呂 威，呂世昌，楊 海

(中國港灣工程有限責任公司，北京 100027)

近年來，隨著國際貿易及國際海運市場的蓬勃發(fā)展，船舶大型化趨勢明顯，亞非拉等欠發(fā)達地區(qū)落后的港口條件已難以滿足市場需求，亟需升級改造，相應帶來了諸多航道竣深拓寬工程。目前國內關于航道的研究主要以中國、日本及西班牙等規(guī)范為主，對比各規(guī)范的不同考慮因素，或提出基于概率論等航道設計方法[1-6]，并未有詳細針對歐美主流規(guī)范的適用性研究。同時，受地區(qū)經濟條件限制的原因，項目融資渠道多為世界銀行等國際金融組織，因此對此類項目的規(guī)范通常明確為歐美規(guī)范。但關于港口航道工程航道水深，歐美規(guī)范與中國標準出入較大，且各國規(guī)范規(guī)定亦不盡相同[7-8]。在境外工程投標或者實施過程中，因標準選用問題造成了航道建設成本和運營風險增加，為指導中資企業(yè)選用歐美規(guī)范及幫助中國規(guī)范“走出去”，本文選取了境外工程中最為常用的PIANC規(guī)范、英標、加拿大及美國標準進行詳細的對比分析，通過案例計算印證了各規(guī)范的計算結果，論證在不同設計階段及港口資料情況下如何更為合理地選取適當規(guī)范進行航道底高程計算，說明了中國規(guī)范走向國際化可考慮完善的方向，為企業(yè)在境外開展此類工程提供參考和借鑒。

1 歐美規(guī)范航道水深計算方法及與中國規(guī)范對比

1.1 航道水深計算構成及示意圖

歐美主流規(guī)范對航道水深通用規(guī)定由3部分組成，即水位因素參數(shù)、船舶相關參數(shù)及航道底質相關參數(shù)，但各部分的具體考慮因素及計算方法規(guī)定不同。

1.1.1PIANC

水位因素為航行中潮位變化(tidal)、不利天氣潮位富余(weather)。船舶因素為船舶縱傾在內的滿載吃水(draught plus trim)、滿載吃水富余(uncertainties)、海水密度變化(density)、船舶航行下沉值(squat)、風及轉彎影響富余(dynamic heel)、波浪富余(wave)、龍骨富余水深(net UKC)。底質因素為測量誤差、備淤深度和疏浚超深。見圖1。

圖1 PIANC關于航道水深計算圖示及構成

1.1.2英標

設計實際水深因素為設計船型最大滿載吃水(draught)、潮位變化(tidal)、波浪引起的船舶運動(wave)、船舶裝卸引起的縱傾(trim)、船舶航行下沉(squat)、大氣壓力引起的船舶下沉(atmospheric pressure)、龍骨富余深度(net UKC)、測量及疏浚誤差、備淤深度等。見圖2。

圖2 英標關于航道水深計算圖示

1.1.3加拿大標準

設計實際水深因素為設計船型滿載吃水(draught)、船舶縱傾(drim*)、船舶航行下沉(squat)、掩護條件富余(exposure)、海水密度(fresh)、龍骨富余(net UKC)、超深富余(over depth)、水深變化(depth transition)、潮位高(tidal)。見圖3。

圖3 加拿大標準關于航道水深計算圖示

1.1.4美國標準

設計實際水深因素為設計船型滿載吃水(draught)、淡水密度變化(fresh)、波浪引起下沉(wave)、船舶航行下沉(squat)、龍骨富余(net UKC)、超深富余(advance maintenance)、疏浚超深(dredging tolerance)。見圖4。

圖4 美國標準關于航道水深計算圖示

1.1.5中國規(guī)范

航道通航水深及設計水深的計算，按下列公式計算：

D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3

(1)

D=D0+Z4

(2)

式中：D0為航道通航水深(m)；T為設計船型滿載吃水(m)；Z0為船舶航行時船體下沉值(m)；Z1為航行時龍骨下最小富余深度(m)；Z2為波浪富余深度(m)；Z3為船舶裝載縱傾富余深度(m)；D為航道設計水深(m)；Z4為備淤深度(m)。

