通航安全技术论证的教学案例汇编

通航安全技术论证的教学案例汇编

一、桥梁通航安全技术论证案例：

海河开启桥工程通航安全评估及模拟研究

1 大桥及附近水域通航环境与通航条件分析

本工程拟建开启桥东侧为塘沽南站，西侧为即将开发的塘沽响螺湾商贸区，跨越海河，桥梁长度约为600米，引路全长约为1.3公里。设计高通航水位：2.73米（大沽）；最低通航水位：0.52米（大沽）；桥梁净空：与坨场南道开启桥相交道路净空为4.5m；下穿海门大桥支路净空为3.5m。

其拟建工程的地理位置见图1.1-1。

图1.1-1 拟建南站海河大桥地理位置图

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1.1 水文

滨海新区地处海河流域下游。海河水系是华北地区最大的水系，由海河干流和北系的蓟运河、潮白河、北运河和永定新河，西系的大清河、子牙河，南系的南运河、漳河、卫河组成。海河上游支流众多，10公里以上的支流300多条，分别由北、西和西南几个方向汇聚于天津，形成海河干流，最后注入渤海，为典型的扇形水系。

海河多年平均流量717立方米/秒，径流总量226亿立方米。年内分配和年际变化不均。历史上水旱灾害频繁，据记载，1368～1948年的580年间，海河曾发生水灾387次，旱灾407次。每次较大的水灾，涉及的县都有100多个。在这期间，天津市被淹70多次。中华人民共和国建立后，对海河流域进行了全面治理，在上游山区控制水土流失，筑库防洪蓄水；中游疏浚河道，加固堤防；下游平原区增辟新河，分洪入海。因此全流域基本上免除了洪涝灾害。 1.1.1 潮汐

本港为不正规半日潮港，平均潮差2.47米，最大潮差4.37。1992年9月1日风暴潮最高高潮曾达5.81米．潮汐受风影响很大，当遇强烈的偏东风时涨潮提前0.5-1小时；若遇强烈的偏西风时落潮时间提前0.5-1小时，涨潮时间缩短，潮高也降低。当强烈的西北风延续2天以上，则风起后第3个高潮潮高可减少1米左右，低潮潮高也显著降低。所以，当计算新港潮汐时，应对前1-2天的风向、风力予以注意。

表1.1-1 潮信表 地点 潮面 月赤纬0°时 平均潮 汐间隙 高天津新港 38°59′06″N 117°44′24″E 低潮 潮 平均 潮高 高02h48min 3.6m 高潮 低高潮 低09h39min 1.2m 低潮 高低潮 月赤纬最大时（月上中天） 潮面 平均潮汐间隙 北赤纬 南赤纬 平均 潮高 平均海面 位置 03h36min 16h01min 3.5m 14h55min 02h30min 3.5m 2.4m 21h39min 09h14min 0.8m 09h19min 21h44min 2.0m 2

1.1.2 潮流

大沽口锚地及附近涨潮为西北流，平均流速0.8节，最大流速1.9节；落潮为东偏南流，平均流速0.7节，最大流速1节。主航道潮流基本与航道平行，为往复流，最大流速0.64节。

海河内无潮流，但当开启节制闸放水时其最大流速可达1.5节。

1.2 气象

1.2.1 风

新港地区的常风向为西南风。春秋两季风向变化较频繁，但以西南风居多，平均风力3级。夏季多东南风，冬季多西北风，最大风力可达8级以上。年平均发生6级以上的强风约11次，频率为3.01%,其中大部分为东北风．一年中以东北风最强，风力可达9级，阵风9级以上，影响船舶进出，但持续时间较短。4—5月盛行大风，8—9月风最弱。但7—9月受台风影响，可出现强东风，若恰逢大潮汛会造成风暴潮袭港。 1.2.2 气温

根据1951～1997年资料统计： 年平均气温 12.3℃ 年平均最高气温 16.2℃ 年平均最低气温 9.1℃

极端最高气温 39.9℃（1955年7月24日） 极端最低气温 -18.3℃（1953年1月17日） 1.2.3 降水

根据1951～1997年资料统计： 年平均降水量 586.0mm

年最大降水量 1083.5mm（1964年） 年最小降水量 278.4mm（1968年）

一日最大降水量 191.5mm（1975年7月30日）

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1.2.4 雾及能见度

年平均雾日14．6天。 能见度小于1公里的大雾多集中于秋冬两季，尤以11、12月为多，持续3—4小时，对航行有影响。 1.2.5 相对湿度

根据1981～1994年资料统计： 平均相对湿度 65% 最大相对湿度 100% 最小相对湿度 3%

全市空气相对湿度以夏季最大，7、8月份平均值可达80%左右，春季最小，2至4月份最低值为0%。全市年蒸发量为1688~1917毫米，冬季最小，只占全年的9%，春季最大，占全年的36%，5月份最多，占全年的16%。 1.2.6 降水量

全市平均降水量为550～680毫米，年平均降水日数为64～73天。从海上输送来的暖湿气流受北部山脉的阻滞和抬升，经常在燕山迎风坡和山前平原形成多雨带，使全市年降水量的分布由北向南递减。北部最大年降雨量可达1213毫米，最小年降雨量为352毫米，南部多雨年可达1189毫米，少雨年只有244毫米。天津的汛期为6月中旬至9月中旬。汛期的平均雨日在42天左右，夏季降水量为441～568毫米，占全年降水量的80～84%，又主要集中在7、8月份。

2 拟建大桥工程对通航环境的影响

2.1 大桥对水流的影响

2.1.1 桥区的流速、流态

由于水流流向变化大，所以在弯曲河段的桥区一般表现为高水取直，低水坐弯，深槽偏靠凹岸。在土质疏松的河段，凹岸冲刷，凸岸淤积，因此主通航孔应跨越深槽，且在凹岸一侧的桥墩不应设在水中，以免产生挑流和对船舶安全航行不利的不良水流。又因为处在弯曲河段处的主流线也是随水位的变化而不断变

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化，大船下水过桥时要充分考虑扫弯水的影响，以及流速、曲度、舵效差等给航行带来的航行困难。

在桥区水面纵比降有以下特点：弯道上段，其水面纵比降凸岸大于凹岸，弯道下段情况相反。

影响桥区流速、流态的因素多而复杂，如断面形状、水深、河道弯曲程度、桥墩的位置、河底的陡缓、糙率、风等都会使流速发生变化，导致一个断面上各点的流速不一样。

1）流速垂直分布

流速垂直分布大致是从水面到江底流速逐渐减小，靠近河底流速最小，有时接近于零。垂线上最大流速一般出现在水面以下五分之一到三分之一水深处。水面以下0.6倍水深处的流速近于垂线平均流速。由于河道槽率、水草、风、水深、潮汐以及上、下游河道情势等的影响，致使垂线流速分布曲线的形状各不相同。

2）横断面的流速分布

流速在横段面内的分布与断面形状相似，滩池流速最小，河中心流速最大，近岸小，岸边流速为零。河底与岸边附近流速最小；水面流速靠近两岸边的小于中泓部分，在水深最大处的流速最大。

垂线平均流速沿河宽变化与断面形状有关。在窄而深的河道上，垂线平均流速分布曲线的形状与断面形状相似。

3）流速在不同水位期的分布

（1）在枯水期深槽处流速小，浅滩上流速大。因为这时浅滩好似溢流坝，提高了水面比降，使流速增加。

（2）在洪水期深槽处流速大浅槽处流速小。因深槽常在弯窄段，洪水期大量水流涌入而使水流不畅，造成弯窄段的壅水现象，使比降增大。但此时在浅槽处，一般两岸展宽，断面增大，流速减小。

（3）河槽窄处流速大，宽阔处流速小。这种情况在高水位时很为明显。 2.1.2 位于河中心的桥墩对水流的影响

在桥梁对航运产生影响的诸多因素中，墩位的布设（特别通航桥孔）位置和形状的设计是其中的重要因素。对于不同河段，墩孔的布设和墩形的设计，有与不同河段的边界条件和水流条件相适应的要求，如果设计的合理，将减少对航行

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的不利影响。反之，如果设计的不合理，或很不合理，将会将会对航运产生不利影响。目前现有的桥墩中，由于某些原因，有些桥墩在墩孔的布设和墩型的设计上程度不同的存在着一些问题，致使这些桥墩对航运产生了一些不利的影响。

根据这些桥墩在墩孔的布设和墩型的设计方面对水流条件和航行条件影响的程度，大致可以分为无影响、基本无影响、有影响和有严重影响四类

1）无影响

凡是一跨过河的桥梁，因水中没有桥墩，不会干扰破坏河段原有的水流条件，所以对航行不产生明显的不利影响。

2）基本无影响

a.由于通航水域内布设桥墩较少，对河段水流条件的影响较少；

b.多孔通航、主孔跨度大且基本覆盖稳定的深槽，边孔也能满足通航要求； c.桥墩轴线与水流方向的夹角小于5度，因其夹角很小，产生的水流横向压力小，对航运基本无影响；

d.采用分水导流性能好的桥墩形状。在已建和在建的桥墩形状有椭圆形、半圆形、三角形、双层薄壁长方形以及多边形等，对航行基本无影响的桥梁，起桥墩形状基本上采用椭圆形或半圆形，因其分水导流性好，不会产生危害船舶安全航行的不良水流。

3）有影响

高水位时主流的变化使桥墩轴线与主流向的夹角偏大,所以产生的水流横向压力较大，水流流态也较紊乱，航行船舶操作困难。高水位时水流的变化区域扩大，使桥墩轴线与水流流向的夹角增大。

4）有严重影响

净宽较小，墩位多，如果位于河心的桥墩的墩位较多将会缩小河道的过水面积，使桥梁上游出现雍水，流速减缓，水流的挟沙能力降低，造成泥沙淤积。桥墩净宽相等，主通航桥孔没有覆盖整个航槽，深槽中的墩位教多。

建设桥梁在布设墩孔时应结合通航要求和桥区河段的实际特点，力争做到对航运不产生不利影响（或产生的影响很小，能够采用其他方法弥补），同时又要做到对桥区河段的演变不产生明显的不良影响，因此在布设桥孔时应做到：桥孔的布设考虑到建桥后桥墩对河床演变的影响，不要对上下游河势及航道水流条件

