李華強，王 烽，谷文強

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

在港口工程中，對于航道寬度的設計，《海港總體設計規(guī)范》給出了明確的計算方法。隨著船舶的操縱性能和導助航設施等方面技術發(fā)展，本文結合對國內(nèi)外規(guī)范的系統(tǒng)研究，對于航道寬度的設計方法進行了對比和分析，提出更為精確的設計方法供同行探討。

1 國內(nèi)外規(guī)范中航道寬度設計方法

1.1 中國規(guī)范設計方法

根據(jù)《海港總體設計規(guī)范》（JTS 165-2013）[1]，航道通航寬度可由下列公式計算）。

式中：W為航道有效寬度，m；A為航跡帶寬度，m；c為船舶與航道底邊線間的富裕寬度，m；b為船舶間的富裕寬度，m，取設計船寬B，當船舶交會密度較大時，該富裕寬度可適當增加；n為船舶漂移倍數(shù)；L為設計船長，m；γ為風、流壓偏角，°；B為船舶寬度，m。

影響航道尺度的因素復雜時，航道通航寬度應進行船舶操縱模擬試驗驗證，必要時可結合實船觀測等方式確定航道通航寬度。

1.2 日本規(guī)范設計方法

根據(jù)日本規(guī)范《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[2]，航道寬度可通過下列公式進行計算：

式中：WBM為基本操船寬度，m；WIF為考慮相互力影響的富裕寬度，m；CSF為安全系數(shù)；WWF為考慮風力影響的富裕寬度，m；WCF為考慮水流力影響的富裕寬度，m；WYM為考慮船舶回轉(zhuǎn)影響的富裕寬度，m；WDD為考慮船舶側面偏移影響的富裕寬度，m；WBA為考慮側壁影響的富裕寬度，m；WPA為考慮船舶會遇影響的富裕寬度，m；WOV為考慮船舶超越影響的富裕寬度，m；a、b、c為系數(shù)，采用表2中的數(shù)值。

表2 系數(shù)a、b、c取值

1.3 英國規(guī)范（BS 6349）設計方法

英國規(guī)范《Maritime Works-Part 1-1：General-Code of Practice for Planning and Design for Operations》（BS 6349-1-1：2013）[3]中對于航道寬度的概念設計基本是引用國際航運協(xié)會（PIANC）規(guī)范《Harbor Approach Channels》[4]中的概念性描述，僅介紹了航道寬度設計的影響因素，包括船速，橫風，橫流，順流，波浪情況，導航情況，底質(zhì)類型，水深，危險品貨物等。對于各參數(shù)詳細取值英國規(guī)范建議參考PIANC中的規(guī)定。

該規(guī)范中指出作為一般性的指導意見，單向航道寬度一般為船寬的4～6倍。在有小船超越的航道中，航道寬度取6～8倍的大船船寬。對于300 000 DWT以上的大型油輪，建議航道寬度取 5～7倍的船寬。大型油輪的航道應避免設計為雙向航道。

英國規(guī)范BS 6349-1-1：2013中推薦通過數(shù)值模擬試驗確定航道平面尺度，包括快速仿真試驗（Fast-time Simulation）和實時仿真試驗（Real-time Simulation）等手段。

1.4 美國規(guī)范設計方法

美國海岸工程手冊《Coastal Engineering Manual》（CEM）[5]中將航道寬度的設計方法分為港內(nèi)航道設計和港外航道設計分別進行論述。

1）港內(nèi)航道寬度設計

基于操船模擬試驗（USACE 1998），CEM 給出以下兩種情況的計算方法：

當航道斷面不變、導航設施很好時，按表3計算。

表3 單向恒斷面導航設施良好航道寬度計算

當航道斷面變化、導航設施一般時，按表4計算。

表4 單向變斷面導航設施一般航道寬度計算

若流速大于1.5 m/s（3.0 kn），設計航道寬度應通過操船模擬試驗論證得到。

有冰凍情況出現(xiàn)的航道，其設計寬度應該在常規(guī)基礎上額外增加50 %～100 %。設計水深也需要增加冰塊富裕深度，取標準波浪富裕和0.5 m中的大值，因為在有冰塊的水域，冰會抑制波浪產(chǎn)生。

