超规范环境条件的海口新海港区口门航道通航宽度计算

甘浪雄,b，范健宇，佘运友，邓巍

(武汉理工大学 a.航运学院；b.内河航运技术湖北省重点实验室，武汉 430063)

随着海口港新海港区汽车客货滚装码头船舶进出艘次日益增加，口门处单向通航的情况已逐渐不能满足新海港生产作业需求，结合港口生产要求，为提高船舶进出效率，保障海口港新海港区口门航道水域的通航环境和通航安全，船舶能够保证在超规范的八级风情况下进行航行，需要对现有通航航道方案进行优化调整，将口门处航道宽度由222 m增宽为322 m，调整后的口门航道处将由原来的单向通航调整为双向通航。针对此调整，需对海口港新海港区汽车客货滚装码头口门双向通航进行航道宽度数值计算分析。

《海港总体设计规范》(以下简称《规范》)在计算航道宽度时，水流流速最大为1 m/s，风速最大为7级。而海口港口门航道船舶进出口门时，水流流速最大为1.4 m/s，风速大于7级，无法运用《规范》求出口门航道的船舶通航宽度[1]。为此，考虑在《规范》中关于船舶航道宽度计算的基础上，综合考虑船舶自身的尺寸、操作特性、风致漂移量、流致漂移量等影响因素[2-8]，针对超过《规范》中的风流环境情况，建立以风流漂移模型为基础的船舶通航宽度计算模型，通过实例与《规范》中的计算数值进行对比，对模型进行优化后应用到实际的工程建设当中。通过设定不同风流情况，对船舶在不同风流情况下的航速限制条件进行分析，为船舶通过口门航道时提供分析依据。

1 计算模型

1.1 《规范》中航道宽度计算模型

根据《规范》中第6.4.2条规定，单线和双线航道通航宽度可按照下列公式计算，当航道较长、自然条件较复杂或船舶定位较困难时，可适当加宽；自然条件和通航条件有利时，经论证可适当缩窄。

1)单线航道。

W=A+2c

(1)

2)双线航道。

W=2A+b+2c

(2)

式中：A为航迹带宽度，m；b为船舶间富裕宽度，m；c为船舶与航道底边线间的富裕宽度，m。

1.2 风致漂移模型

具备一定结构特点的船舶，在风力作用下将产生向下风的漂移。港内等狭窄水域中操船时，为留出足够的漂移量，需随时注意抢占上风水域。对于前后方向的漂移，因有主机的运用足可抵御其影响，一般不会危及船舶安全操纵，但对于横向漂移必须保持警惕。

风致漂移速度除去与船舶本身特点有关外，还与风速、船舶运动速度密切相关。在一定风速条件下，停船时的风致漂移速度最高；随船速增加，风致漂移速度反而降低。在受限水域中驾引人员应预先掌握船舶的风致漂移速度值。

在最不利天气条件下，受风作用而产生的风致漂移量可按下式计算。

(3)

式中：K为系数，取0.041；Ba为船体水线上侧受风面积，m2；Bw为船体水线下侧面积，m2；VS为船速，kn；Va为相对风速，m/s，7级风(风速13.9～17.2 m/s)取17.1 m/s，8级风(风速17.2～20.8 m/s)取20.8 m/s；T为漂移时间,s。

式(3)中，船体水线上下侧受风面积之比近似于船舶水线上干舷与船舶吃水之比；漂移时间依据不同船长有所不同。

1.3 流致漂移模型

流致漂移模型主要考虑横流对船舶航行的影响。

船舶进出港区航道时，流致漂移量可按下式计算。

ΔBw=VcTsinα

(4)

式中：Vc为流速,m/s；α为流压角，取90°。T为漂移时间,s，T=S/VS，S为船舶在航道中直线航行的长度，取船长的倍数。

1.4 风流漂移模型计算船舶通航宽度

船舶在进出港区的过程中，由于受到风、流的影响会产生横向漂移，加上船舶本身所具有的尺度，因此，港区进出港航道必须具有足够的通航宽度。

典型单向航道宽度约为5倍船宽，当航道较长、导标灵敏度不易控制、船舶定位困难和自然条件特别恶劣时，航道宽度可适当加宽；相反的情况可以适当缩窄。船舶在航道弯曲段航行，由于船舶在转向时的漂动，必须以投影宽度通过弯道，要求的宽度比直线段大。