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产生明显的影响，如果可能的话应该尽量做到一跨过河，即在水中不设置桥墩；主通航孔的位置应当根据航迹线和传统的航线来划分，最好能够经过实船试验和专题论证来选定；主通航孔应该选在稳定的深槽，并尽可能覆盖整个通航水域，如不能覆盖整个通航水域而必须要设置多个通航孔的话，则至少应设置三个以上的通航孔，以适应各种水位、各种船型单、双向通航的要求；桥墩形状的选择最好采用导流性能好的椭圆形或者半圆形；桥轴线应与水流方向垂直，不得己时交角不要超过5度，以避免因为夹角过大而产生较大的水流横向压力、使得桥墩附近的水流流态紊乱。

2.2 水流条件对船舶过桥的影响

当船舶以船速v0行时，其中剖面与流速矢量的夹角为a,根据矢量加法定律，航速v等于船速v0与流速u的矢量和，

从图2.2-1中可见，因为在桥区航行的船舶与水流有一定的夹角，这不仅改变了船舶的航速而且改变了船舶的航行轨迹，使船舶的航迹带宽度变大，船舶安全航行比顺直航道需要更大的可航宽度。另外船舶航速大小同流速、流向和船舶本身的航向有关。顺流航行时，流舷角越大，航速越小，漂移量越大；逆流航行时，流舷角越大，航速越大，漂移量同样的大。所以，一般不主张在弯曲河段建桥，尤其不能在弯曲河段或者虽然弯曲但流速很大的河段建桥。

分析：本工程桥梁轴线与水流方向几乎平行，其夹角仅有1度，因其夹角很小，产生的水流横向压力小，没有改变该水域的水流状态，因而对航运安全基本无影响。

2.3 桥区气象因素对航行安全的影响

对事故进行分析发现，不少事故是在作用于船上的风力大于三到四级以上时发生的，气象条件突变因素（突然增加风力、水位急剧下降，能见度突然降低，风力猛烈增强等）对船舶航行安全起着特别重要的作用。

一般来说当风速超过七级时，出现事故的危险性较大。事故分析表明，船横风（舷风）是最危险的，当风以450到1300作用在船体上时，对航行影响比较大；迎面风的危险性较小，顺风的危险性更小。

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风对干舷和上层建筑较大的船舶有明显的影响，其对船舶作用的程度和特征与船舶受风面积、风动力中心分布位置、干舷高度与吃水之比、风舷角大小、船舶航向与航速等诸多要素有关。风力愈大使船舶产生倾斜、偏移、偏转的程度愈大。

①风致偏转 a、船舶静止中受风

船舶在停船时，不论是正横前来风，还是正横后来风，船舶的迎风端（船首或船尾）将顺风偏转至接近正横受风状态，同时向下风漂移，停止中的船舶最终

?漂移时多保持在正横稍前受风（风舷角??80）。

b、船舶前进中受风

船舶航行中受正横前来风的作用时，其受风偏转主要由风速、风向、船速以及装载状况来共同决定。船舶在空载（或压载）航行中受正横后来风的作用时，船首呈现出极强的迎风偏转性。此外，船舶航行中受风，且速度较高时，不论是前进还是后退，其运动的前端在风的作用下将转向迎风的方向，这种性质称为偏转的迎风性。迎风性偏转是风致漂移的结果，因此，必须以具备一定的风速和一定的运动速度为条件。

②风致漂移

船舶静止中受风偏转，一般最后以趋向正横受风向下风漂移，当风动力F?与水动力RW相等时，船舶将匀速漂移。而船舶在航行中受风时，将向下风侧产生漂移，若以保向为前提，船舶航迹与航向并不一致，斜航中的漂角即风压差的大小取决于航行中的漂移速度与船舶纵向运动速度。考虑到船舶在受横风时，风动力作用对船舶影响最大，则航行中船舶因风致漂移速度可以下式计算：

VT?VT?e?0.14VS??KVa?上式中：VT—航行中船舶风致漂移速度，m/s；

''Ba?0.14VS?eBw

VT—船舶静止中因风漂移速度，m/s；

VS—风中船速，节（Kn）。

?—浅水修正系数；

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K—系数，一般取0.038～0.041；

Bw—船体水线下侧面积； Ba—船体水线上侧受风面积

上述公式为船舶在深水域中停船受横风作用时的漂移速度，当船舶在港内、疏浚航道或受限水域中航行时，应按照实际水深与吃水之比H/d，对其进行相应的浅水修正。修正系数?如表2.3-1所示。

表2.3-1 船舶浅水中漂移的修正 H/d 船舶种类 普通船型 超大型船 1.1 0.6 0.5 1.5 0.7 0.6 2.0 0.8 0.7 2.4 其他自然条件对船舶航行的影响分析

1、雨和雪

本港降水多集中在7—8月，占全年的60%以上，日最大降雨量为191.5mm。降雨对于船舶的航行及进出港作业造成一定的影响。降雨会导致能见度降低，即使在使用雷达等导航仪器的情况下，仍可能影响船舶的正常航行，降雨也会对船舶的靠离码头作业造成一定的困难。

2、雾

本港雾多发生在冬季，年平均雾日为16.5天。雾对船舶航行及作业的影响较小。但雾日航行时，船舶应开启助航仪器，加强了望。

3.冰的影响

渤海湾常年冰期约为3个月(12月上旬至次年3月初)，其中1月中旬至二月中旬冰况最严重，为盛冰期。盛冰期间，沿岸固定冰宽度一般在500m以内，流冰外缘线大致在10～15m等深线之间，流冰方向多为SE～NW方向，流速一般为0.3m/s左右。但重冰年份的盛冰期间，渤海结冰范围占整个渤海海面70%以上，除渤海中部外，其它海区全被海冰覆盖，渤海湾冰厚一般为30～40cm，最大60cm左右。1969年2～3月渤海发生了自有记录以来未曾有过的严重冰封，其冰封范围之广、时间之长、危害之大是罕见的，它直接影响海上交通并严重威

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胁着海上建筑物及船只安全。造成这次严重冰封的四个主要原因为：寒潮入侵路径与常年极不相同且频繁；长时间的气、水低温；大量降雪和盛行的偏东风。

船舶在冰期航行时，船舶航行的阻力会增加，从而降低船舶航行的速度。

3 拟建大桥通航尺度论证分析

拟建大桥通航尺度论证分析主要包括通航净空高度分析、通航净空宽度分析、通航水深分析。

3.1 通航净空高度分析

通航净空高度数值为代表船型空载水线以上至最高固定点高度与富裕高度之和。详见图3.1-1。

a b 2m Hm h DHNWL 空载 DLNWL H Bm1 图3.1-1 通航净空示意图

Bm1—单孔单向通航净宽； Hm—桥梁通航净高； H—航道水深； b—上底宽； a----斜边水平距离； h—侧高；

DHNWL—设计最高通航水位；DLNWL—设计最低通航水位。

本工程设计代表船型为5000吨级杂货船和5000吨级液体化工及成品液体化工及成品油船，其空载水线以上至最高固定点高度值分别为30m和24m。

根据“通航海轮桥梁通航标准”（JTJ311-97），富裕高度在通航海轮的内河

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水域或有掩护作用的海域，取2m。

计算结果表明，代表船型所须的安全通航净空高度为32m和26m。根据工可，本项目通航净空高度采用海门桥的标准，即通航净空为7米（大沽零点）。根据计算结果，7米的通航净空不能满足代表船舶安全通过，在船舶过桥时，需要开启桥孔。在主通航孔开启时，桥下通航净空高度应达到32m。

3.2 通航宽度分析

3.2.1 漂移量数学模型的建立

由于实船试验无法将各种风、流情况下船舶的航迹进行实船观测，同时也无法对各种船舶的通航进行实船观测，所以必须建立相应的理论分析计算数学模型，才能对通过桥位河段的大型船舶和船舶在各种风、流情况下的航迹进行计算，尤其是在典型特征风、流情况下的航迹进行分析计算，从而为桥梁建设方案提供科学的依据。

设定计算坐标的原点均为各自西边墩中心坐标，纵轴（X）平行于各自桥轴线指向东边墩，横轴（Y）垂直于桥轴线指向下游。船舶过桥时，设船首尾线与Y轴的夹角称为偏航角α，流向与Y轴的夹角称为流向角β。那么任意船舶（队）在各种流影响情况下的漂移量（△B1）可用下式计算：

△B1=S×（VSinα+USinβ）/︱VCosα+UCosβ︱

其中：S——计算河长（m）；

V——船速（m/s）； U——流速（m/s）。

船舶在航行中受风影响情况下的漂移量（△B2）可用下式计算： △B2=K·(Ba/Bw)

1/2-0.14Vs

·e

·Va·S·Cos(1800 -α)/︱VCosα+UCosβ︱

其中：K=（ρa·Ca/ρw·Cw）

1/2

,该系数一般取0.038～0.041；

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Ba——船体水线上侧受风面积（m）；

Bw——船体水线下侧面积（m），取Bw=L×d； Vs——风中船速（kn）；

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Va——相对风速（m/s）； 3.2.2 计算结果分析

从下表中可以看出：船舶在不同流速、风速作用下航行时，航迹带宽因不同的U、Va值而变化，当船舶满载航行在泄洪条件下（流速为1.5kn）且在风速为5.4m/s时出现最小值。当船舶压载航行在不泄洪条件下（流速为0kn）且在风速为13.8m/s时达到最大值。各状态下船舶出现航迹带宽度如表3.2-1(a)、(b)所示。

表3.2-1(a) 根据风致漂移和流致漂移计算结果(3000吨级)

