基于最大横流累积频率的航道宽度设计方法

张玮，李泽

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

随着我国经济实力不断提升，水运事业得到了长足发展。为了满足运量快速增长的需求，适应船舶大型化的发展趋势，沿海各大港口不断扩大进港航道的规模。以连云港为例，连云港主港区进港航道规模从开港初期到2001年，航道等级分别经历了5千吨级、2万吨级、3.5万吨级和7万吨级等阶段，2009年浚深至15万吨级，2012年25万吨级航道顺利通航，未来还将建设30万吨级航道[1]。

在进行航道设计时，航道宽度是设计中最重要和最基本的内容之一。目前，世界各国航道宽度的设计方法各不相同[2-3]，但均将航迹带宽度作为航道宽度的主要组成部分。确定航迹带宽度的方法有多种[4]，如根据规范公式计算，通过船舶航海模拟器试验等[5]，各有利弊。但无论采取何种方法，均需要提供船舶航行时所受到的横流设计值。现行的设计方法中，航道横流设计值的选取原则并不明确，对于航道的建设和维护成本影响较大。如果航道横流设计值选取过大，航道相对较宽，船舶航行的安全性无疑可以增加，但航道的建设及维护成本也将有所提高；如航道横流设计值选取过小，则航道宽度相对较窄，虽较为经济，但通航的安全性却有所降低。因此，需要提出一种合理的横流设计值选取方法，在此基础上进行航道宽度设计。本文针对上述问题，提出基于航道最大横流累积频率的航道宽度设计方法，并以连云港主港区航道为例，具体分析这种方法的应用。

1 航道宽度设计方法简介

航道宽度，或者航道有效宽度，通常是指航槽断面设计水深处两侧底边线之间的宽度[6]。各国航道宽度的设计方法各异，但均围绕着航迹带宽度和富余宽度这两个主要部分，根据不同的原则分别进行计算。航迹带宽度是指船舶以风流压偏角在导航中线左右摆动前进所占用的水面宽度，是航道有效宽度的最主要组成部分。现以我国JTJ 211—99《海港总平面设计规范》（以下简称“规范”）中规定的设计方法为例，对航道宽度设计方法进行介绍。按照规范，航道宽度由航迹带宽度、船舶间富裕宽度和船舶与航道底边间的富裕宽度组成，并按以下公式计算：

单向航道W=A+2c （1）

双向航道W=2A+b+2c （2）式中：W为航道有效宽度，m；A为航迹带宽度，m；b为船舶间富裕宽度，m，取设计船宽；c为船舶与航道底边间的富裕宽度，m，与船速及船型有关；n、γ分别为船舶漂移倍数和风流压偏角，与横流有关，其取值见表1。

表1 满载船舶漂移倍数n和风、流压偏角γ值Table 1 Drift ratio n and wind-flowing pressure angleγof the ship in full load

由航道宽度计算公式可知，当设计船型确定后，船船间、船岸间的富余宽度b，c即确定，而航迹带宽度还受船舶漂移倍数n和风流压偏角γ的影响。根据表1，船舶漂移倍数n和风流压偏角γ由横流大小决定。由此可见，航道横流数值对于航道宽度计算影响较大，需要慎重选取。

2 航道横流与航道宽度

在以往航道宽度设计中，常选取某一实测潮位过程作为计算潮型，将计算得到的航道沿程最大横流作为设计值。由于计算潮型的选取原则不明确，因此这种做法具有较大的主观性和随机性。根据不同潮位过程计算所得的航道横流值差别明显，对航道设计宽度的影响很大。以连云港主港区单向航道为例，设计船型采用30万吨级油船，总长334 m，型宽60 m，表2列出了根据不同航道横流值所计算的航道宽度。如横流数值在0.25~0.50 m/s之间，航道有效宽度可取290 m；横流数值在0.75~1.00 m/s之间，航道有效宽度则为324 m。由此可见，航道横流值的大小直接决定航道设计宽度，对于航道建设和日常维护费用影响较大。因此，需要提出一种科学合理的横流设计值确定方法，在保障船舶安全通航的前提下，尽可能地节约成本。

表2 30万吨级油轮航道有效宽度Table 2 The effectivechannel width for 300 000-ton tanker

3 最大横流的累积频率

经过分析认为，航道横流值与其它水文特征值一样，是一种随机变量，其大小与潮汐强弱（也就是潮差大小）有关，年内变化较大。因此，有必要运用统计方法分析航道横流值的年内分布特征，从而选取合理的横流设计值进行航道宽度设计。例如，在海港设计中，常选取一定累积频率的高（低）潮位作为设计水位，那么，在设计航道宽度时，也应选取具有一定累积频率的最大横流值作为设计值，使得航道横流设计值的选取更为科学。以一次涨落潮过程中的航道最大横流值作为统计数据，绘制最大横流的累积频率曲线，在获取统计数据时，可逐个计算一定年限内各个涨落潮过程中的航道最大横流，但这种方法计算量较大，难以实现，需寻找简化方法。

