碼頭前沿底高程設計方法研究

魏彤軍+陳旭達+谷文強

摘 要：本文旨在得出國際通用的碼頭前沿底高程設計方法，本文中分析和總結國內外規范中碼頭前沿底高程的設計方法，分別從設計水位、底質、備淤和其他影響因素等方面分析，最終將各國碼頭前沿底高程設計影響因素進行對比，找出差異，并最終給出了碼頭前沿底高程的概率設計方法。

關鍵詞：底高程 設計水位 影響因素 超越概率 概率設計方法

1.引言

隨著國家“一帶一路”戰略的推進，海外工程越來越多。在海外港口設計中，業主和咨工一般要求采用英美規范等國際通用規范進行詳細的參數化設計，現將國際主流規范和中國規范中的碼頭前沿底高程設計方法進行對比和分析，總結出碼頭前沿底高程的詳細設計方法。

2.各國規范碼頭前沿底高程設計方法

2.1中國規范碼頭前沿底高程設計方法

根據《海港總體設計規范》JTS 165-2013，碼頭前停泊水域設計水深應按設計低水位時保證設計船型在滿載吃水情況下安全停靠的規定確定。對通航水深保證規定更高的液化天然氣碼頭和工作船碼頭，碼頭前停泊水域設計水深應從當地理論最低潮面起算。

碼頭前停泊水域設計水深可按下列公式確定：

式中：D——碼頭前停泊水域設計水深（m）；

T——設計船型滿載吃水（m），對雜貨船，根據具體情況經論證，可考慮實載率對吃水的影響；對河口港可考慮咸淡水比重差對設計船型吃水的影響；

Z1——龍骨下最小富裕深度（m），結合不同的海底底質進行取值0.2～0.6；

Z2——波浪富裕深度（m），宜按實測或模擬結果確定；也可采用估算方法確定，對于良好掩護的情況，可采用式5.20計算，且當計算結果為負值時，取Z2=0；對于開敞情況，可采用式5.21估算；部分掩護情況，也可根據經驗對式5.21的結果適當折減后采用，但不應小于式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，滾裝船根據船型噸級進行取值0.2～0.3，其他船型可不計；

Z4——備淤富裕深度（m），根據回淤強度、維護挖泥間隔期的淤積量計算確定，對于不淤港口，可不計備淤深度；有淤積的港口，備淤深度不宜小于0.4m；

K1——系數，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，根據當地波浪和港口條件確定。

碼頭前停泊水域底高程應根據確定的設計起算水位和碼頭前停泊水域設計水深計算確定。

2.2日本規范碼頭前沿底高程設計方法

根據日本規范《OCDI：Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan》，碼頭前停泊水域水深應按照下列公式計算，

D=T+Z

式中：D——碼頭前停泊水域設計水深（m）；

T——設計船型滿載吃水（m），對雜貨船，根據具體情況經論證，可考慮實載率對吃水的影響；對河口港可考慮咸淡水比重差對設計船型吃水的影響；

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

設計起算水位取基準面，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根據確定的設計起算水位和碼頭前停泊水域設計水深計算確定。

2.3英國規范碼頭前沿底高程設計方法

根據英標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計，需要考慮在碼頭設計使用年限內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、風的影響和裝卸作業造成的不均勻吃水。

2.4美國國防部規范（UFC）碼頭前沿底高程設計方法

根據美國國防部設計規范（UFC）《Military Harbors and Coastal Facilities》，碼頭前停泊水域底高程設計需要考慮的因素包括設計水位、船舶吃水、海水密度影響、考慮海底底質的龍骨下富裕深度、風浪流作用。

停靠美國軍事運輸司令部船舶（MSD Ship）和表面效應船（Surface Ship）的碼頭前停泊水域設計水深的設計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計水深的設計水位采用平均低低潮（Mean Lower Low Water datum， MLLW）。

美國海軍碼頭與底質相關的龍骨下富裕深度按照表1中選取。

鹽度、風浪流影響等造成的碼頭前停泊水域水深增加量的計算方法，美國國防部設計規范沒有詳細說明。備淤深度應根據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，具體根據當地情況確定。最少應該考慮0.3m的備淤深度。考慮到疏浚施工的不準確性，需要考慮超深，一般考慮0.3m或0.6m。

在淤積不嚴重的碼頭，前停泊水域水深應等于設計船型最大吃水的1.1倍。淤積嚴重的碼頭應額外增加一定深度。

2.5德國規范碼頭前沿底高程設計方法

根據德國港口工程協會規范《Recommendations of the Committee for Waterfront Structures Harbours and Waterways》（EAU 2012）來計算碼頭前停泊水域設計底高程，需要考慮設計水位、設計船型最大吃水（包括鹽度和側傾對吃水的影響）、龍骨下富裕深度、備淤深度和超挖。endprint

