安 翔，于 亮，楊 陽

(1.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

國內(nèi)外主要規(guī)范中船舶航行下沉量計算比較研究

安 翔1，于 亮1，楊 陽2

(1.中交水運規(guī)劃設計院有限公司，北京 100007；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456)

結(jié)合我國《海港總體設計規(guī)范》和最新的國外相關規(guī)范、設計手冊中有關進港航道船舶航行下沉量計算和確定的方法，對比分析了國內(nèi)外各計算和確認方法的適用范圍，針對限制性航道和非限制航道(疏浚挖槽航道)著重研究了計算結(jié)果的差異，特別是不同船型之間的差異，并對我國規(guī)范船舶航行下沉量計算提出調(diào)整建議。

船舶航行下沉量計算；國內(nèi)外規(guī)范；船型

港口是國際貿(mào)易運輸鏈中的關鍵結(jié)點，而進港航道是港口海洋一側(cè)唯一的運輸通道。在一般港口工程中，水域的形成和相應的防護工程在港口基礎設施的投資中所占比例較大；而且港口一旦建成，口門寬度、操作區(qū)域以及防波堤走向等很難改變或調(diào)整；因此，進港航道的規(guī)劃設計對整個港口的投資、運營、發(fā)展具有十分重要的意義。

隨著國家“一帶一路”總體規(guī)劃政策的實施，我國傳統(tǒng)的港口建設行業(yè)將面臨著“走出去”的巨大機遇和挑戰(zhàn)；為了加深對國內(nèi)外進港航道設計計算的了解，本文針對航道水深重要的一個參數(shù)——船舶航行下沉量，對比研究了國內(nèi)外各主要規(guī)范、設計手冊、文獻的計算方法和結(jié)果，為今后的港口航道設計工作做出有益的參考，也對我國《海港總體設計規(guī)范》的修訂和調(diào)整提供有益的參考。

1 國內(nèi)船舶航行下沉量確定方法介紹

船舶航行下沉量是由船舶前進速度所產(chǎn)生的下沉和縱傾的綜合效果，影響航行下沉量的因素主要包括船舶的載重噸，船舶航速，航道斷面，船舶類型(船舶方形系數(shù))，初始縱橫等。國內(nèi)外各主要規(guī)范和設計手冊對船舶航行下沉量的計算和確定均有描述，本文選用的國內(nèi)外規(guī)范、設計手冊、文獻主要包括：我國《海港總體設計規(guī)范》(JTS 165-2013)[1]，國際航運協(xié)會(PIANC)的《進港航道設計導則》(2014)[2]，日本航海協(xié)會和國土交通省發(fā)布的《Design Standard for Fairway in Next Generation》[3]，美國陸軍工程兵團(USACE)《深水航道水力設計》[4]，英國規(guī)范《海上建筑物》(BS 6349)[5]，加拿大海岸警衛(wèi)隊(CCG)航道國家操作指南《航道設計參數(shù)》[6]，西班牙設計手冊《海岸工程建議：港口航道工程設計(ROM)》[7]等。

國際上普遍按照航道斷面形式將航道分為三類：非限制性航道(國內(nèi)定義為開敞水域航道)，限制性航道(國內(nèi)定義為挖槽式航道)和運河(國內(nèi)定義為限制性航道)；針對船舶航行下沉量的計算，國內(nèi)外諸多學者對船舶航行下沉量經(jīng)驗公式進行比較研究：Briggs[8-9]綜合介紹和比較了各國外公式之間的區(qū)別，并探討了各公式相關參數(shù)的選??；吳澎曾在《船舶航行下沉量計算方法對比分析》[10-11]中對比分析了我國規(guī)范和國外主要計算公式，并得出對于限制性航道(挖槽航道)我國規(guī)范規(guī)定值偏危險，而在開敞水域航道我國規(guī)范確認值偏大的結(jié)論；洪碧光曾在《船舶在淺水中航行下沉量的計算方法》[12]中著重分析了船速對船舶航行下沉量計算的影響，并提出在船速大于8節(jié)時各公式計算航行下沉量的差別將隨著船速的提高而增加觀點；戴冉等[13]提出了一種測量船舶下沉量的實測方法，可以精確測量船舶實際下沉量,找出船舶下沉量和船速之間的關系；但以上文獻均未考慮國內(nèi)外規(guī)范在不同船型航行下沉量計算的差異。

