船塢設計各行業(yè)規(guī)范條文取值探討

王廣成，劉馨怡，刁偉明

（1.中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220；2.長春凌眾環(huán)保工程有限公司，吉林長春 130012）

引言

亞洲修造船業(yè)近些年發(fā)展迅猛，小型船舶進船塢維修或建造，東南亞國家早些年采用過升降機提升船舶進出塢方式。近些年由于各國交流日趨頻繁，航運業(yè)的發(fā)展與其社會、經(jīng)濟、貿易的發(fā)展態(tài)勢密切相關，海上運輸貨運量逐年增大，小型船舶無法滿足國際航運市場需要。因此，結合國際需求和船舶運輸經(jīng)濟性考慮，各國都在增造一批大型船舶逐步加入到海運市場。由于船舶建造噸級越來越大，采用升船機提升船舶進塢無法滿足條件，故國內、外近年均修建采用干船塢組合灌、排水泵房的船舶進、出塢模式。海水通過塢門上蝶閥或船塢泵房虹吸管進入船塢內，船塢內水通過船塢泵房排入海域。干船塢灌、排水設計型式國內外基本都大同小異，本質上并無區(qū)別。

1 項目概況

緬甸蒂洛瓦船廠三期工程位于仰光以南，距離仰光約10 km。船廠選址于已建一期、二期工程同側岸線。本工程建設規(guī)模為，塢長400 m，塢寬40 m，塢室深度為12.6 m，雙塢室最大可修造40 000 DWT船舶干船塢1座及其配套舾裝碼頭等設施。可建造40 000 DWT雜貨船及以下噸位船舶，維修5 000 DWT以上40 000 DWT雜貨船以下的船舶。串聯(lián)船塢設置中間塢門，船塢可分成兩個獨立的塢室，兩個塢室均可實現(xiàn)建造與修理船舶功能。中間塢門有三個安放位置，設置于船塢正中及其前后50 m處，可以滿足設計船型的不同組合。當中間塢門打開，船塢可以滿足更大噸級船舶的修造需求。

現(xiàn)階段我國船廠方面設計規(guī)范有《船廠總體設計標準》（GB/T51405-2019）、《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）和《船廠水工工程設計規(guī)范》（JTS190-2018）。其中《船廠總體設計標準》（GB/T51405-2019）側重介紹船廠廠址選擇、總圖、水工、工藝、建筑物、結構等，對船塢介紹較少；船塢主要設計規(guī)范是《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）和《船廠水工工程設計規(guī)范》（JTS190-2018）。

《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）和《船廠水工工程設計規(guī)范》（JTS190-2018）對船塢灌水和排水都有相關章節(jié)。這兩本規(guī)范都在執(zhí)行當中，不同規(guī)范說明同一條文數(shù)據(jù)時，取值不同，現(xiàn)對不同條文進行探討。

2 水泵入口隔板長度

《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）第8.3.2.21條：當主泵進口為喇叭口時，在喇叭口下沿流道中心線設垂直隔板。隔板應與流道頂、底以及后墻接觸，隔板應伸出喇叭口外緣1.0～2.0 m。而《船廠水工工程設計規(guī)范》（JTS190-2018）第6.5.24條：當主泵進口為喇叭口時，宜在喇叭口下沿流道中心線設垂直隔板。隔板應與流道頂、底以及后墻接觸，隔板宜伸出喇叭口外緣0.2～0.3 m?！陡纱瑝]設計規(guī)范》強調“應伸出喇叭口外緣1.0～2.0 m”表示在正常情況下均應這樣做?！洞瑥S水工工程設計規(guī)范》強調“宜伸出喇叭口外緣0.2～0.3 m。”表示允許稍有選擇，在條件許可時首先應該這樣做。兩本規(guī)范隔板長度相差5～10倍，筆者認為首先應弄清楚設置隔板的作用是什么，再分析其長度的合理數(shù)值。設置隔板主要是為了水泵入口導流作用，既然是導流，設計時有條件隔板可做的伸出喇叭口長一些，對水泵吸水沒有不利影響。設置隔板導流與吸水管口徑大小、水泵流量、流道層長短等入口條件因素有關。若吸水管口徑大、水泵流量大、流道層長度允許，隔板可以做的稍微長一些，執(zhí)行《干船塢設計規(guī)范》。若吸水管口徑小、水泵流量小，流道層長度受限制，隔板可設置短一些，可參考《船廠水工工程設計規(guī)范》執(zhí)行。若設計者仍有疑慮，為謹慎起見可通過模型試驗確定取值。喇叭口與下沿流道中心線處隔板設置如圖1。

