张嵩云;黄黎辉
【摘 要】The effect of the navigable ship on the bank is not involved in the design of port.With the development of the shipping business and the trend of lager-sized ship,there are more and more effects of the ship on the port.We summarize the navigation conditions of large ships near the port or channel,and use the British standard CIRIA C683 in the calculations of ship wave,analyze the effect of the sailing vessel on the port,and point out the situation of ship traveling wave in the port design.%目前常规的港口设计中未考虑通航船舶对港口设施的影响,随着我国航运业的飞速发展以及船舶大型化的趋势,船舶活动对港口的影响也越来越大.归纳了大型船舶在港区及航道的不同通航条件,采用英国标准CIRIA C683中推荐的船行波计算公式对各种情况下通航船舶的船行波进行初步计算,分析船行波对港口的影响,并指出在港口设计中需要考虑船行波的情形. 【期刊名称】《水运工程》
【年(卷),期】杀人象2018(000)006
【总页数】4页(P150-153)
【关键词】通航船舶;船行波;港口
【作 者】张嵩云;黄黎辉
【作者单位】中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海200032;中交第三航务工程勘察设计院有限公司,上海200032
【正文语种】中 文
【中图分类】U652.3
随着全球航运业的高速发展及船舶大型化的趋势，大型、超大型船舶通航量越来越大，同时由于码头深水岸线的稀缺，越来越多大型码头贴近主航道布置，导致通航船舶兴波对码头的影响也越来越大。通航船舶兴波对港口影响主要分两种：船舶兴波对护岸及码头结构的影响，船舶兴波对码头作业效率及作业安全的影响。但目前在港口设计中并无针对船舶兴波的考虑，实际对驳岸及码头等港口设施造成了较大的安全隐患。
1 船行波的形成
船舶活动对驳岸的影响主要由船舶行驶过程中对水体压缩形成船行波，船舶在航行过程中，船体周围的压力变化相当于有很多压力点在水面上运动，兴波作用最强的是艏、艉两端处，因此可用两个压力点描绘整个船的兴波，即船行波必然由与单个压力点兴波图形相似的艏波系和艉波系组成，每一波系均有各自的横波系和散波系[1]。
横波与散波相交成尖角，在尖角处相切而具有相同的波向角θ 为 35°16′；尖角与原点o的连线称为尖点线，它与运动方向的夹角为19°28′，该角称为凯尔文角[2]。可见船波仅限于一个顶角为 2×19°28′的扇形区域内。
艏横波通常在艏柱稍后处始于波峰，而艉横波系在艉柱之前始于波谷。在船后艏艏两横波系相叠加，组成合成横波；而两波系中的散波系各不相混，清楚地分开，船体压力点兴波图形见图1。
图1 船体压力点兴波图形
由船行波的原理可知，船行波主要受船舶速度、船舶吃水及船舶形状控制，次生波主要受
ifc船舶速度影响，横波同时受水体相对压缩深度(直观反映即船舶吃水)影响较大。一般情况下，满载船舶产生的艉横波最为明显，而高速船舶产生的次生波(即散波)最为明显。
2 船行波计算公式
目前国内主要由相关科研院所对船行波进行了相关试验研究，还没有相关规范对船行波计算做出规范性的推荐，国外船行波研究较多，且已经相关行业规范推荐计算公式，其中英国建筑行业协会颁布的CIRIA C683[3]中推荐的船行波计算公式考虑较为详细及全面，本文使用CIRIA C683中给出的船行波艉横波及次生波计算，艉横波、次生波见图2。
图2 船舶行驶兴波及水流
1)艉横波计算公式。
(1)
(2)
(3)
式中：zmax为最大船艉横波波高；为船舶通行时船体水位最大降低高度；Δh为船舶通行时船体水位平均降低高度；bw为垂直通行方向的水域宽度；Ls为通行船舶长度；vs为船舶通行速度；αs为航速影响系数；Ac为通航水域断面积；为船舶通行时扣除船舶截面积的通航水域断面积。 2)次生波计算公式。
