安 翔，于 亮，楊 陽

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

國(guó)內(nèi)外主要規(guī)范中船舶航行下沉量計(jì)算比較研究

安 翔1，于 亮1，楊 陽2

(1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

結(jié)合我國(guó)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》和最新的國(guó)外相關(guān)規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)中有關(guān)進(jìn)港航道船舶航行下沉量計(jì)算和確定的方法，對(duì)比分析了國(guó)內(nèi)外各計(jì)算和確認(rèn)方法的適用范圍，針對(duì)限制性航道和非限制航道(疏浚挖槽航道)著重研究了計(jì)算結(jié)果的差異，特別是不同船型之間的差異，并對(duì)我國(guó)規(guī)范船舶航行下沉量計(jì)算提出調(diào)整建議。

船舶航行下沉量計(jì)算；國(guó)內(nèi)外規(guī)范；船型

港口是國(guó)際貿(mào)易運(yùn)輸鏈中的關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)，而進(jìn)港航道是港口海洋一側(cè)唯一的運(yùn)輸通道。在一般港口工程中，水域的形成和相應(yīng)的防護(hù)工程在港口基礎(chǔ)設(shè)施的投資中所占比例較大；而且港口一旦建成，口門寬度、操作區(qū)域以及防波堤走向等很難改變或調(diào)整；因此，進(jìn)港航道的規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)港口的投資、運(yùn)營(yíng)、發(fā)展具有十分重要的意義。

隨著國(guó)家“一帶一路”總體規(guī)劃政策的實(shí)施，我國(guó)傳統(tǒng)的港口建設(shè)行業(yè)將面臨著“走出去”的巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)；為了加深對(duì)國(guó)內(nèi)外進(jìn)港航道設(shè)計(jì)計(jì)算的了解，本文針對(duì)航道水深重要的一個(gè)參數(shù)——船舶航行下沉量，對(duì)比研究了國(guó)內(nèi)外各主要規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、文獻(xiàn)的計(jì)算方法和結(jié)果，為今后的港口航道設(shè)計(jì)工作做出有益的參考，也對(duì)我國(guó)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》的修訂和調(diào)整提供有益的參考。

1 國(guó)內(nèi)船舶航行下沉量確定方法介紹

船舶航行下沉量是由船舶前進(jìn)速度所產(chǎn)生的下沉和縱傾的綜合效果，影響航行下沉量的因素主要包括船舶的載重噸，船舶航速，航道斷面，船舶類型(船舶方形系數(shù))，初始縱橫等。國(guó)內(nèi)外各主要規(guī)范和設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)船舶航行下沉量的計(jì)算和確定均有描述，本文選用的國(guó)內(nèi)外規(guī)范、設(shè)計(jì)手冊(cè)、文獻(xiàn)主要包括：我國(guó)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTS 165-2013)[1]，國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)(PIANC)的《進(jìn)港航道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(2014)[2]，日本航海協(xié)會(huì)和國(guó)土交通省發(fā)布的《Design Standard for Fairway in Next Generation》[3]，美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USACE)《深水航道水力設(shè)計(jì)》[4]，英國(guó)規(guī)范《海上建筑物》(BS 6349)[5]，加拿大海岸警衛(wèi)隊(duì)(CCG)航道國(guó)家操作指南《航道設(shè)計(jì)參數(shù)》[6]，西班牙設(shè)計(jì)手冊(cè)《海岸工程建議：港口航道工程設(shè)計(jì)(ROM)》[7]等。

國(guó)際上普遍按照航道斷面形式將航道分為三類：非限制性航道(國(guó)內(nèi)定義為開敞水域航道)，限制性航道(國(guó)內(nèi)定義為挖槽式航道)和運(yùn)河(國(guó)內(nèi)定義為限制性航道)；針對(duì)船舶航行下沉量的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)船舶航行下沉量經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行比較研究：Briggs[8-9]綜合介紹和比較了各國(guó)外公式之間的區(qū)別，并探討了各公式相關(guān)參數(shù)的選取；吳澎曾在《船舶航行下沉量計(jì)算方法對(duì)比分析》[10-11]中對(duì)比分析了我國(guó)規(guī)范和國(guó)外主要計(jì)算公式，并得出對(duì)于限制性航道(挖槽航道)我國(guó)規(guī)范規(guī)定值偏危險(xiǎn)，而在開敞水域航道我國(guó)規(guī)范確認(rèn)值偏大的結(jié)論；洪碧光曾在《船舶在淺水中航行下沉量的計(jì)算方法》[12]中著重分析了船速對(duì)船舶航行下沉量計(jì)算的影響，并提出在船速大于8節(jié)時(shí)各公式計(jì)算航行下沉量的差別將隨著船速的提高而增加觀點(diǎn)；戴冉等[13]提出了一種測(cè)量船舶下沉量的實(shí)測(cè)方法，可以精確測(cè)量船舶實(shí)際下沉量,找出船舶下沉量和船速之間的關(guān)系；但以上文獻(xiàn)均未考慮國(guó)內(nèi)外規(guī)范在不同船型航行下沉量計(jì)算的差異。

