码头前沿底高程设计方法研究

魏彤军+陈旭达+谷文强

摘 要：本文旨在得出国际通用的码头前沿底高程设计方法，本文中分析和总结国内外规范中码头前沿底高程的设计方法，分别从设计水位、底质、备淤和其他影响因素等方面分析，最终将各国码头前沿底高程设计影响因素进行对比，找出差异，并最终给出了码头前沿底高程的概率设计方法。

关键词：底高程 设计水位 影响因素 超越概率 概率设计方法

1.引言

随着国家“一带一路”战略的推进，海外工程越来越多。在海外港口设计中，业主和咨工一般要求采用英美规范等国际通用规范进行详细的参数化设计，现将国际主流规范和中国规范中的码头前沿底高程设计方法进行对比和分析，总结出码头前沿底高程的详细设计方法。

2.各国规范码头前沿底高程设计方法

2.1中国规范码头前沿底高程设计方法

根据《海港总体设计规范》JTS 165-2013，码头前停泊水域设计水深应按设计低水位时保证设计船型在满载吃水情况下安全停靠的规定确定。对通航水深保证规定更高的液化天然气码头和工作船码头，码头前停泊水域设计水深应从当地理论最低潮面起算。

码头前停泊水域设计水深可按下列公式确定：

式中：D——码头前停泊水域设计水深（m）；

T——设计船型满载吃水（m），对杂货船，根据具体情况经论证，可考虑实载率对吃水的影响；对河口港可考虑咸淡水比重差对设计船型吃水的影响；

Z1——龙骨下最小富裕深度（m），结合不同的海底底质进行取值0.2～0.6；

Z2——波浪富裕深度（m），宜按实测或模拟结果确定；也可采用估算方法确定，对于良好掩护的情况，可采用式5.20计算，且当计算结果为负值时，取Z2=0；对于开敞情况，可采用式5.21估算；部分掩护情况，也可根据经验对式5.21的结果适当折减后采用，但不应小于式5.20的值；

Z3——船舶因配载不均匀而增加的船尾吃水值（m），干散货船和液体散货船取0.15m，滚装船根据船型吨级进行取值0.2～0.3，其他船型可不计；

Z4——备淤富裕深度（m），根据回淤强度、维护挖泥间隔期的淤积量计算确定，对于不淤港口，可不计备淤深度；有淤积的港口，备淤深度不宜小于0.4m；

K1——系数，顺浪取0.3，横浪取0.5～0.7；

H4%——码头前允许停泊的波高（m），波列累积频率为4%的波高，根据当地波浪和港口条件确定。

码头前停泊水域底高程应根据确定的设计起算水位和码头前停泊水域设计水深计算确定。

2.2日本规范码头前沿底高程设计方法

根据日本规范《OCDI：Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan》，码头前停泊水域水深应按照下列公式计算，

D=T+Z

式中：D——码头前停泊水域设计水深（m）；

T——设计船型满载吃水（m），对杂货船，根据具体情况经论证，可考虑实载率对吃水的影响；对河口港可考虑咸淡水比重差对设计船型吃水的影响；

Z——龙骨下富裕深度（m），一般取最大吃水的10%，掩护条件较差的码头还需要考虑因风浪引起的富裕深度的增加；

设计起算水位取基准面，即印度大潮低潮面（略最低低潮面）A0-（HM2+HS2+HK1+H01）。码头前停泊水域底高程应根据确定的设计起算水位和码头前停泊水域设计水深计算确定。

2.3英国规范码头前沿底高程设计方法

根据英标6349-2：2010《Maritime works–Part 2： Code of Practice for the Design of Quay Walls， Jetties and Dolphins》码头前停泊水域水深设计，需要考虑在码头设计使用年限内的靠泊船舶的最大吃水、潮位变化、波浪影响、通行船舶的影响、风的影响和装卸作业造成的不均匀吃水。

2.4美国国防部规范（UFC）码头前沿底高程设计方法

根据美国国防部设计规范（UFC）《Military Harbors and Coastal Facilities》，码头前停泊水域底高程设计需要考虑的因素包括设计水位、船舶吃水、海水密度影响、考虑海底底质的龙骨下富裕深度、风浪流作用。

停靠美国军事运输司令部船舶（MSD Ship）和表面效应船（Surface Ship）的码头前停泊水域设计水深的设计水位采用平均低潮位（Mean Low Water datum，MLW），其他美军船舶停靠的码头的前停泊水域设计水深的设计水位采用平均低低潮（Mean Lower Low Water datum， MLLW）。

美國海军码头与底质相关的龙骨下富裕深度按照表1中选取。

盐度、风浪流影响等造成的码头前停泊水域水深增加量的计算方法，美国国防部设计规范没有详细说明。备淤深度应根据疏浚频率和回淤速度确定。一般采用不少于三年的疏浚间隔，具体根据当地情况确定。最少应该考虑0.3m的备淤深度。考虑到疏浚施工的不准确性，需要考虑超深，一般考虑0.3m或0.6m。

在淤积不严重的码头，前停泊水域水深应等于设计船型最大吃水的1.1倍。淤积严重的码头应额外增加一定深度。

2.5德国规范码头前沿底高程设计方法

根据德国港口工程协会规范《Recommendations of the Committee for Waterfront Structures Harbours and Waterways》（EAU 2012）来计算码头前停泊水域设计底高程，需要考虑设计水位、设计船型最大吃水（包括盐度和侧倾对吃水的影响）、龙骨下富裕深度、备淤深度和超挖。endprint