2）港外航道寬度設計

由于外海波浪水流更大，防波堤口門處復雜的波流情況、復雜的泥沙運動、波浪淺水變形以及防波堤或引堤等結構物的存在等等一系列因素，港外航道航寬度通常需要更寬。傳統(tǒng)的簡單計算方法是取表3中的大值進行計算?，F(xiàn)在更傾向于利用綜合物理模型試驗、船舶操縱仿真研究以及實船運動量測量等方法來確定港外航道寬度。

1.5 西班牙規(guī)范（ROM）設計方法

根據(jù)西班牙規(guī)范《Recommendations for the Design of the Maritime Configuration of Ports,Approach Channels and Harbor Basins》（ROM 3.1-99）[6]，航道總寬可以按照下式進行計算：

式中：Bt為航道總寬，m；Bn為航道通航寬度，m；Br為考慮航道兩側邊界因素的富裕寬度，m（例如，考慮兩側邊坡穩(wěn)定性而設置的富裕寬度）。

由于航道兩側邊界特性可能不同，因此富裕寬度也可能分別取不同的值Bri和Brd。

如果在通航水域水文和氣象條件是恒定的，那么直線段航道的最小通航寬度可以按照下式計算：

在恒定環(huán)境條件下的直線段雙向航道通航寬度可用下式計算：

式中：B為航道通航船舶的最大船寬，m；i、d為航道左右兩側；be為考慮定位誤差而增加的富裕寬度。這個富裕寬度是由于真實的船舶位置和船長通過信息手段和導助航設施估計的船舶位置之間的差距；如果不知道助航設施的特性，則be可以取設計船型的最大船寬用于初步研究；br為評估從檢測到船舶偏離理論位置到船舶修正措施生效這段反應時間內(nèi)船舶偏離航線距離的富裕寬度；bb為考慮助航標志系統(tǒng)誤差的航道富裕寬度；rhsm為考慮船舶航行時不受航道兩側邊界岸吸或者反射作用影響而增加的安全距離，這個安全距離可能兩側是不一樣的；rhsd為船舶和航道邊界在任何情況下都應保持的安全距離；bs為雙向航道兩道之間的通航凈距；bd為由于船舶航行時為了抵抗風、浪、流和拖輪作用而設置的偏航角導致增加的航跡帶寬度，m，計算公式如下：

其中：Lpp為船舶垂線間間距，m；β為船舶偏航角，°，風、流、浪和拖輪同時作用導致的船舶偏航角計算如下：

這個計算結果為代數(shù)值，因此每個計算分量都應考慮正負號。

1.6 國際航運協(xié)會規(guī)范（PIANC）設計方法

國際航運協(xié)會（PIANC）規(guī)范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[4]針對航道寬度設計給出了兩個階段的設計方法，分別為概念設計方法（基于經(jīng)驗方法）和詳細設計方法。

在概念設計階段，通過環(huán)境條件的物理參數(shù)和其他信息對航道寬度做出初步評估。因為概念設計方法計算快速、不要求輸入過多的參數(shù)，因此能夠快速評估比較方案。概念設計方法計算出的航道寬度相對保守，可以使用詳細設計方法進一步優(yōu)化。

詳細設計方法是更準確的設計方法，可以使用物理模型、數(shù)值模型和仿真模擬模型進行船舶操縱、交通流量和風險分析。

在大部分情況下，在航道的初步設計中使用概念設計方法是滿足要求的。但是使用概念設計方法不能滿足比選方案的要求時，應使用更準確的設計方法。

PIANC規(guī)范中給出的單向航道和雙向航道的計算公式如下：

單向航道的通航寬度：

雙向航道的通航寬度：

式中：WBM為基本航跡帶寬度，PIACN規(guī)范中給出了不同操縱性能船舶的基本航跡帶寬度參考值；Wi為船速、風、流、浪、導助航設施、航道底質(zhì)和水深等因素引起的航道寬度增加值，PIACN規(guī)范中給出了港內(nèi)、外航道增加值的參考值；WBR、WBG為船舶與航道岸坡之間的富裕寬度，PIACN規(guī)范中針對不同的岸坡、船速等因素給出了港內(nèi)和港外航道的船岸富裕寬度參考值；Wp為雙向航道雙船間富裕寬度，PIACN規(guī)范中僅給給出了錯船情況下的該富裕寬度，并指出超船需要考慮更大的富裕寬度，但是在概念設計中一般先不考慮。