1.1我國(guó)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》

《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》結(jié)合我國(guó)各港航道的特點(diǎn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外比較適合的各種方法進(jìn)行綜合統(tǒng)計(jì)，主要考慮了船舶載重噸和航速的因素，針對(duì)非限制性航道，繪制出不同船舶噸級(jí)船體下沉量Z0關(guān)系曲線圖，對(duì)于非限制性航道(開敞水域航道和挖槽航道)，Z0按圖1取值。

1.2國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)(PIANC)《進(jìn)港航道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(2014)

圖1 《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》中船舶航行時(shí)船體下沉值曲線Fig.1 Calculation curve of the squat in Chinese standard

對(duì)于船舶航行下沉量，PIANC主要推薦采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船舶航行下沉量：

(1)BarrassⅢ公式。

基于600組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和原型測(cè)量，在開敞水域和限制性航道水深與吃水比hT為1.1～1.4，航道斷面系數(shù)0.10≤S≤0.20，Barrass[14]改進(jìn)了計(jì)算公式船舶航行最大下沉量(包括船艏和船艉)可以按下式計(jì)算

(1)

K=5.74S0.76

式中：Vk為船速，節(jié)；S為航道斷面系數(shù)AsAc；As為船舶水下斷面面積≈0.98B×T；Ac為航道或者運(yùn)河考慮邊坡水下斷面面積。船舶航行下沉量發(fā)生的位置和船舶的方形系數(shù)有關(guān)，當(dāng)CB>0.7時(shí)，航行下沉量最大值發(fā)生在船艏；當(dāng)CB<0.7時(shí)，航行下沉量最大值發(fā)生在船艉。對(duì)于非限制性航道S<0.1，K值取1；對(duì)于挖槽航道(限制性航道)，S>0.25，K值取2。針對(duì)航道水深與吃水比hT為1.1～1.4的航道，Barrass提出有效航道寬度的概念，對(duì)于非限制航道，航道斷面面積可以按下式計(jì)算。

Ac=Weff×h

針對(duì)限制性航道和運(yùn)河，航道斷面面積可以按下式計(jì)算

Ac=Wh+nh2

(2)ICORELS公式。

ICORELS公式主要應(yīng)用于非限制性航道

(2)

式中：▽為船舶排水體積，m3，▽=CB×Lpp×B×T；Lpp為船舶兩柱間長(zhǎng)，m；B為船寬，m；T為船舶吃水，m；CB為方形系數(shù)；Fnh為水深弗勞德數(shù)；Fnh=V；V為航速，ms；h為水深，m；g為重力加速度，9.81 ms2。在1997版PIANC的《進(jìn)港航道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[15]中，Cs取為常數(shù)2.4。

2014版PIANC《進(jìn)港航道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》[2]中，芬蘭海事管理局(FMA)針對(duì)非限制性航道，根據(jù)船舶方形系數(shù)的不同，給出不同的Cs取值范圍

基于易北河非限制性航道的研究，德國(guó)聯(lián)邦航道工程和研究所(BAW)推薦對(duì)于大型的集裝箱船，船舶方形系數(shù)CB<0.7時(shí)，Cs取值2.0。

該公式用于計(jì)算船艏下沉量Sb，適用于無限大水域的航道、限制性航道(挖槽航道)和運(yùn)河，與ICORELS公式相似，西班牙《港口航道工程設(shè)計(jì)》(ROM2003)推薦直接采用該式計(jì)算船舶航行時(shí)船艏下沉量。

(3)

式中：當(dāng)s1>0.03，Ks=7.45×s1+0.76；當(dāng)s1≤0.03，Ks=1.00；Cs一般取值為2.40。在《進(jìn)港航道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》(2014)中芬蘭海事管理局(FMA)在使用HuuskaGuliev公式計(jì)算船舶下沉量時(shí)推薦對(duì)各參數(shù)做出額外的限制條件：CB= 0.60～0.80；BT=2.19～3.50；LppB= 5.50～8.50；Th=0.22～0.81。

