国内外航道宽度设计方法对比研究

李华强，王 烽，谷文强

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

在港口工程中，对于航道宽度的设计，《海港总体设计规范》给出了明确的计算方法。随着船舶的操纵性能和导助航设施等方面技术发展，本文结合对国内外规范的系统研究，对于航道宽度的设计方法进行了对比和分析，提出更为精确的设计方法供同行探讨。

1 国内外规范中航道宽度设计方法

1.1 中国规范设计方法

根据《海港总体设计规范》（JTS 165-2013）[1]，航道通航宽度可由下列公式计算）。

式中：W为航道有效宽度，m；A为航迹带宽度，m；c为船舶与航道底边线间的富裕宽度，m；b为船舶间的富裕宽度，m，取设计船宽B，当船舶交会密度较大时，该富裕宽度可适当增加；n为船舶漂移倍数；L为设计船长，m；γ为风、流压偏角，°；B为船舶宽度，m。

影响航道尺度的因素复杂时，航道通航宽度应进行船舶操纵模拟试验验证，必要时可结合实船观测等方式确定航道通航宽度。

1.2 日本规范设计方法

根据日本规范《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[2]，航道宽度可通过下列公式进行计算：

式中：WBM为基本操船宽度，m；WIF为考虑相互力影响的富裕宽度，m；CSF为安全系数；WWF为考虑风力影响的富裕宽度，m；WCF为考虑水流力影响的富裕宽度，m；WYM为考虑船舶回转影响的富裕宽度，m；WDD为考虑船舶侧面偏移影响的富裕宽度，m；WBA为考虑侧壁影响的富裕宽度，m；WPA为考虑船舶会遇影响的富裕宽度，m；WOV为考虑船舶超越影响的富裕宽度，m；a、b、c为系数，采用表2中的数值。

表2 系数a、b、c取值

1.3 英国规范（BS 6349）设计方法

英国规范《Maritime Works-Part 1-1：General-Code of Practice for Planning and Design for Operations》（BS 6349-1-1：2013）[3]中对于航道宽度的概念设计基本是引用国际航运协会（PIANC）规范《Harbor Approach Channels》[4]中的概念性描述，仅介绍了航道宽度设计的影响因素，包括船速，横风，横流，顺流，波浪情况，导航情况，底质类型，水深，危险品货物等。对于各参数详细取值英国规范建议参考PIANC中的规定。

该规范中指出作为一般性的指导意见，单向航道宽度一般为船宽的4～6倍。在有小船超越的航道中，航道宽度取6～8倍的大船船宽。对于300 000 DWT以上的大型油轮，建议航道宽度取 5～7倍的船宽。大型油轮的航道应避免设计为双向航道。

英国规范BS 6349-1-1：2013中推荐通过数值模拟试验确定航道平面尺度，包括快速仿真试验（Fast-time Simulation）和实时仿真试验（Real-time Simulation）等手段。

1.4 美国规范设计方法

美国海岸工程手册《Coastal Engineering Manual》（CEM）[5]中将航道宽度的设计方法分为港内航道设计和港外航道设计分别进行论述。

1）港内航道宽度设计

基于操船模拟试验（USACE 1998），CEM 给出以下两种情况的计算方法：

当航道断面不变、导航设施很好时，按表3计算。

表3 单向恒断面导航设施良好航道宽度计算

当航道断面变化、导航设施一般时，按表4计算。

表4 单向变断面导航设施一般航道宽度计算

若流速大于1.5 m/s（3.0 kn），设计航道宽度应通过操船模拟试验论证得到。

有冰冻情况出现的航道，其设计宽度应该在常规基础上额外增加50 %～100 %。设计水深也需要增加冰块富裕深度，取标准波浪富裕和0.5 m中的大值，因为在有冰块的水域，冰会抑制波浪产生。

2）港外航道宽度设计

由于外海波浪水流更大，防波堤口门处复杂的波流情况、复杂的泥沙运动、波浪浅水变形以及防波堤或引堤等结构物的存在等等一系列因素，港外航道航宽度通常需要更宽。传统的简单计算方法是取表3中的大值进行计算。现在更倾向于利用综合物理模型试验、船舶操纵仿真研究以及实船运动量测量等方法来确定港外航道宽度。

1.5 西班牙规范（ROM）设计方法

根据西班牙规范《Recommendations for the Design of the Maritime Configuration of Ports,Approach Channels and Harbor Basins》（ROM 3.1-99）[6]，航道总宽可以按照下式进行计算：