连云港主港区是我国典型的淤泥质海岸环抱式防波堤，其航道横流特征具有一定的代表性，现针对该港区航道横流特征，提出绘制航道沿程最大横流值累积频率曲线的简化方法。根据已有研究成果，连云港主港区的航道沿程最大横流由涨潮控制，且最大横流与涨潮潮差之间存在如下相关关系式[7]：

式中：V代表航道沿程最大横流；ΔH代表潮汐预报表中的涨潮潮差。

由此可推知，沿程最大横流值与预报涨潮潮差具有相同的年内分布规律，可由预报涨潮潮差的累积频率曲线推求沿程最大横流值的累积频率曲线。以任一年度（如2004年）连云港潮汐预报表为例，年内共有706次涨落潮过程，统计各次涨落潮过程的涨潮潮差，利用式（4）计算相应的沿程最大横流值，然后计算沿程最大横流的经验累积频率：

式中：P为经验累积频率；n为样本容量，取n=706；m为沿程最大横流由大到小排序序号。

最大横流累积频率是指统计年限内沿程最大横流大于或等于某一横流值的时间占总时间的百分比。根据沿程最大横流的经验累积频率，可绘制沿程最大横流的累积频率曲线（见图1）。

图1 沿程最大横流累积频率曲线Fig.1 Curveof the maximum guaranteed crossflow rate along the river

4 航道横流特征分析

在讨论如何选取合理的最大横流累积频率前，有必要对工程区域航道横流的特征进行分析。以连云港主港区为例，利用经实测资料验证的潮流数学模型，分别计算不同潮型下的航道横流，分析其时间过程和平面分布特征，发现不同潮型下的航道横流具有相似特征，现以2012年3月大潮为代表潮型进行说明。

4.1 航道横流的时间过程

计算结果表明，在防波堤口门外约400 m航道断面处发生最大航道横流，图2为该断面航道中心点处航道横流过程线及潮位过程线图，图中航道横流过程用虚线表示，正值代表涨潮横流，负值代表落潮横流。由图可知：在涨潮过程中航道横流随潮位升高而增大，最大航道横流时刻出现在高潮位前约1.5 h，达到高潮位时横流迅速降低，高潮位以后横流数值更小。通过计算分析其他潮型下航道横流的时间过程可知，航道横流最大值均出现在高潮位时刻前0.5~2.0 h。同时，统计不同涨潮潮差与相应的高潮位时刻横流值、高潮位时刻后0.5 h横流值（见表3），可见：高潮位时刻航道横流值较最大航道横流值减小很多，均小于0.5 m/s，而高潮位时刻后0.5 h，航道横流值则不超过0.2 m/s。

图2 垂线平均横流的时间过程Fig.2 Time process of vertical mean cross flow

表3 涨潮潮差对应的横流值Table 3 The cross flow value of flood tidal range

4.2 航道横流的平面分布

为了描述航道横流的平面分布，将航道附近流速沿垂直于航道轴线的方向投影，绘制流速分量等值线图，在航道内该分量即为航道横流值。图3为最大横流时刻的航道横流分布图，由图可知：口门以外700 m范围内的航道横流较大，其中，最大横流出现在口门约400 m处，其他航段航道横流值相对较小。

5 合理选取最大横流累积频率

运用基于横流累积频率的航道宽度设计方法，在求得沿程最大横流值的累积频率曲线后，还需要选取合理的最大横流累积频率。现结合上一节对航道横流特征的分析，讨论如何选取合理的最大横流累积频率。

图3 最大横流时刻的航道横流分布图Fig.3 Thechannel crossflow distribution at themoment of themaximum crossflow

航道宽度设计必须要保证最大设计船型能够安全通航，而大型船舶通常需要乘潮进港，自乘潮时刻开始从外海驶向港区。由连云港主港区航道横流特征可知，较大横流仅在高潮位时刻前的0.5~2.0 h左右出现在防波堤口门以外700 m水域范围内，且高潮位以后迅速降低。根据设计，连云港30万吨级进港航道长48km，设计标准为90%的乘潮保证率满足4 h乘潮时间[8]。对于需要乘潮进港的船舶，行驶到防波堤口门段时多在高潮位以后，此时所承受的航道横流较最大值要降低许多。因此，考虑最大设计船型时，可以选择略高的最大横流累积频率，此时对应的横流流速相对不大，既满足航行安全，又能节约投资。至于其他较小吨位的船舶，可能无需乘潮进港，故其到达口门段的时间不定，有可能承受最大航道横流的作用，所以，还需对其航行安全进行校核。

