碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法研究

魏彤軍+陳旭達(dá)+谷文強(qiáng)

摘 要：本文旨在得出國(guó)際通用的碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法，本文中分析和總結(jié)國(guó)內(nèi)外規(guī)范中碼頭前沿底高程的設(shè)計(jì)方法，分別從設(shè)計(jì)水位、底質(zhì)、備淤和其他影響因素等方面分析，最終將各國(guó)碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)影響因素進(jìn)行對(duì)比，找出差異，并最終給出了碼頭前沿底高程的概率設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：底高程 設(shè)計(jì)水位 影響因素 超越概率 概率設(shè)計(jì)方法

1.引言

隨著國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略的推進(jìn)，海外工程越來(lái)越多。在海外港口設(shè)計(jì)中，業(yè)主和咨工一般要求采用英美規(guī)范等國(guó)際通用規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)將國(guó)際主流規(guī)范和中國(guó)規(guī)范中的碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比和分析，總結(jié)出碼頭前沿底高程的詳細(xì)設(shè)計(jì)方法。

2.各國(guó)規(guī)范碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法

2.1中國(guó)規(guī)范碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》JTS 165-2013，碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深應(yīng)按設(shè)計(jì)低水位時(shí)保證設(shè)計(jì)船型在滿載吃水情況下安全?？康囊?guī)定確定。對(duì)通航水深保證規(guī)定更高的液化天然氣碼頭和工作船碼頭，碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深應(yīng)從當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚恪?/p>

碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深可按下列公式確定：

式中：D——碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深（m）；

T——設(shè)計(jì)船型滿載吃水（m），對(duì)雜貨船，根據(jù)具體情況經(jīng)論證，可考慮實(shí)載率對(duì)吃水的影響；對(duì)河口港可考慮咸淡水比重差對(duì)設(shè)計(jì)船型吃水的影響；

Z1——龍骨下最小富裕深度（m），結(jié)合不同的海底底質(zhì)進(jìn)行取值0.2～0.6；

Z2——波浪富裕深度（m），宜按實(shí)測(cè)或模擬結(jié)果確定；也可采用估算方法確定，對(duì)于良好掩護(hù)的情況，可采用式5.20計(jì)算，且當(dāng)計(jì)算結(jié)果為負(fù)值時(shí)，取Z2=0；對(duì)于開敞情況，可采用式5.21估算；部分掩護(hù)情況，也可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)式5.21的結(jié)果適當(dāng)折減后采用，但不應(yīng)小于式5.20的值；

Z3——船舶因配載不均勻而增加的船尾吃水值（m），干散貨船和液體散貨船取0.15m，滾裝船根據(jù)船型噸級(jí)進(jìn)行取值0.2～0.3，其他船型可不計(jì)；

Z4——備淤富裕深度（m），根據(jù)回淤?gòu)?qiáng)度、維護(hù)挖泥間隔期的淤積量計(jì)算確定，對(duì)于不淤港口，可不計(jì)備淤深度；有淤積的港口，備淤深度不宜小于0.4m；

K1——系數(shù)，順浪取0.3，橫浪取0.5～0.7；

H4%——碼頭前允許停泊的波高（m），波列累積頻率為4%的波高，根據(jù)當(dāng)?shù)夭ɡ撕透劭跅l件確定。

碼頭前停泊水域底高程應(yīng)根據(jù)確定的設(shè)計(jì)起算水位和碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深計(jì)算確定。

2.2日本規(guī)范碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法

根據(jù)日本規(guī)范《OCDI：Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan》，碼頭前停泊水域水深應(yīng)按照下列公式計(jì)算，

D=T+Z

式中：D——碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深（m）；

T——設(shè)計(jì)船型滿載吃水（m），對(duì)雜貨船，根據(jù)具體情況經(jīng)論證，可考慮實(shí)載率對(duì)吃水的影響；對(duì)河口港可考慮咸淡水比重差對(duì)設(shè)計(jì)船型吃水的影響；

Z——龍骨下富裕深度（m），一般取最大吃水的10%，掩護(hù)條件較差的碼頭還需要考慮因風(fēng)浪引起的富裕深度的增加；

設(shè)計(jì)起算水位取基準(zhǔn)面，即印度大潮低潮面（略最低低潮面）A0-（HM2+HS2+HK1+H01）。碼頭前停泊水域底高程應(yīng)根據(jù)確定的設(shè)計(jì)起算水位和碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深計(jì)算確定。

2.3英國(guó)規(guī)范碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法

根據(jù)英標(biāo)6349-2：2010《Maritime works–Part 2： Code of Practice for the Design of Quay Walls， Jetties and Dolphins》碼頭前停泊水域水深設(shè)計(jì)，需要考慮在碼頭設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的靠泊船舶的最大吃水、潮位變化、波浪影響、通行船舶的影響、風(fēng)的影響和裝卸作業(yè)造成的不均勻吃水。

2.4美國(guó)國(guó)防部規(guī)范（UFC）碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法

