采用UKC模型及概率方法优化航道设计水深

柯维林，王志刚

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

目前国际上港口航道的水深设计一般采用PIANC（国际航运协会）（121-2014）中推荐的传统方法进行计算，分别计算出波浪、流、风、配载等引起的船舶下沉值，再考虑船舶静吃水、海床底质和维护疏浚备淤深度等影响，并直接相加各因素计算值来确定航道的设计底标高。由于各自然因素同时发生较大值具有不确定性，在以往设计中，直接相加使得取值保守，“保守”的设计思维与近些年水运行业国际主流的“精细化设计”的理念不吻合，导致的工程造价偏高，不利于在国际市场上投标竞争。

UKC模型和概率方法也称为船舶龙骨下富裕深度模型法，是目前西欧及北欧等国应用于航道水深评估的一种主要方法，其本质是用概率风险评估来确定航道水深的方法，是通过建立船舶航行拟定的自然条件，模拟设计船型在不同设计底标高的航道中航行，针对不同情况允许出现不可作业的概率，来寻求航行安全、航行效率和项目建设成本的平衡点。在航道水深采用UKC模型和概率方法能减少各个不确定性因素的影响，是一种直观的综合效果体现，基本上能达到“精细化设计”的要求，使设计取值趋近于合理。本文以加纳特码新集装箱码头项目为例，分析两种计算方法的差异性，为后续工程提供参考。

1 项目简介

1）设计水位

最高天文潮位：2.06 m。

平均大潮高潮位：1.67 m。

平均大潮低潮位：0.37 m。

设计运营水位：0.2～1.6 m。

2）设计风速及波浪

船舶进出港设计风速按照15 m/s考虑，超过15 m/s将限制船舶进出港。船舶进出港设计波浪，有效波高HS=1.9 m，周期为10～16 s。

3）设计船型

设计最大船型：15万吨级集装箱船，满载吃水16 m，船舶定倾高度为3.5 m。

设计主力船型：10万吨级集装箱船，满载吃水为15 m，船舶定倾中心高度为3.5 m。

4）总图布置

加纳特码新集装箱项目建设4个集装箱泊位，岸线长1 400 m，可靠泊15万吨级集装箱船，设计航道宽度225 m，防波堤外段航道长约3.0 km，内段航道长约0.6 km。疏浚区内表层1～2 m为松散～密实的中粗砂，砂底层马上进入全风化或者中风化岩层，贯入击数N＞50，局部需要爆破松动后方可挖除[1]，加纳特码新集装箱码头工程总平面布置见图1。

综上所述，透明质酸可以有效反映患者胃部疾病的严重程度，Hp感染可以影响患者透明质酸表达，且在Hp感染环境下HA可以更好地反映胃部疾病的进展情况。

图1 加纳特码新集装箱码头工程总平面布置图Fig.1 General layout plan of the new container terminal project of Tema in Ghana

2 传统航道底标高计算方法

根据PIANC（121-2014）规范，传统航道底标高计算方法为按照水位、船舶及航道底质等三大因素进行计算，并设定各因素相互独立，计算出各因素的值并累加得出航道底标高[2]，航道水深计算要素见图2所示。

用PIANC（121-2014）计算公式，除了波浪引起的船舶下沉值计算值偏小，与实际差异较大外，其余项引起船舶下沉值都能较为真实反应实际情况，各个参数计算值见表1所示。

根据防波堤掩护效果和可利用的水位情况，应用不同的水位值和波高值进行计算，考虑项目操作水位为0.2～1.6 m，因此，计算考虑0.2 m潮位与深度基面为起算，并给出了国际上集装箱船一般按全潮通航的底标高作对照，计算结果见表2所示。

图2 PIANC推荐航道底标高各因素组成计算图Fig.2 Calculation of each factor composition of PIANC recommended bottom elevation

表1 PIANC方法计算航道水深Table 1 PIANC method for calculating channel depth

表2 不同潮位航道底标高计算表Table 2 Calculation for bottom elevation of different tidal levels