船舶在不利风、流影响情况下，设计船型进出港区航道单向通航所需航宽的表达式为

Bd=Lsinβ+Bcosβ+2d+ΔBa+ΔBw

(5)

式中：L为船长,m；B为船宽,m；d为船与航道边界之间的安全距离,m，d=(B+Lsinβ)/4；β为偏航角，取5°。

2 口门航道双向通航计算对比分析

对船舶航速分别为6、7、8 kn，流速分别为0.5、0.75、1 m/s，以及船舶空载、满载的情况下，对船舶所需的船舶通航宽度进行计算，运用Matlab软件绘图，在图中标明运用《规范》计算出来的单向通航宽度结果，对计算结果进行对比分析。

由于《规范》中关于航道宽度计算只有船速V≤6 kn和船速V>6 kn两种情况，故将风流漂移模型中的船速V=6 kn对应《规范》中的船速V≤6 kn的情况；将风流漂移模型中的船速V=7 kn、8 kn对应《规范》中的船速V>6 kn的情况。计算该水域最大尺度代表船型的通航宽度。

2.1 总吨位10 000汽车客货滚装船通航宽度计算

《规范》中计算航道宽度时，最大水流流速为1 m/s，最大风速为7级，而本项目船舶进出口门时，横流流速最大为1.4 m/s，风速大于7级，为了计算在风流超规范情况下的船舶双向通航宽度，主要采用基于风流漂移的船舶通航宽度计算模型计算船舶船舶所需通航宽度。为确保模型选用的准确性，在风流漂移模型里选取水流流速为0.5、0.75、1 m/s；风速为7级；船舶空载、满载等不同组合时风流漂移模型计算的航道通航宽度与《规范》计算的通航宽度进行分析比对，在验证模型选取准确性的基础上，推算出在当横流流速最大为1.4 m/s，风速大于7级时的船舶通航宽度计算方法。

对于空载总吨位10 000汽车客货滚装船，当流速在0.5、0.75、1 m/s，航速为6、7、8 kn时，由船舶漂移模型计算的船舶通航宽度见图1。

图1 由船舶空载漂移模型计算的船舶通航宽度

对于满载总吨位10 000汽车客货滚装船，当流速在0.5、0.75、1 m/s，航速为6、7、8 kn时，由船舶漂移模型计算的船舶通航宽度见图2。

图2 船舶满载漂移模型计算的船舶通航宽度

2.2 数值计算结果对比分析

1)船舶航速V≤6 kn时，对比船舶通航宽度，风流漂移模型中船舶纵向航行为1倍船长及以上时，风流漂移模型计算船舶所需通航宽度均大于规范计算的最大通航宽度，此时风流漂移模型计算数值可以满足通航安全要求。

2)船舶航速V>6 kn时，对比船舶通航宽度，船舶基于风流漂移模型下船舶通航宽度大于《规范》计算的通航宽度时的船舶纵向航行船长倍数见表1。

表1 船舶基于风流漂移模型下船舶通航宽度大于《规范》计算的通航宽度时的船舶纵向航行船长倍数值(总吨位10 000客滚船)

由此可知，船舶航行时，不同航速下，实际航道宽度需大于表1中对应的船舶纵向航行的倍数下的船舶风流模型计算所得的船舶通航宽度即可。

3 计算实例

3.1 航速为7 kn时客滚船航行宽度计算

当航速为7 kn，风力为8级，水域横流流速为1.4 m/s代表船型船舶航行所需通航宽度见图3。

图3 案例船航速为7 kn时基于风流漂移模型下的船舶通航宽度

当代表船型航速为7 kn，空载时，航道宽度应大于船舶纵向航行船长倍数为1.4时的船舶风流漂移模型的船舶通航宽度，船舶纵向航行1.4倍船长时，所需船舶单向通航宽度为140 m；满载时，航道宽度应大于船舶纵向航行船长倍数为1.9时的船舶风流漂移模型的船舶通航宽度，本项目船舶纵向航行1.9倍船长时，所需船舶单向通航宽度为154 m。