設計水位一般取海圖基準面，德國海圖基準面取最低天文潮，即LAT。

碼頭前名義水深包括設計船型最大吃水（包括鹽度和側傾對吃水的影響）、龍骨下富裕深度之和。其中龍骨下富裕深度最少應取0.5m。

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

2.6《Port Designers Handbook》碼頭前沿底高程設計方法

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

考慮底質影響的龍骨下富裕深度，對于軟土（例如砂等）最少應取0.5m，對于巖基最少應取1.0m。

備淤深度應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×sinβ，其中β為縱傾角度。

一般情況下，碼頭前停泊水域設計水深（名義水深）可按照如下原則估算：

對于開敞式碼頭，可取設計船型最大吃水的1.2倍；

對于有掩護碼頭，可取設計船型最大吃水的1.15倍。

3.各國規范中的碼頭前沿底高程設計方法總結

各國規范碼頭高程設計考慮的影響因素基本一致，但對于各影響因素的取值略有不同，尤其是設計水位差異較大，其中中國和美國規范中的設計水位較高，而英國規范、德國規范等規范中的設計水位較低。各影響因素的取值不同會造成不同的觸底超越概率，例如設計水位越低則船舶觸底的超越概率越低。建議在詳細設計階段，應采用概率設計方法進行碼頭前沿底高程的設計。

4.碼頭前沿底高程的概率設計方法

碼頭前沿底高程的概率設計法是將有關的設計參數（如船舶吃水、潮位、各種影響船舶豎向運動的因素等）采用概率密度函數表示，設計人員選取一個可以接受的系統的失效概率（如船舶觸底），并以此失效概率作為碼頭前沿底高程設計標準。在使用概率法設計碼頭前沿底高程時，應基于安全、經濟和高效來選取合適的超越概率。

使用概率方法進行碼頭前沿底高程設計時通常需要知道潮流、風況、波浪和船舶吃水等，以此來確定可以接受的最大的超越概率。在進行概率設計時，應把設計參數寫成可靠性函數的表達式。影響碼頭前沿底高程的主要因素包括水位因素（潮汐、波浪）、船舶垂向運動因素（船行下沉量和縱傾、波浪作用下的垂向運動響應）、底質因素（航道底部不確定性、備淤深度）。

在碼頭前沿底高程概率設計過程中，UKC的計算值并不是各個影響因素的直接相加。通過概率組合的方式將各個影響因素組合得到的值比作為獨立個體直接相加得到的值要小，這樣就避免在碼頭前沿底標高設計過程中出現了過度保守的設計。

如果所有組成UKC的因素都是獨立個體的且符合正態分布，則所有因素的綜合貢獻的標準差可以表示為各個因素的標準差的平方和的平方根：

式中：σc為綜合標準差；σs為船舶運動的標準差（=1/2Am0）；σb為不規律航道底部高程的標準差；σw為水位的標準差。

利用以上公式多次計算，可以確定碼頭前沿底標高、設計水位、船舶吃水及不可作業天數的相關關系。將特定概率的潮流、波浪和氣象條件等環境因素用圖表的方式表示出來，以此可以確定不可作業天數發生的概率。通過評估裝卸作業耽誤而產生的財政損失以及浚深費用之間的利害關系，來完成碼頭前沿底高程的最優設計。

在計算碼頭前沿底高程時，可以采用蒙特卡羅法來確定UKC值的失效概率。在蒙特卡羅法中，通過對所用影響水深的參數及其概率分布的隨機組合計算，得到大量的碼頭前沿底高程方案。在計算過程中，通過分析觸底工況的出現次數占總計算次數的百分比，可以確定超越概率。

在確定船舶超過凈龍骨下富裕深度UKCNet的概率時，可以采用瑞利分布來表示船舶的垂向運動。如果假設UKC等于Ap，則可以利用公式

來反推概率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，從統計學角度來看，在2981次船舶垂向運動中，會發生1次超過UKC限值事件。

5.結束語

在港口工程項目中，碼頭前沿底高程的設計對碼頭結構和船舶系泊安全具有較大影響，不宜僅根據某些相關規范的規定確定尺度，建議應結合系泊試驗進行相應的方案比選和驗證，在資料詳盡的情況下也可采用概率設計方法進行設計，以達到經濟、安全和合理的設計目的。

參考文獻：

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[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