航道底高程設計方法研究

王 烽，宋偉華，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)

引 言

隨著世界航運市場的發展，船舶大型化的趨勢非常明顯，原來已有的港口航道均需要改擴建才能適應通航需求，航道建設成本和運營風險大大增加，本文結合國內外規范中的航道底高程設計方法，通過系統分析和對比，研究得出安全、經濟和合理的航道底高程設計方法。

1 航道底高程設計的主要因素

航道水深設計的影響因素包括徑流、天文潮、氣象、船舶吃水、船舶配載、水密度、船舶航行時船體下沉量、風、浪、水流、船舶轉彎、操縱安全富裕深度、凈龍骨下富裕深度、測量誤差、備淤深度、疏浚超深等。

1.1 設計水位

在確定航道水深時，需要考慮的水位影響因素包括天文潮，氣象潮、港池共振和徑流等。航道的設計水位可以通過技術經濟分析和比較進行優化，即根據具體情況可考慮采用乘潮水位。西班牙規范《Recommendations for the Design of the Maritime Configuration of Ports, Approach Channels and Harbor Basins》（ROM 3.1-99）[1]中對于航道設計水位給出了詳細的選取方法，航道和港池水深計算時的設計水位根據表1進行計算。其中優化水位是指考慮作業和投資之間的平衡后（即技術經濟論證）的設計水位，是乘潮水位，但是在潮差很小的區域不能使用。

表1 航道和港池水深計算時的設計水位

1.2 船舶靜態滿載吃水

在航道和港池水深設計中，船舶吃水包括設計吃水、夏季滿載吃水和結構吃水。船舶之所以設立設計吃水和結構吃水，是因為船舶設計時需要進行兩大塊的計算，分別是穩性計算和結構計算，前者保障船舶運營過程中的穩性安全，后者保障船舶運營過程中的結構安全。

常見的船舶施工圖（完工圖）中會給出夏季吃水，夏季吃水是交船時通過測量確定的，這時有兩種情況：

1）如果夏季吃水線高于結構吃水線，那么就把夏季吃水線下移到結構吃水線，則夏季吃水等于結構吃水。

2）如果夏季吃水線低于結構吃水線，那么就保持不變，則夏季吃水小于結構吃水。

因此夏季滿載吃水和結構吃水有時是不同的，例如LNG船和LPG船的夏季滿載吃水和結構吃水經常是不同的。在航道和港池水深設計中，一般采用船舶夏季滿載吃水。

1.3 船舶裝載縱傾

船舶裝載縱傾是指船舶通過改變貨物配載或壓艙水配載獲得的船舶初設縱傾。

中國《海港總體設計規范》（JTS 165-2013）[2]中規定雜貨船和集裝箱船可不計縱傾，油輪和散貨船縱傾可取0.15 m。主要理由是雜貨船、多用途船和集裝箱船雖然艉傾吃水大，但實載率低，均小于滿載吃水，所以以這些設計船型為準進行航道水深設計時一般不考慮縱傾富裕深度；油船和散貨船，多為滿載航行，在裝載的時候有一定的初始艉傾值，航行中通常出現艏傾現象，從而抵消了裝載艉傾值。中國規范是出于安全因素提出油輪和散貨船取0.15 m的縱傾富裕。

美國海岸工程手冊《Coastal Engineering Manual》[3]和美國陸軍工程師團規范《Hydraulic Design of Deep-Draft Navigation Projects》[4]均指出航道水深計算時一般不考慮縱傾富裕水深，可由引航員根據港口條件在運營時決策。

加拿大規范《Channel Design Parameters》[5]中則建議根據經驗可考慮 0.31 m縱傾富裕深度，當船型不同時，通常取船長的 0.25 %為縱傾富裕深度。

1.4 船舶航行時船體下沉值

中國《海港總體設計規范》（JTS 165-2013）[2]給出了船舶航行時船體下沉量的曲線圖，可根據船舶噸級和船速在該曲線圖上查得船舶航行時船體下沉量，但是該曲線僅適用于非限制性航道。國際航運協會（PIANC）規范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[6]中給出了ICORELS、Barrass3、Yoshimura、Huuska/Guliev、Eryuzlu2、Romisch和Tuck等7個得到廣泛認可的船舶航行時船體下沉值計算公式，基本囊括了其他國家規范中介紹的船舶航行時船體下沉量計算公式，7個公式可以在任何設計階段使用，因為并不是公式越復雜正確性就越高。在詳細設計階段，建議使用一系列經驗公式，并將結果進行統計分析，計算出平均值、最大值和最小值等，最后根據項目具體情況選擇統計值，例如在一些項目中，對于通行危險品船或者航道底部土質較硬的情況，船舶航行時船體下沉值可能會使用各經驗公式計算結果中的最大值。

