海洋平臺(tái)拖帶航道寬度計(jì)算

李永燁，鄭書禧，包興先

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007;2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

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海洋平臺(tái)拖帶航道寬度計(jì)算

李永燁1，鄭書禧1，包興先2

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007;2.中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

針對(duì)海洋平臺(tái)一般不具備航行動(dòng)力，在安裝期間出港需拖帶通航，而國內(nèi)針對(duì)此類拖帶船隊(duì)的通航航道寬度計(jì)算并無明確規(guī)定，無法指導(dǎo)海洋平臺(tái)拖航專用航道設(shè)計(jì)及拖帶通航的安全評(píng)估的問題，選取典型海洋平臺(tái)，分別采用國內(nèi)通航安全評(píng)估常用的《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》、經(jīng)驗(yàn)算法、美國和加拿大的航道設(shè)計(jì)指南進(jìn)行拖航航道寬度的計(jì)算分析，結(jié)果表明，國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)算法與美國和加拿大算法的結(jié)果較為接近，而《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果明顯偏于保守。建議在工程中參照美國和加拿大航道設(shè)計(jì)指南，或按國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)算法進(jìn)行航道寬度的設(shè)計(jì)和評(píng)估。

海洋平臺(tái)；拖帶；航道寬度

海洋平臺(tái)本身一般無動(dòng)力，其在船廠建好后出海安裝需拖帶通航。在工程中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)規(guī)范并無明確規(guī)定此類拖帶通航船隊(duì)的航道寬度該如何計(jì)算，當(dāng)需開挖專用拖帶航道或進(jìn)行拖帶通航安全評(píng)估時(shí)，研究標(biāo)準(zhǔn)往往不統(tǒng)一。過高的標(biāo)準(zhǔn)會(huì)造成工程投資的增加，過低的標(biāo)準(zhǔn)又使航行存在一定安全隱患。因此，有必要對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行梳理，為同類工程設(shè)計(jì)和評(píng)估提供依據(jù)。

1 海洋平臺(tái)拖帶方式

無動(dòng)力海上設(shè)施的拖帶方式一般有前方吊拖、后方頂推，側(cè)邊傍拖，由于海洋平臺(tái)尺度巨大，其拖帶時(shí)一般是多種方式的組合，典型的拖帶方式見圖1。

圖1 海洋平臺(tái)拖帶船隊(duì)典型準(zhǔn)確狀態(tài)

前方由一條大功率拖船(一般均大于9 400 kN(10 000 HP))通過龍須纜吊拖，提供船隊(duì)前行的動(dòng)力，當(dāng)動(dòng)力不足時(shí)，可在前方加設(shè)副拖1和副拖2提供輔助動(dòng)力，平臺(tái)尾部設(shè)副拖3和副拖4，主要起制動(dòng)作用，各副拖的數(shù)量及布置可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整，包括增設(shè)傍拖等。具體如何配置，可根據(jù)海事引航部門意見及當(dāng)?shù)刈匀粭l件確定，但主拖通過龍須纜吊拖是最常見配置[1-2]。

2 國內(nèi)海洋平臺(tái)拖帶航道寬度計(jì)算

由于沒有明確規(guī)定，國內(nèi)不同單位在計(jì)算海洋平臺(tái)拖帶航道寬度時(shí)采用了不同的方法，結(jié)論往往差距較大，比較認(rèn)為，計(jì)算方法主要包括以下2種。

1)參照《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算。由于海洋平臺(tái)拖帶時(shí)航道需進(jìn)行封航，參照《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)常規(guī)單一商船單向通航進(jìn)行航道寬度的計(jì)算[3]。這也是國內(nèi)現(xiàn)有的海洋平臺(tái)拖帶通航安全評(píng)估報(bào)告中測(cè)算航道寬度采用最多的方法。

W=A+2C

(1)

(2)

式中：W——單向航道通航寬度，m；

A——航跡帶寬度，m；

C——船舶與航道底邊線之間的富裕寬度，m；

n——船舶漂移倍數(shù)，海洋平臺(tái)拖航時(shí)，橫流一般要求小于0.5 m/s；

L——設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，m；

γ——風(fēng)流壓偏角，(°)；

B——設(shè)計(jì)船寬，取海洋平臺(tái)寬度，m。

采用上述公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)，主拖、吊拖主纜及海洋平臺(tái)三者按剛性連接考慮，即計(jì)算船長(zhǎng)L=L1+L2+L3。根據(jù)引航部門操作經(jīng)驗(yàn)，其中L2在外海拖帶時(shí)一般取300～500 m，在風(fēng)浪條件較好的水域拖帶時(shí)，纜繩長(zhǎng)度可適當(dāng)縮短，但一般也不小于150 m。由于需開挖航道的區(qū)域一般在內(nèi)海水淺、波浪條件較好水域，拖纜長(zhǎng)度可縮短，計(jì)算時(shí)L2一般取150 m。