代表船型 流态 不泄洪 (0kn) 泄洪 （1.5kn） 不泄洪 (0kn) 泄洪 （1.5kn） 风速（级） 6级 （13.8m/s） 6级 （13.8m/s） 6级 （13.8m/s） 6级 （13.8m/s） 载货情况 满载 压载 满载 压载 满载 压载 满载 压载 安全过桥 最小宽度（m） 48.59 63.22 45.57 57.26 46.04 61.01 43.25 55.22 3000吨级 杂货船 3000吨级 液体化工及成品油船 分析结论：拟建桥梁的设计通航净宽为68米，5000吨级杂货船和5000吨级液体化工及成品油船在满载航行时，桥梁净宽完全能满足代表船型在6级风条件下（包括泄洪状态）通航安全的要求，代表船舶在满载时均能够安全通过桥孔，并且桥孔还有一定的安全富裕宽度。

5000吨级杂货船和5000吨级液体化工及成品油船压载不泄洪情况下航行时，当风力达到6级时船舶不能安全通航桥孔。

通过调研和统计，该地区年平均发生6级以上的大风约11次，出现频率仅为3.01%，所以6级及以上大风条件下船舶不能安全过桥的几率较小。 3.2.3 代表船舶安全航行过桥的极限条件

为了保证船舶在过桥航行中能有一定的航速以保持其应具有的操纵能力，确保安全过桥，根据漂移量数学模型可以算出船舶航行时的极限条件是：

Sinα+ B）/2≤68 （︱L×Sinα︱+︱B×Cosα︱）+︱△B︱+︱△B′︱+（ L×

可以计算出在最不利条件下（船舶压载），船舶安全通过桥孔的最大允许风速：

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，代表船舶安全通过桥孔的最大3000吨级船舶在最不利条件下（船舶压载）允许风力：

（7级风） （1）3000吨级散货船不泄洪时，Va≤16.65m/s ；（2）3000吨级散货船泄洪时，Va≤21.86m/s；（9级风）

（3）3000吨级液体化工及成品油船不泄洪时，Va≤18.16m/s；（8级风） （9级风） （4）3000吨级液体化工及成品油船泄洪时, Va≤23.78m/s。

，代表船舶安全通过桥孔的最5000吨级船舶在最不利条件下（船舶压载）大允许风力：

（6级风） （1）5000吨级散货船不泄洪时，Va≤11.32m/s ；（2）5000吨级散货船泄洪时，Va≤15.16m/s；（7级风）

（3）5000吨级液体化工及成品油船不泄洪时，Va≤11.00m/s；（6级风） （7级风） （4）5000吨级液体化工及成品油船泄洪时, Va≤14.82m/s。

3.3 通航水深分析

根据《内河通航标准》，天然和渠化河流航道水深可按下式计算：

H=T+△H

式中：H—航道水深（m）；

T—设计代表船型最大吃水（m）； △H—富裕水深（m）。

富裕水深、航道水深及设计代表船型最大吃水三者之间的关系如下图所示：

图3.3-1 富裕水深与航道水深示意图

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（1）富裕水深及作用

富裕水深或称剩余水深，是指自船舶平板龙骨外缘最低点至相应河底的垂直距离。富裕水深的作用是保证船舶航行安全。

（2）确定富裕水深的依据

①船舶航行时，因船体下沉需增加的水深：

船舶航行时，一般均有下沉量，它有时占富裕水深的2/3。影响船舶下沉量的因素很多，在理论上有不少半经验公式，其中以霍密尔公式较为简便：

式中：△Tcp——平均吃水增量，即船舶动吃水量（m）； h—— 航道深度（m）； V—— 船舶对水速度（m/s）； T—— 船舶吃水（m）；

m—— 与船型（L/b）有关的系数；

L—— 船长（m）； b—— 船宽（m）。

表3.3-1 吃水增量系数m表

L/b m 3.5 0.0038 4.0 0.0029 5.0 0.0023 6.0 0.002 7.0 0.0016 8.0 0.00145 这个公式较好的反映了m、T、V三个方面的变化及对△Tcp的影响。用霍密尔公式计算而得的△Tcp值与相似船型的实测△Tcp值比较接近，具有一定的科学性与可信性。

②保证船舶推进器安全而增加的吃水；

③保证船舶舵效应，以达到操纵灵活、安全增加的吃水； ④为防止船舶因波浪或其他原因偶然触及河底需增加的水深。

一般将第2项和第3项共需增加的水深用△h1表示，其中只需某一项满足时，另一项也满足，因此各项需增加的水深不需叠加。一般情况下△h1＝0.1m左右；

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当河底为岩石时，△h1＝0.1～0.5m；当河底为沙卵石时，△h1＝0.1m。但有些河段为了避免卵石上吸而打坏螺旋桨，△h1也应与岩石河底相同。在沙质河床，△h1一般小于0.1m。

⑤顶推船队编队后的吃水增量值△h2：

根据实船试验，山区河流大型顶推船队，编队后船舶吃水量略有增加，一般为0.06 m左右。本工程水域△h2可以不考虑。

综上所述，并结合本工程设计代表船队较小的实际情况，该连接段航行船舶所需富裕水深为：

△H＝△Tcp+△h1

根据上述公式，该连接段设计代表船型所需的富裕水深及航道深度如下表：

表3.3-2 连接段设计代表船型所需富裕水深及航道深度

船 型 5000吨级杂货船 5000吨级液体化工及成品液体化工及成品油船 T 7.0 7.1 △Tcp 0.035 0.035 △h1 0.1 0.1 △H 0.135 0.135 H 7.135 7.235 由海图作业可知，拟建桥梁的主通航孔水域的水深在7.9-8.4m,过桥水域水深均大于7.235m，可以满足设计代表船型安全航行。若按照本研究报告5.5章节的建议，将桥墩向东平移40米，由于大桥水域东侧水深较大，则更加能保证船舶航行安全，减少搁浅等海事事故的发生。

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二、码头通航安全技术论证案例

韩国大宇造船厂新建港池、航道工程水域通航环境安全评估研究

1 码头及附近水域通航环境与通航条件分析

大宇造船海洋（山东）有限公司是韩国大宇造船海洋株式会社在烟台经济开发区独资建设的一座大型造船厂。本工程位于烟台开发区八角镇东岛嘴附近，距烟台港西港区约20km。其码头位置见图1.1-1。

2006年12月，大宇造船海洋（山东）有限公司基本完成了一期工程，具备了生产船体分段的能力。在一期工程中，建成了100m5000吨级的材料码头一座和24m船体分段运输专用码头一座。在使用中，发现原设计的24m船体分段运输专用码头长度偏短，不能满足设计代表船型（10000吨级驳船）安全靠泊要求。经研究，该公司决定将其接长24m，二期加长至48m。本项目评估的对象为5000吨级的材料码头和接长以后的船体分段运输专用码头。

1.1 水文

1.1.1 潮汐

由于套子湾没有长期潮汐观测资料，仅收集到套子湾湾口初旺站1987年3月4日至4月3日一个月的观测资料，同时收集了与套子湾一岛之隔的芝罘岛海洋站1960年——1985年共26年的资料，以及1987年3月至4月与初旺站的同步资料，以进行比较计算。

芝罘岛海洋站设在芝罘湾内，已有多年历史，水尺零点在黄海海面下208cm。 利用上述资料，进行统计和调和分析，分别求出潮汐调和常数。根据潮汐比较法，以芝罘岛海洋站作为主港，初旺站作为副港，进行潮汐比较，发现两站的潮汐性质基本一致，潮汐性质判别数为0.32，故本湾为正规半日潮海区。

本区距烟台港23Km，距蓬莱43Km，根据对潮位的观测，求得本区的理论深度基准面特征潮位与工程潮位。

理论深度基准面：

烟台港理论深度基准面在平均海平面下1.47m； 蓬莱港理论深度基准面在平均海平面下0.95 m；

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推算求得八角港理论深度基准面在平均海平面下1.29m。 特征潮位：各高程以理论深度基准面起算 历史最高潮位 3.73m 历史最低潮位 -0.93m 平均潮位 1.29m 平均高潮位 2.02m 平均低潮位 0.59m 平均潮差 1.43m 最大潮差 2.59m 设计高潮位 2.42m 设计低潮位 0.21m

校核高潮位 3.28m（35年一遇） 校核低潮位 -0.99m（35年一遇） 1.1.2 海流

套子湾处于有潮海岸，湾口开敞，海流应以潮流和风海流为主。

实测潮流状况由龙洞嘴至芝罘岛的西北角、湾口到湾内，流速逐渐减弱，龙洞嘴附近海域的A1站，涨潮期间最大流速：76cm/s,流向：SE,落潮期间的最大流速：56cm/s,流向:NW;涨落潮间的最小流速只有10 cm/s左右。芝罘岛西北角附近海域的A4站，涨潮期间的最大流速：30cm/s左右，落潮期间的最大流速只有10cm/s左右。

套子湾的潮汐和潮流主要受成山头外海半日无潮点的影响，其次是受渤海海峡日无潮点的影响。

套子湾涨潮流向为东南向，涨至高潮前后流速最小。落潮时流速达到最大。 潮流流速由湾口向湾内，从西向东逐渐减弱。潮流的最大流速发生在龙洞嘴和八角东岛嘴附近的海域。如湾口西侧的A1站,表层平均最大流速为38cm/s,流向是330度；湾内表层平均最大流速不超过5cm/s；湾口东侧的表层最大流速也不超过10cm/s。

潮流随水深的增加流速减小。即:表层的流速大于底层的流速。 潮流的运动形式,西部以往复流为主,东部和湾顶部以旋转流为主。

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总之,涨潮流速小于落潮流速,涨潮历时长于落潮历时；涨潮流主流向偏SE向,落潮流主流向为偏NW向,但套子湾最东部的芝罘西湾,潮流主流向不遵循这一规律,而基本上是 NE、SW向。潮流的运动形式西部以往复流为主,东部和湾顶以旋转流为主。

套子湾的余流主要是地形所造成的潮汐余流和当时风场所决定的风海流。湾的西部有一顺时针的环流,底层较明显,东部为偏E向流,从芝罘岛西端偏N向流出湾外。最大余流发生在A1站表层和A4站底层,表层是17cm/s,流向138°,底层为15cm/s,流向6°。最小余流发生在C1站,表层流速2cm/s,流向302°；底层流速1cm/s,流向198°。 1.1.3 波浪