式中：Bt为航道总宽，m；Bn为航道通航宽度，m；Br为考虑航道两侧边界因素的富裕宽度，m（例如，考虑两侧边坡稳定性而设置的富裕宽度）。

由于航道两侧边界特性可能不同，因此富裕宽度也可能分别取不同的值Bri和Brd。

如果在通航水域水文和气象条件是恒定的，那么直线段航道的最小通航宽度可以按照下式计算：

在恒定环境条件下的直线段双向航道通航宽度可用下式计算：

式中：B为航道通航船舶的最大船宽，m；i、d为航道左右两侧；be为考虑定位误差而增加的富裕宽度。这个富裕宽度是由于真实的船舶位置和船长通过信息手段和导助航设施估计的船舶位置之间的差距；如果不知道助航设施的特性，则be可以取设计船型的最大船宽用于初步研究；br为评估从检测到船舶偏离理论位置到船舶修正措施生效这段反应时间内船舶偏离航线距离的富裕宽度；bb为考虑助航标志系统误差的航道富裕宽度；rhsm为考虑船舶航行时不受航道两侧边界岸吸或者反射作用影响而增加的安全距离，这个安全距离可能两侧是不一样的；rhsd为船舶和航道边界在任何情况下都应保持的安全距离；bs为双向航道两道之间的通航净距；bd为由于船舶航行时为了抵抗风、浪、流和拖轮作用而设置的偏航角导致增加的航迹带宽度，m，计算公式如下：

其中：Lpp为船舶垂线间间距，m；β为船舶偏航角，°，风、流、浪和拖轮同时作用导致的船舶偏航角计算如下：

这个计算结果为代数值，因此每个计算分量都应考虑正负号。

1.6 国际航运协会规范（PIANC）设计方法

国际航运协会（PIANC）规范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[4]针对航道宽度设计给出了两个阶段的设计方法，分别为概念设计方法（基于经验方法）和详细设计方法。

在概念设计阶段，通过环境条件的物理参数和其他信息对航道宽度做出初步评估。因为概念设计方法计算快速、不要求输入过多的参数，因此能够快速评估比较方案。概念设计方法计算出的航道宽度相对保守，可以使用详细设计方法进一步优化。

详细设计方法是更准确的设计方法，可以使用物理模型、数值模型和仿真模拟模型进行船舶操纵、交通流量和风险分析。

在大部分情况下，在航道的初步设计中使用概念设计方法是满足要求的。但是使用概念设计方法不能满足比选方案的要求时，应使用更准确的设计方法。

PIANC规范中给出的单向航道和双向航道的计算公式如下：

单向航道的通航宽度：

双向航道的通航宽度：

式中：WBM为基本航迹带宽度，PIACN规范中给出了不同操纵性能船舶的基本航迹带宽度参考值；Wi为船速、风、流、浪、导助航设施、航道底质和水深等因素引起的航道宽度增加值，PIACN规范中给出了港内、外航道增加值的参考值；WBR、WBG为船舶与航道岸坡之间的富裕宽度，PIACN规范中针对不同的岸坡、船速等因素给出了港内和港外航道的船岸富裕宽度参考值；Wp为双向航道双船间富裕宽度，PIACN规范中仅给给出了错船情况下的该富裕宽度，并指出超船需要考虑更大的富裕宽度，但是在概念设计中一般先不考虑。

2 各国规范中的航道宽度设计方法总结

中国规范《海港总体设计规范》[1]航道宽度设计方法中仅考虑了风、流、船岸间距和危险品等影响因素，其他因素均未考虑。航迹带宽度计算公式及相关参数取值方法基本沿用上世纪 90年代旧版规范中的计算方法，具体来源已无从考据，并且随着船舶大型化的发展趋势，这些相关计算公式和参数取值方法需要重新进行论证，应谨慎使用。

日本规范《Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan》[2]给出了航道宽度的详细参数设计方法，此方法是基于大量的船舶操纵试验得出的，基本考虑了相关影响因素，但是需要注意的是尚未被考虑的波浪作用、冰、拖轮作用、航道水深和航道底质影响等因素。

英国规范 BS 6349-1-1：2013[3]明确指出建议航道宽度设计方法参考PIANC规范。

美国规范CEM[5]中常常提及和介绍PIANC方法。需要指出的是，美标中关于宽度的计算适用于初步设计阶段或更前期的初期设计阶段，对于最终的宽度确定各规范均建议通过仿真模拟、操船试验等手段来确定。

西班牙规范 ROM 3.1-99[6]给出了航道宽度的确定性设计方法和半概率设计方法，确定性设计方法是基于大量的船舶操纵试验得出的参数设计方法，基本考虑了相关影响因素，但ROM并未将危险品列为增加航道宽度的因素之一。而半概率设计方法是通过船舶操纵模拟器、小比例物理模型试验、现场观测或相似的方法实现的，并针对试验结果进行分析得出。ROM 中特别指出，即使采用了相关模拟试验，但是在试验中不能模拟的相关影响因素仍需考虑，对此可采用确定性设计方法取值。

PIANC《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[4]中详细介绍了航道宽度的概念设计方法和详细设计方法，概念设计方法即为基本操纵带宽度与其他各影响因素导致的富裕宽度之和，基本考虑了相关影响因素，计算简单便捷，在国外工程项目中得到了广泛的认可和使用。需要特别指出的是，1997年版的《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》中将危险品考虑为增加航道宽度的因素之一，但是 2014年版的《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》[4]中并未将危险品考虑为增加航道宽度的因素之一，仅建议采用相关的安全作业措施。而该规范给出的详细设计方法中，包含了参数设计方法和试验模拟方法，其中参数设计方法引用了日本规范和西班牙规范中的航道宽度计算方法；试验模拟方法则介绍了船舶通航/操纵仿真模拟试验和交通流量仿真模拟试验。