2)按國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)算法進(jìn)行計(jì)算。國內(nèi)還有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)算法，平臺(tái)拖航所需通航寬度計(jì)算按下式計(jì)算。

W=B+L+2C

(3)

式中：W——通航寬度，m；

B——海洋平臺(tái)寬度，m；

L——幫靠拖輪長(zhǎng)度，m；

C——船舶與航道底邊間的富裕寬度，m，考慮有拖船協(xié)助，取0.5B。

針對(duì)上述2種計(jì)算方法，選取了國內(nèi)幾個(gè)典型海洋平臺(tái)，對(duì)其拖航航道寬度進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表1。

表1 國內(nèi)常用算法計(jì)算海洋平臺(tái)拖帶航道寬度結(jié)果一覽表

由表1可見，就選取的實(shí)例而言，海洋平臺(tái)拖帶通航安全評(píng)估通常參照采用的《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》法，其航道計(jì)算寬度平均較國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)算法大35.91%。

3 國外指南對(duì)拖帶航道寬度的計(jì)算

由于國內(nèi)算法在計(jì)算結(jié)果上差距較大，參照美國和加拿大航道設(shè)計(jì)指南，并與國內(nèi)算法進(jìn)行比較。

1)參照美國航道寬度計(jì)算方法。美國陸軍工程兵團(tuán)《Hydraulic Design of Deep-Draft Navigation Project》關(guān)于航道寬度的確定方法清晰明了，剔除了船隊(duì)形式等影響因素，僅根據(jù)航槽形成方式和船舶航行受到的流速大小，按船寬倍數(shù)來確定航道寬度[4]，見表2。

表2 航道設(shè)計(jì)寬度相對(duì)于船寬的倍數(shù)

海洋平臺(tái)拖帶時(shí)一般要求流速小于1 kn，因此其航道開挖寬度取3.25倍平臺(tái)型寬。

2)根據(jù)加拿大漁業(yè)和海洋部主持編訂的《National Maneuvering Guidelines》，航道寬度主要由航道設(shè)計(jì)寬度與富裕寬度2部分組成。其中單向航道設(shè)計(jì)寬度主要影響因素有船舶操縱性能、風(fēng)和流、岸壁效應(yīng)、導(dǎo)助航設(shè)施情況[5]。

① 不同船型的船舶操縱性系數(shù)和所需航跡帶寬度見表3。

表3 各種船型的船舶操縱性系數(shù)和所需航跡帶寬度

注：海洋平臺(tái)拖帶，由于缺乏動(dòng)力，可按已損壞船只考慮取1.8B。

② 橫風(fēng)引起的航道寬度增量參考值見表4。

橫流引起的航道寬度增量參考值見表5。

③ 岸壁效應(yīng)影響船舶的操縱性能，其對(duì)航道寬度的影響見表6。

④ 不同助航條件對(duì)航道寬度的影響見表7。

⑤ 富裕寬度參照我國《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》取0.5B。

表4 橫風(fēng)引起的航道寬度增量參考值

注：平臺(tái)拖帶時(shí)一般要求風(fēng)力小于5級(jí)(15.3 kN)，橫風(fēng)一般小于15 kN，可取0.0B。

表5 橫流引起的航道寬度增量參考值

注：平臺(tái)拖帶時(shí)一般要求橫流小于0.5 kN，取0.3B。

綜上分析，加拿大航道設(shè)計(jì)指南關(guān)于海洋平臺(tái)拖帶航道寬度約為3.6倍平臺(tái)型寬。

4 不同算法的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

按照我國《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》、經(jīng)驗(yàn)算法、美國《航道設(shè)計(jì)指南》及加拿大《航道設(shè)計(jì)指南》等不同算法計(jì)算得海洋平臺(tái)拖帶航道寬度見表8。海洋平臺(tái)拖帶航道寬度與平臺(tái)型寬的倍數(shù)關(guān)系見表9。