圖1 吸水池示意圖

3 柵條間距取值

《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）第8.3.4.4條：大明渠應設置蓋板。蓋板宜采用柵條狀，柵條最大凈距為 30 cm。蓋板應能承受工藝提出的流動機械的載荷。而《船廠水工工程設計規(guī)范》（JTS190-2018）第6.7.5條：大明渠應設置蓋板，蓋板宜采用柵條狀，柵條最大凈距宜為 30 mm。蓋板應能承受流動機械荷載?！陡纱瑝]設計規(guī)范》“柵條最大凈距為 30 cm”，《船廠水工工程設計規(guī)范》“柵條最大凈距宜為 30 mm。”經(jīng)筆者查詢《室外給水設計標準》（GB 50013-2018）第5.3.17條，取水構筑物進水孔應設置格柵，柵條間凈距應根據(jù)取水量、冰絮和漂浮物等確定。小型取水構筑物宜為 30～50 mm。大、中型取水構筑物宜為 80～ 120 mm 。當江河中冰絮或漂浮 物較多時，柵條間凈距宜取大值。《室外排水設計標準》（GB 50014-2021）第7.3.2條 格柵柵條間隙寬度應符合下列規(guī)定：1）粗格柵：機械清除時宜為 16～25 mm，人工清除時宜為 25～40 mm。特殊情況下，最大間隙可為100 mm。2）細格柵：宜為1.5～10 mm。3）超細格柵：不宜大于1 mm?！督o水排水設計手冊》（第9冊專用機械）第1章，攔污設備中關于格柵柵條間距取15～75 mm。經(jīng)以上數(shù)據(jù)分析可知《干船塢設計規(guī)范》中“大明渠應設置蓋板。蓋板宜采用柵條狀，柵條最大凈距為 30 cm。”應為錯誤表述。正確數(shù)值應為《船廠水工工程設計規(guī)范》中所述“大明渠應設置蓋板，蓋板宜采用柵條狀，柵條最大凈距宜為 30 mm?！?/p>

4 虹吸管出口流速

《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）第8.3.2.11條：虹吸管出口處流速為1.5～2.0 m/s。而《船廠水工工程設計規(guī)范》（JTS190-2018）第6.5.14.3條：虹吸管出口處流速宜為1.0～1.5 m/s。虹吸灌水如圖2。

圖2 虹吸式灌水廊道

筆者認為這兩組數(shù)據(jù)沒有絕對的對與錯，虹吸管出口處流速取大值產(chǎn)生的影響，一是對大明渠蓋板的沖擊，設計者應核算蓋板的尺寸、重量，以水流不能將蓋板沖擊活動或掀起為基礎。二是不能對船塢底板放置的龍骨墩產(chǎn)生影響。流速取小值產(chǎn)生的影響是虹吸出口水工結構設置增大，使有效操作面積會加大，投資會相應增加。設計具體項目時應充分分析各方面影響因素，找出流速大小對工藝和結構的影響和造價平衡點。

5 水位取值描述

《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）第8.3.2.13條：輔泵出水管出口中心標高，應在平均高水位與進出塢設計水位之間，排漬泵和減壓排水泵出水管出口中心標高，應高于塢外校核高水位。而《船廠水工工程設計規(guī)范》（JTS190-2018）第6.5.16條：輔泵出水管出口中心高程，宜在平均高水位與進出塢設計水位之間；排漬泵和減壓排水泵出水管出口中心高程，宜高于塢外極端高水位。兩本規(guī)范對排漬泵出水管出口中心標高一本提到“應高于塢外校核高水位”，另一本提到“宜高于塢外極端高水位”。兩本規(guī)范說法不統(tǒng)一。經(jīng)筆者查詢水文相關書籍，了解到早些年為“校核高水位”，而近幾年改為“極端高水位”，其實這兩個水位是相同的。“校核高水位”這些年被提及的很少，由于規(guī)范寫法不統(tǒng)一，容易對水文知識沒有深入了解的同志造成一定困擾。

6 水面坡降取值

《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）第8.3.1.10 條和《船廠水工工程設計規(guī)范》（JTS190-2018）第6.4.8條內容都是“塢內余水量可按主泵停泵水位另加水面坡降進行計算，水面坡降宜取2～3 ‰?！彪m然兩本規(guī)范說法相同，但筆者認為“水面坡降宜取2～3 ‰”這個取值需要商榷。通常船塢底縱向排水溝坡度可取此值，但水面坡降線不能與排水溝坡度相同按恒定均勻流取值，因為船塢底板有些項目只設橫坡，不設縱坡。從塢首至塢口沒有縱坡，即平行于塢墻方向塢底是水平的，以本工程為例，塢底無縱坡。塢長400 m，塢寬40 m，3臺主排水泵流量9.6 m3/s，根據(jù)試算假設停第1臺主泵時大明渠塢底水深0.3 m，船塢寬40 m，根據(jù)下列公式計算，流速為0.8 m/s（因有橫坡存在和大明渠在船塢一側，塢內流態(tài)復雜，本計算簡化處理，但原理正確，以此說明水面坡降取值）。

