基于最大橫流累積頻率的航道寬度設(shè)計(jì)方法

張瑋，李澤

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)實(shí)力不斷提升，水運(yùn)事業(yè)得到了長足發(fā)展。為了滿足運(yùn)量快速增長的需求，適應(yīng)船舶大型化的發(fā)展趨勢，沿海各大港口不斷擴(kuò)大進(jìn)港航道的規(guī)模。以連云港為例，連云港主港區(qū)進(jìn)港航道規(guī)模從開港初期到2001年，航道等級(jí)分別經(jīng)歷了5千噸級(jí)、2萬噸級(jí)、3.5萬噸級(jí)和7萬噸級(jí)等階段，2009年浚深至15萬噸級(jí)，2012年25萬噸級(jí)航道順利通航，未來還將建設(shè)30萬噸級(jí)航道[1]。

在進(jìn)行航道設(shè)計(jì)時(shí)，航道寬度是設(shè)計(jì)中最重要和最基本的內(nèi)容之一。目前，世界各國航道寬度的設(shè)計(jì)方法各不相同[2-3]，但均將航跡帶寬度作為航道寬度的主要組成部分。確定航跡帶寬度的方法有多種[4]，如根據(jù)規(guī)范公式計(jì)算，通過船舶航海模擬器試驗(yàn)等[5]，各有利弊。但無論采取何種方法，均需要提供船舶航行時(shí)所受到的橫流設(shè)計(jì)值?，F(xiàn)行的設(shè)計(jì)方法中，航道橫流設(shè)計(jì)值的選取原則并不明確，對(duì)于航道的建設(shè)和維護(hù)成本影響較大。如果航道橫流設(shè)計(jì)值選取過大，航道相對(duì)較寬，船舶航行的安全性無疑可以增加，但航道的建設(shè)及維護(hù)成本也將有所提高；如航道橫流設(shè)計(jì)值選取過小，則航道寬度相對(duì)較窄，雖較為經(jīng)濟(jì)，但通航的安全性卻有所降低。因此，需要提出一種合理的橫流設(shè)計(jì)值選取方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行航道寬度設(shè)計(jì)。本文針對(duì)上述問題，提出基于航道最大橫流累積頻率的航道寬度設(shè)計(jì)方法，并以連云港主港區(qū)航道為例，具體分析這種方法的應(yīng)用。

1 航道寬度設(shè)計(jì)方法簡介

航道寬度，或者航道有效寬度，通常是指航槽斷面設(shè)計(jì)水深處兩側(cè)底邊線之間的寬度[6]。各國航道寬度的設(shè)計(jì)方法各異，但均圍繞著航跡帶寬度和富余寬度這兩個(gè)主要部分，根據(jù)不同的原則分別進(jìn)行計(jì)算。航跡帶寬度是指船舶以風(fēng)流壓偏角在導(dǎo)航中線左右擺動(dòng)前進(jìn)所占用的水面寬度，是航道有效寬度的最主要組成部分?，F(xiàn)以我國JTJ 211—99《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）中規(guī)定的設(shè)計(jì)方法為例，對(duì)航道寬度設(shè)計(jì)方法進(jìn)行介紹。按照規(guī)范，航道寬度由航跡帶寬度、船舶間富裕寬度和船舶與航道底邊間的富裕寬度組成，并按以下公式計(jì)算：

單向航道W=A+2c （1）

雙向航道W=2A+b+2c （2）式中：W為航道有效寬度，m；A為航跡帶寬度，m；b為船舶間富裕寬度，m，取設(shè)計(jì)船寬；c為船舶與航道底邊間的富裕寬度，m，與船速及船型有關(guān)；n、γ分別為船舶漂移倍數(shù)和風(fēng)流壓偏角，與橫流有關(guān)，其取值見表1。

表1 滿載船舶漂移倍數(shù)n和風(fēng)、流壓偏角γ值Table 1 Drift ratio n and wind-flowing pressure angleγof the ship in full load