1.2 歐美規(guī)范航道水深構成取值標準

基于上述航道水深計算圖示，對比分析歐美主流規(guī)范關于航道水深的計算，見表1。

表1 歐美主流規(guī)范的航道水深取值及計算方法對比

對加拿大規(guī)范而言，大型船舶通行時，龍骨下富余與掩護條件之和應取值大于1.0 m；且航道水深變化時，由深水區(qū)向淺水區(qū)變化時，船行下沉值應擴大15%～20%。

英標規(guī)范規(guī)定航道水深在6 kn航速以下應大于1.3倍船舶吃水，航速更高時應提高至1.5倍船舶吃水。

對比可知，中國規(guī)范對于航道水深取值以經驗圖標為主，未列明詳細計算，船舶縱傾、波浪富余及船行下沉值未考慮設計船型具體尺寸等，在境外工程應用時應結合其他歐美規(guī)范予以適當修正。

1.3 各規(guī)范船行下沉量計算公式(squat)

規(guī)范中各航道深度參數(shù)的計算中，船舶航行下沉量最為復雜，影響也較大。常根據(jù)航道形式采用不同的經驗公式計算，其中航道形式根據(jù)岸坡邊界條件劃分為3種類型：運河型(canal)、渠型(trench)和通敞型(fairway)，見圖5。

圖5 航道形式

1.3.1美國規(guī)范船行下沉值squat的計算

通敞型航道，船行下沉值為：

(3)

式中：Z為船行最大下沉值(m)；B為船寬(m)；T為船舶吃水(m)；L為船長(m)；h航道水深(m)；CB為船舶的方形系數(shù)；v為船行速度(km/h).

運河型航道，船行下沉值為：

(4)

其中

(5)

式中：FL為弗勞得系數(shù)；g為重力加速度9.8 m/s2；h為航道水深(m)；vL為船行速度(km/h)。

渠型航道，船行下沉值基于通敞型航道及運河型航道的平均值計算：

(6)

式中：h1、h2分別為兩側水深(m)；h為渠型航道水深(m)；Z為通敞型航道船行下沉值(m)；ZL為運河型航道船行下沉值(m)。

1.3.2PIANC船行下沉值squat的計算

船舶航行下沉值為Smax(m)，通過Barrass、Yoshimura、Icorels等9個經驗公式計算確定，因9個公式適用情況不盡相同，通常全部計算后取平均值使用，見表2。

表2 PIANC關于船行下沉值的計算公式及適用條件

1.3.3加拿大規(guī)范船行下沉值squat的計算

計算公式推薦為：

(7)

2 境外航道工程底高程計算依據(jù)及適用性

2.1 歐美規(guī)范計算因素特征

對比各規(guī)范的具體考慮因素及計算過程可知，PIANC規(guī)范于歐美主流規(guī)范中考慮因素最為全面，且各因素均規(guī)定有取值范圍或經驗公式計算，將掩護條件細化為風、浪及轉彎因素等，見表3。英標規(guī)范相對規(guī)定最為寬泛，僅描述了航道水深設計需要考慮的因素，通過對比設計船型吃水的放大系數(shù)進行計算。美國標準及加拿大比較相近，不同的是美標認為船舶縱傾可與船行下沉相抵消，因此不予考慮船舶縱傾；加拿大標準將風、浪及轉彎等外部影響因素通過掩護條件等級進行了量化，未有計算，而美國標準將波浪的影響參考了PIANC計算，風向的因素未予考慮，因此若設計航道受強橫風影響時，使用美國規(guī)范應注意該影響因素。在龍骨富余深度及底質富余(涵蓋測量誤差、疏浚超深及備淤深度)等各規(guī)范均給出了相應的參考值，其中美國標準該數(shù)值偏大。

表3 PIANC概念設計階段航道水深的取值

2.2 適用性分析

PIANC規(guī)范將航道設計水深劃分為概念設計及詳細設計兩個階段，上述圖表因素及公式針對詳細設計階段規(guī)定，而在概念設計階段，PIANC提出了簡化公式估算，即為

Hcd=Fs+Sk

(8)

式中：Hcd為航道設計水深；Fs為船舶因素航道深度(m)，根據(jù)表3取值；Sk為橫搖下沉深度：

(9)