式中：S=AsAc，對(duì)于限制性航道，K1與參數(shù)Th和S有關(guān)，具體數(shù)值可圖2選取。

圖2 HuuskaGuliev K1取值曲線Fig.2 HuuskaGuliev correction factor K1 vs.S

(4)Eryuzlu et al公式。

Eryuzlu et al在橫向無側(cè)水域、有限水深航道[1.1≤hT≤2.5]中進(jìn)行了帶球形船艏的件雜貨船和散貨船(CB≥0.8，LB=6.7～6.8，BT=2.4～2.9)的完整的模型試驗(yàn)；航道寬度對(duì)航行下沉量的影響在補(bǔ)充模型試驗(yàn)(水下浚挖的航道高度ht=0.5h，邊坡1：2)中進(jìn)行了研究；基于上述研究提出了適用于航道和運(yùn)河、CB≥0.8的船舶航行下沉量計(jì)算公式，并經(jīng)過原型航行下沉量觀測(cè)的驗(yàn)證。

(4)

式中：h為航道水深，m；T為船舶吃水，m；V為航速，ms；g為重力加速度，ms2；當(dāng)WB<9.61時(shí)，Kb=3.1(WB)0.5；當(dāng)WB≥9.61時(shí)，Kb=1；W為航道底寬，m；B為船寬，m。加拿大《航道設(shè)計(jì)參數(shù)》推薦采用該式計(jì)算船舶航行下沉量。

1.3日本航海研究所和國(guó)土交通省《Design Standard for Fairway in Next Generation》

日本規(guī)范綜合考慮船舶吃水、船寬、航道水深等因素，采用Yoshimura[16]公式計(jì)算船舶航行下沉量D1。

(5)

式中：d為船舶吃水，m；D為航道水深，m；Lpp為船舶兩柱間長(zhǎng)，m；B為船寬，m；CB為方形系數(shù)；V為航速，ms；g為重力加速度，ms2。

2014版PIANC《進(jìn)港航道設(shè)計(jì)導(dǎo)則》也納入Yoshimura公式計(jì)算船舶航行下沉量，針對(duì)限制性航道和運(yùn)河，采用Ohtsu[17]提出的有效船速Ve替代式(5)中的船速計(jì)算船舶航行下沉量，其中S=AsAc。

1.4美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)(USACE)《深水航道水力設(shè)計(jì)》

美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)在淺水區(qū)域采用Norrbin(1986)計(jì)算船舶航行下沉量，與國(guó)際航運(yùn)協(xié)會(huì)(PIANC)推薦的公式(1)基本相同，只是船舶兩柱間長(zhǎng)Lpp改用船長(zhǎng)L，而且沒有考慮航道斷面因素。

(6)

1.5英國(guó)規(guī)范《海工建筑物》(BS 6349)

英國(guó)規(guī)范規(guī)定在初步設(shè)計(jì)階段，一般選用船舶吃水的10%作為船舶航行下沉量，而考慮波浪富裕水深后，通常取船舶吃水的30%作為船舶航行富裕水深；而船舶航行下沉量只與船舶吃水有關(guān)，計(jì)算結(jié)果明顯偏大。

2 國(guó)內(nèi)外各規(guī)范適用性分析

我國(guó)的《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》僅考慮了船舶載重噸和船舶航速的影響，未考慮船型和航道斷面的影響，適用于非限制性航道(國(guó)內(nèi)外所定義的非限制性航道概念有所不同，國(guó)內(nèi)非限制航道包括開敞水域航道和挖槽式航道)，并不適用于運(yùn)河中船舶航行下沉量的估算。目前，我國(guó)規(guī)范航行下沉量確定的船舶噸位等級(jí)僅到30萬t級(jí)，無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)目前已經(jīng)出現(xiàn)的35～50萬DWT的油輪(ULCC)和35～40萬DWT的散貨船[2,7]的航行下沉量，結(jié)合目前船舶大型化的發(fā)展趨勢(shì)，建議我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范修訂時(shí)對(duì)超大型船航行下沉量予以考慮并補(bǔ)充。

表1為各國(guó)外船舶航行下沉量公式使用范圍和主要限制條件，其中有些公式限制條件非?？量蹋虼嗽趹?yīng)用各經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算船舶航行下沉量時(shí)需注重公式的適用范圍和限制條件，例如Eryuzlu et al公式限制應(yīng)用于船舶方形系數(shù)CB>0.8的船舶，加拿大《航道設(shè)計(jì)參數(shù)》更明確規(guī)定該公式只應(yīng)用于19 000～227 000 DWT散雜貨船和油輪；由于集裝箱船船型系數(shù)CB均小于0.8，因此該公式不能適用于集裝箱船的計(jì)算。

