老鐵山—長(zhǎng)興島VLCC外海航路安全水深的確定

李連博+劉德新+尹建川+戴冉

摘要：

為確保長(zhǎng)興島北港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)油船泊位正常營(yíng)運(yùn)，科學(xué)合理地規(guī)劃老鐵山水道至長(zhǎng)興島北港區(qū)的外海航路，對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于航道水深的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和影響船舶富余水深的要素進(jìn)行對(duì)比分析.基于MATLAB8.0平臺(tái)，利用芳村公式、Eryuzlu（1994）修正公式和Norbin公式計(jì)算船舶在開敞水域航行時(shí)的下沉量、富余水深和安全水深，并畫出滿載VLCC在開敞水域航行時(shí)的下沉量、富余水深、安全水深在不同航速情況下隨水深與吃水比值變化的曲線.根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》、芳村公式、Eryuzlu（1994）修正公式和Norbin公式，計(jì)算出在開敞水域航行的滿載VLCC在不同航速下所需的下沉量和外海航路安全水深.運(yùn)用該方法提出老鐵山水道至長(zhǎng)興島北港區(qū)外海航路的安全水深建議值.該方法可為渤海灣其他有VLCC碼頭的外海航路設(shè)計(jì)提供一定的參考.

關(guān)鍵詞：

超大型油船（VLCC）；航路規(guī)劃；下沉量；富余水深；水深標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號(hào)：U612.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A收稿日期：20150913修回日期：20151116

0引言

大連長(zhǎng)興島30萬(wàn)噸級(jí)油船碼頭工程位于長(zhǎng)興島北港區(qū)東防波堤外側(cè)，碼頭長(zhǎng)436m，棧橋長(zhǎng)318m，碼頭前沿水深25m，年設(shè)計(jì)通過(guò)能力1768萬(wàn)t.該工程規(guī)劃中，僅對(duì)30萬(wàn)噸級(jí)油船碼頭進(jìn)出港航道進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)，外海航路只是建議采用該水域現(xiàn)有的超大型船舶習(xí)慣航路.[1]為確保長(zhǎng)興島北港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)油船泊位正常營(yíng)運(yùn)，科學(xué)合理地規(guī)劃老鐵山水道至長(zhǎng)興島北港區(qū)的外海航路是十分必要的.外海航路安全水深標(biāo)準(zhǔn)的確定是規(guī)劃外海航路的首要工作，因此本文通過(guò)對(duì)近些年國(guó)內(nèi)外關(guān)于航路水深及富余水深方面研究的分析、計(jì)算和對(duì)比，提出老鐵山水道至長(zhǎng)興島北港區(qū)外海航路安全水深的建議值.

1設(shè)計(jì)船型

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165—2013）中關(guān)于設(shè)計(jì)船型尺度的內(nèi)容，可得30萬(wàn)噸級(jí)油船的主尺度：總長(zhǎng)為334.0m，型寬為60m，型深為31.2m，滿載吃水為22.5m.

基于此，在勞氏船級(jí)社船舶數(shù)據(jù)庫(kù)中提取50艘滿載吃水為22.5m的超大型油船（VeryLargeCrudeCarrier，VLCC）的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出設(shè)計(jì)船型數(shù)據(jù)：船舶載質(zhì)量為318000t，滿載排水量為362500t，船長(zhǎng)L=333.5m，船舶垂線間長(zhǎng)LBP=320.4m，型寬B=60m，滿載吃水d=22.5m，型深D=30.4m，方形系數(shù)Cb=0.79，縱穩(wěn)心高度為343m，橫穩(wěn)心高度為6.6m，重心與船中的距離為0.4m，重心與基線的距離為17.6m.