(gh)2
(4)
g
(5)
Ti=5.1vsg
(6)
式中：Hi为最大船舶次生波波高；αi为船型系数；h为水深；ys为船舶离岸边距离；vs为船舶通行速度;Li为次生波波长；Ti为次生波周期。
3 模拟计算参数
在海运中主要的船型有散货船、油船、集装箱船、客滚船，其中散货船及油船在船型、航速上有很大的相似性，同时考虑港作拖轮在进港航道及港池内使用频繁，因此在不同船型对比计算中选用5万吨级散货船、集装箱船、滚装船及3 000 kW拖轮4种船型进行对比计算。
甘地主义计算航速的选定与船型及航线类型有关。根据采用的3种对比船型性能，在远洋航线上，由于航行限制较少，船舶一般按设计航速航行，散货船一般为15 kn，集装箱船一般为22～25 kn，客滚船一般为20 kn；在沿海航线，由于船舶密集以及水深影响，各型船舶一般按设计航速的60%～80%航行，对于重要的通航水道，为保证安全，海事部分一般对通航船舶限速在9～15 kn[4-5]；对于进港航道一般在5～7 kn航速；对于港区航道一般在2～5 kn；对于拖轮考虑只在进港航道及港区通航航速10 kn。
4 不同船型船行波影响情况
对于5万吨级散货船、集装箱船及客滚船，由于靠离码头时都由拖轮拖带，航速往往小于2 kn，因此主要考虑在航道中通行时的船行波情况，而拖轮一般在港区及进港航道活动，有可能出现高速通过码头前沿的情况，所用拖轮按临岸或临码头行驶情况考虑。
对于大型船舶航道通行情况，大型的江海航道底宽根据设计船舶吨级一般在180～400 m[6]，按较不利情况，对于5万吨级散货船、集装箱船及客滚船，考虑航道底宽取180 m计算，通航水深按15 m，航道边坡按1:6考虑，船舶位于航道中心，船舶距岸边约为165 m，计算得到各型船舶船行波如图3所示。负折射
bpr
图3 各型船舶船行波
对于拖轮在港区通航时，考虑港池宽度一般在200～600 m，按港池底宽180 m，边坡1:3，拖轮航行时距驳岸边最近为40 m，计算得到拖轮船行波如图4所示。
图4 3 000 kW拖轮船行波
通过以上计算可知，集装箱船及客滚船由于设计航速高达20～25 kn，在设计航速时能产生最大3.5～8 m的船行波，而散货船由于设计航速一般在15 kn，产生的最大船行波为2.5 m。
但是由于集装箱船机客滚船的高航速仅限于外海航道，在近海航道一般船舶的通航速度为9～15 kn，而散货船由于高仓容、低航速的肥大型船型设计，在同等航速下兴波能力却是最强的。
根据船舶在不同航道内通航航速的不同，对于近海公共航道，如长江口、珠江口航道一般航速在9～15 kn，此时航道中心通航的5万吨级散货船在15 kn航速时能形成最大约2.5 m波高的船行波；对于港区进港航道，一般航速在5～7 kn，此时航道中心通航的5万吨级散货船在7 kn航速时能形成最大约0.6 m波高的船行波。
虽然拖轮船型小，且绝对航速不高，但拖轮却往往是港池及进港航道中通行速度最快且离岸航行最近的船只，在离岸40 m，航速12 kn时，拖轮产生的船行波约1.2 m，远远大于在进港航道及港池内通航的大型轮船。
钟阳阳5 不同水域宽度及离岸距离对船行波的影响
CIRIA C683给出的船行波计算公式为衰减公式，可以考虑水域宽度(横波与水体断面积有关，次生波直接与距离及水深有关)及船舶离岸距离的影响，通过对5万吨级散货船进行不同水域宽度、距离下的船行波计算，来反映船行波衰减情况。
考虑船舶在江海航道一般按9～15 kn航行，假定5万吨级散货船岸12 kn航速通行，对航道底宽为180、240、360、480、800 m，通航水深15 m，航道边坡为1:6的5种水域计算岸边船行波结果如图5所示。
图5 不同水域宽度时船行波
同时为反映近海航道或内河海轮航道及进港航道通航时不同离岸距离对岸边船行波的影响，假定5万吨级散货船岸分别以12 kn(对应近海航道或内河海轮航道)、6 kn航速(对应进港航道)通行，在航道底宽360 m时，航道边坡1:3时，船舶离岸距离60、80、120、150、208.95 m(位于航道中心)时船行波计算如图6所示。
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