基于国内外规范计算兼具航道功能狭长港池宽度设计

吕威，孙国辉

（中国港湾工程有限责任公司，北京 100027）

0 引言

随着亚非拉地区经济贸易不断发展，港口业务逐渐攀升，既有主要港口普遍存在泊位等级和专业化程度较低的现状，难以适应船舶大型化和港口现代化发展趋势。因此，既有老旧港口升级改造已成为许多国家的必然选择。老港改造面临诸多难题，其中水域狭窄且泊位数量多已成为港口升级改造的关键制约因素。

港池宽度是影响通航安全及建设成本最重要的因素之一，特别是部分老港，由于港内水域狭窄、泊位数量众多，船舶通航密度大，港池往往需要承担内航道功能，此类港池宽度的合理取值则尤为重要。当前国内对港池宽度研究主要集中在“港池宽度对港口通航安全和港口服务水平的影响”[1]以及“各国规范和通用规定对比参数取值[2]”等领域。但上述研究均基于常规港池，未考虑兼有航道功能的情况，难以满足境外相关狭窄水域类港口设计需求。

关于港池宽度计算，欧美主流规范与中国规范差异较大，在项目实施过程中，标准的差异将会影响项目成本。为中资企业合理选用欧美规范及中国规范“走出去”提供参考意见，本文选取境外工程中常用的PIANC 规范、英标、美标及西班牙规范与中国规范进行对比分析，总结了兼有航道功能的狭长港池宽度计算方法的差异性与适用性，并通过工程案例加以验证，为此类工程提供参考和借鉴。

1 国内外规范关于兼有航道功能的狭长港池宽度计算方法

兼有航道功能的狭长港池一般具有以下特点：

1） 多为挖入式港池或位于天然泻湖湾内，水域狭长，现有码头岸线长，泊位数量多，船舶通航密度大。

2） 港池水域狭窄，码头前沿水域一般不考虑调头作业，尽可能减少港池宽度。

3） 回旋水域集中布置，周边通常布置泊位，需尽可能缩减回旋圆半径。

4） 港池布置需综合考虑停泊水域、船舶通航宽度、回旋水域等，并需要通过操船试验验证。

针对此类港池，为保证船舶通航效率与作业安全，港池水域应兼具内航道功能，港池宽度的设计需特殊考虑。总体而言，欧美规范对此类港池宽度计算主要包括3 部分，即港池内单向航道宽度、与系泊船舶的安全间距、码头前沿停泊水域宽度，但具体考虑因素及计算规定有所不同。

1.1 西班牙规范

西班牙规范规定[3]，如果窄长港池内设置超过4 个泊位，则港池内必须设置调头区域。该调头区域可位于港池根部或中间区域，要求调头区域的内侧港池内泊位数量不超过4 个，或所有港池足够宽，以便船只可在任意位置调头。如果交通密度大于1 艘船/h，则要求港池内设置航道。如果在港池航道两侧有船舶靠泊，B为设计船宽，船泊间的安全间距应考虑不小于2.5B，即航道每一侧应预留2.5B，此外，码头前沿停泊水域宽度按1.5B考虑。因此，港池宽度计算公式为：

单向航道宽度W按照内航道计算，见式（1）。

式中：B为设计船宽，m；Bn为航道实际宽度，m，计算见式（2）；Br为预留宽度，m，通常考虑为岸坡稳定，在内港池航道中可不予考虑。

式中：bd为风浪流影响的附加宽度，m，bd=Lppsin β（评估水域空间时使用），bd=Lsin β（评估水面以上空间时使用）；Lpp为设计船舶垂线长度，m；L为设计船长，m；β 为偏向角度，（°），受风、浪、流、拖轮等因素影响，可参考表1 插值选取；be为定位误差宽度，m，设置导助航设施并配有经验丰富的引水员情况下，取10 m；br为反应修正误差宽度，m，br=（1.50-Emax）×bro；Emax为航道风险级别，取值为0.05～0.5；bro为附加操作反应误差宽度，m，可参考表2 插值选取；bb为导助航设备位置偏差，m，可取导助航设备距离乘sin0.5°；rhsm，rhsd分别为岸吸作用安全距离及富裕安全距离，m，可根据表3 插值选取；i，d 是指航道左右两侧。