1.1我國《海港總體設計規(guī)范》

《海港總體設計規(guī)范》結(jié)合我國各港航道的特點，對國內(nèi)外比較適合的各種方法進行綜合統(tǒng)計，主要考慮了船舶載重噸和航速的因素，針對非限制性航道，繪制出不同船舶噸級船體下沉量Z0關系曲線圖，對于非限制性航道(開敞水域航道和挖槽航道)，Z0按圖1取值。

1.2國際航運協(xié)會(PIANC)《進港航道設計導則》(2014)

圖1 《海港總體設計規(guī)范》中船舶航行時船體下沉值曲線Fig.1 Calculation curve of the squat in Chinese standard

對于船舶航行下沉量，PIANC主要推薦采用以下經(jīng)驗公式計算船舶航行下沉量：

(1)BarrassⅢ公式。

基于600組實驗數(shù)據(jù)和原型測量，在開敞水域和限制性航道水深與吃水比hT為1.1～1.4，航道斷面系數(shù)0.10≤S≤0.20，Barrass[14]改進了計算公式船舶航行最大下沉量(包括船艏和船艉)可以按下式計算

(1)

K=5.74S0.76

式中：Vk為船速，節(jié)；S為航道斷面系數(shù)AsAc；As為船舶水下斷面面積≈0.98B×T；Ac為航道或者運河考慮邊坡水下斷面面積。船舶航行下沉量發(fā)生的位置和船舶的方形系數(shù)有關，當CB>0.7時，航行下沉量最大值發(fā)生在船艏；當CB<0.7時，航行下沉量最大值發(fā)生在船艉。對于非限制性航道S<0.1，K值取1；對于挖槽航道(限制性航道)，S>0.25，K值取2。針對航道水深與吃水比hT為1.1～1.4的航道，Barrass提出有效航道寬度的概念，對于非限制航道，航道斷面面積可以按下式計算。

Ac=Weff×h

針對限制性航道和運河，航道斷面面積可以按下式計算

Ac=Wh+nh2

(2)ICORELS公式。

ICORELS公式主要應用于非限制性航道

(2)

式中：▽為船舶排水體積，m3，▽=CB×Lpp×B×T；Lpp為船舶兩柱間長，m；B為船寬，m；T為船舶吃水，m；CB為方形系數(shù)；Fnh為水深弗勞德數(shù)；Fnh=V；V為航速，ms；h為水深，m；g為重力加速度，9.81 ms2。在1997版PIANC的《進港航道設計導則》[15]中，Cs取為常數(shù)2.4。

2014版PIANC《進港航道設計導則》[2]中，芬蘭海事管理局(FMA)針對非限制性航道，根據(jù)船舶方形系數(shù)的不同，給出不同的Cs取值范圍

基于易北河非限制性航道的研究，德國聯(lián)邦航道工程和研究所(BAW)推薦對于大型的集裝箱船，船舶方形系數(shù)CB<0.7時，Cs取值2.0。

該公式用于計算船艏下沉量Sb，適用于無限大水域的航道、限制性航道(挖槽航道)和運河，與ICORELS公式相似，西班牙《港口航道工程設計》(ROM2003)推薦直接采用該式計算船舶航行時船艏下沉量。

(3)

式中：當s1>0.03，Ks=7.45×s1+0.76；當s1≤0.03，Ks=1.00；Cs一般取值為2.40。在《進港航道設計導則》(2014)中芬蘭海事管理局(FMA)在使用HuuskaGuliev公式計算船舶下沉量時推薦對各參數(shù)做出額外的限制條件：CB= 0.60～0.80；BT=2.19～3.50；LppB= 5.50～8.50；Th=0.22～0.81。

式中：S=AsAc，對于限制性航道，K1與參數(shù)Th和S有關，具體數(shù)值可圖2選取。

圖2 HuuskaGuliev K1取值曲線Fig.2 HuuskaGuliev correction factor K1 vs.S

(4)Eryuzlu et al公式。

Eryuzlu et al在橫向無側(cè)水域、有限水深航道[1.1≤hT≤2.5]中進行了帶球形船艏的件雜貨船和散貨船(CB≥0.8，LB=6.7～6.8，BT=2.4～2.9)的完整的模型試驗；航道寬度對航行下沉量的影響在補充模型試驗(水下浚挖的航道高度ht=0.5h，邊坡1：2)中進行了研究；基于上述研究提出了適用于航道和運河、CB≥0.8的船舶航行下沉量計算公式，并經(jīng)過原型航行下沉量觀測的驗證。

(4)

