国内外主要规范中船舶航行下沉量计算比较研究

安 翔，于 亮，杨 阳

(1.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

国内外主要规范中船舶航行下沉量计算比较研究

安 翔1，于 亮1，杨 阳2

(1.中交水运规划设计院有限公司，北京 100007；2.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

结合我国《海港总体设计规范》和最新的国外相关规范、设计手册中有关进港航道船舶航行下沉量计算和确定的方法，对比分析了国内外各计算和确认方法的适用范围，针对限制性航道和非限制航道(疏浚挖槽航道)着重研究了计算结果的差异，特别是不同船型之间的差异，并对我国规范船舶航行下沉量计算提出调整建议。

船舶航行下沉量计算；国内外规范；船型

港口是国际贸易运输链中的关键结点，而进港航道是港口海洋一侧唯一的运输通道。在一般港口工程中，水域的形成和相应的防护工程在港口基础设施的投资中所占比例较大；而且港口一旦建成，口门宽度、操作区域以及防波堤走向等很难改变或调整；因此，进港航道的规划设计对整个港口的投资、运营、发展具有十分重要的意义。

随着国家“一带一路”总体规划政策的实施，我国传统的港口建设行业将面临着“走出去”的巨大机遇和挑战；为了加深对国内外进港航道设计计算的了解，本文针对航道水深重要的一个参数——船舶航行下沉量，对比研究了国内外各主要规范、设计手册、文献的计算方法和结果，为今后的港口航道设计工作做出有益的参考，也对我国《海港总体设计规范》的修订和调整提供有益的参考。

1 国内船舶航行下沉量确定方法介绍

船舶航行下沉量是由船舶前进速度所产生的下沉和纵倾的综合效果，影响航行下沉量的因素主要包括船舶的载重吨，船舶航速，航道断面，船舶类型(船舶方形系数)，初始纵横等。国内外各主要规范和设计手册对船舶航行下沉量的计算和确定均有描述，本文选用的国内外规范、设计手册、文献主要包括：我国《海港总体设计规范》(JTS 165-2013)[1]，国际航运协会(PIANC)的《进港航道设计导则》(2014)[2]，日本航海协会和国土交通省发布的《Design Standard for Fairway in Next Generation》[3]，美国陆军工程兵团(USACE)《深水航道水力设计》[4]，英国规范《海上建筑物》(BS 6349)[5]，加拿大海岸警卫队(CCG)航道国家操作指南《航道设计参数》[6]，西班牙设计手册《海岸工程建议：港口航道工程设计(ROM)》[7]等。

国际上普遍按照航道断面形式将航道分为三类：非限制性航道(国内定义为开敞水域航道)，限制性航道(国内定义为挖槽式航道)和运河(国内定义为限制性航道)；针对船舶航行下沉量的计算，国内外诸多学者对船舶航行下沉量经验公式进行比较研究：Briggs[8-9]综合介绍和比较了各国外公式之间的区别，并探讨了各公式相关参数的选取；吴澎曾在《船舶航行下沉量计算方法对比分析》[10-11]中对比分析了我国规范和国外主要计算公式，并得出对于限制性航道(挖槽航道)我国规范规定值偏危险，而在开敞水域航道我国规范确认值偏大的结论；洪碧光曾在《船舶在浅水中航行下沉量的计算方法》[12]中着重分析了船速对船舶航行下沉量计算的影响，并提出在船速大于8节时各公式计算航行下沉量的差别将随着船速的提高而增加观点；戴冉等[13]提出了一种测量船舶下沉量的实测方法，可以精确测量船舶实际下沉量,找出船舶下沉量和船速之间的关系；但以上文献均未考虑国内外规范在不同船型航行下沉量计算的差异。

1.1我国《海港总体设计规范》

《海港总体设计规范》结合我国各港航道的特点，对国内外比较适合的各种方法进行综合统计，主要考虑了船舶载重吨和航速的因素，针对非限制性航道，绘制出不同船舶吨级船体下沉量Z0关系曲线图，对于非限制性航道(开敞水域航道和挖槽航道)，Z0按图1取值。

1.2国际航运协会(PIANC)《进港航道设计导则》(2014)

图1 《海港总体设计规范》中船舶航行时船体下沉值曲线Fig.1 Calculation curve of the squat in Chinese standard

