T海港航道设计讲义

海港航道设计注册土木工程师（港口与航道专业）执业资格考试辅导海港航道设计海港航道设计考试大纲要求1.掌握航道选线的原则及要求，提出并综合分析、比选各选线方案，找出推荐方案；2.掌握航道设计中各项尺度的计算和影响因素；3.掌握海港航道乘潮水位确定的方法；4.熟悉航道泥沙淤积和冲刷的计算方法；5.掌握疏浚土分类、开挖尺度、抛泥区的选择和挖方量计算原则。海港航道设计讲述的主要内容概述第一章航道选线第二章航道宽度第三章航道水深第四章转弯航道设计第五章航道边坡设计第六章超宽和超深计算第七章疏浚土的处理海港航道设计概述随着国际贸易货运量增长，为降低货物运输的成本，各种船舶尺度迅速增加。因此，为船舶进出港口提供有效而安全的航行通道，已成为海港建设和疏浚工程的关键问题。尤其是近40年来，疏浚技术的进步，港口运量急剧增加，世界范围的原油、煤炭、矿石和集装箱运输的迅速发展，促使一些营运了几十年甚至上百年的老港，为接纳大型或超大型船舶，加大港口的通过能力，不得不重新规划和浚深拓宽航道。我国一些新建海港和河口港，由于地质、潮汐、风浪流和泥沙回淤的影响，其航道设计是港口建设中一项重要的研究课题。作为一个单独航道项目研究通常有如下几个方面：海港航道设计（1）使用该航道的港口泊位情况：泊位数、泊位吨级、最大泊位吨级、规划建设情况等；（2）调查港口腹地的经济资源及近期、中期、远期发展状况，调查港口货源、货种、流向和不同发展时期的货运量，以此论证船舶运输和合理性和航道建设规模；（3）调查通航船舶的有关资料，包括两年来进港船型统计及增长率；来港船舶不平衡系数；最大船型主尺度；不同专用船、特别是LPG，LNG及其它危险品船来港情况，经济船型论证及设计船型的发展趋势；（4）分析计算建设该航道所产生的效益。海港航道设计第一章航道选线通常航道的一端是由港口的位置决定的，当进出港口的水域水深满足船舶航行的水深要求时，航道选线将不受疏浚工程费的限制，仅考虑风、流、浪、导助航设施布设等因素，而当进出港水域水深不能满足船舶航行时，还需考虑疏浚工程量、施工、维护等因素。选择进港航道最佳方位是港口总体规划、可行性研究和总平面布置中的一项重要工作。因此，航道选线要贯彻操船安全、挖方量少、施工期短、疏浚维护方便和投资省等技术经济合理原则。海港航道设计为了有助于航道设计者掌握选线方法，建议有关选线设计的布置原则和要求如下：一、充分了解及分析地质地貌及泥沙条件

二、论证航行安全

三、分析研究水文气象条件

四、河口航道选线原则海港航道设计第二章航道宽度一、确定航道宽度的方法二、单双航道的确定三、航道宽度计算海港航道设计一、确定航道宽度的方法1、实船观测方法2、船舶模拟试验3、操船模拟装置试验4、数学模拟计算5、理论和统计计算法海港航道设计二、单双航道的确定由单航道拓宽为双航道．建议按以下几种情况确定：1、每天进出港船流密度大于航道全天候通航时船舶艘次数的90%；2、航道较长，船流密度较大，经技术经济论证拓宽航道较为经济；3、到港船舶吨位范围较大时，可采用复式航道（即一侧为大船，另一侧为小船航行）或大船为单航道，小船为双航道；4、当河口港航道较长，中途有较长的浅滩或多处浅段时，船舶不能调度避让，可建设双向航道。