基于國內外規范計算兼具航道功能狹長港池寬度設計

呂威，孫國輝

（中國港灣工程有限責任公司，北京 100027）

0 引言

隨著亞非拉地區經濟貿易不斷發展，港口業務逐漸攀升，既有主要港口普遍存在泊位等級和專業化程度較低的現狀，難以適應船舶大型化和港口現代化發展趨勢。因此，既有老舊港口升級改造已成為許多國家的必然選擇。老港改造面臨諸多難題，其中水域狹窄且泊位數量多已成為港口升級改造的關鍵制約因素。

港池寬度是影響通航安全及建設成本最重要的因素之一，特別是部分老港，由于港內水域狹窄、泊位數量眾多，船舶通航密度大，港池往往需要承擔內航道功能，此類港池寬度的合理取值則尤為重要。當前國內對港池寬度研究主要集中在“港池寬度對港口通航安全和港口服務水平的影響”[1]以及“各國規范和通用規定對比參數取值[2]”等領域。但上述研究均基于常規港池，未考慮兼有航道功能的情況，難以滿足境外相關狹窄水域類港口設計需求。

關于港池寬度計算，歐美主流規范與中國規范差異較大，在項目實施過程中，標準的差異將會影響項目成本。為中資企業合理選用歐美規范及中國規范“走出去”提供參考意見，本文選取境外工程中常用的PIANC 規范、英標、美標及西班牙規范與中國規范進行對比分析，總結了兼有航道功能的狹長港池寬度計算方法的差異性與適用性，并通過工程案例加以驗證，為此類工程提供參考和借鑒。

1 國內外規范關于兼有航道功能的狹長港池寬度計算方法

兼有航道功能的狹長港池一般具有以下特點：

1） 多為挖入式港池或位于天然瀉湖灣內，水域狹長，現有碼頭岸線長，泊位數量多，船舶通航密度大。

2） 港池水域狹窄，碼頭前沿水域一般不考慮調頭作業，盡可能減少港池寬度。

3） 回旋水域集中布置，周邊通常布置泊位，需盡可能縮減回旋圓半徑。

4） 港池布置需綜合考慮停泊水域、船舶通航寬度、回旋水域等，并需要通過操船試驗驗證。

針對此類港池，為保證船舶通航效率與作業安全，港池水域應兼具內航道功能，港池寬度的設計需特殊考慮。總體而言，歐美規范對此類港池寬度計算主要包括3 部分，即港池內單向航道寬度、與系泊船舶的安全間距、碼頭前沿停泊水域寬度，但具體考慮因素及計算規定有所不同。

1.1 西班牙規范

西班牙規范規定[3]，如果窄長港池內設置超過4 個泊位，則港池內必須設置調頭區域。該調頭區域可位于港池根部或中間區域，要求調頭區域的內側港池內泊位數量不超過4 個，或所有港池足夠寬，以便船只可在任意位置調頭。如果交通密度大于1 艘船/h，則要求港池內設置航道。如果在港池航道兩側有船舶靠泊，B為設計船寬，船泊間的安全間距應考慮不小于2.5B，即航道每一側應預留2.5B，此外，碼頭前沿停泊水域寬度按1.5B考慮。因此，港池寬度計算公式為：

單向航道寬度W按照內航道計算，見式（1）。

式中：B為設計船寬，m；Bn為航道實際寬度，m，計算見式（2）；Br為預留寬度，m，通常考慮為岸坡穩定，在內港池航道中可不予考慮。

式中：bd為風浪流影響的附加寬度，m，bd=Lppsin β（評估水域空間時使用），bd=Lsin β（評估水面以上空間時使用）；Lpp為設計船舶垂線長度，m；L為設計船長，m；β 為偏向角度，（°），受風、浪、流、拖輪等因素影響，可參考表1 插值選取；be為定位誤差寬度，m，設置導助航設施并配有經驗豐富的引水員情況下，取10 m；br為反應修正誤差寬度，m，br=（1.50-Emax）×bro；Emax為航道風險級別，取值為0.05～0.5；bro為附加操作反應誤差寬度，m，可參考表2 插值選取；bb為導助航設備位置偏差，m，可取導助航設備距離乘sin0.5°；rhsm，rhsd分別為岸吸作用安全距離及富裕安全距離，m，可根據表3 插值選取；i，d 是指航道左右兩側。