本区无长期波浪观测资料,与本区临近龙洞嘴1987年4月与芝罘岛进行了一个月的波浪同步观察,进行相关分析得相关参数为K＝0.92,东岛嘴比龙洞嘴更接近芝罘岛,与外海形势相同,因而可以推论:东岛嘴与芝罘岛的风浪相关系数K＝0.92,经统计分析芝罘岛的风浪资料,求得东岛嘴深水各向设计波高。

表1.1-1 东岛嘴各重现期波浪要素

风向 重现期 50年 H1/10（m） T(s) H1/10（m） T(s) H1/10（m） T(s) WNW NW NNW 4.6 9 4.3 8.6 3.9 8.1 5.6 10 5.2 9.5 4.8 8.8 5.9 10.7 5.6 10.3 5.1 9.6 N 6 10.7 5.6 10.3 5.1 9.6 NNE 5.6 10.4 5.3 10.0 4.8 9.3 NE 5.2 10.2 4.8 9.6 4.4 8.9 ENE 5.0 9.9 4.7 8.2 4.2 8.5 E 3.6 8.0 3.3 7.7 2.9 7.4 25年 10年 渔港位于东岛嘴南侧,北向西北有东岛嘴掩护,西向南向东南向为半岛大陆,只有东北及东向有风浪影响,东北向由于吹程长水深大,深水处H1/10风浪可达

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5.6m,东向为套子湾小风区(约20Km)风浪仅取决于风速。 1.1.4 冰况

据历史资料记载近四十余年来未出现大的冰冻。据统计，1960年至1979年20年间，只有三年海冰较重，该区出现了流冰和固定冰，最严重的1969年芝罘湾全部被冰覆盖，套子湾虽无此严重，但冰层面积较大。

1.2 气象

1.2.1 风

八角渔港位于东岛嘴南侧，据烟台市23Km,根据1987年同步观察，两地风速风向相关性除南风有一些偏差外，其它各项相关系数均在0.89以上。偏南风相差的主要原因是观察场地受南部山区影响，但对分析风浪而言，南向风由于吹程短不能产生较大风浪。

借鉴烟台气象台多年资料，本区风向频率统计结果如下：

表1.2-1 平均风速及其频率

风向 平均风6.0 5.6 4.1 4.6 4.3 4.5 4.8 6.3 6.0 5.4 4.4 4.6 4.5 6.5 8.1 7.3 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W WNW NW NNW C 速m/s 频率 6 7 2 3 3 4 7 11 4 4 5 8 9 7 9 10 3 表1.2-2 6级以上大风及其频率

风向 N NNE NE ENE E ESE SE SSE S SSW SW WSW W 0.65 0.07 0.03 0.04 0.12 0.26 0.74 0.36 0.27 0.11 0.12 0.20 WNW NW NNW C 0.91 2.03 1.87 大风频率 0.7 从表1.2-1和1.2-2可看出，常风向即全年最多风向为SSE,频率为11%，其次为NNW,频率为10%。强风向（即大风）为NE,频率为2.03%，其次为NNE,频率为1.87%。 1.2.2 气温

本地区地处温带沿海，属海洋暖温季风性气候，四季气温变化明显。一年中1月是全年气温最低月，月平均气温-1.6℃，二月-1.5℃。3月份起气温逐月上升，最热月出现在8月，月平均气温25.0℃，7月24.0℃。

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年平均气温12.5℃。

历年极端最高气温38℃（1972年6月8号） 历年极端最低气温-13.1℃（1970年1月4日） 1.2.3 降水

年平均降水量737.0mm

历年年最大降水量965.0mm(1951年) 历年年最小降水量434.8mm（1968年） 历年日最大降水量208.0mm(1963年7月24日) 历年日降水量≥25.0mm的日数年平均8天 1.2.4 雾及能见度

本区主要为辐射雾，次为平流雾。年平均雾日数17天，最多年份30天（1964），最少6天（1961年）。春、夏两季雾日较多，4至7月平均2.4-3.2天，10月、11月平均0.1和0.4天，其他月份在0.5-1.9天。 1.2.5 相对湿度

年平均相对湿度64%

历年最小相对湿度为零（1972年4月4日）。 历年最大相对湿度为100%，每年都出现过。

2 拟建码头前沿水域、锚地水域、航道条件分析

2.1 码头前沿水域

码头前沿水域包括两个部分，即船舶在泊位停靠时所占用的水域和船舶进行靠离泊作业时占用的水域，前者为泊位水域，后者为港池水域。另外，在港池外通常还应设有回旋水域，为船舶在靠离码头、进出港口需要转头或改向时提供足够的水域。根据“工程设计说明书”，按相关行业标准和规范，对码头前沿水域范围进行了分析。 2.1.1 泊位水域

码头泊位水域包括泊位长度（指设计船舶停靠码头时所需要占用的码头岸线

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长度）、泊位宽度（码头前水域宽度）、泊位水深。

（1）泊位长度

按照“海港总平面设计规范”（JTJ211-99）其泊位长度按下面公式确定：

端部泊位：Lb = L + 1.5d 中间泊位：Lb = L + d

式中：Lb —— 泊位长度；

d —— 船位富裕长度。

船位富裕长度与船舶长度的关系见表2.1-1。

表2.1-1 船位富裕长度与船舶长度的关系

L(m) d(m) 材料码头：

按设计停靠1艘2000吨级杂货船，兼顾停靠1艘5000吨级杂货船，计算码头长度如下：

设计：L=80+10×1.5=100m 兼顾：L=109+15×1.5=132m

根据“工程设计说明书”，材料码头设计长度为100m基本上能满足5000吨级杂货船的靠泊要求。 成品码头：

按设计停靠1艘10000吨级驳船，由于采取比较特殊的尾靠式，故应取设计船型的船宽来代替船长进行计算，计算码头长度如下：

设计：L=36+5×1.5=44m

目前码头实际长度24m不能满足设计代表船型1000吨级驳船的靠泊要求。 根据“工程设计说明书”，改建接长后的成品码头长度为48m，能够满足设计船型的靠泊要求。

（2）码头前沿停泊水域宽度

确定此宽度时，主要考虑船舶在系泊时，由于吹开风作用、缆绳变形、水流等因素的影响，船舶可能发生的漂移。一般情况下码头前沿停泊水域宽度取两倍船宽（由于成品码头的驳船采取尾靠式系泊，计算时应采用相关船型的船长代替

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≤40 5 41~85 8~10 86~150 12~15 151~200 18~20 201~230 22~25 >230 30 船宽），计算结果见表2.1-2所示。

表2.1-2 码头前沿停泊水域宽度计算表

设计船型 1千吨级船舶 2千吨级杂货船 5千吨级杂货船 8千吨级驳船 1万吨级驳船 船宽/船长B(m) 16.6 8.0 16.8 87.86 95 码头前沿停泊水域宽度(m) 33.2 16.0 33.6 175.7 190.0 根据“设计说明书”，本码头港池实际宽度590m，扣除设计代表船舶最大旋回直径237.5 m，剩余352.5m的码头前沿停泊水域宽度，能够满足设计代表船舶停泊安全要求。

（3）码头前沿设计水深

码头前沿设计水深是指在设计低水位以下的保证设计船型在满载吃水情况下安全停靠的水深。其深度可按下式确定：

D=T+Z1+Z2+Z3+Z4

式中: D——码头前沿设计水深（m）；

T——设计船型满载吃水（m）； Z1——龙骨下最小富裕深度（m）； Z2——波浪富裕深度（m），Z2＝KH4%-Z1； K——系数，顺浪取0.3，横浪取0.5； H4%——码头前允许停泊的波高，；

Z3——船舶因配载不均匀而增加的船尾吃水值（m）； Z4——备淤富裕深度（m）；

表2.1-3 船舶安全停靠水深计算表 单位：m

船型 计算参数

1000 3.6 0.3 0.45 0 2000 5.0 0.3 0.45 0 22

5000 6.5 0.3 0.45 0 8000 5.0 0.3 0.45 0 10000 DWT驳船 6.0 0.3 0.45 0 DWT DWT杂货 DWT杂货 DWT驳船 T Z1 Z2 Z3 Z4 D 0.4 4.75 0.4 6.15 0.4 7.65 0.4 6.15 0.4 7.15 经计算，设计最大代表船型在码头安全停泊的安全水深为7.65m，根据设计说明书，本码头的底高程为-7.50m，在设计低水位+0.21m时，水深为7.71m，能够满足该码头设计最大代表船舶（5000吨级杂货船）满载时的靠离泊要求。

需要注意的是，根据天津海事局海测大队的《大宇船厂港池、航道扫测工程技术报告》（2007年7月），本工程港池目前水深在6-8m之间，港池前沿线内有不到4m的水深存在，并存在5m等深线的浅区，海底明显呈现高低不平的状态，建议业主对码头前沿浅水区域进行疏浚，以满足船舶安全靠离泊作业。 2.1.2 回旋水域

回旋水域是为保证船舶在靠离码头、进出港口时进行掉头或改向操作而设置的水域，该水域可以与航行水域共用并有相同的水深。码头前沿应有足够的回旋水域以保证船舶进行正常旋回和掉头作业，该水域的大小与船舶尺度、转头方向、水流和风速风向等因素有关。

根据《海港总平面设计规范》，无掩护的开敞水域或缺乏港作拖船的港口码头回旋水域直径应按2.5倍的船长设计，则各设计船型的回旋水域直径见表2.1-4所示。

表2.1-4 码头前沿回旋水域宽度计算表 单位m 设计船型 1千吨级船舶 2千吨级杂货船 5千吨级杂货船 8千吨级驳船 船长L 60 80 109 88 码头前沿旋回水域直径 150 200 272.5 220 1万吨级驳船 95 237.5 根据“设计说明书”，本码头港池实际宽度590m，扣除码头前沿停泊水域最大宽度190m，剩余400m，船舶能够在港池内安全掉头。

根据天津海事局海测大队的《大宇船厂港池、航道扫测工程技术报告》（2007年7月），本工程掉头区从里向外水深在6-8米之间，整个测区水深比较平坦，但是西北角有-3.9米的水深存在，建议业主对码头西北角浅水区域进行疏浚，以满

