港口回旋水域平面尺度設計方法探討

谷文強，馬志強（.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 5030；.中交天津港灣工程設計院有限公司 大連分公司，遼寧 大連 60）

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港口回旋水域平面尺度設計方法探討

谷文強1，馬志強2
（1.中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交天津港灣工程設計院有限公司 大連分公司，遼寧 大連 11601）

本文通過對船舶回旋操縱的影響因素分析及國內外通用規范和標準中的相關規定比較和船舶操縱試驗的系統研究，對港口回旋水域平面尺度的設計方法進行了探討，供有關設計人員參考。

回旋水域；船舶操縱；平面尺度

引　言

本文對港口工程回旋水域的船舶操縱的影響因素進行了詳細分析，并結合國內外規范中的相關規定和船舶操縱試驗的研究系統地總結了回旋水域平面尺度設計的方法。

1　回旋水域設計考慮因素

1.1人的因素的影響

人的因素包括操船人員（船長或引航員）的知識、經驗、技能、對港口的了解程度、環境和船舶對人造成的心理壓力等。知識和經驗越豐富、技能越熟練、對港口越了解、心理承受能力越強的操船人員靠離泊作業，所需的回旋水域尺度越小。

1.2船舶因素的影響

船舶因素的影響主要考慮船舶種類、船舶尺度、載重狀態、進港船速、船舶主機與舵機的運行可靠性、側推器輔助、以及船舶靠離泊方式等。

1）船舶種類

船舶種類對于回旋水域設計有一定影響，例如危險品船往往需要更多的安全富裕，集裝箱船、LNG船和滾裝船等受風面積較大的船舶，受到風的影響更大，從而增加了回旋水域的尺度。

2）船舶尺度

船舶尺度對于回旋水域設計有直接的影響，船長越大，所需的回旋尺度越大。

3）載重狀態

從船舶的載重情況來看，既有滿載進港壓載出港的船舶，又有壓載進港滿載出港的船舶；對于集裝箱船，可能更多的是半載進出港。不同種類的船舶操縱性能相差較大；同一船舶在不同的載重情況下，表現出的旋回性、舵效，及其受風流等外界條件的影響程度也不一樣，這些因素均會給船舶操縱人員帶來不同的困難。

4）船舶航行速度

橫風、橫流較大時，船速過低可能造成船舶橫向漂移過大，導致較大的風流壓差角和占用水域寬度。另外，船速低還會產生舵效較差的問題，很難有效地對船首向加以控制。船速過高又可能造成船體下沉量增大，船舶所需的回旋水域增大。下沉量的增大，不但減小船體水下的富余水深，還會造成較大的淺水效應，致使船舶舵效變差，旋回性能下降；船速太高還會使船舶慣性增大，使減速所需距離增大，不利于在避讓時或緊急情況下采取有效措施。

5）船舶主機與舵機的運行可靠性

要充分估計船舶操縱中主機、舵機可能出現故障的情況，做好充分準備，以便啟動應急措施。

6）船舶側推器

側推器功率越大，所需的回旋水域尺度越小。而沒有側推器的船舶，則完全需要拖輪協助回旋。

7）船舶靠離泊方式

選擇船舶靠離泊方式時，主要考慮船舶的載重情況，滿載進港的船舶選擇直靠，壓載掉頭離泊；壓載進港的船舶掉頭靠，直離。這種方式的優點是：船舶在壓載掉頭時，排水量小、慣性小、舵效及旋回性均較好，容易控制。

1.3環境因素的影響

1）風

風力：在其他條件相同的情況下，風力越大，風對船舶操縱的影響越明顯。

風舷角：風舷角接近0°或180°（即船舶頂風或順風）時，風對船舶縱向移動速度影響較大；而當風舷角接近 90°（即船舶正橫風）時，船舶橫向漂移速度影響較大。

船舶受風面積：船舶吃水越大，受風面積越小，在其他條件相同的情況下，風對船舶操縱的影響越小。

風的作用時間及船舶速度：在其他條件相同的情況下，風的作用時間越長及船舶速度越小，風對船舶操縱的影響越大。

2）水流

流速：在其他條件相同的情況下，流速越大，流對船舶操縱的影響越明顯。

漂角：漂角接近0°或180°（即船舶頂流或順流）時，流對船舶縱向移動速度影響較大；而當漂角接近 90°（即船舶正橫受流）時，船舶橫向漂移速度影響較大。

船體浸水面積：船舶吃水越大，船體浸水面積越大，在其他條件相同的情況下，流對船舶操縱的影響越大。

船舶速度：在其他條件相同的情況下，船舶速度越小，流對船舶操縱的影響越大。

3）波浪

風浪、涌浪會導致船舶橫搖和垂蕩，一方面會增加吃水，另一方面增加船舶對護舷的沖擊力和系纜及纜樁的沖擊負荷；對靠離泊操縱中的船舶，除增加船舶的吃水外，主要是影響拖輪性能的有效發揮。頂推時，拖輪將會沿大船船體上下跳動，不僅會損壞拖輪護舷，還會對大船形成撞擊；拖曳時，可能因拖輪的搖擺顛簸而發生斷纜；在長時間搖擺顛簸的拖輪上工作，駕駛員執行引航員指令的準確性、及時性均會受到影響，無法保證大船靠離操縱作業的安全。一般風浪、涌浪對船舶操縱的影響以能夠發揮拖輪的效率為限。