表1 β 取值參照表Table 1 Reference value of β

表2 bro 取值參照表Table 2 Reference value of bro

表3 rhsm，rhsd 取值表Table 3 Reference value of rhsm and rhsd

1.2 英國規范

英國規范[4]規定，有通航要求的港池寬度應不小于0.7～1.0 倍設計船長，同時對比考慮停泊水域寬度加內港航道寬度。泊位停泊水域寬度應考慮為1.5B。但英國規范對航道寬度僅提供了一般性的指導意見，認為單向航道寬度一般為設計船寬的4～6 倍，對于各參數的詳細取值英國規范中明確建議參考PIANC 中的規定。此外，規范指出對于航速4 kn 以下的船舶，船與船之間的安全距離應大于2B。航速6 kn 以下的船舶，船與船之間的安全距離應大于4B。因此，英國規范港池寬度計算公式為：

1.3 美國規范

美國規范[5]規定，兼顧船舶通航功能的港池，航道邊線距離船舶不小于1.2B。當有拖輪協助時碼頭前沿停泊水域最小寬度為1.25B。通航航道的寬度參數見表4，針對狹長港池內的航道，寬度建議參照運河型取值，寬度為2.5B～4.0B。此種情況下，美國規范港池寬度計算公式為：

表4 單向航道寬度W 計算表Table 4 Calculation sheet of width of one-way channel

1.4 PIANC

PIANC 規范[6]重點研究了兼顧通航功能的港池航行船舶對兩側靠泊船只作業的影響，具體影響因素包括：航行船舶的航速、安全距離、航行及靠泊船只的尺寸、港池水深、航道斷面形式等。PIANC 建議在概念設計階段通航航道距離兩側靠泊船只的安全距離取值如下：1） 航行船只航速≤4 kn 時，船舷到船舷間安全距離取2B；2） 航行船只航速≤6 kn 時，取值4B。在詳細設計階段，通過數學模型分析水動力影響來確定安全距離。因此，PIANC 規范港池寬度計算公式為：

根據航道寬度概念設計方法，單向航道寬度W計算如式（3）所示。

式中：WBM為設計通航船舶航跡帶寬度（1.3B～1.8B），m；∑Wi為風浪流影響富裕寬度，m；WBR，WBG為左右岸富裕寬度，m，具體參數取值可參見項目案例。

1.5 中國規范

中國規范[7]規定碼頭前沿停泊水域寬度宜取設計船寬的2 倍，對于多泊位順岸布置的碼頭前方水域，不考慮調頭作業的碼頭前水域總寬度不應小于0.8L（L為設計船長，m），當船舶不在港池內調頭時，港池寬度可取0.8L～1.0L。對兼有航道功能港池的寬度無明確規定，根據需要加寬港池。規范另指出碼頭停泊水域不能占用主航道，因此可推出兼有航道功能的狹長港池寬度的最小值應如下所示，同時不小于0.8L。

單向航道寬度計算見式（4）。

式中：A為設計船舶航跡帶寬度，m，A=n（Lsin γ+B）；n為船舶漂移倍數；γ 為風流壓偏角，（°）；c為設計船舶與航道底邊線間的富裕間距，m。

2 兼有航道功能的狹長港池寬度計算差異性及適用性分析

基于上述港池寬度規定及公式，歐美規范與中國規范關于兼有航道功能的狹長港池寬度的計算方法對比見表5。

表5 歐美規范和中國規范關于兼有航道功能的狹長港池寬度計算Table 5 Calculation of width of long and narrow harbor basin with channel function in European,American and Chinesecodes

對比各規范具體考慮因素和計算過程可知，對于兼有航道功能的狹長港池，相較于普通港池應適當加寬。在此類港池寬度計算中，歐美規范考慮的因素較中國規范更為全面，在考慮港池內單向航道寬度、停泊水域寬度的基礎上，額外考慮了通行船舶與系泊船舶間安全距離。

在港池內單向航道寬度計算中，各國規范考慮因素不同。中國規范僅考慮了風、流、船岸間距等影響因素。西班牙規范是基于大量船舶操縱試驗得出的參數設計方法，基本考慮了相關影響因素。英國規范僅提供一般性指導意見，并明確建議設計方法參考PIANC 規范。美國規范較為簡單，常常提及和介紹PIANC 方法，需要注意的是美國規范計算方法僅適用于初期設計階段。PIANC規范在概念設計階段為基本操縱帶寬度與其他各影響因素導致的富裕寬度之和，基本考慮了相關影響因素，計算簡單便捷。總體來看，西班牙規范和PIANC 規范所考慮的航道寬度影響因素最為全面。

在與系泊船舶的安全間距取值方面，各國規范也存在差異。其中，西班牙規范、美國規范給出安全間距的規定，但介紹較為簡單。英國規范和PIANC 規范的規定相同，均基于航速對安全間距進行取值，特別是PIANC 規范對過船效應的作用機理及影響因素進行了詳細分析，并針對概念設計階段給出了明確的設計指引。