表1 β 取值参照表Table 1 Reference value of β

表2 bro 取值参照表Table 2 Reference value of bro

表3 rhsm，rhsd 取值表Table 3 Reference value of rhsm and rhsd

1.2 英国规范

英国规范[4]规定，有通航要求的港池宽度应不小于0.7～1.0 倍设计船长，同时对比考虑停泊水域宽度加内港航道宽度。泊位停泊水域宽度应考虑为1.5B。但英国规范对航道宽度仅提供了一般性的指导意见，认为单向航道宽度一般为设计船宽的4～6 倍，对于各参数的详细取值英国规范中明确建议参考PIANC 中的规定。此外，规范指出对于航速4 kn 以下的船舶，船与船之间的安全距离应大于2B。航速6 kn 以下的船舶，船与船之间的安全距离应大于4B。因此，英国规范港池宽度计算公式为：

1.3 美国规范

美国规范[5]规定，兼顾船舶通航功能的港池，航道边线距离船舶不小于1.2B。当有拖轮协助时码头前沿停泊水域最小宽度为1.25B。通航航道的宽度参数见表4，针对狭长港池内的航道，宽度建议参照运河型取值，宽度为2.5B～4.0B。此种情况下，美国规范港池宽度计算公式为：

表4 单向航道宽度W 计算表Table 4 Calculation sheet of width of one-way channel

1.4 PIANC

PIANC 规范[6]重点研究了兼顾通航功能的港池航行船舶对两侧靠泊船只作业的影响，具体影响因素包括：航行船舶的航速、安全距离、航行及靠泊船只的尺寸、港池水深、航道断面形式等。PIANC 建议在概念设计阶段通航航道距离两侧靠泊船只的安全距离取值如下：1） 航行船只航速≤4 kn 时，船舷到船舷间安全距离取2B；2） 航行船只航速≤6 kn 时，取值4B。在详细设计阶段，通过数学模型分析水动力影响来确定安全距离。因此，PIANC 规范港池宽度计算公式为：

根据航道宽度概念设计方法，单向航道宽度W计算如式（3）所示。

式中：WBM为设计通航船舶航迹带宽度（1.3B～1.8B），m；∑Wi为风浪流影响富裕宽度，m；WBR，WBG为左右岸富裕宽度，m，具体参数取值可参见项目案例。

1.5 中国规范

中国规范[7]规定码头前沿停泊水域宽度宜取设计船宽的2 倍，对于多泊位顺岸布置的码头前方水域，不考虑调头作业的码头前水域总宽度不应小于0.8L（L为设计船长，m），当船舶不在港池内调头时，港池宽度可取0.8L～1.0L。对兼有航道功能港池的宽度无明确规定，根据需要加宽港池。规范另指出码头停泊水域不能占用主航道，因此可推出兼有航道功能的狭长港池宽度的最小值应如下所示，同时不小于0.8L。

单向航道宽度计算见式（4）。

式中：A为设计船舶航迹带宽度，m，A=n（Lsin γ+B）；n为船舶漂移倍数；γ 为风流压偏角，（°）；c为设计船舶与航道底边线间的富裕间距，m。

2 兼有航道功能的狭长港池宽度计算差异性及适用性分析

基于上述港池宽度规定及公式，欧美规范与中国规范关于兼有航道功能的狭长港池宽度的计算方法对比见表5。

表5 欧美规范和中国规范关于兼有航道功能的狭长港池宽度计算Table 5 Calculation of width of long and narrow harbor basin with channel function in European,American and Chinesecodes

对比各规范具体考虑因素和计算过程可知，对于兼有航道功能的狭长港池，相较于普通港池应适当加宽。在此类港池宽度计算中，欧美规范考虑的因素较中国规范更为全面，在考虑港池内单向航道宽度、停泊水域宽度的基础上，额外考虑了通行船舶与系泊船舶间安全距离。

在港池内单向航道宽度计算中，各国规范考虑因素不同。中国规范仅考虑了风、流、船岸间距等影响因素。西班牙规范是基于大量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。英国规范仅提供一般性指导意见，并明确建议设计方法参考PIANC 规范。美国规范较为简单，常常提及和介绍PIANC 方法，需要注意的是美国规范计算方法仅适用于初期设计阶段。PIANC规范在概念设计阶段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。总体来看，西班牙规范和PIANC 规范所考虑的航道宽度影响因素最为全面。

在与系泊船舶的安全间距取值方面，各国规范也存在差异。其中，西班牙规范、美国规范给出安全间距的规定，但介绍较为简单。英国规范和PIANC 规范的规定相同，均基于航速对安全间距进行取值，特别是PIANC 规范对过船效应的作用机理及影响因素进行了详细分析，并针对概念设计阶段给出了明确的设计指引。