1.5 波浪引起的船舶豎向運動

船舶在波浪作用下的運動響應規律比較復雜，國外通常采用物理模型和數學模型進行模擬研究。計算模型方面響應振幅算子（Response Amplitude Operator，簡稱 RAO）技術有了較大發展，可建立船舶垂直運動與波高、波周期和波向的關系，用于估算各種條件下的龍骨下富裕水深。RAO法綜合考慮了波高、周期、波向角、航速、水深吃水比、船舶的噸級以及航道長度的影響。目前許多商業軟件在計算船舶的運動量時都采用這種方法。日本規范《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[7]中波浪引起的船舶豎向運動的計算公式的前提條件是船舶橫搖自振周期等于遭遇波浪周期，適應性較差。而西班牙規范 ROM 3.1-99[1]和國際航運協會規范（PIANC）[6]中波浪引起的船舶豎向運動的計算方法，并未考慮波浪周期的影響，應謹慎使用。因此在前期階段可以使用相關規范計算波浪引起的船舶豎向運動，但是在詳細設計階段建議采用物理模型和數學模型進行模擬研究。

1.6 風引起的船舶豎向運動

風能使船舶傾斜從而增加船舶吃水，增加的具體數值取決于船舶動態特征以及風的要素。如果是縱向風，這種影響基本上可以忽略，但如果是橫向風，這種影響就會加大（雖然除了平底小船或者小帆船外這種影響對于船舶吃水依然很小）。

僅西班牙規范 ROM 3.1-99[1]和國際航運協會規范（PIANC）[6]中考慮了風引起的船舶豎向運動。由于航道允許風速一般不大于7節，風引起的船舶豎向運動一般較小，但是對于側向受風面積較大的船舶有一定影響。

1.7 水流引起的船舶豎向運動

船舶在航行中，受到的水流力與船舶航行的漂流力已經達到平衡，但是當橫流產生變化時（例如航道方向改變、或者有障礙物影響水流），則會打破這個平衡，導致船舶側傾，僅西班牙規范ROM 3.1-99[1]中考慮并給出了水流引起的船舶豎向運動的計算方法。

1.8 船舶轉向引起的船舶豎向運動

動態側傾包括風引起的船舶側傾和船舶回旋或者轉彎時的側傾。動態側傾（Dynamic heel）與船舶橫搖（Roll）的區別是橫搖是波浪引起的振幅運動，而動態側傾是非振幅運動。船舶轉彎或者回旋時的側傾影響因素主要包括船舶航行速度、轉速、定傾中心高度和拖輪拖力。當船舶承受橫向風或者不對稱的垂向力時會產生船舶側傾。船舶側傾會增加船舶的吃水。

西班牙規范ROM 3.1-99[1]、國際航運協會規范（PIANC）[6]和日本規范《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[7]中均給出了船舶轉向引起的船舶豎向運動量的計算方法。

1.9 由于水的密度變化而考慮的富裕深度

水的密度變化會導致船舶靜態吃水增加。各國規范基本都對因水體密度變化而增加的船舶吃水做出了規定，具體如表2所示。

中國《海港總體設計規范》（JTS 165-2013）[2]中并未給水體密度變化而增加的船舶吃水值，在《海港工程手冊》中給出該增加值約為滿載吃水的0%～2.5 %。

美國海岸工程手冊《Coastal Engineering Manual》[3]指出一般海水到淡水之間增加吃水為船型吃水的2.6 %。

美國陸軍工程師團規范《Hydraulic Design of Deep-Draft Navigation Projects》[4]指出當船舶到達港口時，水體密度的變化引起的吃水變化，港口位于內河淡水水域，船舶吃水增加值為0.25 m；港口位于淡鹽水區域(河口混合段)，則建議船舶吃水增加值為0.15 m。