碼頭前沿停泊水域寬度方面，歐美規范取值為1.25B～1.5B，中國規范為2B。停泊水域的設置主要為保證船舶裝卸作業時的安全，一般根據項目要求的規范對應選取即可。

中國規范未詳細規定兼具航道功能狹長港池的寬度計算要求，僅JTS 165—2013《海港總體設計規范》條文說明中提及“當港池兼有船舶航行通道功能時，根據需要加寬港池寬度”，在中國規范“走出去”情況下，境外工程中應用中國規范時，應結合境外規范對比補充計算通行船舶與系泊船舶間的安全距離。

綜上，歐美規范對兼有航道功能的狹長港池寬度計算考慮因素較為全面。其中PIANC 規范在港池內航道、與系泊船舶安全間距的計算上最為詳細，具有較強的可操作性。因此，在境外工程設計時，可結合本文分析和項目的具體情況選擇合適的規范，并推薦采用PIANC 規范進行校核。

3 項目案例

東非某瀉湖港口改造工程[8]，現有單側岸線1.6 km，升級擴建單側岸線1.2 km，總單側岸線約2.8 km，布置14 個泊位。港池水域狹窄，目前僅港池前端布置一個回旋圓，無法實現碼頭前水域轉頭作業。升級改造后為提高通航效率，增設港池底部回旋圓，港池兼顧航道功能。港口平面布置見圖1。

圖1 東非某港口總體布置圖Fig.1 General layout of the port in East Africa

設計船型為80 000 DWT 集裝箱船，船長305 m，船寬40 m，最大吃水14.5 m。

該港水域是典型的兼有航道功能的狹長港池，根據前文介紹，基于PIANC 規范詳細計算港池寬度，其計算過程及結果見表6。

表6 基于PIANC 規范詳細計算內港池寬度Table 6 Detailed calculation of harbor basin width based on PIANC

根據PIANC 規范計算，初步確定港池設計寬度為280 m，另外兩端調頭回旋圓直徑為1.6L，取500 m。并以此為基礎開展操船模擬試驗，驗證設計港池寬度和兩端回旋圓布置情況下，通航和靠離泊的安全可行性。

試驗根據不同風浪流工況、進出港、內外端回旋圓進行調頭等多種工況進行模擬，其中針對最大設計船型（80 000 DWT 集裝箱船）共設計了9組試驗工況，所有模擬工況均在當地引航員、船長、實驗單位、設計單位及業主的共同參與及討論下開展，期間充分考慮了當地引航條件及船舶操作習慣的影響，典型操船軌跡見圖2。

圖2 船舶操縱實驗典型船舶航行軌跡圖Fig.2 Typical navigation trajectory diagram for the vessel maneuvering simulation test

操船試驗結果顯示：內港池寬度（280 m，約7B）充裕，在沿線泊位已有船舶靠泊的情況下，未發現擬靠泊船只在到達回旋圓并駛回待靠泊點的過程中存在困難；2 個回旋圓尺度（直徑500 m，約1.67L）為所有設計船型提供了足夠的回旋空間，特別是內港池末端的第2 個回旋圓有效解決了港池過于狹長（約3 km）、船舶需要長距離倒車操作的難題；在船舶主推進器關閉或損壞的情況下，仍可保證正常操縱，水域布置尺度滿足所有船只的正常使用要求。

4 結語

1） 需兼顧航道功能的狹長港池，相較于普通港池應適當加寬。在此類港池寬度計算中，歐美規范考慮的因素較中國規范更為全面，在考慮港池內單向航道寬度、停泊水域寬度的基礎上，額外考慮了通行船舶與系泊船舶間安全距離。

2） PIANC 規范在港池內航道、與系泊船舶安全間距的計算上最為詳細，可操作性強，在國際上得到廣泛認可。同時在東非某港改擴建項目中，對兼顧通航功能的狹長港池寬度采用PIANC 規范進行設計，并通過船舶操縱試驗驗證了寬度的合理性，證明了以PIANC 計算此類港池寬度的可靠性。因此在解決類似問題時，建議中國規范可參考PIANC 規范進行編修，綜合考慮港池內單向航道寬度、停泊水域寬度、通行船舶與系泊船舶間安全距離等因素計算港池寬度。

3） 對于水域受限的狹窄港池升級改造工程，水域尺度的布置根據規范計算后，應通過船舶操縱模擬試驗驗證并進行優化論證。