超規范環境條件的海口新海港區口門航道通航寬度計算

甘浪雄,b，范健宇，佘運友，鄧巍

(武漢理工大學 a.航運學院；b.內河航運技術湖北省重點實驗室，武漢 430063)

隨著?？诟坌潞８蹍^汽車客貨滾裝碼頭船舶進出艘次日益增加，口門處單向通航的情況已逐漸不能滿足新海港生產作業需求，結合港口生產要求，為提高船舶進出效率，保障海口港新海港區口門航道水域的通航環境和通航安全，船舶能夠保證在超規范的八級風情況下進行航行，需要對現有通航航道方案進行優化調整，將口門處航道寬度由222 m增寬為322 m，調整后的口門航道處將由原來的單向通航調整為雙向通航。針對此調整，需對海口港新海港區汽車客貨滾裝碼頭口門雙向通航進行航道寬度數值計算分析。

《海港總體設計規范》(以下簡稱《規范》)在計算航道寬度時，水流流速最大為1 m/s，風速最大為7級。而?？诟劭陂T航道船舶進出口門時，水流流速最大為1.4 m/s，風速大于7級，無法運用《規范》求出口門航道的船舶通航寬度[1]。為此，考慮在《規范》中關于船舶航道寬度計算的基礎上，綜合考慮船舶自身的尺寸、操作特性、風致漂移量、流致漂移量等影響因素[2-8]，針對超過《規范》中的風流環境情況，建立以風流漂移模型為基礎的船舶通航寬度計算模型，通過實例與《規范》中的計算數值進行對比，對模型進行優化后應用到實際的工程建設當中。通過設定不同風流情況，對船舶在不同風流情況下的航速限制條件進行分析，為船舶通過口門航道時提供分析依據。

1 計算模型

1.1 《規范》中航道寬度計算模型

根據《規范》中第6.4.2條規定，單線和雙線航道通航寬度可按照下列公式計算，當航道較長、自然條件較復雜或船舶定位較困難時，可適當加寬；自然條件和通航條件有利時，經論證可適當縮窄。

1)單線航道。

W=A+2c

(1)

2)雙線航道。

W=2A+b+2c

(2)

式中：A為航跡帶寬度，m；b為船舶間富裕寬度，m；c為船舶與航道底邊線間的富裕寬度，m。

1.2 風致漂移模型

具備一定結構特點的船舶，在風力作用下將產生向下風的漂移。港內等狹窄水域中操船時，為留出足夠的漂移量，需隨時注意搶占上風水域。對于前后方向的漂移，因有主機的運用足可抵御其影響，一般不會危及船舶安全操縱，但對于橫向漂移必須保持警惕。

風致漂移速度除去與船舶本身特點有關外，還與風速、船舶運動速度密切相關。在一定風速條件下，停船時的風致漂移速度最高；隨船速增加，風致漂移速度反而降低。在受限水域中駕引人員應預先掌握船舶的風致漂移速度值。

在最不利天氣條件下，受風作用而產生的風致漂移量可按下式計算。

(3)

式中：K為系數，取0.041；Ba為船體水線上側受風面積，m2；Bw為船體水線下側面積，m2；VS為船速，kn；Va為相對風速，m/s，7級風(風速13.9～17.2 m/s)取17.1 m/s，8級風(風速17.2～20.8 m/s)取20.8 m/s；T為漂移時間,s。

式(3)中，船體水線上下側受風面積之比近似于船舶水線上干舷與船舶吃水之比；漂移時間依據不同船長有所不同。

1.3 流致漂移模型

流致漂移模型主要考慮橫流對船舶航行的影響。

船舶進出港區航道時，流致漂移量可按下式計算。

ΔBw=VcTsinα

(4)

式中：Vc為流速,m/s；α為流壓角，取90°。T為漂移時間,s，T=S/VS，S為船舶在航道中直線航行的長度，取船長的倍數。

1.4 風流漂移模型計算船舶通航寬度

船舶在進出港區的過程中，由于受到風、流的影響會產生橫向漂移，加上船舶本身所具有的尺度，因此，港區進出港航道必須具有足夠的通航寬度。

典型單向航道寬度約為5倍船寬，當航道較長、導標靈敏度不易控制、船舶定位困難和自然條件特別惡劣時，航道寬度可適當加寬；相反的情況可以適當縮窄。船舶在航道彎曲段航行，由于船舶在轉向時的漂動，必須以投影寬度通過彎道，要求的寬度比直線段大。