而對(duì)于主要的散貨船和油輪等，其船舶方形系數(shù)CB均略大于0.8，已經(jīng)超過了式(1)～(4)和(5)～(6)的限制條件(CB<0.8)，但在實(shí)際使用過程中，經(jīng)過工程經(jīng)驗(yàn)的判斷，仍可用上述各式計(jì)算散貨船和油輪；例如芬蘭海事管理局(FMA)利用ICORELS公式計(jì)算非限制航道的船舶下沉量，在確定Cs取值范圍時(shí)要求CB>0.80，Cs=2.4，以及在《深水航道主要設(shè)計(jì)參數(shù)研究中》[11]中對(duì)6萬t級(jí)散貨船在不同航速下的下沉量計(jì)算研究。

表1 國(guó)內(nèi)外規(guī)范各主要船舶航行下沉量計(jì)算公式適用范圍和限制條件Tab.1 Channel configurations and parameter constraints for Chinese standards and foreign squat formulas

3 各國(guó)規(guī)范船舶航行下沉量計(jì)算

3.1非限制性航道(開敞水域航道)船舶航行下沉量計(jì)算分析

對(duì)于非限制性航道(開敞水域航道)，表2分別對(duì)比了航道底寬為200 m，航速為6節(jié)時(shí)，水深吃水比為1.3時(shí)，分別采用我國(guó)規(guī)范和式(1)～(6)計(jì)算油輪、集裝箱船和散貨船航行下沉量。

表2 不同船型、不同公式船舶航行在非限制性航道的航行下沉量計(jì)算結(jié)果Tab.2 Calculations for the different ship and different squat formulas in unrestricted channel m

通過比較表2計(jì)算結(jié)果，可以得出：對(duì)于非限制性航道，我國(guó)規(guī)范確定的船舶航行下沉量明顯偏于安全，而且隨著船舶噸位等級(jí)的增加，我國(guó)規(guī)范所確定結(jié)果更趨于安全；而對(duì)于不同船型間的航行下沉量，由于我國(guó)規(guī)范未考慮船型的不同，故未能體現(xiàn)差距；而式(1)～(6)計(jì)算同噸級(jí)不同船型航行下沉量表明，在船速6節(jié)時(shí)，集裝箱船航行下沉量要小于油輪和散貨船，油輪和散貨船的航行下沉量相差不大；對(duì)于大中型散貨船和油輪，我國(guó)規(guī)范確定的航行下沉量高出國(guó)外各公式計(jì)算均值0.05～0.19 m；對(duì)于大中型的集裝箱船，我國(guó)規(guī)范確定結(jié)果高出國(guó)外各公式計(jì)算均值0.10～0.25 m。

3.2限制性航道(挖槽航道)船舶航行下沉量計(jì)算分析

對(duì)于限制性航道(國(guó)內(nèi)挖槽航道)，表3計(jì)算采用我國(guó)規(guī)范和BarrassⅢ公式和日本Yoshimura公式，計(jì)算對(duì)比了在特定挖槽航道(hT=1.2，WB=2.5，邊坡n=3)情況下，船速6節(jié)時(shí)，不同船型船舶的航行下沉量。

表3不同船型、不同公式船舶在限制性航道航行下沉量計(jì)算結(jié)果
Tab.3 Calculations for the different ship and different squat formulas in restricted channel m

公式20萬DWT船舶下沉量油輪集裝箱船散貨船15萬DWT船舶下沉量油輪集裝箱船散貨船10萬DWT船舶下沉量油輪集裝箱船散貨船6萬DWT船舶下沉量油輪集裝箱船散貨船海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范0．440．440．440．400．410．400．380．380．380．300．300．30BarrassⅢ公式0．540．460．530．530．460．530．530．460．530．520．410．52日本Yoshimura公式0．480．340．420．470．320．410．470．310．410．440．310．40國(guó)外公式計(jì)算均值Cm0．510．400．480．500．390．470．500．390．470．480．360．46我國(guó)規(guī)范值-Cm差值△-0．070．04-0．04-0．100．02-0．07-0．12-0．01-0．09-0．18-0．06-0．16

