李華強(qiáng)，王 烽，谷文強(qiáng)

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

在港口工程中，對(duì)于航道寬度的設(shè)計(jì)，《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》給出了明確的計(jì)算方法。隨著船舶的操縱性能和導(dǎo)助航設(shè)施等方面技術(shù)發(fā)展，本文結(jié)合對(duì)國(guó)內(nèi)外規(guī)范的系統(tǒng)研究，對(duì)于航道寬度的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了對(duì)比和分析，提出更為精確的設(shè)計(jì)方法供同行探討。

1 國(guó)內(nèi)外規(guī)范中航道寬度設(shè)計(jì)方法

1.1 中國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)方法

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 165-2013）[1]，航道通航寬度可由下列公式計(jì)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(xiàn)間的富裕寬度，m；b為船舶間的富裕寬度，m，取設(shè)計(jì)船寬B，當(dāng)船舶交會(huì)密度較大時(shí)，該富裕寬度可適當(dāng)增加；n為船舶漂移倍數(shù)；L為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，m；γ為風(fēng)、流壓偏角，°；B為船舶寬度，m。

影響航道尺度的因素復(fù)雜時(shí)，航道通航寬度應(yīng)進(jìn)行船舶操縱模擬試驗(yàn)驗(yàn)證，必要時(shí)可結(jié)合實(shí)船觀測(cè)等方式確定航道通航寬度。

1.2 日本規(guī)范設(shè)計(jì)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(guò)下列公式進(jìn)行計(jì)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(fēng)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(cè)面偏移影響的富裕寬度，m；WBA為考慮側(cè)壁影響的富裕寬度，m；WPA為考慮船舶會(huì)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(guó)規(guī)范（BS 6349）設(shè)計(jì)方法

英國(guó)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(duì)于航道寬度的概念設(shè)計(jì)基本是引用國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）規(guī)范《Harbor Approach Channels》[4]中的概念性描述，僅介紹了航道寬度設(shè)計(jì)的影響因素，包括船速，橫風(fēng)，橫流，順流，波浪情況，導(dǎo)航情況，底質(zhì)類(lèi)型，水深，危險(xiǎn)品貨物等。對(duì)于各參數(shù)詳細(xì)取值英國(guó)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(dǎo)意見(jiàn)，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(duì)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(yīng)避免設(shè)計(jì)為雙向航道。

英國(guó)規(guī)范BS 6349-1-1：2013中推薦通過(guò)數(shù)值模擬試驗(yàn)確定航道平面尺度，包括快速仿真試驗(yàn)（Fast-time Simulation）和實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)（Real-time Simulation）等手段。

1.4 美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)方法

美國(guó)海岸工程手冊(cè)《Coastal Engineering Manual》（CEM）[5]中將航道寬度的設(shè)計(jì)方法分為港內(nèi)航道設(shè)計(jì)和港外航道設(shè)計(jì)分別進(jìn)行論述。

1）港內(nèi)航道寬度設(shè)計(jì)

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

當(dāng)航道斷面不變、導(dǎo)航設(shè)施很好時(shí)，按表3計(jì)算。

表3 單向恒斷面導(dǎo)航設(shè)施良好航道寬度計(jì)算

當(dāng)航道斷面變化、導(dǎo)航設(shè)施一般時(shí)，按表4計(jì)算。

表4 單向變斷面導(dǎo)航設(shè)施一般航道寬度計(jì)算

若流速大于1.5 m/s（3.0 kn），設(shè)計(jì)航道寬度應(yīng)通過(guò)操船模擬試驗(yàn)論證得到。

有冰凍情況出現(xiàn)的航道，其設(shè)計(jì)寬度應(yīng)該在常規(guī)基礎(chǔ)上額外增加50 %～100 %。設(shè)計(jì)水深也需要增加冰塊富裕深度，取標(biāo)準(zhǔn)波浪富裕和0.5 m中的大值，因?yàn)樵谟斜鶋K的水域，冰會(huì)抑制波浪產(chǎn)生。

2）港外航道寬度設(shè)計(jì)