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足船舶安全旋回作业。 2.1.3 制动水域

根据《海港总平面设计规范》，船舶制动水域宜设在进港方向的直线上，当布置有困难时，可设在半径不小于3～4倍设计船长的曲线上。船舶制动距离可取3～4倍设计船长。当进港条件较差时，对5000吨级以上的重载船舶，其制动距离可适当加大，但不宜超过5倍设计船长。本报告针对5000吨级以下船舶（不含）取4倍船长，其他船舶取5倍船长。具体情况见下表。

表2.1-5 船舶制动距离

设计船型（t） 1千吨级船舶 2千吨级杂货船 5千吨级杂货船 8千吨级驳船 1万吨级驳船 船长（m） 60 80 109 88 95 船舶制动距离（m） 240 320 545 440 475 根据中交天津港航勘测设计研究院有限公司提供的《大宇造船海洋（山东）有限公司航道设计总说明》，船舶在进入码头港池前的最后一段航道距离为1110m，由此可见满足船舶安全制动的要求。

2.2 锚地设置

2.2.1 烟台港现有锚地

烟台港共有锚地4处，分别为：第一引航检疫锚地、第二引航检疫锚地、油轮过驳锚地和避风锚地。

（1）第一引航检疫锚地（1号锚地）：位于港内中部，为下列四点连线以内水域：

A：37°33′10″N， 121°24′40″E B：37°33′29″N， 121°25′36″E C：37°34′44″N， 12l°25′ 48″E D：37°34′16″N， 121°24′23″E

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锚地水深-6.9—14.9m，底质为泥及泥沙底，锚抓力良好，供500总吨以下的船舶或经主管机关批准的船舶锚泊，可避7—8级西风和南风。

（2）第二引航检疫锚地（2号锚地）：位于崆峒岛北方，即下列四点连线范围内水域：

A： 37°40′ 30″N， 121°29′15″E B： 37°40′ 30″N， 12l°3l′45″E C： 37°39′ 00″N， 121°31′ 45″E D： 37°39′00″N， 121°29′15″E

该锚地底质为泥沙底，经过-18m水深扫海测量，供各类船舶锚泊。 （3）油轮过驳锚地：位于芝罘岛北方，即下列五点连线范围内水域： A：37°38′50″N，121°24′00″E B：37°38′50″N，121°24′13″E C：37°38′37″N，12l°24′ 38″E D：37°38′00″N，121°25′ 09″E E：37°38′00″N，12l° 24′00″E

该锚地泥沙底，业经-18m水深扫海测量。仅限于过驳作业的油轮锚泊：外国籍船舶进出该锚地时，必须由海事局指派引航员引航。锚地的东北角水域有海底电缆经过，船舶锚泊时应注意。

（4）避风锚地：位于马岛和担子岛的西南侧，为下列五点连线范围内水域： A：37°34′32″N，121°27′30″E B：37°33′42″N，121°28′36″E C：37°33′08″N，121°30′10″E D：37°32′29″N，121°29′50″E E：37°32′29″N，121°27′30″E

该锚地水深-6—-9m，泥底，锚抓力良好，可避6-7级东北风。锚地的东南角水域有养殖，船舶锚泊时应注意。 2.2.2 烟台港西港区规划锚地

烟台港西港区目前规划有4个锚地：烟台港第四引航检疫锚地、烟台港第五引航检疫锚地、烟台港第六引航检疫锚地、烟台港第七引航检疫锚地。各锚地详

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细参数见表2.2-1。

表2.2-1 烟台港西港区规划锚地

锚地名称 锚地面积 （k㎡） 水深 （m） 地理坐标 ①37° 59＇ 00\， 121° 26＇ 00\②37° 56＇ 00\， 121° 26＇ 00\③37° 59＇ 00\， 121° 31＇ 00\④37° 569＇ 00\， 121° 31＇ 00\①37° 50＇ 00\， 121° 14＇ 00\②37° 46＇ 00\， 121° 14＇ 00\③37° 50＇ 00\， 121° 19＇ 00\④37° 46＇ 00\， 121° 19＇ 00\①37° 50＇ 00\， 121° 06＇ 00\②37° 48＇ 30\， 121° 06＇ 00\③37° 50＇ 00\， 121° 09＇ 00\④37° 48＇ 30\， 121° 09＇ 00\①38° 05＇ 30\， 121° 20＇ 00\②38° 04＇ 00\， 121° 20＇ 00\③38° 05＇ 30\， 121° 23＇ 00\④38° 04＇ 00\， 121° 23＇ 00\用途 烟台港第四引航检疫锚地 （规划） 41 25 大型干散货船舶锚地 烟台港第五引航检疫锚地 （规划） 53 18 通用锚地、联检、引航锚地 烟台港第六引航检疫锚地 （规划） 12.6 18 危险品船舶锚地 烟台港第七引航检疫锚地 （规划） 12 30 原油船舶锚地 2.2.3 拟建船厂工程锚地设置

对于锚地的选择应注意以下几个方面。

（1）锚地位置因选在天然水深适宜，海底平坦，锚抓力好，水域开阔，风、浪和水流较小，便于船舶进出航道，远离礁石、浅滩，并具有良好定位条件的水域。

（2）锚地的边缘距航道边线的安全距离：港外锚地不应小于2～3倍的设计

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船长。

（3）锚地底质以泥质及泥沙质为好，应避免在硬粘土、硬沙土、多礁石与抛石地区设置锚地。

（4）应尽量避免在横流较大的地区设置双浮筒系泊锚地。 （一）烟台港西港区规划锚地未投入使用前拟建船厂工程锚地设置

近期拟建船厂工程锚地设置：通过对烟台港现有锚地水深条件、地质条件及锚地规模和功能的分析、结合本工程的设计船型，建议本工程设计代表船型现阶段利用烟台港2号锚地进行检疫和候泊；建议本工程设计代表船型利用烟台港担子岛避风锚地进行避风。

远期拟建船厂工程锚地设置：考虑到本工程远期代表船型为30万吨级的油船和集装箱船，烟台港现有锚地将不能满足VLCC船舶安全锚泊的要求，建议到时重新规划大型船舶锚地，并另立项目对其进行安全评估。 （二）烟台港西港区规划锚地未投入使用前拟建船厂工程锚地设置

烟台港西港区规划锚地投入使用后，近期进出船厂的驳船和杂货船可利用烟台港第五引航检疫锚地进行检疫和候泊；远期30万吨级的油船和集装箱船，可利用烟台港第七引航检疫锚地进行检疫和候泊。

近期本工程设计代表船型避风锚地仍利用烟台港担子岛避风锚地进行避风。

2.3 拟建航道条件分析

大宇造船海洋（山东）有限公司于2007年5月建成投产，目前建有钢材码头一座（长100m）和船体分段运输专用码头一座（原设计长度24m，使用中发现原设计长度偏短，决定将其变为48m）。按照规划，该公司将陆续建设30万吨级以下舾装码头1200m以及100万吨级船坞二座。该公司以东水域养殖物较多，历史上形成南北两条航道。航道范围之外区域均被养殖物占满。北航道原设计宽度200m，但被农民养殖物侵占较多，最窄处已不足100m。南航道原设计宽度400m，现已不足200m。北航道曾经烟台海事局批准为八角渔港临时航道。南航道仅为当地农民养殖船和渔船使用，未经当地海事局批准。

本次设计主要为南航道重新勘测、定线并设置浮标，以满足大宇造船海洋（山东）有限公司钢材运输船和分段运输船的航行要求。本航道以内不允许进行任何

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水产养殖作业。

拟建船厂工程航道宽度近期按双向航道设计，航道设计水深为-9.0m，航道宽度为400m，双向通航5000吨级的杂货船。远期航道设计宽度为800m。

大宇造船厂港池航道范围见下表2.3-1。

表2.3-1 大宇造船厂港池、航道范围

编号 区域 序号 A 1 港池 B C D 纬度 37° 37＇ 45.03\ 37° 37＇ 12.73\ 37° 37＇ 15.79\ 37° 37＇ 48.10\ 经度 121°08＇ 17.53\ 121°08＇ 24.12\ 121°08＇ 47.87\ 121°08＇ 41.28\

续表2.3-1 大宇造船厂港池、航道范围

编号 区域 序号 E F 2 转头区 G H I J K 3 内航道 L M N O 4 外航道 P Q R 纬度 37° 37＇ 12.81\ 37° 36＇ 51.71\ 37° 36＇ 49.39\ 37° 36＇ 58.93\ 37° 37＇ 00.72\ 37° 37＇ 19.97\ 37° 36＇ 49.39\ 37° 37＇ 54.38\ 37° 38＇ 07.55\ 37° 37＇ 02.94\ 37° 37＇ 50.86\ 37° 40＇ 44.17\ 37° 40＇ 52.59\ 37° 37＇ 59.28\ 经度 121°08＇ 24.34 121°08＇ 53.25 121°09＇ 07.82 121°09＇ 10.22\ 121°08＇ 59.00\ 121°08＇ 32.60\ 121°09＇ 07.82\ 121°17＇ 00.00\ 121°17＇ 00.00\ 121°09＇ 11.19\ 121°16＇ 10.16\ 121°19＇ 57.01\ 121°19＇ 46.84\ 121°15＇ 59.98\ 航道平面位置如图2.3-1所示：

28

2.3.1 航道通航水深分析

按照海港平面设计规范，航道设计水深（D）按下式计算：

D=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4

式中：

Z0 — 船舶航行时船体下沉增加的富裕水深（船舶在航道内航速按8～10节计算。）

Z1 — 龙骨下的最小富裕水深，取0.4m；

Z2 — 波浪富裕水深，本区常浪向NNW和NW，频率分别为8.20%和8.19%，与航道AB段夹角约为70°和90°、BC段夹角分别约为75°和55°；强浪向为NNW，该向H4%>1.5米的波高频率为3.07%。故船浪夹角按90° 计算，航行允许波高H4%=1.5米，Z2=0.52×1.5=0.78米。