加拿大規范《Channel Design Parameters》[5]指出淡水中增加的吃水是鹽水中的2 %～3 %。

西班牙規范 ROM 3.1-99[1]指出船舶從海水航行到淡水時，船舶靜態吃水會增加3 %。

國際航運協會規范（PIANC）[6]指出從海水到淡水船舶吃水增加值約為船舶吃水的2 %～2.5 %。

1.10 凈龍骨下富裕深度

凈龍骨下富裕深度是航行船舶在最惡劣的允許作業的風和浪條件下船舶龍骨與航道名義底標高的最小安全距離。

龍骨下富裕水深主要由航道底質決定。各國規范和標準中的規定都基本相同，如表2所示。但是需要注意的是國際航運協會規范（PIANC）[6]中指出凈龍骨下富裕深度主要是為概念設計階段而考慮的。而西班牙規范 ROM 3.1-99[1]指出無論使用確定性設計方法或者概率設計方法，都需要考慮凈龍骨下富裕深度。

1.11 船舶操縱安全富裕深度

國際航運協會（PIANC）規范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[6]中提出了船舶操縱安全富裕深度的概念，這是考慮了水深、船舶吃水、船舶航行時船體下沉值和側傾后得出的結果，是為了滿足航行船舶的操縱性能而設定的最小總龍骨下富裕深度。

波浪產生的振幅運動（升沉、縱傾和橫搖）產生的作用一般認為不會對船舶操縱造成顯著影響。因此，計算船舶操縱安全富裕深度時僅需考慮影響船舶底部最低平均位置的影響因素，即船舶操縱富裕深度=水深-船舶吃水-船舶航行時船體下沉值-側傾。因此，不管在概念設計階段還是詳細設計階段，不管使用確定性計算方法、半概率設計方法還是概率設計方法，在航道設計（和運營）中船舶操縱安全富裕深度都應進行單獨校核計算。

船舶操縱安全富裕深度的限值取決于船舶類型、航道尺度和走向、船舶交通情況（包括是單向航道還是雙向航道）。對于大部分船舶尺度、類型和航道，船舶操縱安全富裕深度可以取船舶吃水的5 %和0.6 m中的最大值。

實際上，在有掩護港池和波浪較小的的無掩護港池，船舶操縱安全富裕深度是龍骨下富裕深度的控制性因素。需要注意的是，在沒有波浪或者波浪作用有限的有掩護港池中，在拖輪協助下船舶操縱安全富裕深度可以減小。一般有拖輪協助時，不管船舶吃水是多大，船舶操縱安全富裕深度可以取0.5 m。

1.12 測量誤差

在水域測量時，由于測量設備的誤差，會造成測量成果的不確定性。一般由測量設備的精度決定。在前期設計階段可參考表2取值。

1.13 備淤深度

各國規范中基本均指出備淤深度需要按照泥沙回淤強度和疏浚頻率確定，在前期設計階段缺少設計資料時可以參考表2取值，但最終應按照泥沙回淤強度和疏浚頻率確定備淤深度。

1.14 疏浚超深

疏浚超深是由海底底質、疏浚設備性能、疏浚時的限制環境條件（疏浚設備作業的允許環境條件）等因素決定的。各國規范在前期設計階段可以參考表2取值，在詳細設計階段應根據具體情況計算。

表2 各影響參數取值建議

2 航道底高程的確定性設計方法

航道底高程的確定性設計方法即是將影響航道底高程的所有影響因素進行累加得出，影響因素的取值是針對不同船舶操縱作業的極限環境作業條件，而不是采用所在水域的海洋環境典型特征值。需要注意的是，所有影響因素均取得極值，即各影響因素均達到極限環境作業條件的概率是非常低的，因此采用確定性設計方法是相對保守的。

3 航道底高程的概率設計方法

航道底高程的概率設計方法是將有關的設計參數（如航道尺度、船舶種類、各種影響船舶航行的因素等）用概率密度函數表示，設計人員選取一個可以接受的系統的失效概率（如船舶觸底），并以此失效概率作為航道底高程設計標準。

3.1 超越標準

在進行航道底高程設計時，超越概率的選取至關重要，因為它關乎船舶航行安全。van de Kaa（1984）研究總結得出了一個航行安全標準，他列舉了各種概率等級，這些概率等級與船舶碰撞、擱淺及觸底等船舶操縱事故有關。其中4個船舶觸底的概率標準如下：