由于外海波浪水流更大，防波堤口門(mén)處復(fù)雜的波流情況、復(fù)雜的泥沙運(yùn)動(dòng)、波浪淺水變形以及防波堤或引堤等結(jié)構(gòu)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(jiǎn)單計(jì)算方法是取表3中的大值進(jìn)行計(jì)算。現(xiàn)在更傾向于利用綜合物理模型試驗(yàn)、船舶操縱仿真研究以及實(shí)船運(yùn)動(dòng)量測(cè)量等方法來(lái)確定港外航道寬度。

1.5 西班牙規(guī)范（ROM）設(shè)計(jì)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(jìn)行計(jì)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(cè)邊界因素的富裕寬度，m（例如，考慮兩側(cè)邊坡穩(wěn)定性而設(shè)置的富裕寬度）。

由于航道兩側(cè)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(xiàn)段航道的最小通航寬度可以按照下式計(jì)算：

在恒定環(huán)境條件下的直線(xiàn)段雙向航道通航寬度可用下式計(jì)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(cè)；be為考慮定位誤差而增加的富裕寬度。這個(gè)富裕寬度是由于真實(shí)的船舶位置和船長(zhǎng)通過(guò)信息手段和導(dǎo)助航設(shè)施估計(jì)的船舶位置之間的差距；如果不知道助航設(shè)施的特性，則be可以取設(shè)計(jì)船型的最大船寬用于初步研究；br為評(píng)估從檢測(cè)到船舶偏離理論位置到船舶修正措施生效這段反應(yīng)時(shí)間內(nèi)船舶偏離航線(xiàn)距離的富裕寬度；bb為考慮助航標(biāo)志系統(tǒng)誤差的航道富裕寬度；rhsm為考慮船舶航行時(shí)不受航道兩側(cè)邊界岸吸或者反射作用影響而增加的安全距離，這個(gè)安全距離可能兩側(cè)是不一樣的；rhsd為船舶和航道邊界在任何情況下都應(yīng)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(shí)為了抵抗風(fēng)、浪、流和拖輪作用而設(shè)置的偏航角導(dǎo)致增加的航跡帶寬度，m，計(jì)算公式如下：

其中：Lpp為船舶垂線(xiàn)間間距，m；β為船舶偏航角，°，風(fēng)、流、浪和拖輪同時(shí)作用導(dǎo)致的船舶偏航角計(jì)算如下：

這個(gè)計(jì)算結(jié)果為代數(shù)值，因此每個(gè)計(jì)算分量都應(yīng)考慮正負(fù)號(hào)。

1.6 國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)規(guī)范（PIANC）設(shè)計(jì)方法

國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）規(guī)范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[4]針對(duì)航道寬度設(shè)計(jì)給出了兩個(gè)階段的設(shè)計(jì)方法，分別為概念設(shè)計(jì)方法（基于經(jīng)驗(yàn)方法）和詳細(xì)設(shè)計(jì)方法。

在概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)環(huán)境條件的物理參數(shù)和其他信息對(duì)航道寬度做出初步評(píng)估。因?yàn)楦拍钤O(shè)計(jì)方法計(jì)算快速、不要求輸入過(guò)多的參數(shù)，因此能夠快速評(píng)估比較方案。概念設(shè)計(jì)方法計(jì)算出的航道寬度相對(duì)保守，可以使用詳細(xì)設(shè)計(jì)方法進(jìn)一步優(yōu)化。

詳細(xì)設(shè)計(jì)方法是更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法，可以使用物理模型、數(shù)值模型和仿真模擬模型進(jìn)行船舶操縱、交通流量和風(fēng)險(xiǎn)分析。

在大部分情況下，在航道的初步設(shè)計(jì)中使用概念設(shè)計(jì)方法是滿(mǎn)足要求的。但是使用概念設(shè)計(jì)方法不能滿(mǎn)足比選方案的要求時(shí)，應(yīng)使用更準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)方法。

PIANC規(guī)范中給出的單向航道和雙向航道的計(jì)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(fēng)、流、浪、導(dǎo)助航設(shè)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(duì)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(cuò)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(shè)計(jì)中一般先不考慮。

2 各國(guó)規(guī)范中的航道寬度設(shè)計(jì)方法總結(jié)