表6 岸壁效應(yīng)下所需航道寬度的增量參考值

注：海洋平臺(tái)拖帶速度很小，對(duì)水體影響很小，岸壁效應(yīng)可看作弱，取1.0B。

表7 不同助航條件下所需航道寬度的增量參考值

注：海洋平臺(tái)拖帶受海事、引航部門重視，一般都具有良好的助航設(shè)施，取0.0B。

從表8可見，國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)算法與美國和加拿大算法的結(jié)果較為接近，相差幅度在10%以內(nèi)，而國內(nèi)通航安全評(píng)估常用的《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》法計(jì)算結(jié)果明顯偏于保守。同時(shí)，征詢了引航部門意見，根據(jù)其引航經(jīng)驗(yàn)，拖帶航道寬度一般不會(huì)超過船寬的4倍，而根據(jù)國內(nèi)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》法計(jì)算的航道寬度已接近平臺(tái)型寬的4.7倍。

表8 國內(nèi)外不同算法下海洋平臺(tái)拖帶航道寬度對(duì)比表

表9 國內(nèi)外不同算法下海洋平臺(tái)拖帶航道寬度與平臺(tái)型寬倍數(shù)關(guān)系表

《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》法計(jì)算結(jié)果偏保守的主要原因是《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》法把船隊(duì)看作一剛性體來確定船隊(duì)長(zhǎng)度，存在較大的安全富余；而美國和加拿大算法從航槽形式、船舶操縱性的角度出發(fā)，避免了船隊(duì)是否為剛性的爭(zhēng)議。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)尚無明確地針對(duì)海洋平臺(tái)拖帶通航航道寬度的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。通航安全評(píng)估常用的《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》法計(jì)算結(jié)果明顯偏于保守，會(huì)造成較大的工程投資浪費(fèi)，而經(jīng)驗(yàn)算法雖與美國和加拿大航道設(shè)計(jì)指南的算法相接近，但缺少規(guī)范約束和實(shí)際指導(dǎo)意義。建議相關(guān)部門盡快研究制定海洋平臺(tái)拖帶通航航道寬度的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)或指南，以指導(dǎo)海洋平臺(tái)拖航專用航道開挖及拖帶通航安全評(píng)估。在此之前，可以參照美國和加拿大航道設(shè)計(jì)指南，或按國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)算法進(jìn)行航道寬度的設(shè)計(jì)和評(píng)估。

[1] 楊權(quán).中船龍穴造船基地大型無動(dòng)力船舶拖帶的探討[J].珠江水運(yùn),2014(12):91-94.

[2] 周端標(biāo).海上大型鉆井平臺(tái)拖帶航行與靠離泊方法[J].中國航海,2013,36(3):147-150.

[3] 交通運(yùn)輸部.海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范：JTS 165—2013 [S].北京：人民交通出版社,2013.

[4] USACE. Hydraulic design of deep draft navigation project[S]. Washington：US army corps of engineers，2006.

[5] DFO. Canadian waterways national maneuvering guidelines：Channel design parameter[S].Vancouver：Waterways Development，Canadian Coast Guard，F(xiàn)isheries and Oceans，1999.

Research on the Width of Offshore Platform Towing Waterway

LI Yong-ye1, ZHENG Shu-xi1, BAO Xing-xian2

(1.CCCC Water Transportation Consultants Co. Ltd, Beijing 100007, China;2.China University of Petroleum (East China), Qingdao Shandong 266580, China)

The offshore platforms have no power to move forward, they need to be towed during their getting out of the harbor for installation. There are no criteria on calculating the width of the waterway used for towing the offshore platforms, and there are no guidelines on design of waterway and safety assessment of towing. Several typical offshore platforms were selected for analysis and different methods of calculating the width of waterway are introduced, including overall design code for seaport, experiential algorithm, hydraulic design of deep draft navigation project of US and Canadian waterways national maneuvering guidelines. It is showed that the results of experiential algorithm are close to that of US and Canada guidelines. It is suggested that hydraulic design of deep draft navigation project of US and Canadian waterways national maneuvering guidelines can serve as

in engineering cases, and the experiential algorithm can alternatively be used.

offshore platform; towing; width of the waterway

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.036

2016-04-06

國家自然科學(xué)基金(51309239)

李永燁(1982—)，男，學(xué)士，工程師

U674.38;U675.5

A

1671-7953(2016)05-0142-04

修回日期：2016-04-18

研究方向:港口工程規(guī)劃與設(shè)計(jì)、技術(shù)管理工作

E-mail:16196744@qq.com