港口回旋水域平面尺度设计方法探讨

谷文强，马志强（.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 5030；.中交天津港湾工程设计院有限公司 大连分公司，辽宁 大连 60）



港口回旋水域平面尺度设计方法探讨

谷文强1，马志强2
（1.中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230；2.中交天津港湾工程设计院有限公司 大连分公司，辽宁 大连 11601）

本文通过对船舶回旋操纵的影响因素分析及国内外通用规范和标准中的相关规定比较和船舶操纵试验的系统研究，对港口回旋水域平面尺度的设计方法进行了探讨，供有关设计人员参考。

回旋水域；船舶操纵；平面尺度

引　言

本文对港口工程回旋水域的船舶操纵的影响因素进行了详细分析，并结合国内外规范中的相关规定和船舶操纵试验的研究系统地总结了回旋水域平面尺度设计的方法。

1　回旋水域设计考虑因素

1.1人的因素的影响

人的因素包括操船人员（船长或引航员）的知识、经验、技能、对港口的了解程度、环境和船舶对人造成的心理压力等。知识和经验越丰富、技能越熟练、对港口越了解、心理承受能力越强的操船人员靠离泊作业，所需的回旋水域尺度越小。

1.2船舶因素的影响

船舶因素的影响主要考虑船舶种类、船舶尺度、载重状态、进港船速、船舶主机与舵机的运行可靠性、侧推器辅助、以及船舶靠离泊方式等。

1）船舶种类

船舶种类对于回旋水域设计有一定影响，例如危险品船往往需要更多的安全富裕，集装箱船、LNG船和滚装船等受风面积较大的船舶，受到风的影响更大，从而增加了回旋水域的尺度。

2）船舶尺度

船舶尺度对于回旋水域设计有直接的影响，船长越大，所需的回旋尺度越大。

3）载重状态

从船舶的载重情况来看，既有满载进港压载出港的船舶，又有压载进港满载出港的船舶；对于集装箱船，可能更多的是半载进出港。不同种类的船舶操纵性能相差较大；同一船舶在不同的载重情况下，表现出的旋回性、舵效，及其受风流等外界条件的影响程度也不一样，这些因素均会给船舶操纵人员带来不同的困难。

4）船舶航行速度

横风、横流较大时，船速过低可能造成船舶横向漂移过大，导致较大的风流压差角和占用水域宽度。另外，船速低还会产生舵效较差的问题，很难有效地对船首向加以控制。船速过高又可能造成船体下沉量增大，船舶所需的回旋水域增大。下沉量的增大，不但减小船体水下的富余水深，还会造成较大的浅水效应，致使船舶舵效变差，旋回性能下降；船速太高还会使船舶惯性增大，使减速所需距离增大，不利于在避让时或紧急情况下采取有效措施。

5）船舶主机与舵机的运行可靠性

要充分估计船舶操纵中主机、舵机可能出现故障的情况，做好充分准备，以便启动应急措施。

6）船舶侧推器

侧推器功率越大，所需的回旋水域尺度越小。而没有侧推器的船舶，则完全需要拖轮协助回旋。

7）船舶靠离泊方式

选择船舶靠离泊方式时，主要考虑船舶的载重情况，满载进港的船舶选择直靠，压载掉头离泊；压载进港的船舶掉头靠，直离。这种方式的优点是：船舶在压载掉头时，排水量小、惯性小、舵效及旋回性均较好，容易控制。

1.3环境因素的影响

1）风

风力：在其他条件相同的情况下，风力越大，风对船舶操纵的影响越明显。

风舷角：风舷角接近0°或180°（即船舶顶风或顺风）时，风对船舶纵向移动速度影响较大；而当风舷角接近 90°（即船舶正横风）时，船舶横向漂移速度影响较大。

船舶受风面积：船舶吃水越大，受风面积越小，在其他条件相同的情况下，风对船舶操纵的影响越小。

风的作用时间及船舶速度：在其他条件相同的情况下，风的作用时间越长及船舶速度越小，风对船舶操纵的影响越大。

2）水流

流速：在其他条件相同的情况下，流速越大，流对船舶操纵的影响越明显。

漂角：漂角接近0°或180°（即船舶顶流或顺流）时，流对船舶纵向移动速度影响较大；而当漂角接近 90°（即船舶正横受流）时，船舶横向漂移速度影响较大。

船体浸水面积：船舶吃水越大，船体浸水面积越大，在其他条件相同的情况下，流对船舶操纵的影响越大。

船舶速度：在其他条件相同的情况下，船舶速度越小，流对船舶操纵的影响越大。

3）波浪

风浪、涌浪会导致船舶横摇和垂荡，一方面会增加吃水，另一方面增加船舶对护舷的冲击力和系缆及缆桩的冲击负荷；对靠离泊操纵中的船舶，除增加船舶的吃水外，主要是影响拖轮性能的有效发挥。顶推时，拖轮将会沿大船船体上下跳动，不仅会损坏拖轮护舷，还会对大船形成撞击；拖曳时，可能因拖轮的摇摆颠簸而发生断缆；在长时间摇摆颠簸的拖轮上工作，驾驶员执行引航员指令的准确性、及时性均会受到影响，无法保证大船靠离操纵作业的安全。一般风浪、涌浪对船舶操纵的影响以能够发挥拖轮的效率为限。

