采用UKC模型及概率方法優(yōu)化航道設(shè)計(jì)水深

柯維林，王志剛

（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）

0 引言

目前國(guó)際上港口航道的水深設(shè)計(jì)一般采用PIANC（國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)）（121-2014）中推薦的傳統(tǒng)方法進(jìn)行計(jì)算，分別計(jì)算出波浪、流、風(fēng)、配載等引起的船舶下沉值，再考慮船舶靜吃水、海床底質(zhì)和維護(hù)疏浚備淤深度等影響，并直接相加各因素計(jì)算值來確定航道的設(shè)計(jì)底標(biāo)高。由于各自然因素同時(shí)發(fā)生較大值具有不確定性，在以往設(shè)計(jì)中，直接相加使得取值保守，“保守”的設(shè)計(jì)思維與近些年水運(yùn)行業(yè)國(guó)際主流的“精細(xì)化設(shè)計(jì)”的理念不吻合，導(dǎo)致的工程造價(jià)偏高，不利于在國(guó)際市場(chǎng)上投標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)。

UKC模型和概率方法也稱為船舶龍骨下富裕深度模型法，是目前西歐及北歐等國(guó)應(yīng)用于航道水深評(píng)估的一種主要方法，其本質(zhì)是用概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估來確定航道水深的方法，是通過建立船舶航行擬定的自然條件，模擬設(shè)計(jì)船型在不同設(shè)計(jì)底標(biāo)高的航道中航行，針對(duì)不同情況允許出現(xiàn)不可作業(yè)的概率，來尋求航行安全、航行效率和項(xiàng)目建設(shè)成本的平衡點(diǎn)。在航道水深采用UKC模型和概率方法能減少各個(gè)不確定性因素的影響，是一種直觀的綜合效果體現(xiàn)，基本上能達(dá)到“精細(xì)化設(shè)計(jì)”的要求，使設(shè)計(jì)取值趨近于合理。本文以加納特碼新集裝箱碼頭項(xiàng)目為例，分析兩種計(jì)算方法的差異性，為后續(xù)工程提供參考。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

1）設(shè)計(jì)水位

最高天文潮位：2.06 m。

平均大潮高潮位：1.67 m。

平均大潮低潮位：0.37 m。

設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)水位：0.2～1.6 m。

2）設(shè)計(jì)風(fēng)速及波浪

船舶進(jìn)出港設(shè)計(jì)風(fēng)速按照15 m/s考慮，超過15 m/s將限制船舶進(jìn)出港。船舶進(jìn)出港設(shè)計(jì)波浪，有效波高HS=1.9 m，周期為10～16 s。

3）設(shè)計(jì)船型

設(shè)計(jì)最大船型：15萬噸級(jí)集裝箱船，滿載吃水16 m，船舶定傾高度為3.5 m。

設(shè)計(jì)主力船型：10萬噸級(jí)集裝箱船，滿載吃水為15 m，船舶定傾中心高度為3.5 m。

4）總圖布置

加納特碼新集裝箱項(xiàng)目建設(shè)4個(gè)集裝箱泊位，岸線長(zhǎng)1 400 m，可靠泊15萬噸級(jí)集裝箱船，設(shè)計(jì)航道寬度225 m，防波堤外段航道長(zhǎng)約3.0 km，內(nèi)段航道長(zhǎng)約0.6 km。疏浚區(qū)內(nèi)表層1～2 m為松散～密實(shí)的中粗砂，砂底層馬上進(jìn)入全風(fēng)化或者中風(fēng)化巖層，貫入擊數(shù)N＞50，局部需要爆破松動(dòng)后方可挖除[1]，加納特碼新集裝箱碼頭工程總平面布置見圖1。

綜上所述，透明質(zhì)酸可以有效反映患者胃部疾病的嚴(yán)重程度，Hp感染可以影響患者透明質(zhì)酸表達(dá)，且在Hp感染環(huán)境下HA可以更好地反映胃部疾病的進(jìn)展情況。

圖1 加納特碼新集裝箱碼頭工程總平面布置圖Fig.1 General layout plan of the new container terminal project of Tema in Ghana

2 傳統(tǒng)航道底標(biāo)高計(jì)算方法

根據(jù)PIANC（121-2014）規(guī)范，傳統(tǒng)航道底標(biāo)高計(jì)算方法為按照水位、船舶及航道底質(zhì)等三大因素進(jìn)行計(jì)算，并設(shè)定各因素相互獨(dú)立，計(jì)算出各因素的值并累加得出航道底標(biāo)高[2]，航道水深計(jì)算要素見圖2所示。