1）流量計算公式

式中：

Q－設計流量（m3/s）；

w－水流有效斷面面積（m2）；

v－流速（m/s）。

2）流速計算公式

式中：

v－流速（m/s）；

R－水力半徑（m）；

I－水力坡降；

n－粗糙系數(shù)；

R=W/X

X－濕周（m）；

根據(jù)上述公式求得：水力半徑 R=W/X= 0.296 m，n 混凝土取0.014，則水面坡降I=6.35×10-4，不到1 ‰ 。模型試驗運用 CFX 仿真軟件對整個船塢進行流場模擬，采用 SST 湍流模型。CFD 計算停泵液位的依據(jù)是集水池內主泵流動狀態(tài)，為了解流道內流動狀態(tài)的優(yōu)劣引入了流速分布均勻度、速度加權平均角這兩項判別指標。

表1 計算邊界條件

3）流速分布均勻度

式中：

uai為該斷面各單元的軸向速度；

Ai為流場數(shù)值。

4）速度加權平均角度

式中：

uti為泵進口斷面各單元的橫向速度。

圖3 船塢三維建模坐標示意圖

圖4 船塢靠近排水泵房區(qū)域示意圖

圖5 水表面位置云圖

圖6 沿水流方向泵中軸面

經(jīng)模型試驗計算驗證的水面坡度和計算坡度接近。筆者認為規(guī)范要求“水面坡降宜取2～3 ‰”此數(shù)值過大，會導致主泵提前停泵。由于船塢排水時間規(guī)范有一定要求，為滿足在規(guī)定排水時間內將船塢內水排出，會導致主泵、輔泵選型流量過大或水泵臺數(shù)增加，造成經(jīng)濟浪費。因此設計者應自行簡略計算，然后進行CFD 模型試驗，加以驗證，再進行主、輔泵選型。而不能直接采用規(guī)范數(shù)值，進行主、輔泵選型。

7 船塢分類

《干船塢設計規(guī)范》（CB/T8524-2011）第4.2條：船塢按在塢內進行修造的最大船舶來分類，超過10萬載重噸(含10萬載重噸〉的為大型船塢，5萬載重噸 (含5萬載重噸) 10萬載重噸為中型船塢，小于5萬載重噸的為小型船塢。而規(guī)范第5.5.11條：船塢的灌水時間宜為1.0～3.0 h，大型船塢取大值；根據(jù)船塢的功能確定船塢的排水時間，一般為：大型船塢4.0～12.0 h，中型船塢2.5～4.0 h，小型船塢1.0～2.5 h。美國干船塢規(guī)范要求排水時間如下UNIFIED FACILITIES CRITERIA (UFC) 《GRAVING DRY DOCKS》(UFC 4-213-10 18 May 2020)。Submarine docks,135 minutes；Destroyer docks,150 minutes；Cruiser and Auxiliary docks,165 minutes；Carrier docks,240 minutes。以本項目為例“建造40 000 DWT雜貨船及以下噸位船舶，維修5 000 DWT以上40 000 DWT雜貨船以下的船舶?！比舭?.2條規(guī)范，應屬小型船塢。排水時間取1.0～2.5 h。但本項目“塢長400 m，塢寬40 m，塢室深度為12.6 m?！贝瑝]長度400 m，可停放15萬載重噸以上任何一種船舶，應屬大型船塢。但塢寬40 m，能停放70 000 DWT船舶。船舶設計高水位進出塢，船塢內水量約為18.4萬m3；船舶進出塢水位進出塢，船塢內水量最少，約為15.2萬m3。如此大量水需水泵強排，排水時間取“大型船塢4.0～12.0 h”還是“小型船塢1.0～2.5 h”對排水設備參數(shù)選型影響很大，設備造價相差2倍以上甚至更多。經(jīng)與國外咨詢工程師討論，最后確定按大型船塢確定排水時間，大大縮減了設備投資。因業(yè)主方需求不同，項目類型千差萬別，在規(guī)范不能完全適用時，要勇于探討，敢于突破，以項目實際運行情況出發(fā)，本著安全性、可行性、經(jīng)濟性兼顧為目標服務項目。

8 結語

本文的研究對解決船塢設計不同行業(yè)規(guī)范之間的說法不統(tǒng)一和取值不同做了分析、解釋，通過計算和查詢其它規(guī)范、設計手冊給以佐證?？墒挂院笃渌龃瑝]設計人員多一份資料參考，也為“干船塢設計規(guī)范”和“船廠水工工程設計規(guī)范”日后的修編，提供參考。通過本文探討避免現(xiàn)階段做船塢設計人員浪費過多精力去搜索資料研究規(guī)范的不同，可解決查找不同規(guī)范相同條文說法不一的困惑，也為解決船塢項目設計提供有益的借鑒，有較大的現(xiàn)實意義。