1.4拖輪因素的影響

協助船舶回旋的拖輪的數量和功率，都對回旋水域的尺度有較大影響。拖輪數量越多和功率越大，協助船舶回旋操縱的效果越好，所需要的回旋水域尺度越小。但是拖輪數量如果過多，會造成船長或引航員的指揮無法兼顧，一般回旋作業配備的拖輪數量為2～6個。

1.5到港船舶密度的影響

對于到港船舶密度較小的港口，通過加長回旋作業時間，回旋水域尺度可以適當減??；而對于到港船舶密度較大的港口，較長的回旋作業時間會加長其它船舶的待泊時間，那么應該適當加大回旋水域尺度以減少回旋作業時間。

2　各國規范中的回旋水域尺度要求

2.1中國規范

根據《海港總體設計規范》JTS 165-2013，船舶回旋水域應設置在進出港或方便船舶靠離碼頭的位置。其尺度應考慮當地風浪流等條件、船舶自身性能和港作拖輪配備等因素，可按表1確定?；匦虻脑O計水深可取航道設計水深。對貨物流向單一的專業碼頭，經論證后，部分回旋水域可按船舶壓載吃水計算。

表1　船舶回旋水域尺度

2.2日本規范

根據日本規范《OCDI：Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan》，對于港口回旋水域直徑的規定如下：

當沒有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為3倍設計船長；當有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為2倍設計船長。

對于小船港，在特殊情況下（水域狹窄），船舶利用拋錨、風和潮流回旋時，回旋水域尺度如下：

當沒有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為2倍設計船長；當有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為1.5倍設計船長。

2.3英國規范

根據英標 6349-1-1《Maritime works-Part1-1：General-Code of Practice for Planning and Design for Operations》，在前期設計階段，對于有拖輪協助的情況，回旋水域只可以布置成直徑為1.8～2倍設計船長的圓；對于裝有船艏和船艉側推器的船舶（例如現代集裝箱船和郵輪），回旋水域直徑可以減小到 1.5～1.6倍設計船長。當沒有拖輪協助時，回旋水域直徑需要增大到4倍設計船長。當橫流或者橫風作用較大的回旋水域，應布置成橢圓形。

對于滾裝碼頭或輪渡碼頭，如果碼頭結構可以用來協助回旋，則回旋水域可以進一步減小。

在詳細設計階段，回旋水域尺度需要通過數模船舶操縱試驗進行分析驗證。

2.4美國國防部規范（UFC）

根據美國國防部設計規范 UFC《Military Harbors and Coastal Facilities》，對于港口回旋水域直徑的規定如下：

當沒有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為4倍設計船長；當沒有拖輪協助、操縱條件較好時，回旋圓直徑宜為2倍設計船長；當有拖輪協助、風和流影響不大時，回旋圓直徑宜為1.5倍設計船長。

2.5美國土木工程師協會（ASCE）規范

根據美國土木工程師協會（ASCE）《Design of Marine Facilities for the Berthing，Mooring and Repair of Vessels》，對于港口回旋水域的規定如下：

當沒有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為4倍設計船長；當有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為2倍設計船長；當借助碼頭或轉頭墩協助轉頭時，回旋圓直徑最小可為1.2倍設計船長。

2.6美國陸軍工程師團（USACE）規范

根據美國陸軍工程師團（USACE）規范《 Hydraulic Design of Deep-Draft Navigation Projects》和《Coastal Engineering Manual》，對于港口回旋水域直徑的規定一致，具體如下：

正常情況下，大船回旋需要拖輪協助，

當流速小于等于0.3m/s（0.5節）時，回旋圓直徑宜為1.2倍設計船長；

當流速大于0.3m/s（0.5節）小于0.8m/s（1.5節）時，回旋圓直徑宜為1.5倍設計船長；

當流速大于0.8m/s（1.5節）時，回旋水域在水流方向應加長，具體尺度應根據船舶操縱模擬試驗來確定；

當船舶受風面積較大且設計風速超過12.9m/s （25節）時，回旋水域尺度應根據船舶操縱模擬試驗來確定。

2.7國際航運協會（PIANC）規范

根 據PIANC規 范 《 Harbor Approach Channels-Design Guidelines》，在概念設計階段，對于港口回旋水域直徑的規定如下：

當沒有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為3倍設計船長；當有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為2倍設計船長。