式中：h為航道水深，m；T為船舶吃水，m；V為航速，ms；g為重力加速度，ms2；當WB<9.61時，Kb=3.1(WB)0.5；當WB≥9.61時，Kb=1；W為航道底寬，m；B為船寬，m。加拿大《航道設計參數(shù)》推薦采用該式計算船舶航行下沉量。

1.3日本航海研究所和國土交通省《Design Standard for Fairway in Next Generation》

日本規(guī)范綜合考慮船舶吃水、船寬、航道水深等因素，采用Yoshimura[16]公式計算船舶航行下沉量D1。

(5)

式中：d為船舶吃水，m；D為航道水深，m；Lpp為船舶兩柱間長，m；B為船寬，m；CB為方形系數(shù)；V為航速，ms；g為重力加速度，ms2。

2014版PIANC《進港航道設計導則》也納入Yoshimura公式計算船舶航行下沉量，針對限制性航道和運河，采用Ohtsu[17]提出的有效船速Ve替代式(5)中的船速計算船舶航行下沉量，其中S=AsAc。

1.4美國陸軍工程兵團(USACE)《深水航道水力設計》

美國陸軍工程兵團在淺水區(qū)域采用Norrbin(1986)計算船舶航行下沉量，與國際航運協(xié)會(PIANC)推薦的公式(1)基本相同，只是船舶兩柱間長Lpp改用船長L，而且沒有考慮航道斷面因素。

(6)

1.5英國規(guī)范《海工建筑物》(BS 6349)

英國規(guī)范規(guī)定在初步設計階段，一般選用船舶吃水的10%作為船舶航行下沉量，而考慮波浪富裕水深后，通常取船舶吃水的30%作為船舶航行富裕水深；而船舶航行下沉量只與船舶吃水有關，計算結(jié)果明顯偏大。

2 國內(nèi)外各規(guī)范適用性分析

我國的《海港總體設計規(guī)范》僅考慮了船舶載重噸和船舶航速的影響，未考慮船型和航道斷面的影響，適用于非限制性航道(國內(nèi)外所定義的非限制性航道概念有所不同，國內(nèi)非限制航道包括開敞水域航道和挖槽式航道)，并不適用于運河中船舶航行下沉量的估算。目前，我國規(guī)范航行下沉量確定的船舶噸位等級僅到30萬t級，無法準確預測目前已經(jīng)出現(xiàn)的35～50萬DWT的油輪(ULCC)和35～40萬DWT的散貨船[2,7]的航行下沉量，結(jié)合目前船舶大型化的發(fā)展趨勢，建議我國設計規(guī)范修訂時對超大型船航行下沉量予以考慮并補充。

表1為各國外船舶航行下沉量公式使用范圍和主要限制條件，其中有些公式限制條件非常苛刻，因此在應用各經(jīng)驗公式計算船舶航行下沉量時需注重公式的適用范圍和限制條件，例如Eryuzlu et al公式限制應用于船舶方形系數(shù)CB>0.8的船舶，加拿大《航道設計參數(shù)》更明確規(guī)定該公式只應用于19 000～227 000 DWT散雜貨船和油輪；由于集裝箱船船型系數(shù)CB均小于0.8，因此該公式不能適用于集裝箱船的計算。

而對于主要的散貨船和油輪等，其船舶方形系數(shù)CB均略大于0.8，已經(jīng)超過了式(1)～(4)和(5)～(6)的限制條件(CB<0.8)，但在實際使用過程中，經(jīng)過工程經(jīng)驗的判斷，仍可用上述各式計算散貨船和油輪；例如芬蘭海事管理局(FMA)利用ICORELS公式計算非限制航道的船舶下沉量，在確定Cs取值范圍時要求CB>0.80，Cs=2.4，以及在《深水航道主要設計參數(shù)研究中》[11]中對6萬t級散貨船在不同航速下的下沉量計算研究。

表1 國內(nèi)外規(guī)范各主要船舶航行下沉量計算公式適用范圍和限制條件Tab.1 Channel configurations and parameter constraints for Chinese standards and foreign squat formulas

3 各國規(guī)范船舶航行下沉量計算

3.1非限制性航道(開敞水域航道)船舶航行下沉量計算分析

對于非限制性航道(開敞水域航道)，表2分別對比了航道底寬為200 m，航速為6節(jié)時，水深吃水比為1.3時，分別采用我國規(guī)范和式(1)～(6)計算油輪、集裝箱船和散貨船航行下沉量。

表2 不同船型、不同公式船舶航行在非限制性航道的航行下沉量計算結(jié)果Tab.2 Calculations for the different ship and different squat formulas in unrestricted channel m