根據(jù)美國(guó)國(guó)防部設(shè)計(jì)規(guī)范（UFC）《Military Harbors and Coastal Facilities》，碼頭前停泊水域底高程設(shè)計(jì)需要考慮的因素包括設(shè)計(jì)水位、船舶吃水、海水密度影響、考慮海底底質(zhì)的龍骨下富裕深度、風(fēng)浪流作用。

?？棵绹?guó)軍事運(yùn)輸司令部船舶（MSD Ship）和表面效應(yīng)船（Surface Ship）的碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深的設(shè)計(jì)水位采用平均低潮位（Mean Low Water datum，MLW），其他美軍船舶停靠的碼頭的前停泊水域設(shè)計(jì)水深的設(shè)計(jì)水位采用平均低低潮（Mean Lower Low Water datum， MLLW）。

美國(guó)海軍碼頭與底質(zhì)相關(guān)的龍骨下富裕深度按照表1中選取。

鹽度、風(fēng)浪流影響等造成的碼頭前停泊水域水深增加量的計(jì)算方法，美國(guó)國(guó)防部設(shè)計(jì)規(guī)范沒有詳細(xì)說(shuō)明。備淤深度應(yīng)根據(jù)疏浚頻率和回淤速度確定。一般采用不少于三年的疏浚間隔，具體根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r確定。最少應(yīng)該考慮0.3m的備淤深度?？紤]到疏浚施工的不準(zhǔn)確性，需要考慮超深，一般考慮0.3m或0.6m。

在淤積不嚴(yán)重的碼頭，前停泊水域水深應(yīng)等于設(shè)計(jì)船型最大吃水的1.1倍。淤積嚴(yán)重的碼頭應(yīng)額外增加一定深度。

2.5德國(guó)規(guī)范碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法

根據(jù)德國(guó)港口工程協(xié)會(huì)規(guī)范《Recommendations of the Committee for Waterfront Structures Harbours and Waterways》（EAU 2012）來(lái)計(jì)算碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)底高程，需要考慮設(shè)計(jì)水位、設(shè)計(jì)船型最大吃水（包括鹽度和側(cè)傾對(duì)吃水的影響）、龍骨下富裕深度、備淤深度和超挖。endprint

設(shè)計(jì)水位一般取海圖基準(zhǔn)面，德國(guó)海圖基準(zhǔn)面取最低天文潮，即LAT。

碼頭前名義水深包括設(shè)計(jì)船型最大吃水（包括鹽度和側(cè)傾對(duì)吃水的影響）、龍骨下富裕深度之和。其中龍骨下富裕深度最少應(yīng)取0.5m。

碼頭前不同的名義水深對(duì)應(yīng)的備淤深度和超挖（僅作為一般參考值）可參照表2中數(shù)值。

2.6《Port Designers Handbook》碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法

根據(jù)《P o r t D e s i g n e rs Handbook》，碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深的影響因素包括設(shè)計(jì)船型的最大吃水、潮位變化、波浪對(duì)于船舶的影響、裝卸作業(yè)造成的不均勻吃水、大氣壓力影響、底質(zhì)影響、疏浚失誤的影響、可能的回淤。

考慮底質(zhì)影響的龍骨下富裕深度，對(duì)于軟土（例如砂等）最少應(yīng)取0.5m，對(duì)于巖基最少應(yīng)取1.0m。

備淤深度應(yīng)考慮可能的疏浚失誤和年回淤深度。

系泊船舶的橫搖和縱傾增加的船舶吃水值，可由下列公式計(jì)算，

橫搖造成的增加值=0.5×船寬×sinα，其中α為橫搖角度；

縱傾造成的增加值=0.5×船長(zhǎng)×sinβ，其中β為縱傾角度。

一般情況下，碼頭前停泊水域設(shè)計(jì)水深（名義水深）可按照如下原則估算：

對(duì)于開敞式碼頭，可取設(shè)計(jì)船型最大吃水的1.2倍；

對(duì)于有掩護(hù)碼頭，可取設(shè)計(jì)船型最大吃水的1.15倍。

3.各國(guó)規(guī)范中的碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)方法總結(jié)

各國(guó)規(guī)范碼頭高程設(shè)計(jì)考慮的影響因素基本一致，但對(duì)于各影響因素的取值略有不同，尤其是設(shè)計(jì)水位差異較大，其中中國(guó)和美國(guó)規(guī)范中的設(shè)計(jì)水位較高，而英國(guó)規(guī)范、德國(guó)規(guī)范等規(guī)范中的設(shè)計(jì)水位較低。各影響因素的取值不同會(huì)造成不同的觸底超越概率，例如設(shè)計(jì)水位越低則船舶觸底的超越概率越低。建議在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)采用概率設(shè)計(jì)方法進(jìn)行碼頭前沿底高程的設(shè)計(jì)。