从各国规范和标准在航道宽度设计时考虑的影响因素（表1）可以看出，西班牙规范和PIANC规范所考虑的影响因素最为全面。

3 国内外航道宽度设计案例分析

国际航运协会（PIANC）规范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》中的航道水深设计方法在海外港口工程项目中认可度最高，使用范围最广，下面以巴拿马某 LNG码头工程为实例，使用PIANC规范和中国规范计算航道宽度，同时与船舶操纵模拟试验结果进行对比。

本工程中拟建设码头最大设计船型为17万m³LNG船舶，船长294.5 m，船宽46.4 m，船舶满载吃水11.6 m。船舶在进港航道中的航速按照6 kn考虑。由于码头位于天然优良港湾内，进港航道掩护条件较好，航道设计风速根据气象条件按照7.5 m/s考虑，横向流速小于0.1 m/s，没有横向波浪。

3.1 按照中国规范计算航道宽度

根据《海港总体设计规范》（JTS 165-2013），航道通航宽度由航迹带宽度和船舶与航道底边间的富裕宽度组成。单线航道通航宽度可按下式计算：

式中：c为船舶与航道底边线间的富裕宽度，m，由于航速6 kn，则c取设计船型型宽B=46.4 m；n为船舶漂移倍数，横向流速0.1 m/s，则n取1.81，风、流压偏角γ=3º；航道宽度W=111.9+2×46.4=204.7 m。航道设计宽度取205 m。

3.2 按照国外规范计算航道宽度

PIANC《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》详细介绍了航道宽度的概念设计方法和详细设计方法，概念设计方法即为基本操纵带宽度与其他各影响因素导致的富裕宽度之和，基本考虑了相关影响因素，计算简单便捷，在国外工程项目中得到了广泛的认可和使用，本节通过该规范的概念设计方法进行航道宽度计算，具体计算见表5。

因此按照 PIANC规范的概念设计方法计算航道宽度，得出航道设计宽度为144 m。

需要说明的是，此方法仅适用于项目前期设计阶段，在施工图设计阶段，航道设计宽度应通过船舶操纵试验进行验证和确定。

表5 有掩护开挖航道宽度计算（PIANC）

3.3 按照船舶操纵模拟试验确定航道宽度

巴拿马 LNG码头项目采用了船舶操纵模拟试验确定航道宽度，试验采用全任务模拟器进行操纵模拟，船舶操纵试验结论如下：

1）当船舶进港船速较低时应采用 4艘拖力为50 t的全回转拖轮协助船舶进港，其中两艘布置在船头，两艘布置在船艉，以保证船舶在速度较低的情况下仍然能够保持方向。

2）船舶航速应保持在5 kn左右以保证舵效，并且避免撞击航道边的现有码头和停靠船舶。

3）船舶操纵试验结果表明在风速小于15 kn，横流小于0.2 kn的情况下航道宽度125 m可满足船舶操纵要求，但是考虑到距离航道边有现有码头和停靠船舶的安全距离（考虑为0.5倍船宽，即23 m），则航道设计宽度建议取为148 m。

3.4 小 结

从设计案例中可以看出，由于进港航道掩护良好，没有横浪作用，因此国内外规范对于船舶操纵带宽度计算结果较为一致，主要差别在船岸富裕宽度的取值。PIANC规范取值较小，中国规范取值较大。而船舶操纵试验结论与PIANC规范较为一致。

4 结 语

根据大量的国内外工程项目和船舶操纵模拟试验经验，在中国港口工程项目具体设计中仍需注意以下问题：

1）在横浪较大的区域，国内外规范对于船舶操纵带宽度的计算可能会有一定差异，中国规范中没有考虑横浪和斜向波浪对于船舶操纵带宽度的影响。

2）根据船舶操纵模拟试验以及实际船舶操纵，导助航设施对于航道宽度的设计影响较大。中国规范中没有明确规定导助航设置对于航道宽度设计的影响，而国外规范给出了针对不同导助航设施配置的船舶操纵带宽度增加值。

3）不同类型的船舶，操纵性能差异较大，航行时的航迹带宽度的差异也较大。国外规范中根据船舶操纵性能进行划分，给出不同类型船舶的基本航迹带宽度取值方法。中国规范中的航迹带宽度计算方法并没有体现船舶操纵性能差异对航迹带宽度的影响，但针对不同类型的船舶，船岸富裕宽度取值不同，并且在计算船岸富裕宽度时综合考虑了船舶操纵性能、货品危险性等因素。而国外港工工程项目，可以按照所允许使用的国际标准进行初步设计。基于上述结论，为了更准确的确定航道宽度，建议可先通过理论方法初步计算航道宽度，再通过船舶操纵模拟试验进一步验证和确认。