式(9)僅適用于集裝箱及滾裝車輛船舶時考慮并使用，其中Fk為船底龍骨系數(shù)，取值0.76～0.90，φWR為側傾角度，取值1°～2°。

境外航道疏浚工程通常劃分為3個階段，由淺入深分別為概念設計、可行性研究設計及詳細設計階段。結合上述典型規(guī)范的計算特征，PIANC概念設計公式及其它主流規(guī)范均可使用，但受限于前期氣象資料限制等，美標及加拿大標準無法準確計算船行下沉值等；在詳細設計階段，適用PIANC詳細設計計算規(guī)范、美標和加拿大標準。常見歐美咨工針對境外工程的航道設計較多使用PIANC及加拿大規(guī)范，且兩者相互計算對比并校正，最后通過船舶操縱模擬試驗進行驗證和優(yōu)化。

3 工程案例

3.1 案例1—坦桑尼亞達雷斯薩拉姆港

案例1港口位于非洲東海岸某瀉湖灣內，風浪掩護條件好，因升級改造，需要對現(xiàn)有航道進行浚深，并延長加寬。經市場分析研究，設計船型確定為超巴拿馬集裝箱船，船長為267 m、垂線間長尾253.7 m、船寬37.4 m、最大吃水13.5 m，設計船型為6.5萬DWT集裝箱船，方形系數(shù)為0.65，外航道船行速度設計為9 kn，以該項目的外海航道為例進行計算對比，船行下沉量結果見表4、5。

表4 案例1船行下沉值對比計算

表5 案例1設計水深各規(guī)范對比 m

3.2 案例2—坦桑尼亞坦噶港

案例2港口位于坦桑尼亞北部海灣內，因港口常年失修，航道水深僅為3 m左右，遠洋船舶無法進港，通過水上過駁作業(yè)裝卸貨物，現(xiàn)政府提出重新改擴建該港口并浚深航道。經市場分析研究，設計船型確定為3.5萬DWT集裝箱船，船長為222 m、垂線間長尾211 m、船寬32.2 m、最大吃水11.1 m，方形系數(shù)為0.61，外航道船行速度設計為6 kn，以其外航道設計水深計算為例，對比計算船行下沉量結果見表6、7。

表6 案例2船行下沉值對比計算

表7 案例2設計水深各規(guī)范對比 m

由計算結果對比可見，PIANC規(guī)范對影響水深的各因素考慮比較全面且有具體計算的依據(jù)，而美國規(guī)范較多參考了PIANC的計算，且兩者考慮因素相近，兩者總體結果相近且偏保守；英國規(guī)范以總體測算為主，水深計算結果偏大；加拿大規(guī)范將風浪因素等通過掩護條件量化，結果較上述規(guī)范偏??；中國規(guī)范以經驗取值為主，未考慮航道外部掩護條件，船行下沉取值僅考慮船舶噸級及航速，未考慮不同貨種船舶的尺寸在航行中的影響，亦未考慮風的影響等，計算結果偏小，假如在境外工程中應用中國規(guī)范時，應結合境外規(guī)范適當補充未考慮的因素。

總體來看，在境外工程設計時，規(guī)范的選取及應用，可結合本文分析根據(jù)項目的具體特征及階段進行判斷適用。

4 結語

1)因考慮因素及計算方法不同，歐美主流規(guī)范針對航道水深計算結果不同，造成工程報價出入，因此投標報價時應重視規(guī)范選取，可根據(jù)各規(guī)范進行計算對比最終確定。

2)船行下沉值對航道水深影響較大，歐美主流規(guī)范對船行下沉值計算方法出入較大、公式繁多，計算時可統(tǒng)一計算做對比分析。

3)針對不同設計階段，各規(guī)范適用性不同，其中PIANC的航道水深計算偏重理論計算，更具通用性，加拿大及美國規(guī)范計算相對簡便。

4)中國規(guī)范以經驗取值為主，境外工程推出中國規(guī)范時可適當對比歐美規(guī)范補充航道掩護條件、風及船舶尺寸在航行中引起的下沉值計算。

5)詳細設計階段，建議根據(jù)各規(guī)范計算設計后，通過船舶操縱模擬試驗進行優(yōu)化論證。