1、海港航道設計,海 港 航 道 設 計,注冊土木工程師（港口與航道專業(yè)）執(zhí)業(yè)資格考試輔導,海港航道設計,海港航道設計考試大綱要求,1.掌握航道選線的原則及要求，提出并綜合分析、比選各選線方案，找出推薦方案； 2.掌握航道設計中各項尺度的計算和影響因素； 3.掌握海港航道乘潮水位確定的方法； 4.熟悉航道泥沙淤積和沖刷的計算方法； 5.掌握疏浚土分類、開挖尺度、拋泥區(qū)的選擇和挖方量計算原則。,海港航道設計,講述的主要內容,概述 第一章 航道選線 第二章 航道寬度 第三章 航道水深 第四章 轉彎航道設計 第五章 航道邊坡設計 第六章 超寬和超深計算 第七章 疏浚土的處理,海港航道設計,概述,隨著國際

2、貿易貨運量增長，為降低貨物運輸?shù)某杀?，各種船舶尺度迅速增加。因此，為船舶進出港口提供有效而安全的航行通道，已成為海港建設和疏浚工程的關鍵問題。尤其是近40年來，疏浚技術的進步，港口運量急劇增加，世界范圍的原油、煤炭、礦石和集裝箱運輸?shù)难杆侔l(fā)展，促使一些營運了幾十年甚至上百年的老港，為接納大型或超大型船舶，加大港口的通過能力，不得不重新規(guī)劃和浚深拓寬航道。我國一些新建海港和河口港，由于地質、潮汐、風浪流和泥沙回淤的影響，其航道設計是港口建設中一項重要的研究課題。 作為一個單獨航道項目研究通常有如下幾個方面：,海港航道設計,（1）使用該航道的港口泊位情況：泊位數(shù)、泊位噸級、最大泊位噸級、規(guī)劃建設情

3、況等； （2）調查港口腹地的經(jīng)濟資源及近期、中期、遠期發(fā)展狀況，調查港口貨源、貨種、流向和不同發(fā)展時期的貨運量，以此論證船舶運輸和合理性和航道建設規(guī)模； （3）調查通航船舶的有關資料，包括兩年來進港船型統(tǒng)計及增長率；來港船舶不平衡系數(shù)；最大船型主尺度；不同專用船、特別是LPG，LNG及其它危險品船來港情況，經(jīng)濟船型論證及設計船型的發(fā)展趨勢； （4）分析計算建設該航道所產(chǎn)生的效益。,海港航道設計,第一章 航道選線,通常航道的一端是由港口的位置決定的，當進出港口的水域水深滿足船舶航行的水深要求時，航道選線將不受疏浚工程費的限制，僅考慮風、流、浪、導助航設施布設等因素，而當進出港水域水深不能滿足船舶

4、航行時，還需考慮疏浚工程量、施工、維護等因素。 選擇進港航道最佳方位是港口總體規(guī)劃、可行性研究和總平面布置中的一項重要工作。因此，航道選線要貫徹操船安全、挖方量少、施工期短、疏浚維護方便和投資省等技術經(jīng)濟合理原則。,海港航道設計,為了有助于航道設計者掌握選線方法，建議有關選線設計的布置原則和要求如下： 一、充分了解及分析地質地貌及泥沙條件 二、論證航行安全 三、分析研究水文氣象條件 四、河口航道選線原則,海港航道設計,第二章 航道寬度,一、確定航道寬度的方法 二、單雙航道的確定 三、航道寬度計算,海港航道設計,一、確定航道寬度的方法,1、實船觀測方法 2、船舶模擬試驗 3、操船模擬裝置試驗 4

5、、數(shù)學模擬計算 5、理論和統(tǒng)計計算法,海港航道設計,二、單雙航道的確定,由單航道拓寬為雙航道建議按以下幾種情況確定： 1、每天進出港船流密度大于航道全天候通航時船舶艘次數(shù)的90%； 2、航道較長，船流密度較大，經(jīng)技術經(jīng)濟論證拓寬航道較為經(jīng)濟； 3、到港船舶噸位范圍較大時，可采用復式航道（即一側為大船，另一側為小船航行）或大船為單航道，小船為雙航道； 4、當河口港航道較長，中途有較長的淺灘或多處淺段時，船舶不能調度避讓，可建設雙向航道。,三、航道寬度計算,航道有效寬度W由航跡帶寬度A、船舶間的富余寬度B、船舶與航道底邊的富裕寬度C組成（見圖1-6），根據(jù)港口工程技術規(guī)范規(guī)定，單雙航道寬度分別按下

6、式計算： 單航道：WA+2C （2-1） 雙航道：W2A+b+2C,海港航道設計,航道寬度的計算主要依據(jù)以下幾方面： 1、船舶偏航和漂移運動力學分析 2、航跡帶寬度的計算 3、船舶之間富余寬度b的確定 4、船舶與航道底邊間的富余寬度C的確定,海港航道設計,1、船舶偏航和漂移運動力學分析 船舶在具有風浪流的海域中航行時，將受下列因素的影響： （1）由于船舶加速運動產(chǎn)生的慣性力和慣性矩； （2）船殼外側水動力壓力； （3）舵力； （4）風壓力； （5）流壓力； （6）波浪壓力； （7）航道兩側的岸吸力； （8）錯船時的船吸力； （9）航速影響的下座力； （10）螺旋槳產(chǎn)生的縱向水平推進力和橫向推進