通過比較表2計算結(jié)果，可以得出：對于非限制性航道，我國規(guī)范確定的船舶航行下沉量明顯偏于安全，而且隨著船舶噸位等級的增加，我國規(guī)范所確定結(jié)果更趨于安全；而對于不同船型間的航行下沉量，由于我國規(guī)范未考慮船型的不同，故未能體現(xiàn)差距；而式(1)～(6)計算同噸級不同船型航行下沉量表明，在船速6節(jié)時，集裝箱船航行下沉量要小于油輪和散貨船，油輪和散貨船的航行下沉量相差不大；對于大中型散貨船和油輪，我國規(guī)范確定的航行下沉量高出國外各公式計算均值0.05～0.19 m；對于大中型的集裝箱船，我國規(guī)范確定結(jié)果高出國外各公式計算均值0.10～0.25 m。

3.2限制性航道(挖槽航道)船舶航行下沉量計算分析

對于限制性航道(國內(nèi)挖槽航道)，表3計算采用我國規(guī)范和BarrassⅢ公式和日本Yoshimura公式，計算對比了在特定挖槽航道(hT=1.2，WB=2.5，邊坡n=3)情況下，船速6節(jié)時，不同船型船舶的航行下沉量。

表3不同船型、不同公式船舶在限制性航道航行下沉量計算結(jié)果
Tab.3 Calculations for the different ship and different squat formulas in restricted channel m

公式20萬DWT船舶下沉量油輪集裝箱船散貨船15萬DWT船舶下沉量油輪集裝箱船散貨船10萬DWT船舶下沉量油輪集裝箱船散貨船6萬DWT船舶下沉量油輪集裝箱船散貨船海港總體設計規(guī)范0．440．440．440．400．410．400．380．380．380．300．300．30BarrassⅢ公式0．540．460．530．530．460．530．530．460．530．520．410．52日本Yoshimura公式0．480．340．420．470．320．410．470．310．410．440．310．40國外公式計算均值Cm0．510．400．480．500．390．470．500．390．470．480．360．46我國規(guī)范值-Cm差值△-0．070．04-0．04-0．100．02-0．07-0．12-0．01-0．09-0．18-0．06-0．16

通過比較表3計算結(jié)果，可以得出：對于限制性航道(挖槽航道)，我國規(guī)范計算結(jié)果明顯偏小，而且隨著船舶噸級變小，我國規(guī)范所計算船舶航行下沉量與國外公式計算值差值越大，我國規(guī)范計算值越偏于危險。在船速6節(jié)時，對于不同船型之間，集裝箱船航行下沉量要小于油輪和散貨船，油輪的航行下沉量要大于散貨船；對于油輪，我國規(guī)范確定的船舶航行下沉量低于國外公式計算均值0.07～0.18 m；對于散貨船，我國規(guī)范確定結(jié)果低于國外公式計算均值0.04～0.16 m；而對于10萬DWT以下的集裝箱船，我國規(guī)范確定結(jié)果低于國外公式計算均值0.01～0.06 m，而對于10萬DWT以上集裝箱船我國規(guī)范和國外公式計算均值相差不大。

4 結(jié)論

通過對比研究國內(nèi)外主要規(guī)范船舶航行下沉量公式的適用性，可以得出國外各主要計算經(jīng)驗公式均有一定的適用范圍，在使用時須客觀考慮其適用范圍。我國《海港總體設計規(guī)范》確定航行下沉量確定方法主要應用于開敞水域航道和挖槽航道(非限制性航道)，但并不適用于運河中船舶航行下沉量的估算；而且航行下沉量確定的船舶噸位等級僅到30萬t級，不能滿足未來船舶大型化發(fā)展的需求，建議設計規(guī)范修訂時予以考慮和補充。

通過計算分析國內(nèi)外各規(guī)范，對于非限制性航道中大中型船舶的航行下沉量，我國規(guī)范明顯偏于保守：在船速6節(jié)情況下，對于散貨船和油輪，我國規(guī)范計算值高出國外規(guī)范計算均值0.05～0.19 m；對于集裝箱船，我國規(guī)范計算值高出國外規(guī)范計算均值0.10～0.25 m。而對于限制性航道(挖槽航道)，我國規(guī)范的確定結(jié)果又偏?。涸诖?節(jié)情況下，對于油輪，我國規(guī)范確定的船舶航行下沉量低于國外公式計算均值0.07～0.18 m；對于散貨船，我國規(guī)范確定結(jié)果低于國外公式計算均值0.04～0.16 m；而對于10萬DWT以下的集裝箱船，我國規(guī)范確定結(jié)果低于國外公式計算均值0.01～0.06 m，而對于10萬DWT以上集裝箱船我國規(guī)范和國外公式計算均值相差不大。