通過比較表3計(jì)算結(jié)果，可以得出：對(duì)于限制性航道(挖槽航道)，我國(guó)規(guī)范計(jì)算結(jié)果明顯偏小，而且隨著船舶噸級(jí)變小，我國(guó)規(guī)范所計(jì)算船舶航行下沉量與國(guó)外公式計(jì)算值差值越大，我國(guó)規(guī)范計(jì)算值越偏于危險(xiǎn)。在船速6節(jié)時(shí)，對(duì)于不同船型之間，集裝箱船航行下沉量要小于油輪和散貨船，油輪的航行下沉量要大于散貨船；對(duì)于油輪，我國(guó)規(guī)范確定的船舶航行下沉量低于國(guó)外公式計(jì)算均值0.07～0.18 m；對(duì)于散貨船，我國(guó)規(guī)范確定結(jié)果低于國(guó)外公式計(jì)算均值0.04～0.16 m；而對(duì)于10萬DWT以下的集裝箱船，我國(guó)規(guī)范確定結(jié)果低于國(guó)外公式計(jì)算均值0.01～0.06 m，而對(duì)于10萬DWT以上集裝箱船我國(guó)規(guī)范和國(guó)外公式計(jì)算均值相差不大。

4 結(jié)論

通過對(duì)比研究國(guó)內(nèi)外主要規(guī)范船舶航行下沉量公式的適用性，可以得出國(guó)外各主要計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式均有一定的適用范圍，在使用時(shí)須客觀考慮其適用范圍。我國(guó)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》確定航行下沉量確定方法主要應(yīng)用于開敞水域航道和挖槽航道(非限制性航道)，但并不適用于運(yùn)河中船舶航行下沉量的估算；而且航行下沉量確定的船舶噸位等級(jí)僅到30萬t級(jí)，不能滿足未來船舶大型化發(fā)展的需求，建議設(shè)計(jì)規(guī)范修訂時(shí)予以考慮和補(bǔ)充。

通過計(jì)算分析國(guó)內(nèi)外各規(guī)范，對(duì)于非限制性航道中大中型船舶的航行下沉量，我國(guó)規(guī)范明顯偏于保守：在船速6節(jié)情況下，對(duì)于散貨船和油輪，我國(guó)規(guī)范計(jì)算值高出國(guó)外規(guī)范計(jì)算均值0.05～0.19 m；對(duì)于集裝箱船，我國(guó)規(guī)范計(jì)算值高出國(guó)外規(guī)范計(jì)算均值0.10～0.25 m。而對(duì)于限制性航道(挖槽航道)，我國(guó)規(guī)范的確定結(jié)果又偏小：在船速6節(jié)情況下，對(duì)于油輪，我國(guó)規(guī)范確定的船舶航行下沉量低于國(guó)外公式計(jì)算均值0.07～0.18 m；對(duì)于散貨船，我國(guó)規(guī)范確定結(jié)果低于國(guó)外公式計(jì)算均值0.04～0.16 m；而對(duì)于10萬DWT以下的集裝箱船，我國(guó)規(guī)范確定結(jié)果低于國(guó)外公式計(jì)算均值0.01～0.06 m，而對(duì)于10萬DWT以上集裝箱船我國(guó)規(guī)范和國(guó)外公式計(jì)算均值相差不大。

筆者建議在采用我國(guó)規(guī)范確定船舶航行下沉量時(shí)，特別是對(duì)于大型的綜合性港口的進(jìn)港航道時(shí)，須根據(jù)不同的船型、船速和航道斷面情況，參照各國(guó)外經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算結(jié)果，綜合考慮并適度調(diào)整船舶航行下沉量計(jì)算值；并希望本文能夠?qū)ξ覈?guó)規(guī)范的修訂和調(diào)整提供有益的參考，以最小的能耗設(shè)計(jì)建設(shè)進(jìn)港航道，使其符合綠色節(jié)能的發(fā)展方向。

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Comparisons of squat confirmation between Chinese and foreign standards

ANXiang1,YULiang1,YANGYang2

(1.CCCCWaterTransportationConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100007,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

On the basis of the squat confirmation and calculation method as specified in the Chinese Standard for the Harbour and Channel and principal foreign standards, the applicability differences between Chinese and foreign standards were compared in this paper, and the calculation results based on different standards and formulas in the unrestricted and restricted channel were analyzed, especially among different ship types. The adjustment suggestion of squat confirmation and calculation during adopting Chinese standards was proposed.

squat confirmation and calculation; Chinese and foreign standards; ship types

U 653.1

：

：1005-8443(2017)04-0368-06

2016-12-19；

：2017-03-14

安翔(1987-)，男，安徽省人，工程師，主要從事港口航道平面設(shè)計(jì)研究。

Biography： AN Xiang(1987-), male, engineer.