Z3 — 船舶纵倾富裕深度；

Z4 — 备淤富裕深度，由于对拟建船厂工程水域泥沙淤积影响最大的是夹河，泥沙在NNE向波浪作用下,总的趋势是从海湾西部向东部运移,拟建船厂工程在套子湾西部,泥沙量很少，取0.4m。

乘潮水位：设计高潮位2.42m，设计低潮位0.21m。

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表2.3-2 航道水深计算表

船型 1千吨级杂货船舶 2千吨级杂货船 5千吨级杂货船 8千吨级驳船 1万吨级驳船 5万吨级油船 15万吨油轮 30万吨级集装箱船 30万吨级油船 满载吃水 3.6 5.0 6.5 5 6 12.8 17.1 14.5 Z0 0.3 富裕水深（米） Z1 Z2 Z3 0 0 0 0 0 Z4 0.4 0.4 0.4 0.4 0.4 5.48 6.89 8.4 6.91 7.93 15.16 19.58 16.89 24.7 D（米） 航道设计 水深（m） -9.0 -9.0 -9.0 -9.0 -9.0 -9.0 -9.0 -9.0 -9.0 结论 满足 满足 满足 满足 满足 不满足 不满足 不满足 不满足 0.4 0.78 0.31 0.4 0.78 0.32 0.4 0.78 0.33 0.4 0.78 0.35 0.4 0.78 0.43 0.6 0.78 0.15 0.4 0.55 0.6 0.78 0.15 0.4 0.61 0.6 0.78 0 0.4 22.15 0.62 0.6 0.78 0.15 0.4 根据《大宇造船海洋（山东）有限公司航道施工图设计》，进出港航道工程近期设计水深为9 m，因此，近期最大设计代表船型（10000吨级驳船）在不乘潮的情况下，航道设计水深能够满足10000吨级及以下设计船型的通航安全要求。由于远期设计最大代表船型为30万吨级船舶，所以建议业主在远期设计代表船舶营运后，对航道水深进一步疏浚已满足船舶安全航行的需要。

图2.3-2 航道内浅点位置示意图

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另外，根据天津海事局海测大队提供的《大宇船厂港池、航道扫测工程技术报告》，航道有4个相对高度超过2.5m的浅点，性质不明，见图4.2-1。分布于航道中的1号浅点呈条状，长约64m；2号呈条状，长约14m；3号浅点为边长3m的正方形区域；4号浅点为大小约1m见方的区域。同时，转头区西北角有一水深3.9的浅点存在。为了保证船舶航行安全，建议对上述浅点进行疏浚。 2.3.2 航道通航宽度分析 （1）单向通航理论宽度计算

本工程30万吨级集装箱船、30万吨级油轮航道分别按单向航道设计，根据相关规范可以计算单向航道宽度：

W=A+2c

式中：A-航迹带宽；A＝n ( Lsinγ+ B )

γ-风、流压偏角。

根据2007年关于航道潮流观测和分析，航道涨潮潮段潮流最大流速为76cm/s，涨潮流流向135°；落潮潮段最大流速为56cm/s，落潮流流向为315°。根据航道走向的不同（外航道走向为045°/225°、内航道走向080°/260°），可以将航道分为外航道和内航道两段，其中外航道水流与航道轴线夹角约为89° ～ 90°，内航道水流与航道轴线夹角约为50°。根据不同的船舶适航条件并结合《海港总平面设计规范》中风、流和风流压角的关系，将风流压偏角分别取γAB＝10°、γAB＝7°; γBC＝7°、γBC＝3°。

n-船舶漂移倍数，外航道段n分别取1.59、1.69；内航道段n分别取1.69、1.81。

c-船舶与航道底边的富裕宽度。 B-船舶宽度。

按照规范计算，结果如表2.3-3：

表2.3-3 外航道段单向航行航道宽度

船舶吨级 1千吨级杂货船舶 2千吨级杂货船 船长 L 60 80 船宽 B 16.6 8.0 航道宽度（γ＝10°） V ≤ 6kn 59.6 42.8 V ＞ 6kn 67.9 46.8 航道宽度（γ＝7°） V ≤ 6kn 57.0 38.0 V ＞ 6kn 65.3 42.0 31

5千吨级杂货船 8千吨级驳船 1万吨级驳船 5万吨油轮 15万吨油轮 30万吨级集装箱船 30万吨级油船 109 87.86 95 229 275 332.0 332.0 16.8 24.4 36 32.3 48 43.2 58.0 73.6 87.5 119.5 179.2 248.2 203.6 299.9 82.0 99.7 137.5 211.5 296.2 225.2 357.9 67.6 83.7 116.4 166.4 233.8 184.6 282.4 76.0 95.9 134.4 198.7 281.8 206.2 340.4 表2.3-4 内航道段单向航行航道宽度

船舶吨级 1千吨级杂货船舶 2千吨级杂货船 5千吨级杂货船 8千吨级驳船 1万吨级驳船 5万吨油轮 15万吨油轮 30万吨级集装箱船 30万吨级油船 船长 L 60 80 109 87.86 95 229 275 332.0 332.0 船宽 B 16.6 8.0 16.8 24.4 36 32.3 48 43.2 58.0 航道宽度（γ＝7°） V ≤ 6kn 57.0 38.0 67.6 83.7 116.4 166.4 233.8 184.6 282.4 V ＞ 6kn 65.3 42.0 76.0 95.9 134.4 198.7 281.8 206.2 340.4 航道宽度（γ＝3°） V ≤ 6kn 52.3 30.1 57.5 76.9 110.2 144.8 208.9 152.8 252.4 V ＞ 6kn 60.6 34.1 65.9 89.1 128.2 177.1 256.9 174.4 310.4

根据以上计算结果可见，外航道段的流压角比较大，基本是横流，所以其所需要的航道宽度也比较大。近期航道设计宽度400m可以满足近期最大设计代表船型单向安全航行的需要。同时，也满足远期30万吨级集装箱船和30万吨级（油轮）单向通航。 （2）双向通航理论宽度计算

根据烟台港的生产和发展需要，本工程需要满足5000吨级杂货船一万吨级驳船的双向航行，按规范计算双向航道宽度：

W=c1+A1+b+A2+c2

式中：

A1 、A2 — 航迹带宽度。 A = n（Lsinγ+ B）

γ— 风流压偏角，根据不同的船舶适航条件，风流压偏角分别取γγAB＝7°; γ

BC

AB

＝10°、

＝7°、γBC＝3°。

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n — 船舶漂移倍数，AB段n分别取1.59、1.69；BC段n分别取1.69、1.81。 b — 船舶间富裕宽度，取双向航行船舶大船船宽。 c1、c2 — 船舶与航道底边的富裕宽度，船速按8节计算。 按照规范，计算结果见表2.3-5。

表2.3-5 外航道段双向航行航道宽度

船舶吨级 1千吨级杂货船舶 2千吨级杂货船 5千吨级杂货船 8千吨级驳船 1万吨级驳船 5万吨油轮 15万吨油轮 30万吨级集装箱船 30万吨级油船 船长 L 60 80 109 87.86 95 229 275 332.0 332.0 船宽 B 16.6 8.0 16.8 24.4 36 32.3 48 43.2 58.0 航道宽度（γ＝10°） V ≤ 6kn 119.1 85.6 147.2 174.9 238.9 326.1 448.5 407.1 541.8 V ＞ 6kn 127.4 89.6 155.6 187.1 256.9 358.4 496.5 428.7 599.8 航道宽度（γ＝7°） V ≤ 6kn 114.0 76.0 135.3 167.5 232.8 300.4 419.5 369.2 506.8 V ＞ 6kn 122.3 80.0 143.7 179.7 250.8 332.7 467.5 390.8 564.8

表2.3-6 内航道段双向航行航道宽度

船长 船舶吨级 L 1千吨级杂货船舶 2千吨级杂货船 5千吨级杂货船 8千吨级驳船 1万吨级驳船 5万吨油轮 15万吨油轮 30万吨级集装箱船 30万吨级油船 60 80 109 87.86 95 229 275 332.0 332.0 B 16.6 8.0 16.8 24.4 36 32.3 48 43.2 58.0 V ≤ 6kn 114.0 76.0 135.3 167.5 232.8 300.4 419.5 369.2 506.8 V ＞ 6kn 122.3 80.0 143.7 179.7 250.8 332.7 467.5 390.8 564.8 V ≤ 6kn 108.4 65.2 121.9 159.3 226.3 271.7 387.2 326.6 467.8 V ＞ 6kn 116.7 69.2 130.3 171.5 244.3 304.0 435.2 348.2 525.8 船宽 航道宽度（γ＝7°） 航道宽度（γ＝4°） 由于近期拟建码头靠泊的主要是5000吨级的杂货船和1万吨级的驳船。由

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上表可知：两艘1万吨级的船舶双向通航，所需的航道宽度为256.9米，而近期航道宽度设计为400m，因此，近期航道设计宽度能够满足10000吨级驳船双向通航的要求，亦满足5000吨级杂货船双向通航的要求。远期航道宽度设计为800m，也能够满足最大设计代表船型30万吨级船舶双向通航的要求。

三、锚地通航安全技术论证案例：

天津港4#（规划2#）锚地通航环境和锚泊安全评估研究 1 锚地及附近水域通航环境分析

1.1 天津港水文气象

根据天津港4#锚地工程可行性研究报告和补充报告，天津港气象水文资料各参数值如下： 1.1.1 气象 （1）气温

根据塘沽气象站的资料统计分析结果为：、 年平均气温 12.0℃ 最高平均气温 16.1℃ 最低平均气温 8.7℃ 极端最高气温 39.9℃ 极端最低气温 -18.3℃ （2）风

根据资料统计分析：常风向为SW向，出现频率为9.90%；其次为SE向，频率为8.44%。强风向为NW向，次强风风向为WNW向，三年各向大于等于6级风的总频率为2.47%。夏季多出现E、SE、SW向，频率分别为3.04%、3.17%、2.12%；冬季多出现NW、WNW、W向，频率分别为2.97%、2.56%、2.30%。