1.4拖轮因素的影响

协助船舶回旋的拖轮的数量和功率，都对回旋水域的尺度有较大影响。拖轮数量越多和功率越大，协助船舶回旋操纵的效果越好，所需要的回旋水域尺度越小。但是拖轮数量如果过多，会造成船长或引航员的指挥无法兼顾，一般回旋作业配备的拖轮数量为2～6个。

1.5到港船舶密度的影响

对于到港船舶密度较小的港口，通过加长回旋作业时间，回旋水域尺度可以适当减小；而对于到港船舶密度较大的港口，较长的回旋作业时间会加长其它船舶的待泊时间，那么应该适当加大回旋水域尺度以减少回旋作业时间。

2　各国规范中的回旋水域尺度要求

2.1中国规范

根据《海港总体设计规范》JTS 165-2013，船舶回旋水域应设置在进出港或方便船舶靠离码头的位置。其尺度应考虑当地风浪流等条件、船舶自身性能和港作拖轮配备等因素，可按表1确定。回旋水域的设计水深可取航道设计水深。对货物流向单一的专业码头，经论证后，部分回旋水域可按船舶压载吃水计算。

表1　船舶回旋水域尺度

2.2日本规范

根据日本规范《OCDI：Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan》，对于港口回旋水域直径的规定如下：

当没有拖轮协助时，回旋圆直径宜为3倍设计船长；当有拖轮协助时，回旋圆直径宜为2倍设计船长。

对于小船港，在特殊情况下（水域狭窄），船舶利用抛锚、风和潮流回旋时，回旋水域尺度如下：

当没有拖轮协助时，回旋圆直径宜为2倍设计船长；当有拖轮协助时，回旋圆直径宜为1.5倍设计船长。

2.3英国规范

根据英标 6349-1-1《Maritime works-Part1-1：General-Code of Practice for Planning and Design for Operations》，在前期设计阶段，对于有拖轮协助的情况，回旋水域只可以布置成直径为1.8～2倍设计船长的圆；对于装有船艏和船艉侧推器的船舶（例如现代集装箱船和邮轮），回旋水域直径可以减小到 1.5～1.6倍设计船长。当没有拖轮协助时，回旋水域直径需要增大到4倍设计船长。当横流或者横风作用较大的回旋水域，应布置成椭圆形。

对于滚装码头或轮渡码头，如果码头结构可以用来协助回旋，则回旋水域可以进一步减小。

在详细设计阶段，回旋水域尺度需要通过数模船舶操纵试验进行分析验证。

2.4美国国防部规范（UFC）

根据美国国防部设计规范 UFC《Military Harbors and Coastal Facilities》，对于港口回旋水域直径的规定如下：

当没有拖轮协助时，回旋圆直径宜为4倍设计船长；当没有拖轮协助、操纵条件较好时，回旋圆直径宜为2倍设计船长；当有拖轮协助、风和流影响不大时，回旋圆直径宜为1.5倍设计船长。

2.5美国土木工程师协会（ASCE）规范

根据美国土木工程师协会（ASCE）《Design of Marine Facilities for the Berthing，Mooring and Repair of Vessels》，对于港口回旋水域的规定如下：

当没有拖轮协助时，回旋圆直径宜为4倍设计船长；当有拖轮协助时，回旋圆直径宜为2倍设计船长；当借助码头或转头墩协助转头时，回旋圆直径最小可为1.2倍设计船长。

2.6美国陆军工程师团（USACE）规范

根据美国陆军工程师团（USACE）规范《 Hydraulic Design of Deep-Draft Navigation Projects》和《Coastal Engineering Manual》，对于港口回旋水域直径的规定一致，具体如下：

正常情况下，大船回旋需要拖轮协助，

当流速小于等于0.3m/s（0.5节）时，回旋圆直径宜为1.2倍设计船长；

当流速大于0.3m/s（0.5节）小于0.8m/s（1.5节）时，回旋圆直径宜为1.5倍设计船长；

当流速大于0.8m/s（1.5节）时，回旋水域在水流方向应加长，具体尺度应根据船舶操纵模拟试验来确定；

当船舶受风面积较大且设计风速超过12.9m/s （25节）时，回旋水域尺度应根据船舶操纵模拟试验来确定。

2.7国际航运协会（PIANC）规范

根 据PIANC规 范 《 Harbor Approach Channels-Design Guidelines》，在概念设计阶段，对于港口回旋水域直径的规定如下：