船舶在不利風、流影響情況下，設計船型進出港區航道單向通航所需航寬的表達式為

Bd=Lsinβ+Bcosβ+2d+ΔBa+ΔBw

(5)

式中：L為船長,m；B為船寬,m；d為船與航道邊界之間的安全距離,m，d=(B+Lsinβ)/4；β為偏航角，取5°。

2 口門航道雙向通航計算對比分析

對船舶航速分別為6、7、8 kn，流速分別為0.5、0.75、1 m/s，以及船舶空載、滿載的情況下，對船舶所需的船舶通航寬度進行計算，運用Matlab軟件繪圖，在圖中標明運用《規范》計算出來的單向通航寬度結果，對計算結果進行對比分析。

由于《規范》中關于航道寬度計算只有船速V≤6 kn和船速V>6 kn兩種情況，故將風流漂移模型中的船速V=6 kn對應《規范》中的船速V≤6 kn的情況；將風流漂移模型中的船速V=7 kn、8 kn對應《規范》中的船速V>6 kn的情況。計算該水域最大尺度代表船型的通航寬度。

2.1 總噸位10 000汽車客貨滾裝船通航寬度計算

《規范》中計算航道寬度時，最大水流流速為1 m/s，最大風速為7級，而本項目船舶進出口門時，橫流流速最大為1.4 m/s，風速大于7級，為了計算在風流超規范情況下的船舶雙向通航寬度，主要采用基于風流漂移的船舶通航寬度計算模型計算船舶船舶所需通航寬度。為確保模型選用的準確性，在風流漂移模型里選取水流流速為0.5、0.75、1 m/s；風速為7級；船舶空載、滿載等不同組合時風流漂移模型計算的航道通航寬度與《規范》計算的通航寬度進行分析比對，在驗證模型選取準確性的基礎上，推算出在當橫流流速最大為1.4 m/s，風速大于7級時的船舶通航寬度計算方法。

對于空載總噸位10 000汽車客貨滾裝船，當流速在0.5、0.75、1 m/s，航速為6、7、8 kn時，由船舶漂移模型計算的船舶通航寬度見圖1。

圖1 由船舶空載漂移模型計算的船舶通航寬度

對于滿載總噸位10 000汽車客貨滾裝船，當流速在0.5、0.75、1 m/s，航速為6、7、8 kn時，由船舶漂移模型計算的船舶通航寬度見圖2。

圖2 船舶滿載漂移模型計算的船舶通航寬度

2.2 數值計算結果對比分析

1)船舶航速V≤6 kn時，對比船舶通航寬度，風流漂移模型中船舶縱向航行為1倍船長及以上時，風流漂移模型計算船舶所需通航寬度均大于規范計算的最大通航寬度，此時風流漂移模型計算數值可以滿足通航安全要求。

2)船舶航速V>6 kn時，對比船舶通航寬度，船舶基于風流漂移模型下船舶通航寬度大于《規范》計算的通航寬度時的船舶縱向航行船長倍數見表1。

表1 船舶基于風流漂移模型下船舶通航寬度大于《規范》計算的通航寬度時的船舶縱向航行船長倍數值(總噸位10 000客滾船)

由此可知，船舶航行時，不同航速下，實際航道寬度需大于表1中對應的船舶縱向航行的倍數下的船舶風流模型計算所得的船舶通航寬度即可。

3 計算實例

3.1 航速為7 kn時客滾船航行寬度計算

當航速為7 kn，風力為8級，水域橫流流速為1.4 m/s代表船型船舶航行所需通航寬度見圖3。

圖3 案例船航速為7 kn時基于風流漂移模型下的船舶通航寬度

當代表船型航速為7 kn，空載時，航道寬度應大于船舶縱向航行船長倍數為1.4時的船舶風流漂移模型的船舶通航寬度，船舶縱向航行1.4倍船長時，所需船舶單向通航寬度為140 m；滿載時，航道寬度應大于船舶縱向航行船長倍數為1.9時的船舶風流漂移模型的船舶通航寬度，本項目船舶縱向航行1.9倍船長時，所需船舶單向通航寬度為154 m。