对于船舶航行下沉量，PIANC主要推荐采用以下经验公式计算船舶航行下沉量：

(1)BarrassⅢ公式。

基于600组实验数据和原型测量，在开敞水域和限制性航道水深与吃水比hT为1.1～1.4，航道断面系数0.10≤S≤0.20，Barrass[14]改进了计算公式船舶航行最大下沉量(包括船艏和船艉)可以按下式计算

(1)

K=5.74S0.76

式中：Vk为船速，节；S为航道断面系数AsAc；As为船舶水下断面面积≈0.98B×T；Ac为航道或者运河考虑边坡水下断面面积。船舶航行下沉量发生的位置和船舶的方形系数有关，当CB>0.7时，航行下沉量最大值发生在船艏；当CB<0.7时，航行下沉量最大值发生在船艉。对于非限制性航道S<0.1，K值取1；对于挖槽航道(限制性航道)，S>0.25，K值取2。针对航道水深与吃水比hT为1.1～1.4的航道，Barrass提出有效航道宽度的概念，对于非限制航道，航道断面面积可以按下式计算。

Ac=Weff×h

针对限制性航道和运河，航道断面面积可以按下式计算

Ac=Wh+nh2

(2)ICORELS公式。

ICORELS公式主要应用于非限制性航道

(2)

式中：▽为船舶排水体积，m3，▽=CB×Lpp×B×T；Lpp为船舶两柱间长，m；B为船宽，m；T为船舶吃水，m；CB为方形系数；Fnh为水深弗劳德数；Fnh=V；V为航速，ms；h为水深，m；g为重力加速度，9.81 ms2。在1997版PIANC的《进港航道设计导则》[15]中，Cs取为常数2.4。

2014版PIANC《进港航道设计导则》[2]中，芬兰海事管理局(FMA)针对非限制性航道，根据船舶方形系数的不同，给出不同的Cs取值范围

基于易北河非限制性航道的研究，德国联邦航道工程和研究所(BAW)推荐对于大型的集装箱船，船舶方形系数CB<0.7时，Cs取值2.0。

该公式用于计算船艏下沉量Sb，适用于无限大水域的航道、限制性航道(挖槽航道)和运河，与ICORELS公式相似，西班牙《港口航道工程设计》(ROM2003)推荐直接采用该式计算船舶航行时船艏下沉量。

(3)

式中：当s1>0.03，Ks=7.45×s1+0.76；当s1≤0.03，Ks=1.00；Cs一般取值为2.40。在《进港航道设计导则》(2014)中芬兰海事管理局(FMA)在使用HuuskaGuliev公式计算船舶下沉量时推荐对各参数做出额外的限制条件：CB= 0.60～0.80；BT=2.19～3.50；LppB= 5.50～8.50；Th=0.22～0.81。

式中：S=AsAc，对于限制性航道，K1与参数Th和S有关，具体数值可图2选取。

图2 HuuskaGuliev K1取值曲线Fig.2 HuuskaGuliev correction factor K1 vs.S

(4)Eryuzlu et al公式。

Eryuzlu et al在横向无侧水域、有限水深航道[1.1≤hT≤2.5]中进行了带球形船艏的件杂货船和散货船(CB≥0.8，LB=6.7～6.8，BT=2.4～2.9)的完整的模型试验；航道宽度对航行下沉量的影响在补充模型试验(水下浚挖的航道高度ht=0.5h，边坡1：2)中进行了研究；基于上述研究提出了适用于航道和运河、CB≥0.8的船舶航行下沉量计算公式，并经过原型航行下沉量观测的验证。

(4)

式中：h为航道水深，m；T为船舶吃水，m；V为航速，ms；g为重力加速度，ms2；当WB<9.61时，Kb=3.1(WB)0.5；当WB≥9.61时，Kb=1；W为航道底宽，m；B为船宽，m。加拿大《航道设计参数》推荐采用该式计算船舶航行下沉量。

1.3日本航海研究所和国土交通省《Design Standard for Fairway in Next Generation》

日本规范综合考虑船舶吃水、船宽、航道水深等因素，采用Yoshimura[16]公式计算船舶航行下沉量D1。

(5)

式中：d为船舶吃水，m；D为航道水深，m；Lpp为船舶两柱间长，m；B为船宽，m；CB为方形系数；V为航速，ms；g为重力加速度，ms2。

2014版PIANC《进港航道设计导则》也纳入Yoshimura公式计算船舶航行下沉量，针对限制性航道和运河，采用Ohtsu[17]提出的有效船速Ve替代式(5)中的船速计算船舶航行下沉量，其中S=AsAc。