由航道寬度計(jì)算公式可知，當(dāng)設(shè)計(jì)船型確定后，船船間、船岸間的富余寬度b，c即確定，而航跡帶寬度還受船舶漂移倍數(shù)n和風(fēng)流壓偏角γ的影響。根據(jù)表1，船舶漂移倍數(shù)n和風(fēng)流壓偏角γ由橫流大小決定。由此可見，航道橫流數(shù)值對(duì)于航道寬度計(jì)算影響較大，需要慎重選取。

2 航道橫流與航道寬度

在以往航道寬度設(shè)計(jì)中，常選取某一實(shí)測潮位過程作為計(jì)算潮型，將計(jì)算得到的航道沿程最大橫流作為設(shè)計(jì)值。由于計(jì)算潮型的選取原則不明確，因此這種做法具有較大的主觀性和隨機(jī)性。根據(jù)不同潮位過程計(jì)算所得的航道橫流值差別明顯，對(duì)航道設(shè)計(jì)寬度的影響很大。以連云港主港區(qū)單向航道為例，設(shè)計(jì)船型采用30萬噸級(jí)油船，總長334 m，型寬60 m，表2列出了根據(jù)不同航道橫流值所計(jì)算的航道寬度。如橫流數(shù)值在0.25~0.50 m/s之間，航道有效寬度可取290 m；橫流數(shù)值在0.75~1.00 m/s之間，航道有效寬度則為324 m。由此可見，航道橫流值的大小直接決定航道設(shè)計(jì)寬度，對(duì)于航道建設(shè)和日常維護(hù)費(fèi)用影響較大。因此，需要提出一種科學(xué)合理的橫流設(shè)計(jì)值確定方法，在保障船舶安全通航的前提下，盡可能地節(jié)約成本。

表2 30萬噸級(jí)油輪航道有效寬度Table 2 The effectivechannel width for 300 000-ton tanker

3 最大橫流的累積頻率

經(jīng)過分析認(rèn)為，航道橫流值與其它水文特征值一樣，是一種隨機(jī)變量，其大小與潮汐強(qiáng)弱（也就是潮差大?。┯嘘P(guān)，年內(nèi)變化較大。因此，有必要運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法分析航道橫流值的年內(nèi)分布特征，從而選取合理的橫流設(shè)計(jì)值進(jìn)行航道寬度設(shè)計(jì)。例如，在海港設(shè)計(jì)中，常選取一定累積頻率的高（低）潮位作為設(shè)計(jì)水位，那么，在設(shè)計(jì)航道寬度時(shí)，也應(yīng)選取具有一定累積頻率的最大橫流值作為設(shè)計(jì)值，使得航道橫流設(shè)計(jì)值的選取更為科學(xué)。以一次漲落潮過程中的航道最大橫流值作為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，繪制最大橫流的累積頻率曲線，在獲取統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)時(shí)，可逐個(gè)計(jì)算一定年限內(nèi)各個(gè)漲落潮過程中的航道最大橫流，但這種方法計(jì)算量較大，難以實(shí)現(xiàn)，需尋找簡化方法。

連云港主港區(qū)是我國典型的淤泥質(zhì)海岸環(huán)抱式防波堤，其航道橫流特征具有一定的代表性，現(xiàn)針對(duì)該港區(qū)航道橫流特征，提出繪制航道沿程最大橫流值累積頻率曲線的簡化方法。根據(jù)已有研究成果，連云港主港區(qū)的航道沿程最大橫流由漲潮控制，且最大橫流與漲潮潮差之間存在如下相關(guān)關(guān)系式[7]：

式中：V代表航道沿程最大橫流；ΔH代表潮汐預(yù)報(bào)表中的漲潮潮差。

由此可推知，沿程最大橫流值與預(yù)報(bào)漲潮潮差具有相同的年內(nèi)分布規(guī)律，可由預(yù)報(bào)漲潮潮差的累積頻率曲線推求沿程最大橫流值的累積頻率曲線。以任一年度（如2004年）連云港潮汐預(yù)報(bào)表為例，年內(nèi)共有706次漲落潮過程，統(tǒng)計(jì)各次漲落潮過程的漲潮潮差，利用式（4）計(jì)算相應(yīng)的沿程最大橫流值，然后計(jì)算沿程最大橫流的經(jīng)驗(yàn)累積頻率：