码头前沿停泊水域宽度方面，欧美规范取值为1.25B～1.5B，中国规范为2B。停泊水域的设置主要为保证船舶装卸作业时的安全，一般根据项目要求的规范对应选取即可。

中国规范未详细规定兼具航道功能狭长港池的宽度计算要求，仅JTS 165—2013《海港总体设计规范》条文说明中提及“当港池兼有船舶航行通道功能时，根据需要加宽港池宽度”，在中国规范“走出去”情况下，境外工程中应用中国规范时，应结合境外规范对比补充计算通行船舶与系泊船舶间的安全距离。

综上，欧美规范对兼有航道功能的狭长港池宽度计算考虑因素较为全面。其中PIANC 规范在港池内航道、与系泊船舶安全间距的计算上最为详细，具有较强的可操作性。因此，在境外工程设计时，可结合本文分析和项目的具体情况选择合适的规范，并推荐采用PIANC 规范进行校核。

3 项目案例

东非某泻湖港口改造工程[8]，现有单侧岸线1.6 km，升级扩建单侧岸线1.2 km，总单侧岸线约2.8 km，布置14 个泊位。港池水域狭窄，目前仅港池前端布置一个回旋圆，无法实现码头前水域转头作业。升级改造后为提高通航效率，增设港池底部回旋圆，港池兼顾航道功能。港口平面布置见图1。

图1 东非某港口总体布置图Fig.1 General layout of the port in East Africa

设计船型为80 000 DWT 集装箱船，船长305 m，船宽40 m，最大吃水14.5 m。

该港水域是典型的兼有航道功能的狭长港池，根据前文介绍，基于PIANC 规范详细计算港池宽度，其计算过程及结果见表6。

表6 基于PIANC 规范详细计算内港池宽度Table 6 Detailed calculation of harbor basin width based on PIANC

根据PIANC 规范计算，初步确定港池设计宽度为280 m，另外两端调头回旋圆直径为1.6L，取500 m。并以此为基础开展操船模拟试验，验证设计港池宽度和两端回旋圆布置情况下，通航和靠离泊的安全可行性。

试验根据不同风浪流工况、进出港、内外端回旋圆进行调头等多种工况进行模拟，其中针对最大设计船型（80 000 DWT 集装箱船）共设计了9组试验工况，所有模拟工况均在当地引航员、船长、实验单位、设计单位及业主的共同参与及讨论下开展，期间充分考虑了当地引航条件及船舶操作习惯的影响，典型操船轨迹见图2。

图2 船舶操纵实验典型船舶航行轨迹图Fig.2 Typical navigation trajectory diagram for the vessel maneuvering simulation test

操船试验结果显示：内港池宽度（280 m，约7B）充裕，在沿线泊位已有船舶靠泊的情况下，未发现拟靠泊船只在到达回旋圆并驶回待靠泊点的过程中存在困难；2 个回旋圆尺度（直径500 m，约1.67L）为所有设计船型提供了足够的回旋空间，特别是内港池末端的第2 个回旋圆有效解决了港池过于狭长（约3 km）、船舶需要长距离倒车操作的难题；在船舶主推进器关闭或损坏的情况下，仍可保证正常操纵，水域布置尺度满足所有船只的正常使用要求。

4 结语

1） 需兼顾航道功能的狭长港池，相较于普通港池应适当加宽。在此类港池宽度计算中，欧美规范考虑的因素较中国规范更为全面，在考虑港池内单向航道宽度、停泊水域宽度的基础上，额外考虑了通行船舶与系泊船舶间安全距离。

2） PIANC 规范在港池内航道、与系泊船舶安全间距的计算上最为详细，可操作性强，在国际上得到广泛认可。同时在东非某港改扩建项目中，对兼顾通航功能的狭长港池宽度采用PIANC 规范进行设计，并通过船舶操纵试验验证了宽度的合理性，证明了以PIANC 计算此类港池宽度的可靠性。因此在解决类似问题时，建议中国规范可参考PIANC 规范进行编修，综合考虑港池内单向航道宽度、停泊水域宽度、通行船舶与系泊船舶间安全距离等因素计算港池宽度。

3） 对于水域受限的狭窄港池升级改造工程，水域尺度的布置根据规范计算后，应通过船舶操纵模拟试验验证并进行优化论证。