1）一般環境下，每次通航船舶觸底超越概率：10-4；

2）一般環境下，每次通航船舶觸底而產生嚴重損害的觸底超越概率：2.5×10-7；

3）極端環境下，每次通航船舶觸底超越概率：10-2；

4）極端環境下，每次通航船舶觸底而產生嚴重損害的觸底超越概率：5.0×10-4。

Savenije（1996）總結了鹿特丹港的實際航道情況，得出兩條標準：

1）在周期25年內，船舶觸底而產生允許接受的最大輕微破壞的觸底概率不超過10 %；

2）船舶在所有氣象條件下航行觸底的概率不得超過1 %。

Savenije的第1條標準中，船舶觸底而產生允許接受的最大輕微破壞是指船舶觸底后仍然可以操縱，從而不阻塞航道影響其他船舶通行。這個標準來自于鹿特丹港每年250艘船舶航行的統計資料。這表示25年內（或6 250艘次船舶通過航道）只允許一艘船觸底且沒有達到允許的最大破壞。計算得出的觸底概率為1.6×10-4，這和van de Kaa的第1條標準的5×10-4（按原PIANC規范直譯）在一個數量級上。Savenije的第 2條標準和 van de Kaa的第3條標準一樣。

Vantorre等（2008）為比利時弗蘭德（Flemish）航道提出了一種預測潮汐窗口的風險標準。采用ProToel方法來計算超越概率，以此來確定潮汐窗口。

3.2 風險

風險一般被定義為事故發生概率和影響結果的乘積。因此，在采用以上論述的概率標準時，設計人員應該同時考慮觸底會造成的環境和經濟影響來優化設計風險。

一般情況下：

1）巖石基底比淤泥質基底風險高；

2）液體散貨船比雜貨船風險高；

3）敏感環境區域比工業區域風險高。

設計人員應該根據當地具體環境情況選取合適的風險標準。

表3給出了在航道水深設計過程中采用的可接受的概率值。表中數值表示一艘船能夠接受的觸底事故重現期。

表3 風險因素重現期（Puertos del Estado,1999）

3.3 長期概率標準

航道設計中總船舶龍骨下富裕深度（UKC）的概率設計PUKC可以用長期事件的泊松分布來表示：

式中：

Np為總的船舶通過數量，Np=NYYL，NY為每年船舶通過數量，YL為為航道運營年限；

Pp為為每次通過航道時的觸底概率。

如果PpNp＜0.01，上述公式近似于PUKC=PpNp。

例如，一條航道運營 50年，設計船舶通過航道次數為Np=NYYL=12×50=600次，船舶每次通過時觸底概率為Pp=8.3×10-4。則PUKC=1-exp（-PpNp）=1-exp(-8.3×10-4×600)=0.39。因此，在50年的運營期內，有船舶達到或者超過最大UKC的概率為39 %。

3.4 概率設計

在航道水深的概率設計過程中，船舶龍骨下富裕深度UKC的計算值并不是各個影響因素的直接相加。通過概率組合的方式將各個影響因素組合得到的值比作為獨立個體直接相加得到的值要小，這樣就避免在水深設計過程中出現了過度設計（over-designed）。

如果所有組成UKC的因素都是獨立個體且符合正態分布，則所有因素的綜合貢獻的標準差可以表示為各個因素的標準差的平方和的平方根：

由于航道各個區段有相應的波浪、底質和水位條件，以上計算可以分區段進行。

利用以上公式多次計算，可以確定航道水深、船舶吃水及不可作業時間的相關關系，將特定概率的潮流、波浪和氣象條件等環境因素用圖表的方式表示出來，以此可以確定不可作業時間。通過評估船行耽誤而產生的財政損失以及浚深費用之間的利害關系，來完成航道水深的最優設計。

在計算航道水深時，采用蒙特卡羅法來確定UKC值的失效概率。蒙特卡羅法可以通過對所有影響水深的參數及其概率分布的隨機組合計算，得到大量的航道水深方案。在計算過程中，通過分析觸底工況的出現次數占總計算次數的百分比，可以確定超越概率。

國際上得到廣泛認可的航道水深概率設計的工具軟件有 DUKC（Dynamic UnderKeel Clearance），CADET（Channel Analysis And Design Evaluation Tool）以及UNDERKEEL。

4 結 語

現在在大多數港口和航道工程中，均采用確定性設計方法，設計往往相對保守，航道建設投資大大增加，阻礙了港口航道事業的發展。在歐美發達國家的某些港區，已經采用概率設計方法來設計航道底高程，大大降低了航道投資，并通過潮位窗口分析和實時監控技術等手段，保證航道運營的安全。因此在航道工程的詳細設計階段，建議采用概率設計方法優化航道底高程設計。