中國(guó)規(guī)范《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]航道寬度設(shè)計(jì)方法中僅考慮了風(fēng)、流、船岸間距和危險(xiǎn)品等影響因素，其他因素均未考慮。航跡帶寬度計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)取值方法基本沿用上世紀(jì) 90年代舊版規(guī)范中的計(jì)算方法，具體來(lái)源已無(wú)從考據(jù)，并且隨著船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)，這些相關(guān)計(jì)算公式和參數(shù)取值方法需要重新進(jìn)行論證，應(yīng)謹(jǐn)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(xì)參數(shù)設(shè)計(jì)方法，此方法是基于大量的船舶操縱試驗(yàn)得出的，基本考慮了相關(guān)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(guó)規(guī)范 BS 6349-1-1：2013[3]明確指出建議航道寬度設(shè)計(jì)方法參考PIANC規(guī)范。

美國(guó)規(guī)范CEM[5]中常常提及和介紹PIANC方法。需要指出的是，美標(biāo)中關(guān)于寬度的計(jì)算適用于初步設(shè)計(jì)階段或更前期的初期設(shè)計(jì)階段，對(duì)于最終的寬度確定各規(guī)范均建議通過(guò)仿真模擬、操船試驗(yàn)等手段來(lái)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(shè)計(jì)方法和半概率設(shè)計(jì)方法，確定性設(shè)計(jì)方法是基于大量的船舶操縱試驗(yàn)得出的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，基本考慮了相關(guān)影響因素，但ROM并未將危險(xiǎn)品列為增加航道寬度的因素之一。而半概率設(shè)計(jì)方法是通過(guò)船舶操縱模擬器、小比例物理模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)或相似的方法實(shí)現(xiàn)的，并針對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出。ROM 中特別指出，即使采用了相關(guān)模擬試驗(yàn)，但是在試驗(yàn)中不能模擬的相關(guān)影響因素仍需考慮，對(duì)此可采用確定性設(shè)計(jì)方法取值。

PIANC《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[4]中詳細(xì)介紹了航道寬度的概念設(shè)計(jì)方法和詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，概念設(shè)計(jì)方法即為基本操縱帶寬度與其他各影響因素導(dǎo)致的富裕寬度之和，基本考慮了相關(guān)影響因素，計(jì)算簡(jiǎn)單便捷，在國(guó)外工程項(xiàng)目中得到了廣泛的認(rèn)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(xiǎn)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(xiǎn)品考慮為增加航道寬度的因素之一，僅建議采用相關(guān)的安全作業(yè)措施。而該規(guī)范給出的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法中，包含了參數(shù)設(shè)計(jì)方法和試驗(yàn)?zāi)M方法，其中參數(shù)設(shè)計(jì)方法引用了日本規(guī)范和西班牙規(guī)范中的航道寬度計(jì)算方法；試驗(yàn)?zāi)M方法則介紹了船舶通航/操縱仿真模擬試驗(yàn)和交通流量仿真模擬試驗(yàn)。

從各國(guó)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)在航道寬度設(shè)計(jì)時(shí)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(guó)內(nèi)外航道寬度設(shè)計(jì)案例分析

國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)（PIANC）規(guī)范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》中的航道水深設(shè)計(jì)方法在海外港口工程項(xiàng)目中認(rèn)可度最高，使用范圍最廣，下面以巴拿馬某 LNG碼頭工程為實(shí)例，使用PIANC規(guī)范和中國(guó)規(guī)范計(jì)算航道寬度，同時(shí)與船舶操縱模擬試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

本工程中擬建設(shè)碼頭最大設(shè)計(jì)船型為17萬(wàn)m3LNG船舶，船長(zhǎng)294.5 m，船寬46.4 m，船舶滿(mǎn)載吃水11.6 m。船舶在進(jìn)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(jìn)港航道掩護(hù)條件較好，航道設(shè)計(jì)風(fēng)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(méi)有橫向波浪。

3.1 按照中國(guó)規(guī)范計(jì)算航道寬度

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)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(xiàn)航道通航寬度可按下式計(jì)算：

式中：c為船舶與航道底邊線(xiàn)間的富裕寬度，m，由于航速6 kn，則c取設(shè)計(jì)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(fēng)、流壓偏角γ=3o；航道寬度W=111.9+2×46.4=204.7 m。航道設(shè)計(jì)寬度取205 m。