1951~1980年30年内最大风速为26.5米/秒，风向为E。极大风速为48.7米/秒，风向为N。

（3）雾

天津港地区雾较轻，经30年资料统计，平均每年为14.2个雾日，多出现在

34

于冬季。根据1991~1993年资料统计分析，能见度小于1公里的大雾平均每年出现5天。 1.1.2 水文

（1）潮位

塘沽潮汐性质类型指标为HK1+HO1/HM2=0.53。潮型为不规则半日潮。 潮位特征值：（自新港理论最低潮面起算，下同） 最高高潮位 5.81米。 最低低潮位 -1.08米。 平均海平面 2.56米。 最大潮差 4.37米。 平均潮差 2.43米。 平均高潮潮位 3.77米。 平均低潮潮位 1.34米。 （2）设计水位

设计高水位 4.30米。 设计低水位 0.5米。 极端高水位 5.88米。 极端低水位 -1.29米。 （3）乘潮水位

据天津港全年潮位资料统计分析，不同乘潮延时累积频率潮位值见表1.1-1。

表1.1-1 乘潮水位表 累积频率 乘潮延时 1h 2h 3h 4h 5h 80 3.40 3.25 3.15 2.95 2.73 85 3.30 3.15 3.05 2.85 2.65 90 3.15 3.02 2.92 2.73 2.53 95 2.95 2.85 2.75 2.60 2.32 98 2.70 2.60 2.50 2.30 2.06 （4）波浪

35

选用塘沽海洋站波浪实测资料统计：

本区常浪向ENE和E，频率分别9.68%和9.53%，强浪向ENE，该向H4%>1.5的波高频率为1.35%,波浪周期T≥7.0S的频率仅为0.35%。

（5）海流

根据实测资料分析，外海的海流基本为往复流型，涨潮主流向NW，落潮主流向SE，涨潮流速大于落潮流速。各站最大流速大致是由表层向底层逐渐减小。从不同站位看，由岸边向外海随着水深增加，最大流速逐渐增大。 1.1.3 海冰

本工程水域海冰冰情概述如下：工程水域每年冬季均有不同程度的海冰出现，初冰日在12月中下旬，终冰日在2月下旬，总冰期约60~80天。本海区受黄海暖流分支进入渤海的影响，冰情较轻，主要表现为冰期较短，冰区范围较窄，曹妃甸浅滩的沿岸冰，冰情生于秦皇岛，而流冰轻于秦皇岛，盛冰期浅滩的固定冰宽度为3~5km，冰厚20~30cm，最厚45cm，堆积高度一般为1~2m，最高可达4m。

1.2 锚地海域水文气象

根据天津港4#锚地工程可行性研究补充报告进一步补充了对4#锚地及有关海域的海流、波浪、风等资料，并据此对4#锚地进行了进一步论证。其中4#锚地的水文气象资料各参数值如下： 1.2.1 气象

4#锚地工程的气象资料是依据锚地附近的唐海气象站南堡气象站的实测资料进行的相关统计，主要参数包括：

（1）气温

年平均气温 11.4℃ 年极端最高气温 36.3℃ 年极端最低气温 -20.9℃ （2）降水

年平均降水量 544.9mm

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日最大降水量 186.9mm 日降水量≥25mm的年降水日数为5.8天。 日降水量≥50mm的年降水日数为2.0天。

本地区降水有显著的季节变化，降水多集中在6月～8月，其降水量为年降水量的70%，而每年的12月至翌年的3月为干旱季节，四个月的降水量仅为年降水量的3.5%。

（3）雾

能见度小于1公里的雾日平均每年出现天数为9.0天，大雾多出现于11月至翌年的2月。

（4）风

根据南堡气象站观测资料统计，本海区常风向为SSW向，出现频率为10.0%，次常风向为ENE和SSE向，出现频率为9.0%。强风向为ENE向，次强风向为NE向。全年各方向≥7级风的出现频率为4.9%。

（5）相对湿度

年平均相对湿度66%，7月份相对湿度较高，为79%；11月份平均相对湿度最低，为60%。 1.2.2 水文

（1）潮位

为工程需要在曹妃甸甸头水深-26米处进行了为期一年（2000年10月16日～2001年10月15日）的潮位观测，实测资料统计分析如下：

高程关系见图1.2-1。

图1.2-1 工程水域潮位高程关系图

该海区潮汐性质为不规则半日潮，其

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HK1?HO1?0.81HM2

潮汐值均从当地理论最底潮面起算。 潮位特征值：

最高高潮位： 3.38米。 最低低潮位： 0.14米。 平均高潮位： 2.47米。 平均低潮位： 1.07米。 平均海平面： 1.77米。 平均潮差： 1.40米。 最大潮差： 2.74米。 设计水位：

设计高水位 2.91米。 设计低水位 0.53米。 极端高水位 4.46米。 极端低水位 -1.27米。 1.2.3 波浪

（1）波浪概况

根据国家海洋局1996~1997年在曹妃甸南水域水深为-26m处投放DS14型遥测浮标进行1年的波浪观测，青岛环海海洋勘测研究院于1999年3月~12月使用SZF-II数字温波仪，Seapac2100h和HAB-2型岸用光学测波仪进行了为期1年的（冬季因冰停止）波浪补充观测。根据上述实测资料统计：该海区常浪向为S向，出现频率为10.87%，次常浪为SW向，出现频率为7.48%。强浪向ENE向，该向H4%≥1.5m出现频率为1.63%，次强浪向为NE向，H4%≥1.5m出现频率为0.97%，观测期间未出现平均周期大于7.0s的波浪。

（2）设计波要素

中国海洋大学就曹妃甸附近海域进行了波浪后报的数值计算。计算模式在海大“九五”国家科技公关项目海浪数值模型的基础上进行优化和完善后的模式，根据要求选择了影响曹妃甸甸头东、南、西三个水域12断面进行数值计算，根

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据海大提供的中间成果等深线-25m处各向不同重现期波要素见表1.2-1。

表1.2-1 不同重现期波要素表 重现期 方向 E SE S SW W 50年 H4%(m) 5.8 5.0 4.5 4.2 3.9 5年 2年 T(s) 8.4 8.3 7.6 7.1 7.0 H4%(m) 4.5 3.8 3.5 3.4 3.2 T(s) 7.6 7.3 6.5 6.2 6.2 H4%(m) 4.0 3.3 3.0 3.0 2.9 T(s) 7.1 6.8 5.8 5.7 5.6 1.2.4 海冰

国家海洋环境监测中心1999年~2000年冬季在曹妃甸岸边NE~SW走向布设7个测站进行了海冰观测。

本工程水域海冰冰情概述如下：工程水域每年冬季均有不同程度的海冰出现，初冰日在12月中下旬，终冰日在2月下旬，总冰期约60~80天。严重冰期从1月中旬到2月中旬。1月26日对曹妃甸海区进行了全面观测，其冰情如下：整个观测海区全为冰覆盖，总冰量为10（成）固定冰量为10（成）流冰量为9（成）。固定冰主要为重叠冰和覆雪冰。其冰型为可随海面升降做垂直运动的沿岸冰和退潮留在浅滩上的搁浅冰，一般冰厚10cm，最大冰厚40cm。浮冰密集度为10（成），冰型以灰冰（冰厚为10~15cm）为主，其次为灰白冰（冰厚为15~30cm）和尼罗冰（冰厚小于10cm）。1月27~29日海面冰区范围略有扩大，1月30日受持续降温天气影响，海冰厚度增加，固定冰和浮冰的外缘线向海外延伸。2月中旬，随着气温回升，固定冰的范围在缩小。2月下旬海面的冰量大幅度减少，浮冰以冰皮（冰厚5cm左右）尼罗冰（冰厚小于10cm）为主。截止3月6日，观测海区海冰完全消失。

本工程海域水深达-25.0米，平常年份无固定冰，仅有少量浮冰。 1.2.5 海流

1996年10月15~15日，20~21日在曹妃甸海域进行了大、小潮两次测验，每次布设13个测点。每次进行13小时观测，锚地附近海域取用3#测点，根据

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实测资料分析，该海区具有以下特征：

（1）观测海区潮流为规则半日潮流，运动形式呈往复流，其流向与海底地形有关，在浅滩外侧大致与岸线平行。

（2）曹妃甸甸头以南的深槽，海流流向呈E~W向，该水域为强流区，最大流速可达140cm/s;

（3）观测海区，涨潮流速大于落潮流速，其涨、落潮时段流速比大潮1.4:1，小潮1.2:1。

1.3 港口锚地

1.3.1 港口锚地现状

天津港现有1#、2#和3#锚地，其中1#、2#锚地可锚泊5万吨级以下船舶，3#锚地为10万吨级船舶锚地，可锚泊5万吨级~10万吨级以下船舶。

表1.3-1 1#、2#和3#锚地位置、参数表 锚 地 名 称 锚地尺度 面 积 （km2） 平均水深 (m) 控制点 A1 1#、2# 锚地 130 -12.0 B1 C1 D1 A2 3# 锚地 24 -20.0 B2 C2 D2 地理坐标 N 38°59′24″ 38°54′02″ 38°52′38″ 38°58′01″ 38°51′49″ 38°50′13″ 38°49′43″ 38°48′07″ E 117°58′18″ 117°56′54″ 118°05′40″ 118°07′04″ 118°10′18″ 118°08′46″ 118°13′53″ 118°12′21″ 10万吨级船舶 5万吨级以下船舶 锚泊船舶等级 1.3.2 存在的问题

目前天津港有三个15万吨级泊位已建成投产，南11#20万吨级泊位正在加紧建设，同时天津港又在筹建南12#20万吨级矿石泊位和外海25万吨级原油码头；在进港航道方面，天津港正在加紧进行15万吨级航道的建设，15万吨级航道一期工程于今年6月完工，并在进行后续阶段的建设；另外20~25万吨级航道的研究工作也在同步进行。

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但是，目前天津港仅有1#、2#和3#锚地，1#、2#锚地，锚泊5万吨级以下船舶，3#锚地为10万吨级船舶锚地，锚泊5万吨级~10万吨级船舶，所以现有1#、2#和3#锚地都不能满足15万吨级及以上船舶的锚泊要求，因此为了适应港口吞吐量增长的要求和促进腹地经济的快速、持续发展，充分发挥港内大型泊位和深水航道的能力，天津港急需建设与港内大型泊位和深水航道相配套的15~25万吨级船舶锚地，拟建的天津港4#（规划2#锚地）正是满足了该需要。 1.3.3 锚地规划情况