3.2 航速為8 kn時客滾船航行寬度計算

當航速為8 kn，風力分別8級，水域橫流流速為1.4 m/s設計代表船型船舶航行所需通航寬度見圖4。

圖4 案例船航速為8 kn時基于風流漂移模型下的船舶通航寬度

當船舶航速為8 kn時，空載時航道寬度應大于船舶縱向航行船長倍數為1.65時的船舶風流漂移模型的船舶通航寬度，船舶縱向航行1.65倍船長時，所需船舶單向通航寬度為142 m，滿載時，航道寬度應大于船舶縱向航行船長倍數為2.3時的船舶風流漂移模型的船舶通航寬度，本項目船舶縱向航行2.3倍船長時，所需船舶單向通航寬度為160 m。

3.3 不同風流組合下船舶的航速限制條件

根據案例船在航行時船舶漂移模型計算所得船舶縱向航行距離，主要研究流速分別為0.75、1、1.41 m/s，橫風7級(17.1 m/s)、8級(20.8 m/s)和船舶空載、滿載的情況下，對船舶航速的限制條件，根據口門處航道單向寬度161 m為計算依據，在不同風流組合下，推算出船舶的風流壓差角。

對于總噸位10 000汽車客貨滾裝船，在計算船舶航速限制條件下，選取空載時船舶縱向航行船長倍數為1.65，滿載時船舶縱向航行船長倍數為2.3為計算依據。當風力為8級，水流流速分別為0.75、1、1.4 m/s，航速為7 kn和8 kn時船舶的風流壓差偏角見表2。

表2 總噸位10 000汽車客貨滾裝船在不同風流組合下的船舶風流壓差表 (°)

根據上述計算分析可知，案例船在航行進出口門時，在不同環境條件下，對航速要求不同，但是鑒于本項目口門水域風流條件較差，建議船舶在進出口門航行時，航速維持在7～8 kn之間，且需根據實際風流情況，及時調整航速和風流壓差角，保障船舶安全通過口門航道水域。

3.4 結果分析

對于案例船，在口門航道水域，當橫流流速為1.4 m/s，風速8級時，設定船舶航速為7和8 kn等情況在外界條件取值相同的情況下，根據風流漂移模型中的船舶通航寬度計算分析可知，具體船舶所需的通航寬度見表3。

表3 代表船型在縱向航行倍數不同時對應船舶所需單雙向通航寬度(總噸位10 000客滾船)

由表3可見，案例船在橫流流速為1.4 m/s，風速8級時，隨著航速不同，在絕大部分情況下，只要船舶合理控制航速航向，并選擇在適當天氣環境下，船舶雙向通航所需寬度均小于322 m。而口門航道寬度疏浚至322 m，大于案例船雙向通航寬度320 m，且根據前期《?？谛潞８劭陂T雙向通航調查意見反饋》可知，調查198位船長，有187位船長認為口門寬度拓寬至322 m時可雙向通航。綜合可知，口門航道寬度疏浚至322 m可以滿足船舶雙向通航要求。

4 結論

1)將風流漂移模型引用到測量規范之外的風流條件下船舶的航行所需航道寬度，在相同的風流環境下與《規范》中提出的船舶航道寬度計算公式進行對比，驗證模型的可行性。

2)將風流漂移模型進行細化，分析不同風流環境情況下的航行數據，所建模型能夠很好地運用船舶所在水域的環境變量。

3)文中沒有考慮駕駛人員在實際操船過程中的行為對其他過往船舶對計算條件的影響，在以后的研究中，應對以上未考慮的因素進行深入研究，對模型進行完善和改進。

4)將模型引用到工程建設中，為?？谛潞８劭陂T航道的工程建設提供了理論依據，同時該方法可作為在《規范》之外的風流條件下計算船舶航行所需航道寬度的參考。

由于口門航道處通航環境復雜，船舶操作難度大，在實行雙向通航前，建議由資歷較深的船長在自然環境較好時進行口門雙向通航實操演練，逐漸積累經驗，并提出相關意見和相關限制條件，保障船舶雙向通航安全。