3.2 按照國(guó)外規(guī)范計(jì)算航道寬度

PIANC《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》詳細(xì)介紹了航道寬度的概念設(shè)計(jì)方法和詳細(xì)設(shè)計(jì)方法，概念設(shè)計(jì)方法即為基本操縱帶寬度與其他各影響因素導(dǎo)致的富裕寬度之和，基本考慮了相關(guān)影響因素，計(jì)算簡(jiǎn)單便捷，在國(guó)外工程項(xiàng)目中得到了廣泛的認(rèn)可和使用，本節(jié)通過(guò)該規(guī)范的概念設(shè)計(jì)方法進(jìn)行航道寬度計(jì)算，具體計(jì)算見(jiàn)表5。

因此按照 PIANC規(guī)范的概念設(shè)計(jì)方法計(jì)算航道寬度，得出航道設(shè)計(jì)寬度為144 m。

需要說(shuō)明的是，此方法僅適用于項(xiàng)目前期設(shè)計(jì)階段，在施工圖設(shè)計(jì)階段，航道設(shè)計(jì)寬度應(yīng)通過(guò)船舶操縱試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和確定。

表5 有掩護(hù)開(kāi)挖航道寬度計(jì)算（PIANC）

3.3 按照船舶操縱模擬試驗(yàn)確定航道寬度

巴拿馬 LNG碼頭項(xiàng)目采用了船舶操縱模擬試驗(yàn)確定航道寬度，試驗(yàn)采用全任務(wù)模擬器進(jìn)行操縱模擬，船舶操縱試驗(yàn)結(jié)論如下：

1）當(dāng)船舶進(jìn)港船速較低時(shí)應(yīng)采用 4艘拖力為50 t的全回轉(zhuǎn)拖輪協(xié)助船舶進(jìn)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(yīng)保持在5 kn左右以保證舵效，并且避免撞擊航道邊的現(xiàn)有碼頭和停靠船舶。

3）船舶操縱試驗(yàn)結(jié)果表明在風(fēng)速小于15 kn，橫流小于0.2 kn的情況下航道寬度125 m可滿(mǎn)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(shè)計(jì)寬度建議取為148 m。

3.4 小 結(jié)

從設(shè)計(jì)案例中可以看出，由于進(jìn)港航道掩護(hù)良好，沒(méi)有橫浪作用，因此國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)于船舶操縱帶寬度計(jì)算結(jié)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(guó)規(guī)范取值較大。而船舶操縱試驗(yàn)結(jié)論與PIANC規(guī)范較為一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)大量的國(guó)內(nèi)外工程項(xiàng)目和船舶操縱模擬試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在中國(guó)港口工程項(xiàng)目具體設(shè)計(jì)中仍需注意以下問(wèn)題：

1）在橫浪較大的區(qū)域，國(guó)內(nèi)外規(guī)范對(duì)于船舶操縱帶寬度的計(jì)算可能會(huì)有一定差異，中國(guó)規(guī)范中沒(méi)有考慮橫浪和斜向波浪對(duì)于船舶操縱帶寬度的影響。

2）根據(jù)船舶操縱模擬試驗(yàn)以及實(shí)際船舶操縱，導(dǎo)助航設(shè)施對(duì)于航道寬度的設(shè)計(jì)影響較大。中國(guó)規(guī)范中沒(méi)有明確規(guī)定導(dǎo)助航設(shè)置對(duì)于航道寬度設(shè)計(jì)的影響，而國(guó)外規(guī)范給出了針對(duì)不同導(dǎo)助航設(shè)施配置的船舶操縱帶寬度增加值。

3）不同類(lèi)型的船舶，操縱性能差異較大，航行時(shí)的航跡帶寬度的差異也較大。國(guó)外規(guī)范中根據(jù)船舶操縱性能進(jìn)行劃分，給出不同類(lèi)型船舶的基本航跡帶寬度取值方法。中國(guó)規(guī)范中的航跡帶寬度計(jì)算方法并沒(méi)有體現(xiàn)船舶操縱性能差異對(duì)航跡帶寬度的影響，但針對(duì)不同類(lèi)型的船舶，船岸富裕寬度取值不同，并且在計(jì)算船岸富裕寬度時(shí)綜合考慮了船舶操縱性能、貨品危險(xiǎn)性等因素。而國(guó)外港工工程項(xiàng)目，可以按照所允許使用的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)?；谏鲜鼋Y(jié)論，為了更準(zhǔn)確的確定航道寬度，建議可先通過(guò)理論方法初步計(jì)算航道寬度，再通過(guò)船舶操縱模擬試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證和確認(rèn)。