用PIANC（121-2014）計(jì)算公式，除了波浪引起的船舶下沉值計(jì)算值偏小，與實(shí)際差異較大外，其余項(xiàng)引起船舶下沉值都能較為真實(shí)反應(yīng)實(shí)際情況，各個(gè)參數(shù)計(jì)算值見表1所示。

根據(jù)防波堤掩護(hù)效果和可利用的水位情況，應(yīng)用不同的水位值和波高值進(jìn)行計(jì)算，考慮項(xiàng)目操作水位為0.2～1.6 m，因此，計(jì)算考慮0.2 m潮位與深度基面為起算，并給出了國(guó)際上集裝箱船一般按全潮通航的底標(biāo)高作對(duì)照，計(jì)算結(jié)果見表2所示。

圖2 PIANC推薦航道底標(biāo)高各因素組成計(jì)算圖Fig.2 Calculation of each factor composition of PIANC recommended bottom elevation

表1 PIANC方法計(jì)算航道水深Table 1 PIANC method for calculating channel depth

表2 不同潮位航道底標(biāo)高計(jì)算表Table 2 Calculation for bottom elevation of different tidal levels

對(duì)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，并結(jié)合中國(guó)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》航道底標(biāo)高計(jì)算方法，該方法與PIANC（121—2014）思路上基本一致，也是將各個(gè)影響因素的值直接相加計(jì)算航道底標(biāo)高[3]，然而該規(guī)范不適用于長(zhǎng)周期波的航道水深計(jì)算，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)波浪周期為10～16 s，按照中國(guó)規(guī)范要求：平均周期大于10 s的波浪引起船舶下沉值需進(jìn)行專門的論證，沒有具體的計(jì)算公式。本項(xiàng)目波浪引起的船舶下沉值采用SEAWAY的軟件模擬值，SEAWAY軟件模擬船舶由波浪引起的垂直運(yùn)動(dòng)采用響應(yīng)波浪振幅算法（稱為RAO算法），得出外航道段波浪引起船舶下沉值約1.9 m，得出外航道底標(biāo)高約-19.8 m。上述計(jì)算值由各個(gè)因素引起的值疊加后得到的數(shù)值，各個(gè)因素按照獨(dú)立因素考慮，計(jì)算上偏于保守。設(shè)計(jì)組同時(shí)用日本規(guī)范（OCDI）進(jìn)行核對(duì)，該規(guī)范建議航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高不超過最大吃水的1.2倍，相應(yīng)的航道底標(biāo)高為-19.2 m[4]。考慮目前國(guó)際大型集裝箱碼頭航道水深基本上在-18.0 m左右，總體上可判斷出航道計(jì)算水深偏大，由于本工程底質(zhì)為較為堅(jiān)硬的風(fēng)化巖，硬質(zhì)巖石類土方需采用預(yù)處理爆破施工[5]，使得施工造價(jià)較高。為此設(shè)計(jì)組開展了居于UKC模式和概率方法優(yōu)化航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高。

3 基于UKC模型及概率計(jì)算方法

UKC模型首先將環(huán)境要素錄入模型中以模擬真實(shí)海域環(huán)境，然后根據(jù)周邊港口航道通航船舶情況，初定1個(gè)航道水深進(jìn)行初步模擬，模擬過程是將船舶在不同的海域環(huán)境下大量次通航，統(tǒng)計(jì)出船舶通航的成功率，將初步模擬的結(jié)果與目標(biāo)要求分析對(duì)照，調(diào)整航道底標(biāo)高第2次模擬，并將結(jié)果與目標(biāo)進(jìn)行對(duì)照，如此反復(fù)直到與目標(biāo)貼近，得到的航道底標(biāo)高即為優(yōu)化后的航道底標(biāo)高，該方法能消除全部采用大值相加得到的保守水深，以尋找出船舶航行時(shí)真實(shí)所需的水深情況。