3.2 航速为8 kn时客滚船航行宽度计算

当航速为8 kn，风力分别8级，水域横流流速为1.4 m/s设计代表船型船舶航行所需通航宽度见图4。

图4 案例船航速为8 kn时基于风流漂移模型下的船舶通航宽度

当船舶航速为8 kn时，空载时航道宽度应大于船舶纵向航行船长倍数为1.65时的船舶风流漂移模型的船舶通航宽度，船舶纵向航行1.65倍船长时，所需船舶单向通航宽度为142 m，满载时，航道宽度应大于船舶纵向航行船长倍数为2.3时的船舶风流漂移模型的船舶通航宽度，本项目船舶纵向航行2.3倍船长时，所需船舶单向通航宽度为160 m。

3.3 不同风流组合下船舶的航速限制条件

根据案例船在航行时船舶漂移模型计算所得船舶纵向航行距离，主要研究流速分别为0.75、1、1.41 m/s，横风7级(17.1 m/s)、8级(20.8 m/s)和船舶空载、满载的情况下，对船舶航速的限制条件，根据口门处航道单向宽度161 m为计算依据，在不同风流组合下，推算出船舶的风流压差角。

对于总吨位10 000汽车客货滚装船，在计算船舶航速限制条件下，选取空载时船舶纵向航行船长倍数为1.65，满载时船舶纵向航行船长倍数为2.3为计算依据。当风力为8级，水流流速分别为0.75、1、1.4 m/s，航速为7 kn和8 kn时船舶的风流压差偏角见表2。

表2 总吨位10 000汽车客货滚装船在不同风流组合下的船舶风流压差表 (°)

根据上述计算分析可知，案例船在航行进出口门时，在不同环境条件下，对航速要求不同，但是鉴于本项目口门水域风流条件较差，建议船舶在进出口门航行时，航速维持在7～8 kn之间，且需根据实际风流情况，及时调整航速和风流压差角，保障船舶安全通过口门航道水域。

3.4 结果分析

对于案例船，在口门航道水域，当横流流速为1.4 m/s，风速8级时，设定船舶航速为7和8 kn等情况在外界条件取值相同的情况下，根据风流漂移模型中的船舶通航宽度计算分析可知，具体船舶所需的通航宽度见表3。

表3 代表船型在纵向航行倍数不同时对应船舶所需单双向通航宽度(总吨位10 000客滚船)

由表3可见，案例船在横流流速为1.4 m/s，风速8级时，随着航速不同，在绝大部分情况下，只要船舶合理控制航速航向，并选择在适当天气环境下，船舶双向通航所需宽度均小于322 m。而口门航道宽度疏浚至322 m，大于案例船双向通航宽度320 m，且根据前期《海口新海港口门双向通航调查意见反馈》可知，调查198位船长，有187位船长认为口门宽度拓宽至322 m时可双向通航。综合可知，口门航道宽度疏浚至322 m可以满足船舶双向通航要求。

4 结论

1)将风流漂移模型引用到测量规范之外的风流条件下船舶的航行所需航道宽度，在相同的风流环境下与《规范》中提出的船舶航道宽度计算公式进行对比，验证模型的可行性。

2)将风流漂移模型进行细化，分析不同风流环境情况下的航行数据，所建模型能够很好地运用船舶所在水域的环境变量。

3)文中没有考虑驾驶人员在实际操船过程中的行为对其他过往船舶对计算条件的影响，在以后的研究中，应对以上未考虑的因素进行深入研究，对模型进行完善和改进。

4)将模型引用到工程建设中，为海口新海港口门航道的工程建设提供了理论依据，同时该方法可作为在《规范》之外的风流条件下计算船舶航行所需航道宽度的参考。

由于口门航道处通航环境复杂，船舶操作难度大，在实行双向通航前，建议由资历较深的船长在自然环境较好时进行口门双向通航实操演练，逐渐积累经验，并提出相关意见和相关限制条件，保障船舶双向通航安全。