2 各國規(guī)范中的航道寬度設計方法總結

中國規(guī)范《海港總體設計規(guī)范》[1]航道寬度設計方法中僅考慮了風、流、船岸間距和危險品等影響因素，其他因素均未考慮。航跡帶寬度計算公式及相關參數(shù)取值方法基本沿用上世紀 90年代舊版規(guī)范中的計算方法，具體來源已無從考據(jù)，并且隨著船舶大型化的發(fā)展趨勢，這些相關計算公式和參數(shù)取值方法需要重新進行論證，應謹慎使用。

日本規(guī)范《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[2]給出了航道寬度的詳細參數(shù)設計方法，此方法是基于大量的船舶操縱試驗得出的，基本考慮了相關影響因素，但是需要注意的是尚未被考慮的波浪作用、冰、拖輪作用、航道水深和航道底質(zhì)影響等因素。

英國規(guī)范 BS 6349-1-1：2013[3]明確指出建議航道寬度設計方法參考PIANC規(guī)范。

美國規(guī)范CEM[5]中常常提及和介紹PIANC方法。需要指出的是，美標中關于寬度的計算適用于初步設計階段或更前期的初期設計階段，對于最終的寬度確定各規(guī)范均建議通過仿真模擬、操船試驗等手段來確定。

西班牙規(guī)范 ROM 3.1-99[6]給出了航道寬度的確定性設計方法和半概率設計方法，確定性設計方法是基于大量的船舶操縱試驗得出的參數(shù)設計方法，基本考慮了相關影響因素，但ROM并未將危險品列為增加航道寬度的因素之一。而半概率設計方法是通過船舶操縱模擬器、小比例物理模型試驗、現(xiàn)場觀測或相似的方法實現(xiàn)的，并針對試驗結果進行分析得出。ROM 中特別指出，即使采用了相關模擬試驗，但是在試驗中不能模擬的相關影響因素仍需考慮，對此可采用確定性設計方法取值。

PIANC《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[4]中詳細介紹了航道寬度的概念設計方法和詳細設計方法，概念設計方法即為基本操縱帶寬度與其他各影響因素導致的富裕寬度之和，基本考慮了相關影響因素，計算簡單便捷，在國外工程項目中得到了廣泛的認可和使用。需要特別指出的是，1997年版的《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》中將危險品考慮為增加航道寬度的因素之一，但是 2014年版的《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[4]中并未將危險品考慮為增加航道寬度的因素之一，僅建議采用相關的安全作業(yè)措施。而該規(guī)范給出的詳細設計方法中，包含了參數(shù)設計方法和試驗模擬方法，其中參數(shù)設計方法引用了日本規(guī)范和西班牙規(guī)范中的航道寬度計算方法；試驗模擬方法則介紹了船舶通航/操縱仿真模擬試驗和交通流量仿真模擬試驗。

從各國規(guī)范和標準在航道寬度設計時考慮的影響因素（表1）可以看出，西班牙規(guī)范和PIANC規(guī)范所考慮的影響因素最為全面。

3 國內(nèi)外航道寬度設計案例分析

國際航運協(xié)會（PIANC）規(guī)范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》中的航道水深設計方法在海外港口工程項目中認可度最高，使用范圍最廣，下面以巴拿馬某 LNG碼頭工程為實例，使用PIANC規(guī)范和中國規(guī)范計算航道寬度，同時與船舶操縱模擬試驗結果進行對比。

本工程中擬建設碼頭最大設計船型為17萬m3LNG船舶，船長294.5 m，船寬46.4 m，船舶滿載吃水11.6 m。船舶在進港航道中的航速按照6 kn考慮。由于碼頭位于天然優(yōu)良港灣內(nèi)，進港航道掩護條件較好，航道設計風速根據(jù)氣象條件按照7.5 m/s考慮，橫向流速小于0.1 m/s，沒有橫向波浪。