海港航道设计三、航航道宽宽度计计算航道有有效宽宽度W由航迹迹带宽宽度A、船舶间间的富富余宽宽度B、船舶与与航道道底边边的富富裕宽宽度C组成（（见图图1-6），根根据港港口工工程技技术规规范规规定，，单双双航道道宽度度分别别按下下式计计算：：单航道道：W＝A+2C（2-1）双航道道：W＝2A+b+2C海港航航道设设计航道宽宽度的的计算算主要要依据据以下下几方方面：：1、船舶舶偏航航和漂漂移运运动力力学分分析2、航迹迹带宽宽度的的计算算3、船舶舶之间间富余余宽度度b的确定定4、船舶舶与航航道底底边间间的富富余宽宽度C的确定定海港航航道设设计1、船舶舶偏航航和漂漂移运运动力力学分分析船舶在在具有有风浪浪流的的海域域中航航行时时，将将受下下列因因素的的影响响：（1）由于于船舶舶加速速运动动产生生的惯惯性力力和惯惯性矩矩；（2）船壳壳外侧侧水动动力压压力；；（3）舵力力；（4）风压压力；；（5）流压压力；；（6）波浪浪压力力；（7）航道道两侧侧的岸岸吸力力；（8）错船船时的的船吸吸力；；（9）航速速影响响的下下座力力；（10）螺旋旋桨产产生的的纵向向水平平推进进力和和横向向推进进力。。海港航航道设设计2、航迹迹带宽宽度的的计算算经论证证，在在不同同风流流条件件下，，航迹迹带宽宽度A与船舶舶偏航航投影影宽度度Lsin+B有一定定的相相关倍倍数，，称为为船舶舶漂移移倍数数n（见图2-2），根据据实测资资料进行行统计，，建立计计算公式式如下：：A＝n（Lsin+B）（（2-2）式中：A——航迹带宽宽度（m）；n——船舶漂移移倍数，，见表2-1；——风流压偏偏角（°），见表表2-1；B——设计船宽宽（m）。满载船舶舶漂移倍倍数n和和流压压偏角g值表2-1海港航道道设计3、船舶之之间富余余宽度b的确定船舶之间间的富余余宽度b是指分道道通航的的双向航航道中，，船舶相相向航行行相会错错船时，，为防止止发生船船吸现象象而保持持两航迹迹带间的的内侧横横向净距距。两船船间的相相互作用用，主要要受船型型尺度、、两船间间距、航航速和操操船性能能等因素素的影响响。许多国家家诸如美美国、前前苏联、、日本、、荷兰及及英国等等一些港港口和科科研机构构，做了了大量的的理论研研究和船船型试验验，取得得了许多多很有参参考价值值的科研研成果。。总结国国外有关关文献资资料和我我国的一一些港口口实践经经验，建建议两航航迹带间间的内侧侧距离不不得小于于最大设设计船宽宽。海港航道道设计4、船舶与与航道底底边间的的富余宽宽度C的确定船舶与航航道底边边线间的的富余宽宽度C是指船舶舶在航道道中以蛇蛇形航迹迹前进时时，航迹迹带外侧侧与边坡坡底边线线的最小小安全距距离。C与航道水水深、宽宽度、断断面形状状；船舶舶性能、、航速；；水文气气象条件件和地质质条件等等因素都都有密切切的关系系。通常常一般规规律是，，航道越越宽或水水深越浅浅C值越大；；航道两两侧岸滩滩水深越越浅C值越大；；航道底底质越硬硬或回淤淤严重时时C越大。不不同专业业船舶通通航的航航道C不同，一一般LPG、LNG和油轮等等危险品品船C＞散货船C＞杂货船或或集装箱箱船C，其范围为为0.5B≤C≤≤1.5B。规范要求求C值按表2-2选取。船舶与航航道底边边间的富富余宽度度C表2-2海港航道道设计第三章航航道水水深航道水深深是在港港口当地地一定的的自然条条件下，，满足设设计船型型满载吃吃水航行行所要求求的最小小安全深深度。