7、力。,2、航跡帶寬度的計算 經(jīng)論證，在不同風流條件下，航跡帶寬度A與船舶偏航投影寬度Lsin+B有一定的相關倍數(shù)，稱為船舶漂移倍數(shù)n（見圖2-2），根據(jù)實測資料進行統(tǒng)計，建立計算公式如下： An（Lsin+B） （2-2） 式中：A航跡帶寬度（m）； n船舶漂移倍數(shù)，見表2-1； 風流壓偏角（），見表2-1； B設計船寬（m）。,滿載船舶漂移倍數(shù)n和和流壓偏角g值,表2-1,海港航道設計,3、船舶之間富余寬度b的確定 船舶之間的富余寬度b是指分道通航的雙向航道中，船舶相向航行相會錯船時，為防止發(fā)生船吸現(xiàn)象而保持兩航跡帶間的內側橫向凈距。兩船間的相互作用，主要受船型尺度、兩船間距、航速和操船性能

8、等因素的影響。 許多國家諸如美國、前蘇聯(lián)、日本、荷蘭及英國等一些港口和科研機構，做了大量的理論研究和船型試驗，取得了許多很有參考價值的科研成果?？偨Y國外有關文獻資料和我國的一些港口實踐經(jīng)驗，建議兩航跡帶間的內側距離不得小于最大設計船寬。,4、船舶與航道底邊間的富余寬度C的確定 船舶與航道底邊線間的富余寬度C是指船舶在航道中以蛇形航跡前進時，航跡帶外側與邊坡底邊線的最小安全距離。C與航道水深、寬度、斷面形狀；船舶性能、航速；水文氣象條件和地質條件等因素都有密切的關系。通常一般規(guī)律是，航道越寬或水深越淺C值越大；航道兩側岸灘水深越淺C值越大；航道底質越硬或回淤嚴重時C越大。不同專業(yè)船舶通航的航道C

9、不同，一般LPG、LNG和油輪等危險品船C散貨船C雜貨船或集裝箱船C，其范圍為0.5BC1.5B。規(guī)范要求C值按表2-2選取。,船舶與航道底邊間的富余寬度C,表2-2,第三章 航道水深,航道水深是在港口當?shù)匾欢ǖ淖匀粭l件下，滿足設計船型滿載吃水航行所要求的最小安全深度。通常，確定進港航道水深的影響因素有：（1）船舶裝載條件；（2）水位條件；（3）船舶航行條件；（4）波浪影響條件；（5）航道底質條件等。詳見圖3-1所示。,海港航道設計,一、航道設計水位的確定 1、航行密度 2、通航持續(xù)時間 3、設計乘潮水位,二、航道水深設計 航道水深通常有兩種尺度，一是通航水深D。（又稱通告水深），二是設計水深

10、D（又稱航道疏浚水深），分別按圖3-3及式（3-4）和（3-5）確定。,圖3-3 航道水深設計示意圖,海港航道設計,通航水深： D0T+ZO+Z1+Z2+Z3 (3-4) 設計水深： DD0+Z4 (3-5) 式中：T設計船型滿載吃水（m）； ZO船舶航行時船體下沉值（m）； Z1航行時龍骨下最小富余深度（m）； Z2波浪富余深度（m）； Z3船舶裝載縱傾富余深度（m）； Z4備淤富余深度（m）。,式中各參數(shù)的確定： 1、船舶航行下沉值ZO,海港航道設計,2、龍骨下最小富余深度Z1,龍 骨 下 最 小 富 裕 深 度z1（m）,3、波浪影響的富裕深度Z2,船浪夾角與Z2/H4%的變化系數(shù)值 表

11、3-2,海港航道設計,4、船舶裝載縱傾富裕深度Z3 船舶裝載縱傾富余深度是根據(jù)不同船型特點、裝載貨物情況和航行要求，在港口裝貨配載時，由于首尾縱傾而增加的吃水超深值。通過對我國各港實船資料統(tǒng)計分析，以及從國內外各種標準船型的規(guī)定表明，雜貨船、多用途船和集裝箱船雖尾傾吃水大，但實載率較低，均小于滿載吃水，所以以這些設計船型為準進行航道水深設計時一般不予考慮z3值；對于油船和散貨船，多為滿載航行，規(guī)范規(guī)定Z30.15m。,海港航道設計,5、備淤富余深度Z4 備淤深度與下列因素有關： （l）港口附近海域水文氣象和地質地貌條件，以及航道受風浪流影響的回淤強度； （2）航道平面布置、掩護情況、走向和斷面