3.1 按照中國規(guī)范計算航道寬度

根據(jù)《海港總體設計規(guī)范》（JTS 165-2013），航道通航寬度由航跡帶寬度和船舶與航道底邊間的富裕寬度組成。單線航道通航寬度可按下式計算：

式中：c為船舶與航道底邊線間的富裕寬度，m，由于航速6 kn，則c取設計船型型寬B=46.4 m；n為船舶漂移倍數(shù)，橫向流速0.1 m/s，則n取1.81，風、流壓偏角γ=3o；航道寬度W=111.9+2×46.4=204.7 m。航道設計寬度取205 m。

3.2 按照國外規(guī)范計算航道寬度

PIANC《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》詳細介紹了航道寬度的概念設計方法和詳細設計方法，概念設計方法即為基本操縱帶寬度與其他各影響因素導致的富裕寬度之和，基本考慮了相關影響因素，計算簡單便捷，在國外工程項目中得到了廣泛的認可和使用，本節(jié)通過該規(guī)范的概念設計方法進行航道寬度計算，具體計算見表5。

因此按照 PIANC規(guī)范的概念設計方法計算航道寬度，得出航道設計寬度為144 m。

需要說明的是，此方法僅適用于項目前期設計階段，在施工圖設計階段，航道設計寬度應通過船舶操縱試驗進行驗證和確定。

表5 有掩護開挖航道寬度計算（PIANC）

3.3 按照船舶操縱模擬試驗確定航道寬度

巴拿馬 LNG碼頭項目采用了船舶操縱模擬試驗確定航道寬度，試驗采用全任務模擬器進行操縱模擬，船舶操縱試驗結論如下：

1）當船舶進港船速較低時應采用 4艘拖力為50 t的全回轉(zhuǎn)拖輪協(xié)助船舶進港，其中兩艘布置在船頭，兩艘布置在船艉，以保證船舶在速度較低的情況下仍然能夠保持方向。

2）船舶航速應保持在5 kn左右以保證舵效，并且避免撞擊航道邊的現(xiàn)有碼頭和?？看啊?/p>

3）船舶操縱試驗結果表明在風速小于15 kn，橫流小于0.2 kn的情況下航道寬度125 m可滿足船舶操縱要求，但是考慮到距離航道邊有現(xiàn)有碼頭和?？看暗陌踩嚯x（考慮為0.5倍船寬，即23 m），則航道設計寬度建議取為148 m。

3.4 小 結

從設計案例中可以看出，由于進港航道掩護良好，沒有橫浪作用，因此國內(nèi)外規(guī)范對于船舶操縱帶寬度計算結果較為一致，主要差別在船岸富裕寬度的取值。PIANC規(guī)范取值較小，中國規(guī)范取值較大。而船舶操縱試驗結論與PIANC規(guī)范較為一致。

4 結 語

根據(jù)大量的國內(nèi)外工程項目和船舶操縱模擬試驗經(jīng)驗，在中國港口工程項目具體設計中仍需注意以下問題：

1）在橫浪較大的區(qū)域，國內(nèi)外規(guī)范對于船舶操縱帶寬度的計算可能會有一定差異，中國規(guī)范中沒有考慮橫浪和斜向波浪對于船舶操縱帶寬度的影響。

2）根據(jù)船舶操縱模擬試驗以及實際船舶操縱，導助航設施對于航道寬度的設計影響較大。中國規(guī)范中沒有明確規(guī)定導助航設置對于航道寬度設計的影響，而國外規(guī)范給出了針對不同導助航設施配置的船舶操縱帶寬度增加值。

3）不同類型的船舶，操縱性能差異較大，航行時的航跡帶寬度的差異也較大。國外規(guī)范中根據(jù)船舶操縱性能進行劃分，給出不同類型船舶的基本航跡帶寬度取值方法。中國規(guī)范中的航跡帶寬度計算方法并沒有體現(xiàn)船舶操縱性能差異對航跡帶寬度的影響，但針對不同類型的船舶，船岸富裕寬度取值不同，并且在計算船岸富裕寬度時綜合考慮了船舶操縱性能、貨品危險性等因素。而國外港工工程項目，可以按照所允許使用的國際標準進行初步設計。基于上述結論，為了更準確的確定航道寬度，建議可先通過理論方法初步計算航道寬度，再通過船舶操縱模擬試驗進一步驗證和確認。