式中：P為經(jīng)驗(yàn)累積頻率；n為樣本容量，取n=706；m為沿程最大橫流由大到小排序序號(hào)。

最大橫流累積頻率是指統(tǒng)計(jì)年限內(nèi)沿程最大橫流大于或等于某一橫流值的時(shí)間占總時(shí)間的百分比。根據(jù)沿程最大橫流的經(jīng)驗(yàn)累積頻率，可繪制沿程最大橫流的累積頻率曲線（見圖1）。

圖1 沿程最大橫流累積頻率曲線Fig.1 Curveof the maximum guaranteed crossflow rate along the river

4 航道橫流特征分析

在討論如何選取合理的最大橫流累積頻率前，有必要對(duì)工程區(qū)域航道橫流的特征進(jìn)行分析。以連云港主港區(qū)為例，利用經(jīng)實(shí)測資料驗(yàn)證的潮流數(shù)學(xué)模型，分別計(jì)算不同潮型下的航道橫流，分析其時(shí)間過程和平面分布特征，發(fā)現(xiàn)不同潮型下的航道橫流具有相似特征，現(xiàn)以2012年3月大潮為代表潮型進(jìn)行說明。

4.1 航道橫流的時(shí)間過程

計(jì)算結(jié)果表明，在防波堤口門外約400 m航道斷面處發(fā)生最大航道橫流，圖2為該斷面航道中心點(diǎn)處航道橫流過程線及潮位過程線圖，圖中航道橫流過程用虛線表示，正值代表漲潮橫流，負(fù)值代表落潮橫流。由圖可知：在漲潮過程中航道橫流隨潮位升高而增大，最大航道橫流時(shí)刻出現(xiàn)在高潮位前約1.5 h，達(dá)到高潮位時(shí)橫流迅速降低，高潮位以后橫流數(shù)值更小。通過計(jì)算分析其他潮型下航道橫流的時(shí)間過程可知，航道橫流最大值均出現(xiàn)在高潮位時(shí)刻前0.5~2.0 h。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)不同漲潮潮差與相應(yīng)的高潮位時(shí)刻橫流值、高潮位時(shí)刻后0.5 h橫流值（見表3），可見：高潮位時(shí)刻航道橫流值較最大航道橫流值減小很多，均小于0.5 m/s，而高潮位時(shí)刻后0.5 h，航道橫流值則不超過0.2 m/s。

圖2 垂線平均橫流的時(shí)間過程Fig.2 Time process of vertical mean cross flow

表3 漲潮潮差對(duì)應(yīng)的橫流值Table 3 The cross flow value of flood tidal range

4.2 航道橫流的平面分布

為了描述航道橫流的平面分布，將航道附近流速沿垂直于航道軸線的方向投影，繪制流速分量等值線圖，在航道內(nèi)該分量即為航道橫流值。圖3為最大橫流時(shí)刻的航道橫流分布圖，由圖可知：口門以外700 m范圍內(nèi)的航道橫流較大，其中，最大橫流出現(xiàn)在口門約400 m處，其他航段航道橫流值相對(duì)較小。

5 合理選取最大橫流累積頻率

運(yùn)用基于橫流累積頻率的航道寬度設(shè)計(jì)方法，在求得沿程最大橫流值的累積頻率曲線后，還需要選取合理的最大橫流累積頻率?，F(xiàn)結(jié)合上一節(jié)對(duì)航道橫流特征的分析，討論如何選取合理的最大橫流累積頻率。

圖3 最大橫流時(shí)刻的航道橫流分布圖Fig.3 Thechannel crossflow distribution at themoment of themaximum crossflow