1.4美国陆军工程兵团(USACE)《深水航道水力设计》

美国陆军工程兵团在浅水区域采用Norrbin(1986)计算船舶航行下沉量，与国际航运协会(PIANC)推荐的公式(1)基本相同，只是船舶两柱间长Lpp改用船长L，而且没有考虑航道断面因素。

(6)

1.5英国规范《海工建筑物》(BS 6349)

英国规范规定在初步设计阶段，一般选用船舶吃水的10%作为船舶航行下沉量，而考虑波浪富裕水深后，通常取船舶吃水的30%作为船舶航行富裕水深；而船舶航行下沉量只与船舶吃水有关，计算结果明显偏大。

2 国内外各规范适用性分析

我国的《海港总体设计规范》仅考虑了船舶载重吨和船舶航速的影响，未考虑船型和航道断面的影响，适用于非限制性航道(国内外所定义的非限制性航道概念有所不同，国内非限制航道包括开敞水域航道和挖槽式航道)，并不适用于运河中船舶航行下沉量的估算。目前，我国规范航行下沉量确定的船舶吨位等级仅到30万t级，无法准确预测目前已经出现的35～50万DWT的油轮(ULCC)和35～40万DWT的散货船[2,7]的航行下沉量，结合目前船舶大型化的发展趋势，建议我国设计规范修订时对超大型船航行下沉量予以考虑并补充。

表1为各国外船舶航行下沉量公式使用范围和主要限制条件，其中有些公式限制条件非常苛刻，因此在应用各经验公式计算船舶航行下沉量时需注重公式的适用范围和限制条件，例如Eryuzlu et al公式限制应用于船舶方形系数CB>0.8的船舶，加拿大《航道设计参数》更明确规定该公式只应用于19 000～227 000 DWT散杂货船和油轮；由于集装箱船船型系数CB均小于0.8，因此该公式不能适用于集装箱船的计算。

而对于主要的散货船和油轮等，其船舶方形系数CB均略大于0.8，已经超过了式(1)～(4)和(5)～(6)的限制条件(CB<0.8)，但在实际使用过程中，经过工程经验的判断，仍可用上述各式计算散货船和油轮；例如芬兰海事管理局(FMA)利用ICORELS公式计算非限制航道的船舶下沉量，在确定Cs取值范围时要求CB>0.80，Cs=2.4，以及在《深水航道主要设计参数研究中》[11]中对6万t级散货船在不同航速下的下沉量计算研究。

表1 国内外规范各主要船舶航行下沉量计算公式适用范围和限制条件Tab.1 Channel configurations and parameter constraints for Chinese standards and foreign squat formulas

3 各国规范船舶航行下沉量计算

3.1非限制性航道(开敞水域航道)船舶航行下沉量计算分析

对于非限制性航道(开敞水域航道)，表2分别对比了航道底宽为200 m，航速为6节时，水深吃水比为1.3时，分别采用我国规范和式(1)～(6)计算油轮、集装箱船和散货船航行下沉量。

表2 不同船型、不同公式船舶航行在非限制性航道的航行下沉量计算结果Tab.2 Calculations for the different ship and different squat formulas in unrestricted channel m

通过比较表2计算结果，可以得出：对于非限制性航道，我国规范确定的船舶航行下沉量明显偏于安全，而且随着船舶吨位等级的增加，我国规范所确定结果更趋于安全；而对于不同船型间的航行下沉量，由于我国规范未考虑船型的不同，故未能体现差距；而式(1)～(6)计算同吨级不同船型航行下沉量表明，在船速6节时，集装箱船航行下沉量要小于油轮和散货船，油轮和散货船的航行下沉量相差不大；对于大中型散货船和油轮，我国规范确定的航行下沉量高出国外各公式计算均值0.05～0.19 m；对于大中型的集装箱船，我国规范确定结果高出国外各公式计算均值0.10～0.25 m。

3.2限制性航道(挖槽航道)船舶航行下沉量计算分析

对于限制性航道(国内挖槽航道)，表3计算采用我国规范和BarrassⅢ公式和日本Yoshimura公式，计算对比了在特定挖槽航道(hT=1.2，WB=2.5，边坡n=3)情况下，船速6节时，不同船型船舶的航行下沉量。