2國(guó)內(nèi)外航路水深標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和相關(guān)研究

2.1《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS165—2013）[2]規(guī)定，航道通航水深D0和航道設(shè)計(jì)水深D分別為

式中：T為設(shè)計(jì)船型滿載吃水；Z0為航行時(shí)的船體下沉量；Z1為船舶航行時(shí)龍骨下的最小富余水深，根據(jù)規(guī)范中表格和海域?qū)嶋H情況，取0.6m；Z2為波浪富余水深，根據(jù)表格規(guī)范，取船、浪夾角為90°，前4%較大波的平均波高為2m，Z2為1.04m；Z3為船舶裝載縱傾富余水深，雜貨船、集裝箱船可不計(jì)，油船、散貨船均為0.15m；Z4為備淤富余水深，應(yīng)根據(jù)兩次挖泥間隔期的淤積量確定，不宜小于0.4m；各變量的單位均為m.

2.2在開敞淺水域航行時(shí)富余水深的確定

本文確定富余水深的方法是在考慮水深誤差、無(wú)外界條件影響時(shí)的船體下沉量、受外界條件影響時(shí)的船體下沉量、淺水對(duì)船速的影響和安全操縱對(duì)富余水深的影響等因素的基礎(chǔ)上，對(duì)比在開敞淺水域航行時(shí)的富余水深估算模型，選取適合本文計(jì)算用的富余水深估算模型[34].

2.2.1水深誤差

水深誤差主要受潮高誤差δm，海圖測(cè)量誤差δs，海底底質(zhì)附加值δb和堆積高度δa（這4個(gè)量的單位為m）的影響，因此水深可能存在的最大誤差δh為

式中：P為實(shí)測(cè)大氣壓，hPa；Hc為海圖水深，m.

對(duì)有泥沙淤積的沙河港口和航道，應(yīng)在富余水深估算中計(jì)入δa（無(wú)堆積時(shí)δa取值0）.

2.2.2無(wú)外界條件影響時(shí)的船體下沉量

（1）無(wú)風(fēng)浪時(shí)勻速航行中的船體下沉量.

國(guó)外關(guān)于下沉量的計(jì)算公式[5]主要有Hofft（1974）公式、Huuska（1976）公式、Eryuzlu（1978）公式、Barrass（1981）公式、Norbin公式、Millward（1990）公式、Millward（1992）公式、Eryuzlu（1994）修正公式、Ankudinov（1996）公式、芳村公式等.1974年Hofft提出Hofft公式，較為精確地計(jì)算了船體下沉量，但與實(shí)船實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)仍有較大誤差.Huuska以水動(dòng)力數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，運(yùn)用拉普拉斯方程、邊界條件進(jìn)行傅里葉變換求取垂向力和縱傾力矩，進(jìn)而求船首下沉量；該公式計(jì)算穩(wěn)定，使用范圍較廣，但當(dāng)航速較大時(shí)曲線會(huì)發(fā)生變形.1978年Eryuzlu在開敞水域通過(guò)油船實(shí)驗(yàn)提出了Eryuzlu估算公式，之后不斷對(duì)該公式進(jìn)行改進(jìn)，估算的精確度逐漸提高.[67]1979年Barrass在實(shí)船實(shí)驗(yàn)和模型實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了船首下沉量簡(jiǎn)易估算公式，但考慮因素較少，其準(zhǔn)確性有待進(jìn)一步驗(yàn)證.[8]1986年Norbin在Tuck和Taylor公式基礎(chǔ)上提出了適用于開敞水域Fr<0.4時(shí)的船體下沉量估算公式，該公式并不適用于所有大型船舶，但能夠提供一定的參考.1990年Millward以細(xì)長(zhǎng)體理論為基礎(chǔ)提出Millward估算公式，結(jié)合7條船模實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并對(duì)該公式進(jìn)行改進(jìn)，適用于較大型船舶，但僅以7條船模數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，其可靠性不足；芳村在Tuck公式基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行變形，得到了芳村計(jì)算公式，該公式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，適用于各種船型，估算值普遍偏小.[910]表1給出了以上公式的具體適用范圍[5].通過(guò)對(duì)以上下沉量公式的使用范圍及特點(diǎn)的分析，選取芳村公式、Eryuzlu（1994）修正公式和Norbin公式對(duì)VLCC的下沉量進(jìn)行計(jì)算.芳村公式