12、尺度； （3）維護挖泥采用的挖泥船類型和疏浚工程施工的頻繁程度。 一般應結合各港的具體情況，在保證航道通航水深的前提下，進行技術經(jīng)濟論證，然后根據(jù)計算的或實際觀測的港口泥沙回淤強度，按合理的挖泥間隔期內產(chǎn)生的淤積量確定，通常不小于0.4m。對于不淤港口不計Z4值；對于淤積嚴重的港口，可適當增加備淤深度，但最好不大于1.0m。,海港航道設計,第四章 轉彎航道設計,一、航道轉彎半徑的確定 二、航道轉彎段增加的富裕寬度 三、航道轉向拓寬方式,海港航道設計,一、航道轉彎半徑的確定： 確定轉彎半徑一般應遵循的原則如下： 1、航道轉彎半徑與設計船長有關，船舶尺度越大，所要求的轉彎半徑越大； 2、不同專業(yè)船

13、舶轉彎半徑不同，行駛油船和危險品船舶的航道轉彎半徑應大于其它專業(yè)船舶使用的航道； 3、轉彎半徑隨水文地質條件變化，風浪流大的水域應增大R值；對于回淤嚴重、岸坡不穩(wěn)定或土質較堅硬的航道，也應適當增加轉彎半徑； 4、轉彎半徑隨航道水深滿載吃水的加大而減??； 5、航道寬度越窄或邊坡越陡，應適當加大轉彎半徑； 6、航道轉向角越大轉彎半徑應按規(guī)定增加；,海港航道設計,7、航速設計航速越快，轉彎半徑要求越大； 8、港外無掩護航道的轉彎半徑應大于港內有掩護航道的轉彎半徑。外海航道應大于港外航道的轉彎半徑； 9、當水域狹窄，地形條件復雜，選線困難而必須采用“S”彎轉向時，應適當加大轉彎半徑； 10、有拖船助航

14、時，可適當減小轉彎半徑； 11、航道轉彎半徑還與轉彎段增加的富裕寬度有關，增加的富裕寬度越大，轉彎半徑應越小； 12、當船舶轉向時，采用不同的平衡舵角轉彎半徑不同，平衡舵角小轉彎半徑大，平衡舵角大轉彎半徑??； 13、轉彎半徑與船舶操縱性能、特點、裝載情況、駕駛技術和其它人為因素有關。,海港航道設計,關于按航道轉向角的大小及船舶長度為依據(jù)，參照上述有關因素決定轉彎半徑，各國均有明確的規(guī)定和要求。根據(jù)我國各港的具體條件和經(jīng)驗，經(jīng)技術經(jīng)濟論證和分析，轉彎半徑范圍為R3L10L，因此規(guī)范規(guī)定R值為： （1）10不考慮轉彎段圓滑過渡，航道內外邊線可直接相交； （2）1030，R3L5L； （3）30，R

15、5L10L； （4）轉向角小時R采用小值，轉向角大時R采用大值。,海港航道設計,二、航道轉彎段增加的富裕寬度 航道轉彎有效寬度W應由四部分組成，即航跡帶寬度A；船舶間富裕寬度b；船舶與航道底邊線間的富余寬度C；航道轉彎段增加的富余寬度e。 單向航道轉彎段：W=A+2C+e (4-1) 雙向航道轉彎段： W=2A+b+2C+2e (4-2) 式中：A、bC取值與直航道相同。,海港航道設計,三、航道轉向拓寬方式 航道轉向拓寬應根據(jù)轉向角、轉彎半徑和設計船長確定，為疏浚施工方便，其通常采用的加寬方式如下： 1、10，航道內外邊線相交，不必加寬； 2、1030,R5L10L，采用折線切割加寬法 4、對

16、于特殊情況下R10L時，航道轉彎段可不予加寬； 5、航道加寬的起始點應布置在距曲線和直線相接點一個計算船長的位置上。,圖4-1 凹岸切角法圖 4-2 梯形連接，凹岸折線切割法 （虛線表示需要加寬時的作法）,海港航道設計,第五章 航道邊坡設計,航道邊坡主要取決于航槽斷面土質種類、物理力學特性；該海域波浪水流以及泥沙沉積對邊坡的影響；航道被掩護的程度；疏浚設備類型和施工方法；船舶航行時對邊坡的影響；邊坡形成的時間等等。航道邊坡分為設計邊坡和穩(wěn)定邊坡，設計邊坡是根據(jù)開挖航槽的土質特性而確定的邊坡；穩(wěn)定邊坡是在兩次維護期之間，定期維護疏浚開始前，由于各種外部影響因素作用下，形成相對平衡和比較穩(wěn)定的邊坡稱為穩(wěn)定邊坡。 設計邊坡建議參照土質類似的航道邊坡和水文條件，按表5-1的土質分類和貫擊數(shù)N值范圍選用，有條件時可通過現(xiàn)場和室內試驗確定，所列表中的坡度，對于有掩護的航道或淺水域航道取小值，對于無掩護航道或深水航道取大值。 穩(wěn)定邊坡的坡度，由于受外界因素影響，一般比上述設計邊坡緩一些，統(tǒng)計結果約大12左右，特殊情況可大幾倍。,海港航道設計,各 類 土 質 航 道 邊 坡 坡 度 表5-1,第六章 超寬和超深計算,按照疏浚工程技術規(guī)范（JTJ319-99）要求，為使航道施工滿足設計尺度，計