4.碼頭前沿底高程的概率設(shè)計(jì)方法

碼頭前沿底高程的概率設(shè)計(jì)法是將有關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)（如船舶吃水、潮位、各種影響船舶豎向運(yùn)動(dòng)的因素等）采用概率密度函數(shù)表示，設(shè)計(jì)人員選取一個(gè)可以接受的系統(tǒng)的失效概率（如船舶觸底），并以此失效概率作為碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在使用概率法設(shè)計(jì)碼頭前沿底高程時(shí)，應(yīng)基于安全、經(jīng)濟(jì)和高效來(lái)選取合適的超越概率。

使用概率方法進(jìn)行碼頭前沿底高程設(shè)計(jì)時(shí)通常需要知道潮流、風(fēng)況、波浪和船舶吃水等，以此來(lái)確定可以接受的最大的超越概率。在進(jìn)行概率設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)把設(shè)計(jì)參數(shù)寫成可靠性函數(shù)的表達(dá)式。影響碼頭前沿底高程的主要因素包括水位因素（潮汐、波浪）、船舶垂向運(yùn)動(dòng)因素（船行下沉量和縱傾、波浪作用下的垂向運(yùn)動(dòng)響應(yīng)）、底質(zhì)因素（航道底部不確定性、備淤深度）。

在碼頭前沿底高程概率設(shè)計(jì)過(guò)程中，UKC的計(jì)算值并不是各個(gè)影響因素的直接相加。通過(guò)概率組合的方式將各個(gè)影響因素組合得到的值比作為獨(dú)立個(gè)體直接相加得到的值要小，這樣就避免在碼頭前沿底標(biāo)高設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)了過(guò)度保守的設(shè)計(jì)。

如果所有組成UKC的因素都是獨(dú)立個(gè)體的且符合正態(tài)分布，則所有因素的綜合貢獻(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)差可以表示為各個(gè)因素的標(biāo)準(zhǔn)差的平方和的平方根：

式中：σc為綜合標(biāo)準(zhǔn)差；σs為船舶運(yùn)動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差（=1/2Am0）；σb為不規(guī)律航道底部高程的標(biāo)準(zhǔn)差；σw為水位的標(biāo)準(zhǔn)差。

利用以上公式多次計(jì)算，可以確定碼頭前沿底標(biāo)高、設(shè)計(jì)水位、船舶吃水及不可作業(yè)天數(shù)的相關(guān)關(guān)系。將特定概率的潮流、波浪和氣象條件等環(huán)境因素用圖表的方式表示出來(lái)，以此可以確定不可作業(yè)天數(shù)發(fā)生的概率。通過(guò)評(píng)估裝卸作業(yè)耽誤而產(chǎn)生的財(cái)政損失以及浚深費(fèi)用之間的利害關(guān)系，來(lái)完成碼頭前沿底高程的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

在計(jì)算碼頭前沿底高程時(shí)，可以采用蒙特卡羅法來(lái)確定UKC值的失效概率。在蒙特卡羅法中，通過(guò)對(duì)所用影響水深的參數(shù)及其概率分布的隨機(jī)組合計(jì)算，得到大量的碼頭前沿底高程方案。在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)分析觸底工況的出現(xiàn)次數(shù)占總計(jì)算次數(shù)的百分比，可以確定超越概率。

在確定船舶超過(guò)凈龍骨下富裕深度UKCNet的概率時(shí)，可以采用瑞利分布來(lái)表示船舶的垂向運(yùn)動(dòng)。如果假設(shè)UKC等于Ap，則可以利用公式

來(lái)反推概率p。

例如Ap/ Am 0= U K C / Am 0= 2，則p = e x p { - 2 （ U K C / Am0）2}=exp{-2（2）2}=3.35×10-4。這表示，在此特定的UKC水深值下，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來(lái)看，在2981次船舶垂向運(yùn)動(dòng)中，會(huì)發(fā)生1次超過(guò)UKC限值事件。

5.結(jié)束語(yǔ)

在港口工程項(xiàng)目中，碼頭前沿底高程的設(shè)計(jì)對(duì)碼頭結(jié)構(gòu)和船舶系泊安全具有較大影響，不宜僅根據(jù)某些相關(guān)規(guī)范的規(guī)定確定尺度，建議應(yīng)結(jié)合系泊試驗(yàn)進(jìn)行相應(yīng)的方案比選和驗(yàn)證，在資料詳盡的情況下也可采用概率設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全和合理的設(shè)計(jì)目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTS 165-2013.海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范 Design Code of General Layout for Sea Ports.

[2]MLIT （Ministry of Land， Infrastructure， Transpor t and Tourism）. 2002. Japan：“Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan” （1999）. OCDI.

[3]British Standards Institution （2010） BS 6349： Maritime Works -Part 2： Code of Practice for the Design of Quaywalls， Jetties and Dolphins. London： BSI.

[4]UFC （Unified Facilities Criteria） （2005） Design： Piers and Wharves. UFC 4-152-01.

[5]EAU （2012） Recommendations of the Committee for Waterfront Structures， Harbours and Waterways， 11th German Edition.

[6]Carl A. Thoresen. Port Designers Hand Book， Third Edition， 2014. Published by ICE Publishing.endprint