航道寬度設(shè)計(jì)必須要保證最大設(shè)計(jì)船型能夠安全通航，而大型船舶通常需要乘潮進(jìn)港，自乘潮時(shí)刻開始從外海駛向港區(qū)。由連云港主港區(qū)航道橫流特征可知，較大橫流僅在高潮位時(shí)刻前的0.5~2.0 h左右出現(xiàn)在防波堤口門以外700 m水域范圍內(nèi)，且高潮位以后迅速降低。根據(jù)設(shè)計(jì)，連云港30萬噸級(jí)進(jìn)港航道長48km，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為90%的乘潮保證率滿足4 h乘潮時(shí)間[8]。對(duì)于需要乘潮進(jìn)港的船舶，行駛到防波堤口門段時(shí)多在高潮位以后，此時(shí)所承受的航道橫流較最大值要降低許多。因此，考慮最大設(shè)計(jì)船型時(shí)，可以選擇略高的最大橫流累積頻率，此時(shí)對(duì)應(yīng)的橫流流速相對(duì)不大，既滿足航行安全，又能節(jié)約投資。至于其他較小噸位的船舶，可能無需乘潮進(jìn)港，故其到達(dá)口門段的時(shí)間不定，有可能承受最大航道橫流的作用，所以，還需對(duì)其航行安全進(jìn)行校核。

表4列出了連云港主港區(qū)30萬噸級(jí)航道不同設(shè)計(jì)船型，在不同最大橫流累積頻率條件下的航道寬度設(shè)計(jì)值。進(jìn)港航道的設(shè)計(jì)通航水深為25.4 m，最大設(shè)計(jì)船型（30萬噸級(jí)油輪）需要乘潮進(jìn)港，而對(duì)于次大設(shè)計(jì)船型（25萬噸級(jí)油輪）則無需乘潮。在航道寬度設(shè)計(jì)時(shí)，若取累積頻率1.7%，并按最大設(shè)計(jì)船型計(jì)算航道寬度為308 m，由于實(shí)際運(yùn)行中最大設(shè)計(jì)船型不可能遭遇最大橫流，所以這樣的航道寬度是不經(jīng)濟(jì)的。由表3可知，在高潮位及之后時(shí)刻，航道沿程最大橫流均遠(yuǎn)小于0.5 m/s，若取累積頻率43.42%對(duì)應(yīng)的航道橫流值作為設(shè)計(jì)值，并按最大設(shè)計(jì)船型計(jì)算航道寬度為290 m，該航道寬度可以滿足最大船型的安全通航。同時(shí)，在累積頻率1.7%的最大橫流條件下，對(duì)于不需要乘潮進(jìn)港的25萬噸級(jí)油輪，這樣的航道寬度也完全能夠滿足安全通航要求。

表4 不同船型航道有效寬度Table4 The effectivechannel width of different ships

由此可見，對(duì)于最大設(shè)計(jì)船型，因其需要乘潮進(jìn)港，到達(dá)口門段航道時(shí)，往往已是高潮位時(shí)刻之后，此時(shí)船舶實(shí)際遇到的航道橫流較最大橫流要小許多，因此，對(duì)于最大設(shè)計(jì)船型建議選取稍低的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（建議取累積頻率值40%~50%）來計(jì)算航道寬度。當(dāng)然，對(duì)于其他設(shè)計(jì)船型仍然需要校核其進(jìn)出港的安全性。

需要說明的是，上述結(jié)論是以連云港主港區(qū)為例分析得出的，對(duì)于其他工程不能直接套用，但選取最大橫流累積頻率的思路仍是適用的。

6 結(jié)語

1）航道橫流是確定航道寬度的主要參數(shù)，且在年內(nèi)變化較大，但在以往的航道寬度設(shè)計(jì)中，橫流數(shù)值選取的原則并不明確，具有一定的隨意性。因此，提出一種合理選取航道橫流數(shù)值進(jìn)而確定航道寬度的設(shè)計(jì)方法是十分必要的。

2）連云港主港區(qū)航道最大橫流僅于高潮位時(shí)刻前0.5~2.0 h出現(xiàn)在口門段航道，而需要乘潮進(jìn)港的滿載船舶在高潮位時(shí)刻后到達(dá)口門，可避開最大橫流。故航道寬度設(shè)計(jì)時(shí)，可適當(dāng)降低設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（建議取累積頻率40%~50%），經(jīng)校核，對(duì)于不需乘潮進(jìn)港的船舶亦能以較高的概率保證通航安全。

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