3.1 UKC模型環(huán)境模擬

將海洋環(huán)境潮位、潮流、風(fēng)況、波浪錄用到UKC模型中，模擬船舶在真實(shí)環(huán)境系統(tǒng)航行情況。設(shè)計(jì)中采用1993—2015年中23 a同步連續(xù)的風(fēng)、浪、流和潮位數(shù)據(jù)作為背景，錄入U(xiǎn)KC模型進(jìn)行模擬。潮位資料是采用荷蘭DHI公司在工程場(chǎng)地實(shí)測(cè)的6個(gè)月數(shù)據(jù)，根據(jù)潮位理論推演出23 a的潮位資料[6]；垂線平均流速資料是荷蘭DHI公司2013年在工程場(chǎng)地為期6個(gè)月實(shí)測(cè)的資料進(jìn)行調(diào)和分析推演出23 a的潮流數(shù)據(jù)[6]；波浪資料據(jù)于外海35 a波浪觀測(cè)資料，采用方向能量譜推算出外航道區(qū)域波浪情況，內(nèi)航道波浪采用的是Boussinesq（布辛尼斯克）方程波浪數(shù)學(xué)模型，以能反應(yīng)波浪從外海到近岸的變形情況，特別是反應(yīng)出波浪在防波堤及開挖港池的邊界變形情況，同時(shí)模擬了超長(zhǎng)周期（大于30 s）的波浪在近岸淺水變形后波浪的二階運(yùn)動(dòng)引起船舶的下沉現(xiàn)象，以準(zhǔn)確反應(yīng)船舶在進(jìn)出港航道情況[7]；風(fēng)速資料采用工程點(diǎn)附近23 a的觀測(cè)資料，然后折算推演出工程點(diǎn)位置風(fēng)場(chǎng)情況。

3.2 UKC船舶航行模擬

1）船舶垂向運(yùn)動(dòng)測(cè)量點(diǎn)布置

在模型中擬航行船舶的數(shù)據(jù)是根據(jù)造船廠提供的船型資料，按照配重、定傾中心高度、吃水、寬度、長(zhǎng)度，受風(fēng)面積等真實(shí)模擬出實(shí)際船型。為了準(zhǔn)確測(cè)量船體由各因素引起的綜合垂向運(yùn)動(dòng)數(shù)值，模型在擬采用的設(shè)計(jì)船體底面上布置了18個(gè)控制點(diǎn)，控制主要分布在船中、艏、艉兩側(cè)位置，以便準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)其垂直運(yùn)動(dòng)數(shù)值，見圖3。

圖3 船體垂向運(yùn)動(dòng)測(cè)量數(shù)值控制點(diǎn)Fig.3 Measured value control points for vertical motion of ship

2）船舶航行模擬

根據(jù)西非港口航道的水深情況，經(jīng)過初步模擬及分析，設(shè)計(jì)決定采用外航道為-18.9 m，航道寬度為225 m，內(nèi)航道及過渡段按照-18.1 m進(jìn)行模擬。船舶在外航道航行為8 kn，進(jìn)入內(nèi)過渡段（防波堤內(nèi)段）按照4～5 kn模擬船舶真實(shí)航行情況。船舶在航道中模擬的航路及航速圖見圖4。

圖4 船舶在航道中模擬的航路及航速圖Fig.4 The simulated route and speed of a ship in the channel

3）UKC模型航行安全條件的界定

船舶安全航行條件一般考慮是船舶航行時(shí)船體下最少富裕水深來進(jìn)行控制，本項(xiàng)目大部分是砂質(zhì)土，也有一部分區(qū)域是全風(fēng)化巖石。按照PIANC規(guī)范及風(fēng)險(xiǎn)控制理論，船體最小富裕深度考慮取值為0.5 m控制。

4）初步試驗(yàn)?zāi)M結(jié)論

模擬過程中分別考慮1艘15萬t集裝箱船滿載吃水16 m和10萬噸級(jí)集裝箱船滿載吃水15 m兩種情況，在初步給定水深的航道中每艘船總共模擬了38.5萬次進(jìn)港和38.5萬次出港作業(yè)，相當(dāng)于23 a的時(shí)長(zhǎng)里每0.5 h進(jìn)港或出港1次。據(jù)進(jìn)出港的76萬次數(shù)據(jù)，就可以分析得到航道可航行的時(shí)間窗口和航道的可使用率，得出高潮前后的航道對(duì)于單船15萬t集裝箱可用率達(dá)到99.7%，低潮前后航道可用率達(dá)到95%，綜合兩潮位情況，15萬t集裝箱船進(jìn)出港的保證率達(dá)到97.3%；10萬噸級(jí)集裝箱船進(jìn)出港的保證率接近100%。