設计水位一般取海图基准面，德国海图基准面取最低天文潮，即LAT。

码头前名义水深包括设计船型最大吃水（包括盐度和侧倾对吃水的影响）、龙骨下富裕深度之和。其中龙骨下富裕深度最少应取0.5m。

码头前不同的名义水深对应的备淤深度和超挖（仅作为一般参考值）可参照表2中数值。

2.6《Port Designers Handbook》码头前沿底高程设计方法

根据《P o r t D e s i g n e rs Handbook》，码头前停泊水域设计水深的影响因素包括设计船型的最大吃水、潮位变化、波浪对于船舶的影响、装卸作业造成的不均匀吃水、大气压力影响、底质影响、疏浚失误的影响、可能的回淤。

考虑底质影响的龙骨下富裕深度，对于软土（例如砂等）最少应取0.5m，对于岩基最少应取1.0m。

备淤深度应考虑可能的疏浚失误和年回淤深度。

系泊船舶的横摇和纵倾增加的船舶吃水值，可由下列公式计算，

横摇造成的增加值=0.5×船宽×sinα，其中α为横摇角度；

纵倾造成的增加值=0.5×船长×sinβ，其中β为纵倾角度。

一般情况下，码头前停泊水域设计水深（名义水深）可按照如下原则估算：

对于开敞式码头，可取设计船型最大吃水的1.2倍；

对于有掩护码头，可取设计船型最大吃水的1.15倍。

3.各国规范中的码头前沿底高程设计方法总结

各国规范码头高程设计考虑的影响因素基本一致，但对于各影响因素的取值略有不同，尤其是设计水位差异较大，其中中国和美国规范中的设计水位较高，而英国规范、德国规范等规范中的设计水位较低。各影响因素的取值不同会造成不同的触底超越概率，例如设计水位越低则船舶触底的超越概率越低。建议在详细设计阶段，应采用概率设计方法进行码头前沿底高程的设计。

4.码头前沿底高程的概率设计方法

码头前沿底高程的概率设计法是将有关的设计参数（如船舶吃水、潮位、各种影响船舶竖向运动的因素等）采用概率密度函数表示，设计人员选取一个可以接受的系统的失效概率（如船舶触底），并以此失效概率作为码头前沿底高程设计标准。在使用概率法设计码头前沿底高程时，应基于安全、经济和高效来选取合适的超越概率。

使用概率方法进行码头前沿底高程设计时通常需要知道潮流、风况、波浪和船舶吃水等，以此来确定可以接受的最大的超越概率。在进行概率设计时，应把设计参数写成可靠性函数的表达式。影响码头前沿底高程的主要因素包括水位因素（潮汐、波浪）、船舶垂向运动因素（船行下沉量和纵倾、波浪作用下的垂向运动响应）、底质因素（航道底部不确定性、备淤深度）。

在码头前沿底高程概率设计过程中，UKC的计算值并不是各个影响因素的直接相加。通过概率组合的方式将各个影响因素组合得到的值比作为独立个体直接相加得到的值要小，这样就避免在码头前沿底标高设计过程中出现了过度保守的设计。

如果所有组成UKC的因素都是独立个体的且符合正态分布，则所有因素的综合贡献的标准差可以表示为各个因素的标准差的平方和的平方根：

式中：σc为综合标准差；σs为船舶运动的标准差（=1/2Am0）；σb为不规律航道底部高程的标准差；σw为水位的标准差。

利用以上公式多次计算，可以确定码头前沿底标高、设计水位、船舶吃水及不可作业天数的相关关系。将特定概率的潮流、波浪和气象条件等环境因素用图表的方式表示出来，以此可以确定不可作业天数发生的概率。通过评估装卸作业耽误而产生的财政损失以及浚深费用之间的利害关系，来完成码头前沿底高程的最优设计。

在计算码头前沿底高程时，可以采用蒙特卡罗法来确定UKC值的失效概率。在蒙特卡罗法中，通过对所用影响水深的参数及其概率分布的随机组合计算，得到大量的码头前沿底高程方案。在计算过程中，通过分析触底工况的出现次数占总计算次数的百分比，可以确定超越概率。

在确定船舶超过净龙骨下富裕深度UKCNet的概率时，可以采用瑞利分布来表示船舶的垂向运动。如果假设UKC等于Ap，则可以利用公式

来反推概率p。

例如Ap/ Am 0= U K C / Am 0= 2，则p = e x p { - 2 （ U K C / Am0）2}=exp{-2（2）2}=3.35×10-4。这表示，在此特定的UKC水深值下，从统计学角度来看，在2981次船舶垂向运动中，会发生1次超过UKC限值事件。

5.结束语

在港口工程项目中，码头前沿底高程的设计对码头结构和船舶系泊安全具有较大影响，不宜仅根据某些相关规范的规定确定尺度，建议应结合系泊试验进行相应的方案比选和验证，在资料详尽的情况下也可采用概率设计方法进行设计，以达到经济、安全和合理的设计目的。

参考文献：

[1]中华人民共和国行业标准.JTS 165-2013.海港总体设计规范 Design Code of General Layout for Sea Ports.

[2]MLIT （Ministry of Land， Infrastructure， Transpor t and Tourism）. 2002. Japan：“Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan” （1999）. OCDI.

[3]British Standards Institution （2010） BS 6349： Maritime Works -Part 2： Code of Practice for the Design of Quaywalls， Jetties and Dolphins. London： BSI.

[4]UFC （Unified Facilities Criteria） （2005） Design： Piers and Wharves. UFC 4-152-01.

[5]EAU （2012） Recommendations of the Committee for Waterfront Structures， Harbours and Waterways， 11th German Edition.

[6]Carl A. Thoresen. Port Designers Hand Book， Third Edition， 2014. Published by ICE Publishing.endprint