对上述计算结果进行分析，并结合中国JTS 165—2013《海港总体设计规范》航道底标高计算方法，该方法与PIANC（121—2014）思路上基本一致，也是将各个影响因素的值直接相加计算航道底标高[3]，然而该规范不适用于长周期波的航道水深计算，本项目设计波浪周期为10～16 s，按照中国规范要求：平均周期大于10 s的波浪引起船舶下沉值需进行专门的论证，没有具体的计算公式。本项目波浪引起的船舶下沉值采用SEAWAY的软件模拟值，SEAWAY软件模拟船舶由波浪引起的垂直运动采用响应波浪振幅算法（称为RAO算法），得出外航道段波浪引起船舶下沉值约1.9 m，得出外航道底标高约-19.8 m。上述计算值由各个因素引起的值叠加后得到的数值，各个因素按照独立因素考虑，计算上偏于保守。设计组同时用日本规范（OCDI）进行核对，该规范建议航道设计底标高不超过最大吃水的1.2倍，相应的航道底标高为-19.2 m[4]。考虑目前国际大型集装箱码头航道水深基本上在-18.0 m左右，总体上可判断出航道计算水深偏大，由于本工程底质为较为坚硬的风化岩，硬质岩石类土方需采用预处理爆破施工[5]，使得施工造价较高。为此设计组开展了居于UKC模式和概率方法优化航道设计底标高。

3 基于UKC模型及概率计算方法

UKC模型首先将环境要素录入模型中以模拟真实海域环境，然后根据周边港口航道通航船舶情况，初定1个航道水深进行初步模拟，模拟过程是将船舶在不同的海域环境下大量次通航，统计出船舶通航的成功率，将初步模拟的结果与目标要求分析对照，调整航道底标高第2次模拟，并将结果与目标进行对照，如此反复直到与目标贴近，得到的航道底标高即为优化后的航道底标高，该方法能消除全部采用大值相加得到的保守水深，以寻找出船舶航行时真实所需的水深情况。

3.1 UKC模型环境模拟

将海洋环境潮位、潮流、风况、波浪录用到UKC模型中，模拟船舶在真实环境系统航行情况。设计中采用1993—2015年中23 a同步连续的风、浪、流和潮位数据作为背景，录入UKC模型进行模拟。潮位资料是采用荷兰DHI公司在工程场地实测的6个月数据，根据潮位理论推演出23 a的潮位资料[6]；垂线平均流速资料是荷兰DHI公司2013年在工程场地为期6个月实测的资料进行调和分析推演出23 a的潮流数据[6]；波浪资料据于外海35 a波浪观测资料，采用方向能量谱推算出外航道区域波浪情况，内航道波浪采用的是Boussinesq（布辛尼斯克）方程波浪数学模型，以能反应波浪从外海到近岸的变形情况，特别是反应出波浪在防波堤及开挖港池的边界变形情况，同时模拟了超长周期（大于30 s）的波浪在近岸浅水变形后波浪的二阶运动引起船舶的下沉现象，以准确反应船舶在进出港航道情况[7]；风速资料采用工程点附近23 a的观测资料，然后折算推演出工程点位置风场情况。

3.2 UKC船舶航行模拟

1）船舶垂向运动测量点布置

在模型中拟航行船舶的数据是根据造船厂提供的船型资料，按照配重、定倾中心高度、吃水、宽度、长度，受风面积等真实模拟出实际船型。为了准确测量船体由各因素引起的综合垂向运动数值，模型在拟采用的设计船体底面上布置了18个控制点，控制主要分布在船中、艏、艉两侧位置，以便准确监测其垂直运动数值，见图3。

图3 船体垂向运动测量数值控制点Fig.3 Measured value control points for vertical motion of ship

2）船舶航行模拟

根据西非港口航道的水深情况，经过初步模拟及分析，设计决定采用外航道为-18.9 m，航道宽度为225 m，内航道及过渡段按照-18.1 m进行模拟。船舶在外航道航行为8 kn，进入内过渡段（防波堤内段）按照4～5 kn模拟船舶真实航行情况。船舶在航道中模拟的航路及航速图见图4。