3.3 基于UKC模型及概率方法優(yōu)化航道底標(biāo)高

對(duì)照業(yè)主目標(biāo)要求：各種船舶在航道通航的不可作業(yè)的概率不大于1%，即各種船舶在航道通航的綜合通過率應(yīng)大于99%。上述模擬的通航船舶為設(shè)計(jì)主力船型及到港最大船型，雖然到港最大船型在航道中模擬不可作業(yè)概率較高，但其到港的比例不高，按照概率的方法是考慮所有船型的綜合結(jié)果，因此概率方法給出的進(jìn)出港船型比例尤為重要，對(duì)于小于10萬噸級(jí)的船舶航道通航率可以按照100%考慮，給定的到港船舶比例如表3所示。

表3 到港船隊(duì)信息表Table 3 Information form to port fleet

根據(jù)到港船隊(duì)信息及航道允許的不可作業(yè)概率標(biāo)準(zhǔn)，按照初步給定外航道-18.9 m和過渡段為-18.1 m的設(shè)計(jì)水深進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，計(jì)算后得到航道可使用率為99.69%，仍有優(yōu)化空間，模擬得到的航道可使用概率見表4。

表4 各船型的航道可使用概率表Table 4 Available probability of the channel for each type of ships

再次模擬取外航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-18.7m，內(nèi)航道維持-18.1 m的情況下，再次開展試驗(yàn)，得到結(jié)果為航道可使用率99.36%，不可以作業(yè)概率接近0.7%（詳見表5），與要求值不大于1%較為臨界，決定不再進(jìn)一步優(yōu)化，作為航道設(shè)計(jì)的最終底標(biāo)高。

表5 各船型水深優(yōu)化后航道可使用率Table 5 Availability of channel after water depth optimization of each ship type

4 PIANC方法與UKC模型及概率方法得出的航道底標(biāo)高對(duì)比分析

根據(jù)PIANC推薦的方法按照各因素的最大值直接累加計(jì)算得出的航道底標(biāo)高不小于-19.72 m，顯然富裕度較大，而根據(jù)UKC模型及概率方法確定的航道外段為-18.7 m即可滿足要求，減少了約1 m左右的航道疏浚工程量，對(duì)比目前國(guó)際上通航大型集裝箱碼頭的航道底標(biāo)高基本上在-18.0 m左右，基本上較為貼近，符合實(shí)際情況，兩種方法計(jì)算得出的航道底標(biāo)高及優(yōu)化的水深情況見圖5。

圖5 優(yōu)化前后航道底標(biāo)高的對(duì)比Fig.5 Comparison of the bottom elevations before and after optimization

通過綜合評(píng)估、對(duì)比分析、咨詢專家意見及獨(dú)立另行開展UKC研究合理確定了加納特碼新集裝箱碼頭工程航道水深，航道底標(biāo)高的最終設(shè)計(jì)滿足了各方要求，通過了咨工批復(fù)和得到業(yè)主認(rèn)可，作為加納特碼新集裝箱碼頭工程詳細(xì)設(shè)計(jì)的成果，節(jié)省了較大的疏浚投資，具有較大的經(jīng)濟(jì)效益[8]。

5 結(jié)語

1）目前航道底標(biāo)高一般通過確定性的方法進(jìn)行計(jì)算，均是考慮各因素（風(fēng)、浪、流）引起的船舶垂向運(yùn)動(dòng)量較大值，將引起船舶垂向運(yùn)動(dòng)的各因素獨(dú)立考慮，此方法計(jì)算得出的航道底標(biāo)高值一般較保守，確定的航道底標(biāo)高較為偏大。

2）在有條件時(shí)，尤其是海外現(xiàn)匯項(xiàng)目投標(biāo)中建議開展基于UKC模型及概率標(biāo)準(zhǔn)以求得最優(yōu)的航道底標(biāo)高，其中最為關(guān)鍵的是應(yīng)確定航道允許的、合理的不可作業(yè)概率及實(shí)際到港船隊(duì)組合情況。

3）本項(xiàng)目基于UKC模型為國(guó)內(nèi)首例采用概率方法進(jìn)行航道水深研究，方法先進(jìn)，比較能反映船舶在航道航行的實(shí)際情況，經(jīng)濟(jì)效益明顯，且得到國(guó)際咨工的廣泛認(rèn)可，這符合國(guó)際“精細(xì)化”設(shè)計(jì)的主流思想，在類似項(xiàng)目中可在國(guó)內(nèi)逐步推廣，以提高我國(guó)水運(yùn)設(shè)計(jì)單位在國(guó)外項(xiàng)目投標(biāo)中的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。