表3不同船型、不同公式船舶在限制性航道航行下沉量计算结果
Tab.3 Calculations for the different ship and different squat formulas in restricted channel m

公式20万DWT船舶下沉量油轮集装箱船散货船15万DWT船舶下沉量油轮集装箱船散货船10万DWT船舶下沉量油轮集装箱船散货船6万DWT船舶下沉量油轮集装箱船散货船海港总体设计规范0．440．440．440．400．410．400．380．380．380．300．300．30BarrassⅢ公式0．540．460．530．530．460．530．530．460．530．520．410．52日本Yoshimura公式0．480．340．420．470．320．410．470．310．410．440．310．40国外公式计算均值Cm0．510．400．480．500．390．470．500．390．470．480．360．46我国规范值-Cm差值△-0．070．04-0．04-0．100．02-0．07-0．12-0．01-0．09-0．18-0．06-0．16

通过比较表3计算结果，可以得出：对于限制性航道(挖槽航道)，我国规范计算结果明显偏小，而且随着船舶吨级变小，我国规范所计算船舶航行下沉量与国外公式计算值差值越大，我国规范计算值越偏于危险。在船速6节时，对于不同船型之间，集装箱船航行下沉量要小于油轮和散货船，油轮的航行下沉量要大于散货船；对于油轮，我国规范确定的船舶航行下沉量低于国外公式计算均值0.07～0.18 m；对于散货船，我国规范确定结果低于国外公式计算均值0.04～0.16 m；而对于10万DWT以下的集装箱船，我国规范确定结果低于国外公式计算均值0.01～0.06 m，而对于10万DWT以上集装箱船我国规范和国外公式计算均值相差不大。

4 结论

通过对比研究国内外主要规范船舶航行下沉量公式的适用性，可以得出国外各主要计算经验公式均有一定的适用范围，在使用时须客观考虑其适用范围。我国《海港总体设计规范》确定航行下沉量确定方法主要应用于开敞水域航道和挖槽航道(非限制性航道)，但并不适用于运河中船舶航行下沉量的估算；而且航行下沉量确定的船舶吨位等级仅到30万t级，不能满足未来船舶大型化发展的需求，建议设计规范修订时予以考虑和补充。

通过计算分析国内外各规范，对于非限制性航道中大中型船舶的航行下沉量，我国规范明显偏于保守：在船速6节情况下，对于散货船和油轮，我国规范计算值高出国外规范计算均值0.05～0.19 m；对于集装箱船，我国规范计算值高出国外规范计算均值0.10～0.25 m。而对于限制性航道(挖槽航道)，我国规范的确定结果又偏小：在船速6节情况下，对于油轮，我国规范确定的船舶航行下沉量低于国外公式计算均值0.07～0.18 m；对于散货船，我国规范确定结果低于国外公式计算均值0.04～0.16 m；而对于10万DWT以下的集装箱船，我国规范确定结果低于国外公式计算均值0.01～0.06 m，而对于10万DWT以上集装箱船我国规范和国外公式计算均值相差不大。

笔者建议在采用我国规范确定船舶航行下沉量时，特别是对于大型的综合性港口的进港航道时，须根据不同的船型、船速和航道断面情况，参照各国外经验公式计算结果，综合考虑并适度调整船舶航行下沉量计算值；并希望本文能够对我国规范的修订和调整提供有益的参考，以最小的能耗设计建设进港航道，使其符合绿色节能的发展方向。

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Comparisons of squat confirmation between Chinese and foreign standards

ANXiang1,YULiang1,YANGYang2

(1.CCCCWaterTransportationConsultantsCo.,Ltd.,Beijing100007,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

On the basis of the squat confirmation and calculation method as specified in the Chinese Standard for the Harbour and Channel and principal foreign standards, the applicability differences between Chinese and foreign standards were compared in this paper, and the calculation results based on different standards and formulas in the unrestricted and restricted channel were analyzed, especially among different ship types. The adjustment suggestion of squat confirmation and calculation during adopting Chinese standards was proposed.

squat confirmation and calculation; Chinese and foreign standards; ship types

U 653.1

：

：1005-8443(2017)04-0368-06

2016-12-19；

：2017-03-14

安翔(1987-)，男，安徽省人，工程师，主要从事港口航道平面设计研究。

Biography： AN Xiang(1987-), male, engineer.