通通常，确确定进港港航道水水深的影影响因素素有：（（1）船舶装装载条件件；（2）水位条条件；（（3）船舶航航行条件件；（4）波浪影影响条件件；（5）航道底底质条件件等。详详见图3-1所示。海港航道道设计一、航道道设计水水位的确确定1、航行密密度2、通航持持续时间间3、设计乘乘潮水位位海港航道道设计二、航道道水深设设计航道水深深通常有有两种尺尺度，一一是通航航水深D。（又称通告告水深）），二是是设计水水深D（又称航道道疏浚水水深），，分别按按图3-3及式（3-4）和（3-5）确定。。图3-3航道水深深设计示示意图海港航道道设计通航水深深：D0＝T+ZO+Z1+Z2+Z3(3-4)设计水深深：D＝D0+Z4(3-5)式中：T——设计船型型满载吃吃水（m）；ZO——船舶航行行时船体体下沉值值（m）；Z1——航行时龙龙骨下最最小富余余深度（（m）；Z2——波浪富余余深度（（m）；Z3——船舶装载载纵倾富富余深度度（m）；Z4——备淤富余余深度（（m）。海港航道道设计式中各参参数的确确定：1、船舶航航行下沉沉值ZO海港航道道设计2、龙骨下下最小富富余深度度Z1龙骨下下最最小富富裕裕深度度z1（m）海港航道道设计3、波浪影影响的富富裕深度度Z2船浪夹角角ψ与Z2/H4%的变化系系数值表3-2海港航道道设计4、船舶装装载纵倾倾富裕深深度Z3船舶装载载纵倾富富余深度度是根据据不同船船型特点点、装载载货物情情况和航航行要求求，在港港口装货货配载时时，由于于首尾纵纵倾而增增加的吃吃水超深深值。通通过对我我国各港港实船资资料统计计分析，，以及从从国内外外各种标标准船型型的规定定表明，，杂货船船、多用用途船和和集装箱箱船虽尾尾倾吃水水大，但但实载率率较低，，均小于于满载吃吃水，所所以以这这些设计计船型为为准进行行航道水水深设计计时一般般不予考考虑z3值；对于于油船和和散货船船，多为为满载航航行，规规范规定定Z3＝0.15m。海港航道道设计5、备淤富余余深度Z4备淤深度度与下列列因素有有关：（l）港口附近近海域水水文气象象和地质质地貌条条件，以以及航道道受风浪浪流影响响的回淤淤强度；；（2）航道平平面布置置、掩护护情况、、走向和和断面尺尺度；（3）维护挖挖泥采用用的挖泥泥船类型型和疏浚浚工程施施工的频频繁程度度。一般应结结合各港港的具体体情况，，在保证证航道通通航水深深的前提提下，进进行技术术经济论论证，然然后根据据计算的的或实际际观测的的港口泥泥沙回淤淤强度，，按合理理的挖泥泥间隔期期内产生生的淤积积量确定定，通常常不小于于0.4m。对于不淤淤港口不不计Z4值；对于于淤积严严重的港港口，可可适当增增加备淤淤深度，，但最好好不大于于1.0m。海港航道道设计第四章转转弯航航道设计计一、航道道转弯半半径的确确定二、航道道转弯段段增加的的富裕宽宽度三、航道道转向拓拓宽方式式海港航道道设计一、航道道转弯半半径的确确定：确定转弯弯半径一一般应遵遵循的原原则如下下：1、航道转转弯半径径与设计计船长有有关，船船舶尺度度越大，，所要求求的转弯弯半径越越大；2、不同专专业船舶舶转弯半半径不同同，行驶驶油船和和危险品品船舶的的航道转转弯半径径应大于于其它专专业船舶舶使用的的航道；；3、转弯半半径随水水文地质质条件变变化，风风浪流大大的水域域应增大大R值；对于于回淤严严重、岸岸坡不稳稳定或土土质较坚坚硬的航航道，也也应适当当增加转转弯半径径；4、转弯半半径随航航道水深深／满载载吃水的的加大而而减小；；5、航道宽宽度越窄窄或边坡坡越陡，，应适当当加大转转弯半径径；6、航道转转向角越越大转弯弯半径应应按规定定增加；；海港航道道设计7、航速设设计航速速越快，，转弯半半径要求求越大；；8、港外无无掩护航航道的转转弯半径径应大于于港内有有掩护航航道的转转弯半径径。