表4列出了连云港主港区30万吨级航道不同设计船型，在不同最大横流累积频率条件下的航道宽度设计值。进港航道的设计通航水深为25.4 m，最大设计船型（30万吨级油轮）需要乘潮进港，而对于次大设计船型（25万吨级油轮）则无需乘潮。在航道宽度设计时，若取累积频率1.7%，并按最大设计船型计算航道宽度为308 m，由于实际运行中最大设计船型不可能遭遇最大横流，所以这样的航道宽度是不经济的。由表3可知，在高潮位及之后时刻，航道沿程最大横流均远小于0.5 m/s，若取累积频率43.42%对应的航道横流值作为设计值，并按最大设计船型计算航道宽度为290 m，该航道宽度可以满足最大船型的安全通航。同时，在累积频率1.7%的最大横流条件下，对于不需要乘潮进港的25万吨级油轮，这样的航道宽度也完全能够满足安全通航要求。

表4 不同船型航道有效宽度Table4 The effectivechannel width of different ships

由此可见，对于最大设计船型，因其需要乘潮进港，到达口门段航道时，往往已是高潮位时刻之后，此时船舶实际遇到的航道横流较最大横流要小许多，因此，对于最大设计船型建议选取稍低的设计标准（建议取累积频率值40%~50%）来计算航道宽度。当然，对于其他设计船型仍然需要校核其进出港的安全性。

需要说明的是，上述结论是以连云港主港区为例分析得出的，对于其他工程不能直接套用，但选取最大横流累积频率的思路仍是适用的。

6 结语

1）航道横流是确定航道宽度的主要参数，且在年内变化较大，但在以往的航道宽度设计中，横流数值选取的原则并不明确，具有一定的随意性。因此，提出一种合理选取航道横流数值进而确定航道宽度的设计方法是十分必要的。

2）连云港主港区航道最大横流仅于高潮位时刻前0.5~2.0 h出现在口门段航道，而需要乘潮进港的满载船舶在高潮位时刻后到达口门，可避开最大横流。故航道宽度设计时，可适当降低设计标准（建议取累积频率40%~50%），经校核，对于不需乘潮进港的船舶亦能以较高的概率保证通航安全。

[1] 顾勇.设计应用研究综述[M]//丁军华.连云港淤泥质海岸深水航道建设理论与实践：前期基础篇.北京:人民交通出版社，2012:78-83.GU Yong.Summary of design and application research[M].DING Jun-hua.Theory and practice for deepwater channel construction of silt coast in Lianyungang Port:primary foundation volume.Beijing:China Communications Press,2012:78-83.

[2] 竺奇乐，喻国良.海港航道直线段宽度确定方法的比较[J].水道港口，2012（5）：447-453.ZHU Qi-le,YU Guo-liang.Comparison of methods to determine seaport channel widths[J].Journal of Waterway and Harbor,2012(5):447-453.

[3] 聂细亮.中日港口航道宽度设计标准比较研究[D].大连：大连海事大学，2010.NIE Xi-liang.The comparative study on the design standards between China'sand Japan'schannel width[D].Dalian:Dalian Maritime University,2010.

[4] 沙波.天津港25万吨级航道通航标准的研究[D].大连：大连海事大学，2008.SHA Bo.Study on thenavigation standard of 250 000-ton channel in Tianjin Port[D].Dalian:Dalian Maritime University,2008.

[5]肖英杰.运用船舶航海模拟器对洋山深水港进港航道宽度和深度的研究[D].上海:上海海运学院，2002.XIAO Ying-jie.A study of width and depth through simulation tests for Shanghaideep port[D].Shanghai:Shanghai Maritime University，2002.

[6] 洪承礼.港口规划与布置[M].北京:人民交通出版社，1998.HONGCheng-li.Portplanningand layout[M].Beijing:China Communications Press,1998.

[7] 张玮，张婧，李泽，等.连云港环抱式防波堤口门航道横流计算研究[J].中国港湾建设，2012（6）：4-7.ZHANGWei,ZHANGJing,LIZe,et al.Research on cross flow in approach channel at entrance of breakwater-encircled harbor in Lianyungang[J].China Harbour Engineering,2012(6):4-7.

[8] 马兴华，顾勇，金雪英，等.连云港30万吨级航道工程可行性研究综述[J].中国港湾建设，2012（4）：25-29.MA Xing-hua,GUYong,JINXue-ying,et al.Review of feasibility study on 300 000-ton waterway project in Lianyungang Port[J].China Harbour Engineering,2012(4):25-29.