图4 船舶在航道中模拟的航路及航速图Fig.4 The simulated route and speed of a ship in the channel

3）UKC模型航行安全条件的界定

船舶安全航行条件一般考虑是船舶航行时船体下最少富裕水深来进行控制，本项目大部分是砂质土，也有一部分区域是全风化岩石。按照PIANC规范及风险控制理论，船体最小富裕深度考虑取值为0.5 m控制。

4）初步试验模拟结论

模拟过程中分别考虑1艘15万t集装箱船满载吃水16 m和10万吨级集装箱船满载吃水15 m两种情况，在初步给定水深的航道中每艘船总共模拟了38.5万次进港和38.5万次出港作业，相当于23 a的时长里每0.5 h进港或出港1次。据进出港的76万次数据，就可以分析得到航道可航行的时间窗口和航道的可使用率，得出高潮前后的航道对于单船15万t集装箱可用率达到99.7%，低潮前后航道可用率达到95%，综合两潮位情况，15万t集装箱船进出港的保证率达到97.3%；10万吨级集装箱船进出港的保证率接近100%。

3.3 基于UKC模型及概率方法优化航道底标高

对照业主目标要求：各种船舶在航道通航的不可作业的概率不大于1%，即各种船舶在航道通航的综合通过率应大于99%。上述模拟的通航船舶为设计主力船型及到港最大船型，虽然到港最大船型在航道中模拟不可作业概率较高，但其到港的比例不高，按照概率的方法是考虑所有船型的综合结果，因此概率方法给出的进出港船型比例尤为重要，对于小于10万吨级的船舶航道通航率可以按照100%考虑，给定的到港船舶比例如表3所示。

表3 到港船队信息表Table 3 Information form to port fleet

根据到港船队信息及航道允许的不可作业概率标准，按照初步给定外航道-18.9 m和过渡段为-18.1 m的设计水深进行实验模拟，计算后得到航道可使用率为99.69%，仍有优化空间，模拟得到的航道可使用概率见表4。

表4 各船型的航道可使用概率表Table 4 Available probability of the channel for each type of ships

再次模拟取外航道设计底标高为-18.7m，内航道维持-18.1 m的情况下，再次开展试验，得到结果为航道可使用率99.36%，不可以作业概率接近0.7%（详见表5），与要求值不大于1%较为临界，决定不再进一步优化，作为航道设计的最终底标高。

表5 各船型水深优化后航道可使用率Table 5 Availability of channel after water depth optimization of each ship type

4 PIANC方法与UKC模型及概率方法得出的航道底标高对比分析

根据PIANC推荐的方法按照各因素的最大值直接累加计算得出的航道底标高不小于-19.72 m，显然富裕度较大，而根据UKC模型及概率方法确定的航道外段为-18.7 m即可满足要求，减少了约1 m左右的航道疏浚工程量，对比目前国际上通航大型集装箱码头的航道底标高基本上在-18.0 m左右，基本上较为贴近，符合实际情况，两种方法计算得出的航道底标高及优化的水深情况见图5。

图5 优化前后航道底标高的对比Fig.5 Comparison of the bottom elevations before and after optimization

通过综合评估、对比分析、咨询专家意见及独立另行开展UKC研究合理确定了加纳特码新集装箱码头工程航道水深，航道底标高的最终设计满足了各方要求，通过了咨工批复和得到业主认可，作为加纳特码新集装箱码头工程详细设计的成果，节省了较大的疏浚投资，具有较大的经济效益[8]。

5 结语

1）目前航道底标高一般通过确定性的方法进行计算，均是考虑各因素（风、浪、流）引起的船舶垂向运动量较大值，将引起船舶垂向运动的各因素独立考虑，此方法计算得出的航道底标高值一般较保守，确定的航道底标高较为偏大。

2）在有条件时，尤其是海外现汇项目投标中建议开展基于UKC模型及概率标准以求得最优的航道底标高，其中最为关键的是应确定航道允许的、合理的不可作业概率及实际到港船队组合情况。

3）本项目基于UKC模型为国内首例采用概率方法进行航道水深研究，方法先进，比较能反映船舶在航道航行的实际情况，经济效益明显，且得到国际咨工的广泛认可，这符合国际“精细化”设计的主流思想，在类似项目中可在国内逐步推广，以提高我国水运设计单位在国外项目投标中的竞争优势。