外海海航道应应大于港港外航道道的转弯弯半径；；9、当水域域狭窄，，地形条条件复杂杂，选线线困难而而必须采采用“S”弯转向时时，应适适当加大大转弯半半径；10、有拖船船助航时时，可适适当减小小转弯半半径；11、航道转转弯半径径还与转转弯段增增加的富富裕宽度度有关，，增加的的富裕宽宽度越大大，转弯弯半径应应越小；；12、当船舶舶转向时时，采用用不同的的平衡舵舵角转弯弯半径不不同，平平衡舵角角小转弯弯半径大大，平衡衡舵角大大转弯半半径小；；13、转弯半半径与船船舶操纵纵性能、、特点、、装载情情况、驾驾驶技术术和其它它人为因因素有关关。海港航道道设计关于按航航道转向向角的大大小及船船舶长度度为依据据，参照照上述有有关因素素决定转转弯半径径，各国国均有明明确的规规定和要要求。根据我国国各港的的具体条条件和经经验，经经技术经经济论证证和分析析，转弯弯半径范范围为R＝3L～10L，因此规范范规定R值为：（1）φ≤10°不考虑转转弯段圆圆滑过渡渡，航道道内外边边线可直直接相交交；（2）10°＜φ≤30°，R＝3L～5L；（3）φ＞30°，R＝5L～10L；（4）转向角小小时R采用小值值，转向向角大时时R采用大值值。海港航道道设计二、航道道转弯段段增加的的富裕宽宽度航道转弯弯有效宽宽度W应由四部部分组成成，即航航迹带宽宽度A；船舶间富富裕宽度度b；船舶与航航道底边边线间的的富余宽宽度C；航道转弯弯段增加加的富余余宽度e。单向航道道转弯段段：W=A+2C+e(4-1)双向航道道转弯段段：W=2A+b+2C+2e(4-2)式中：A、b．C取值与直直航道相相同。海港航道道设计三、航道道转向拓拓宽方式式航道转向向拓宽应应根据转转向角、、转弯半半径和设设计船长长确定，，为疏浚浚施工方方便，其其通常采采用的加加宽方式式如下：：1、φ≤10°，航道内外外边线相相交，不不必加宽宽；2、10°<φ≤30°R=3L～5L，采用凹岸岸切角加加宽法（（见图4-1）；3、φ>30°,R＝5L～10L，采用折线线切割加加宽法4、对于特特殊情况况下R＞10L时，航道道转弯段段可不予予加宽；；5、航道加加宽的起起始点应应布置在在距曲线线和直线线相接点点一个计计算船长长的位置置上。海港航道道设计图4-1凹岸切角角法图4-2梯形连接接，凹岸岸折线切切割法（虚线表表示需要要加宽时时的作法法）海港航道道设计第五章航航道边边坡设计计航道边坡坡主要取取决于航航槽断面面土质种种类、物物理力学学特性；；该海域域波浪水水流以及及泥沙沉沉积对边边坡的影影响；航航道被掩掩护的程程度；疏疏浚设备备类型和和施工方方法；船船舶航行行时对边边坡的影影响；边边坡形成成的时间间等等。。航道边边坡分为为设计边边坡和稳稳定边坡坡，设计计边坡是是根据开开挖航槽槽的土质质特性而而确定的的边坡；；稳定边边坡是在在两次维维护期之之间，定定期维护护疏浚开开始前，，由于各各种外部部影响因因素作用用下，形形成相对对平衡和和比较稳稳定的边边坡称为为稳定边边坡。设计边坡坡