通航效率与作业安全,港池水域应兼具内航道功能,港池宽度的设计需特殊考虑。总体而言,欧美规范对此类港池宽度计算主要包括3部分,即港池内单向航道宽度、与系泊船舶的安全间距、码头前沿停泊水域宽度,但具体考虑因素及计算规定有
10、所不同。1.1西班牙规范西班牙规范规定3,如果窄长港池内设置超过4个泊位,则港池内必须设置调头区域。该调头区域可位于港池根部或中间区域,要求调头区域的内侧港池内泊位数量不超过4个,或所有港池足够宽,以便船只可在任意位置调头。如果交通密度大于1艘船/h,则要求港池内设置航道。如果在港池航道两侧有船舶靠泊,B为设计船宽,船泊间的安全间距应考虑不小于2.5B,即航道每一侧应预留2.5B,此外,码头前沿停泊水域宽度按1.5B考虑。因此,港池宽度计算公式为:港池宽度Bmax=单向航道宽度W+与两侧系泊船舶安全富裕间距(5.0B)+两侧停泊水域宽度(3.0B)单向航道宽度W按照内航道计算,见式(1)。W=
11、Bn+Br(1)式中:B为设计船宽,m;Bn为航道实际宽度,m,计算见式(2);Br为预留宽度,m,通常考虑为岸坡稳定,在内港池航道中可不予考虑。Bn=B+bd+2(be+br+bb)+(rhsm+rhsd)i+(rhsm+rhsd)d(2)式中:bd为风浪流影响的附加宽度,m,bd=Lppsin 茁(评估水域空间时使用),bd=Lsin 茁(评估水面以上空间时使用);Lpp为设计船舶垂线长度,m;L为设计船长,m;茁为偏向角度,(毅),受风、浪、流、拖轮等因素影响,可参考表1插值选取;be为定位误差宽度,m,设置导助航设施并配有经验丰富的引水员情况下,取10 m;br为反应修正误差宽度,m,
12、br=(1.50-Emax)伊bro;Emax为航道风险级别,取值为0.050.5;bro为附加操作反应误差宽度,m,可参考表2插值选取;bb为导助航设备位置偏差,m,可取导助航设备距离乘sin0.5毅;rhsm,rhsd分别为岸吸作用安全距离及富裕安全距离,m,可根据表3插值选取;i,d是指航道左右两侧。表1茁取值参照表Table 1Reference value of 茁设计航道水深d/设计船舶吃水深度D航道特征茁/(毅)dD逸1.2平顺段5拐点10dD越1.5平顺段10拐点15dD逸5.0平顺段15拐点20表2bro取值参照表Table 2Reference value of bro船舶
13、操纵性能h/D臆1.2h/D逸1.5优良0.1B0.1B中等0.2B0.15B较差0.3B0.2B注:h为设计航道水深,m。表3rhsm,rhsd取值表Table 3Reference value of rhsmand rhsd0.1B0.7B0.1B0.5B0.1B0.3B0.2B1.4B0.2B1.0B0.6B0.4B0.2B1.2B0.8Brhsdrhsm+rhsdrhsm船行速度逸6 m/s4 m/s船行速度6 m/s船行速度臆4 m/s船行速度逸6 m/s4 m/s船行速度6 m/s条件窄长港池单侧码头时岸坡侧(V/H臆1/3)0.2B0.6B0.4B船行速度臆4 m/s窄长港池单侧
14、或双侧码头时岸壁侧(V/H逸1/2)注:V为设计船舶港池航行速度,m/s;H为设计港池水深,m。56窑窑2024年第1期1.2英国规范英国规范4规定,有通航要求的港池宽度应不小于0.71.0倍设计船长,同时对比考虑停泊水域宽度加内港航道宽度。泊位停泊水域宽度应考虑为1.5B。但英国规范对航道宽度仅提供了一般性的指导意见,认为单向航道宽度一般为设计船宽的46倍,对于各参数的详细取值英国规范中明确建议参考PIANC中的规定。此外,规范指出对于航速4 kn以下的船舶,船与船之间的安全距离应大于2B。航速6 kn以下的船舶,船与船之间的安全距离应大于4B。因此,英国规范港池宽度计算公式为:港池宽度Bm