筆者建議在采用我國規(guī)范確定船舶航行下沉量時，特別是對于大型的綜合性港口的進港航道時，須根據(jù)不同的船型、船速和航道斷面情況，參照各國外經(jīng)驗公式計算結(jié)果，綜合考慮并適度調(diào)整船舶航行下沉量計算值；并希望本文能夠?qū)ξ覈?guī)范的修訂和調(diào)整提供有益的參考，以最小的能耗設計建設進港航道，使其符合綠色節(jié)能的發(fā)展方向。

[1]JTS165-2013,海港總體設計規(guī)范[S].

[2]Mcbride M, Briggs M J, Groenveld R, et al. PIANC Report No.121-2014, Harbour Approach Channels - Design Guidelines[M].Brussels：PIANC, 2014.

[3]National Institute for Land and Infrastructure Management, Port and Harbor Department. Design standard for fairway in next generation(2004)[S]. Japan Institute of Navigation(Standard committee), Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2004.

[4]EM1110-2-1613, USACE Hydraulic Design of Deep Draft Navigation Project[S].

[5]BS6349-2000, Code of practice for general criteria[S].

[6]Canadian Waterways National Manoeuvring Guidelines: Channel Design Parameters[R]. Waterways Development Division, Fisheries and Oceans Canada, 1999.

[7]ROM3.1-99, Designing Maritime Configuration of Ports, Approach Channels and Harbour Basins. Recommendations for Maritime Works (Spain) [S].

[8]Briggs M J. Sensitivity study of PIANC ship squat formulas[C]//Eloot K. International Conference on Ship Manoeuvring in Shallow and Confined Water: Bank Effects. London, 2009:57-67.

[9]Kim Y C. Handbook of coastal and ocean engineering[M]. World Scientific, 2010：723-774.

[10]吳澎, 曹鳳帥, 嚴慶新. 船舶航行下沉量計算方法對比分析[J]. 中國港灣建設, 2010 (S1): 38-41. WU P, CAO F S,YAN Q X. Comparison and analysis of the calculating methods of ship squat[J].China Harbour Engineering, 2010 (S1): 38-41.

[11]吳澎. 深水航道設計: 國際航運協(xié)會《進港航道設計導則》[M]. 北京：人民交通出版社, 2011:21-30.

[12]洪碧光, 于洋. 船舶在淺水中航行下沉量的計算方法[J]. 大連海事大學學報, 2003, 29(2):1-5. HONG B G,YU Y. Calculation methods of ship squat in shallow water[J]. Journal of Dalian Maritime University, 2003, 29(2):1-5.

[13]戴冉, 賈傳熒, 孫立成. 船舶下沉量的實測研究[J].交通運輸工程學報, 2002, 2(2):59-62.

DAI R,JIA C Y,SUN L C. Research on vessel squat measurement[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2002, 2(2):59-62.

[14]Barrass B. Ship design and performance for masters and mates[M]. Butterworth-Heinemann, 2004:148-163.

[15]International Association of Lighthouse Authorities, International Maritime Pilots Association. Approach Channels: A Guide for Design[M]. PIANC,1997.

[16]Yoshimura Y. Mathematical model for the manoeuvring ship motion in shallow water[J]. Journal of the Kansai society of naval architects, 1986 (200):50-59.

[17]Ohtsu K, Yoshimura Y, Hirano M, et al. Design standard for fairway in next generation[C]//Asia Navigation Conference. 2006 (26): 2006.

Comparisons of squat confirmation between Chinese and foreign standards

ANXiang1,YULiang1,YANGYang2

(1.CCCCWaterTransportationConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100007,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

On the basis of the squat confirmation and calculation method as specified in the Chinese Standard for the Harbour and Channel and principal foreign standards, the applicability differences between Chinese and foreign standards were compared in this paper, and the calculation results based on different standards and formulas in the unrestricted and restricted channel were analyzed, especially among different ship types. The adjustment suggestion of squat confirmation and calculation during adopting Chinese standards was proposed.

squat confirmation and calculation; Chinese and foreign standards; ship types

U 653.1

：

：1005-8443(2017)04-0368-06

2016-12-19；

：2017-03-14

安翔(1987-)，男，安徽省人，工程師，主要從事港口航道平面設計研究。

Biography： AN Xiang(1987-), male, engineer.