在詳細設計階段，應通過船舶操縱試驗來驗證和優化回旋水域尺度。

2.8國際港口協會（IAPH）規范

根據國際港口協會（IAPH）規范《Guidelines For Port Planning and Design》，回旋圓直徑為2倍設計船長。

2.9《Port Designer's Handbook》

根據《Port Designer's Handbook》，對于港口回旋水域直徑的規定如下：

當自然條件、回旋水域條件一般或困難、沒有拖輪協助、不使用側推器時，回旋圓直徑宜為4倍設計船長；

當自然條件、回旋水域條件一般或困難、有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為2倍設計船長；

當自然條件、回旋水域條件良好、沒有拖輪協助、不使用側推器時，回旋圓直徑宜為3倍設計船長；

當自然條件、回旋水域條件良好、有拖輪協助時，回旋圓直徑宜為1.6倍設計船長；

當自然條件、回旋水域條件良好、有拖輪協助、使用推進器和船舵協助時，回旋圓直徑宜為1.5倍設計船長；

當借助碼頭或轉頭墩協助轉頭時，回旋圓直徑最小可為1.2倍設計船長。

3　船舶操縱模擬試驗

回旋水域平面尺度，可以通過船舶操縱試驗驗證和確定。船舶操縱模擬試驗分為快速仿真試驗（Fast-time Simulation）和實時仿真試驗（Real-time Simulation）。

3.1快速仿真試驗

快速仿真試驗是使用計算機程序模擬船舶和拖輪駕駛員的操作，這種方法只適用于模擬某些簡單環境的操作，例如沒有連續轉彎或者復雜彎道的航道。對于回旋水域中船舶的操縱模擬，這種試驗一般不適用，需要使用實時仿真試驗進行模擬。

3.2實時仿真試驗

實時仿真試驗是通過真實的船舶駕駛員或引航員，在仿真的駕駛室中進行船舶操縱模擬。

根據仿真程度劃分，實時仿真模擬試驗分為部分任務仿真模擬器和全任務仿真模擬器。部分任務仿真模擬器配備了部分視角的顯示器屏幕（有的是一個顯示器、有的是 90°視角或 120°視角顯示器）、真實的船舶駕駛橋和拖輪控制面板（沒有配備單獨的拖輪駕駛橋和駕駛員）。最先進的實時仿真模擬器是全任務仿真模擬器，具備 360°視角的顯示器屏幕、真實的船舶駕駛橋和單獨的拖輪駕駛橋等，真實地模擬了實際操船情況，并完全考慮了人的影響因素，可以精確地模擬真實的船舶操縱。

國際航運協會規范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》規定，在工程評估和方案比選階段，可以使用不太先進的模擬器進行船舶操縱模擬試驗；而對于最終方案的確定和驗證，需要使用全任務模擬器。

4　結　語

回旋水域平面尺度設計各國規范的規定比較相似，當有拖輪協助時一般情況大型船舶回旋圓直徑取2倍設計船長也是滿足安全操作需要的。對于自航轉頭的小型船，如配有側推，其回旋水域較小，甚至能原地轉頭，一般?。?.2～1.5）L；如沒有船舶側推器和拖輪協助，其回旋圓直徑較大，多在（3～4）L。

在港口建設工程中，回旋水域尺度的確定對安全和經濟影響具有較大影響，在設計時對于工程水域受到局限的情況，不僅要考慮相關規范的規定，還應結合船舶操縱模擬試驗進行相應的方案比選和論證，以達到經濟、安全和合理的設計目的。

［1］JTS 165-2013 海港總體設計規范［S］.

［2］OCDI Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan［S］.

［3］BS 6349-1-1：2013 Maritimeworks-Part 1-1：General-Code of Practice for Planning and Design for Operations［S］.

［4］UFC Military Harbors and Coastal Facilities［S］.

［5］ASCE Design of Marine Facilities for the Berthing，Mooring and Repair of Vessels［S］.

［6］USACE Hydraulic Design of Deep-Draft Navigation Projects［S］.

［7］USACE Coastal Engineering Manual［S］.

［8］PIANCHarborApproachChannels-Design Guidelines［S］.

［9］IAPH Guidelines For Port Planning and Design［S］.

［10］Port Designer's Handbook：3rd Edition.

Analysis on Design Method of Plane Dimension for Port Turning Basin

Gu Wenqiang1，Ma Zhiqiang2
（1.CCCC-FHDI Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510230，China； 2.Dalian Branch，Tianjin Port Engineering Design & Consulting Co.，Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116011，China）

According to the analysis of affecting factors on ship turning operation，the comparison of relevant rules in the international and Chinese universal standards and codes，and the systematic study on ship operation test，the design method of plane dimension for port turning basin has been analyzed，which will serve as a reference for the design engineers.

turning basin； ship operation； plane dimension

U653.3

A

1004-9592（2016）04-0031-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160408

2015-10-08

谷文強（1984-），男，工程師，主要從事港口與航道工程設計工作。