当没有拖轮协助时，回旋圆直径宜为3倍设计船长；当有拖轮协助时，回旋圆直径宜为2倍设计船长。

在详细设计阶段，应通过船舶操纵试验来验证和优化回旋水域尺度。

2.8国际港口协会（IAPH）规范

根据国际港口协会（IAPH）规范《Guidelines For Port Planning and Design》，回旋圆直径为2倍设计船长。

2.9《Port Designer's Handbook》

根据《Port Designer's Handbook》，对于港口回旋水域直径的规定如下：

当自然条件、回旋水域条件一般或困难、没有拖轮协助、不使用侧推器时，回旋圆直径宜为4倍设计船长；

当自然条件、回旋水域条件一般或困难、有拖轮协助时，回旋圆直径宜为2倍设计船长；

当自然条件、回旋水域条件良好、没有拖轮协助、不使用侧推器时，回旋圆直径宜为3倍设计船长；

当自然条件、回旋水域条件良好、有拖轮协助时，回旋圆直径宜为1.6倍设计船长；

当自然条件、回旋水域条件良好、有拖轮协助、使用推进器和船舵协助时，回旋圆直径宜为1.5倍设计船长；

当借助码头或转头墩协助转头时，回旋圆直径最小可为1.2倍设计船长。

3　船舶操纵模拟试验

回旋水域平面尺度，可以通过船舶操纵试验验证和确定。船舶操纵模拟试验分为快速仿真试验（Fast-time Simulation）和实时仿真试验（Real-time Simulation）。

3.1快速仿真试验

快速仿真试验是使用计算机程序模拟船舶和拖轮驾驶员的操作，这种方法只适用于模拟某些简单环境的操作，例如没有连续转弯或者复杂弯道的航道。对于回旋水域中船舶的操纵模拟，这种试验一般不适用，需要使用实时仿真试验进行模拟。

3.2实时仿真试验

实时仿真试验是通过真实的船舶驾驶员或引航员，在仿真的驾驶室中进行船舶操纵模拟。

根据仿真程度划分，实时仿真模拟试验分为部分任务仿真模拟器和全任务仿真模拟器。部分任务仿真模拟器配备了部分视角的显示器屏幕（有的是一个显示器、有的是 90°视角或 120°视角显示器）、真实的船舶驾驶桥和拖轮控制面板（没有配备单独的拖轮驾驶桥和驾驶员）。最先进的实时仿真模拟器是全任务仿真模拟器，具备 360°视角的显示器屏幕、真实的船舶驾驶桥和单独的拖轮驾驶桥等，真实地模拟了实际操船情况，并完全考虑了人的影响因素，可以精确地模拟真实的船舶操纵。

国际航运协会规范《Harbor Approach Channels-Design Guidelines》规定，在工程评估和方案比选阶段，可以使用不太先进的模拟器进行船舶操纵模拟试验；而对于最终方案的确定和验证，需要使用全任务模拟器。

4　结　语

回旋水域平面尺度设计各国规范的规定比较相似，当有拖轮协助时一般情况大型船舶回旋圆直径取2倍设计船长也是满足安全操作需要的。对于自航转头的小型船，如配有侧推，其回旋水域较小，甚至能原地转头，一般取（1.2～1.5）L；如没有船舶侧推器和拖轮协助，其回旋圆直径较大，多在（3～4）L。

在港口建设工程中，回旋水域尺度的确定对安全和经济影响具有较大影响，在设计时对于工程水域受到局限的情况，不仅要考虑相关规范的规定，还应结合船舶操纵模拟试验进行相应的方案比选和论证，以达到经济、安全和合理的设计目的。

［1］JTS 165-2013 海港总体设计规范［S］.

［2］OCDI Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan［S］.

［3］BS 6349-1-1：2013 Maritimeworks-Part 1-1：General-Code of Practice for Planning and Design for Operations［S］.

［4］UFC Military Harbors and Coastal Facilities［S］.

［5］ASCE Design of Marine Facilities for the Berthing，Mooring and Repair of Vessels［S］.

［6］USACE Hydraulic Design of Deep-Draft Navigation Projects［S］.

［7］USACE Coastal Engineering Manual［S］.

［8］PIANCHarborApproachChannels-Design Guidelines［S］.

［9］IAPH Guidelines For Port Planning and Design［S］.

［10］Port Designer's Handbook：3rd Edition.

Analysis on Design Method of Plane Dimension for Port Turning Basin

Gu Wenqiang1，Ma Zhiqiang2
（1.CCCC-FHDI Engineering Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510230，China； 2.Dalian Branch，Tianjin Port Engineering Design & Consulting Co.，Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.，Ltd.，Dalian Liaoning 116011，China）

According to the analysis of affecting factors on ship turning operation，the comparison of relevant rules in the international and Chinese universal standards and codes，and the systematic study on ship operation test，the design method of plane dimension for port turning basin has been analyzed，which will serve as a reference for the design engineers.

turning basin； ship operation； plane dimension

U653.3

A

1004-9592（2016）04-0031-04

10.16403/j.cnki.ggjs20160408

2015-10-08

谷文强（1984-），男，工程师，主要从事港口与航道工程设计工作。