15、ax=单向航道宽度W(4.0B6.0B)+与两侧系泊船舶安全富裕间距(4.0B8.0B)+两侧停泊水域宽度(3.0B)1.3美国规范美国规范5规定,兼顾船舶通航功能的港池,航道边线距离船舶不小于1.2B。当有拖轮协助时码头前沿停泊水域最小宽度为1.25B。通航航道的宽度参数见表4,针对狭长港池内的航道,宽度建议参照运河型取值,宽度为2.5B4.0B。此种情况下,美国规范港池宽度计算公式为:港池宽度Bmax=单向航道宽度W(2.5B4.0B)+与两侧系泊船舶安全富裕间距(2.4B)+两侧停泊水域宽度(3.0B)1.4PIANCPIANC规范6重点研究了兼顾通航功能的港池航行船舶对两侧靠泊船只作业
16、的影响,具体影响因素包括:航行船舶的航速、安全距离、航行及靠泊船只的尺寸、港池水深、航道断面形式等。PIANC建议在概念设计阶段通航航道距离两侧靠泊船只的安全距离取值如下:1)航行船只航速臆4 kn时,船舷到船舷间安全距离取2B;2)航行船只航速臆6 kn时,取值4B。在详细设计阶段,通过数学模型分析水动力影响来确定安全距离。因此,PIANC规范港池宽度计算公式为:港池宽度Bmax=单向航道宽度W+与两侧系泊船舶安全富裕间距(4.0B8.0B)+两侧停泊水域宽度(3.0B)根据航道宽度概念设计方法,单向航道宽度W计算如式(3)所示。W=WBM+移Wi+WBR+WBG(3)式中:WBM为设计通航
17、船舶航迹带宽度(1.3B1.8B),m;移Wi为风浪流影响富裕宽度,m;WBR,WBG为左右岸富裕宽度,m,具体参数取值可参见项目案例。1.5中国规范中国规范7规定码头前沿停泊水域宽度宜取设计船宽的2倍,对于多泊位顺岸布置的码头前方水域,不考虑调头作业的码头前水域总宽度不应小于0.8L(L为设计船长,m),当船舶不在港池内调头时,港池宽度可取0.8L1.0L。对兼有航道功能港池的宽度无明确规定,根据需要加宽港池。规范另指出码头停泊水域不能占用主航道,因此可推出兼有航道功能的狭长港池宽度的最小值应如下所示,同时不小于0.8L。港池宽度Bmax=单向航道宽度W+两侧停泊水域宽度(4.0B)单向航道
18、宽度计算见式(4)。W=A+2c(4)式中:A为设计船舶航迹带宽度,m,A=n(Lsin 酌+B);n为船舶漂移倍数;酌为风流压偏角,(毅);c为设计船舶与航道底边线间的富裕间距,m。2兼有航道功能的狭长港池宽度计算差异性及适用性分析基于上述港池宽度规定及公式,欧美规范与中国规范关于兼有航道功能的狭长港池宽度的计算方法对比见表5。对比各规范具体考虑因素和计算过程可知,对于兼有航道功能的狭长港池,相较于普通港池应适当加宽。在此类港池宽度计算中,欧美规范考虑的因素较中国规范更为全面,在考虑港池内单向航道宽度、停泊水域宽度的基础上,额外考虑了通行船舶与系泊船舶间安全距离。在港池内单向航道宽度计算中,
19、各国规范考虑因素不同。中国规范仅考虑了风、流、船岸间表4单向航道宽度W计算表Table 4Calculation sheet of width of one-way channel3.0B4.0B5.0B2.5B3.0B3.5B2.75B3.25B4.0B3.5B4.5B5.5B3.0B3.5B4.0B3.5B4.0B5.0BVL臆0.5 kn0.5 knVL臆1.5kn1.5 knVL臆3.0kn非限制型运河型挖槽型非限制型运河型挖槽型航道形式航道断面不变,导助航设施完备航道断面变化,导助航设施一般最大流速VL吕威,等:基于国内外规范计算兼具航道功能狭长港池宽度设计57中国港湾建设2024年
20、第1期表5欧美规范和中国规范关于兼有航道功能的狭长港池宽度计算Table 5Calculation of width of long and narrow harbor basin with channel function in European,American and Chinesecodes规范港池内单向航道宽度/m与系泊船舶的安全间距/m停泊水域宽度/m备注西班牙规范风浪流影响附加宽度+定位误差宽度+反应修正误差宽度+导助航设备位置偏差+岸吸作用安全距离+富裕安全距离2.5B1.5B英国规范4B6B航速臆4 kn,2B航速臆6 kn,4B1.5B不小于0.7B1.0B美国规范2.5B
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