根据天津港2020年预测吞吐量、到港船舶密度和大型泊位情况，由排队论方法推算，同时考虑到4#锚地为普通散货船和油轮共用锚地等因素，4#锚地拟设计为9个锚位。

2 拟建锚地合理性评估分析

锚地建设将对港口的长远规划与发展产生积极而重要的影响，因此，锚地建设必须考虑相关的要求和港口的长远发展。本章主要从锚地的选址，锚地的规模，锚地底质等方面对拟建锚地合理性进行详细评估分析。

2.1 锚地选址合理性评估分析

2.1.1 锚地选址的要求

锚泊用途不同，对锚地要求也不完全相同。一般锚泊和避风锚泊，避一般强风锚泊和避台风锚泊，长时间锚泊和短暂锚泊，具体情况和对锚地的具体要求并不一样。有的锚地水深、底质良好，但不适于避风；有的锚地适于避定向强风，不适于避变向强风，如台风。选择锚地当然要注意尽量能满足锚泊的共性要求，如水深、底质、潮流，但更重要的是，还要能够满足航次锚泊的特殊要求，才能确保不致因锚地问题造成抛锚失败。

概括起来看，选择锚地主要从以下几个方面加以考虑： （1）适当的水深：

适当的水深至少应该考虑到船舶吃水、海图标注的锚地水深、潮高、波高及船舶摇摆状况等因素。

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在无涌浪侵入，遮蔽良好的锚地，当短时间锚泊且需自力操船时，所选锚地的水深应保证在低潮时具备相当于吃水20%的富余水深，否则难于自力操纵；即使有拖轮协助操纵，该富余水深至少也应高于吃水的10%。

有涌浪侵入时，或锚地对风浪遮蔽不良时，考虑到船舶的摇摆、垂荡时可能出现船舶墩底现象，低潮时的水深为Hlow与吃水d以及与最大波高Hmax的关系应该满足：

Hlow＞1.5×d＋2/3×Hmax

深水区域选择锚地，应注意锚地最大水深一般不得超过一舷锚链总长的1/4为宜，否则会影响锚的抓力，老旧船甚至会出现起锚困难。 （2）良好的底质和海底地形

一般而言，随着由岸向海过渡，海底底质多为与沿岸地质同类同成因的岩石或堆积物所组成，而这些堆积物大多为径粒较细，多为沙砾、泥和粘土组成的混合物。锚抓底之后能否发挥出最大的抓力与底质关系极为密切。软硬适度的沙底和粘土质海底抓力较好，沙泥混合底质次之，硬质泥沙较差，石底不宜抛锚。

锚地的海底地形以平坦为好，若坡度较陡（等深线较密）则影响锚的抓力，容易出现走锚。

（3）具有符合水深要求的足够的回旋余地

旋回余地应依锚地底质、锚泊时间长短、附近有无障碍物及水文气象等条件综合考虑加以确定。

①大风浪中港外抛锚时所需水域及与他船的距离：大风浪中船舶在港外抛单锚时的锚泊回转半径为 R=L+Lc+2r

式中：R——回转半径（m）

L——船长（m） Lc——出链长度（m）

r——锚位与船位测定误差（r=D*2%,D为船位至测定物标之间距离）

②在港区内锚地，由于锚泊密度较高，一般情况下很难给出宽阔的旋回余地，其锚泊所需水域可按如下方式估计：

单锚泊时旋回半径为：船长＋实际允许出链长度 八字锚泊旋回半径为：船长＋0.6×实际允许出链长度

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（4）良好的避风浪条件

水域周围的地形应能成为躲避风浪的屏障，以保障锚泊水域海面的平静。尤其以可防浪涌袭扰为最好。

风浪大小受风的吹动距离影响较大，故应避免在其出口常为迎风的水域锚泊。波的前进方向折向潜水处，并使波高增值，因此常为看到海岭水域内能集中波浪较高、而海谷水域波能分散波浪平缓的现象。在有波浪的岛屿周围选择锚地时需更加注意。

当根据当地气象预报、海浪预报和所处海区盛行的季风选择锚地时，应以免受强风袭扰，应以靠上风水域一侧为选择原则（避风水域内）。

（5）其它方面

所选锚地水域附近还应远离航道等船舶交通密集地区，应是无海底电缆等水中障碍物的水域，水流宜缓而方向稳定。 2.1.2 锚地选址概述

为满足天津港吞吐量增长的要求，需要在天津港的深水区设置大型船舶锚地。根据《海港总平面设计规范》，锚地水深应不小于设计船型满载吃水的1.2倍。

15万吨船舶满载吃水17.6米，锚地水深需在21.1米以上。 20万吨船舶满载吃水18.5米，锚地水深需在22.2米以上。 25万吨船舶满载吃水20.5米，锚地水深需在24.6米以上。

按单锚锚泊方式考虑，每个锚位所占水域为一圆面积，其半径计算公式为： 风力小于等于7级时： R＝L＋3h＋90m 风力大于7级时： R＝L＋4h＋145m

其中L为设计船长（m），h为锚地水深。经计算，船舶锚泊半径R如下表2.1-1。

表2.1-1 不同风力船舶锚泊半径数值表 船舶吨级（t） 15万吨级油轮 25万吨级油轮 15万吨级散货船

船长（m） 275 333 289 风力小于等于7级时的船舶旋回半径(m) 452 507 466 43

风力大于7级时 的船舶旋回半径（m） 528 586 542 20万吨级散货船 25万吨级散货船 312 326 488 500 565 579

根据船舶安全锚泊所需的旋回半径和拟建锚地水域的面积，计算出各代表船型在不同风力情况下拟建锚地所能容纳的最多安全锚泊数量，见表2.1-2。

表2.1-2 不同风力情况下锚地容纳船舶数量

船舶吨级（t） 15万吨级油轮 25万吨级油轮 15万吨级散货船 20万吨级散货船 25万吨级散货船 船长（m） 275 333 289 312 326 风力小于等于7级时容纳船舶数量（艘） 16 13 15 14 13 风力大于7级时能容纳船舶数量（艘） 12 9 11 10 10 从表2.1-2可以看出，拟建锚地的规模在风力大于7级时，对于25万吨级船舶最多可安全锚泊9艘、15万吨级船舶最多可安全锚泊12艘；在风力小于等于7级时，对于25万吨级船舶最多可安全锚泊13艘、15万吨级船舶最多可安全锚泊16艘。

2.1.3 锚地选址的合理性分析

（1）水深条件分析

以最大锚泊船25万吨级船舶为分析对象，25万吨级船舶满载吃水为20.5米，考虑到本海域的波浪情况：

根据国家海洋局1996~1998年在曹妃甸南，水深为-26m和1999年水深为-20m处的波浪实测资料作统计：该海区常浪为S向，出现频率为10.87%，次常浪为SW向，出现频率为7.48%。强浪向ENE向，该向H4%≥1.5m出现频率为1.63%，次强浪向为NE向，H4%≥1.5m出现频率为0.97%，观测期间未出现平均周期大于7.0s的波浪。

该水域标注水深最低为：24.5m，平均低低潮位：1.07m。因此锚地水域平均低低潮最低水深为25.57m，而25万吨船舶满载吃水20.5m，锚地水深需在24.6m以上。因此锚地水域的水深条件可以满足船舶安全锚泊的要求。

（2）锚地底质条件分析

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根据中交第一航务工程勘察设计院2004年6月的《天津港4#锚地工程可行性研究补充报告》，拟建工程区的地质第一层为淤泥质土：灰黄色，含有机质，流塑状态。第二层为粉质粘土：灰黄色与灰绿色与黄褐色，可塑，不均匀。第三层为粉土粉砂：灰绿色与黄色，夹粘土薄层。

勘察结果表明4#锚地地质情况存在土层分布无规律，土质不均匀，尤其是表层软土厚度差异较大等特点。对于船舶锚泊来说，该水域地质较一般。

（3）旋回水域分析

单锚泊时旋回半径为：船长＋实际允许出链长度。

25万吨级油轮总长333m，根据该锚地水域的水流特点、底质情况和风况，通常情况下，船舶出链10节，即实际允许出链长度为275m，这样单锚泊旋回半径为333m+275m＝608m，这样对于《可行性研究报告》中的旋回半径取值为600m，在风力小于等于7级时，可以满足大型船舶安全锚泊的要求，在风力大于7级的天气情况下，基本上能够满足大型船舶锚泊的要求。

（4）避风性分析

本海区常风向为SSW向，出现频率为10.0%，次常风向为ENE和SSE向，出现频率为9.0%。强风向为ENE向，次强风向为NE向，全年各方向≥7级风的出现频率为4.9%。4#锚地布置于天津港以东偏南约55公里的深槽端部，由于锚地位于渤海湾内，能对风力起到一定的阻挡作用，对锚泊船会起到一定的保护作用，有较好的遮蔽物阻挡风力，显然，该水域作为避风锚地能满足要求。

（5）其它情况分析

锚地与浅滩、礁石、沉船、陆岸等固定障碍物距离较远（远大于一舷锚链总长加2倍船长）；因此，锚泊船存在的潜在危险性小。通过海图资料可以查得，该水域无海底电缆等水中障碍物，因此该水域适宜作为船舶锚地水域。

2.2 锚地规模与代表船型合理性评估分析

根据上节旋回水域分析，最大锚泊船25万吨级船舶旋回半径为608m，故每个锚位所占水域面积约1.48平方公里， 4#锚地共规划9个锚地，则共需要锚地面积为13.32平方公里，所需面积为3.89平方海里。根据《可行性研究报告》4#锚地平面尺度为2海里×2海里，面积4平方海里，因此规划的锚地面积完全能

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够满足25万吨大型船舶在风力大于7级时安全锚泊所需水域的范围要求。

2.3 锚地规模与港口吞吐量关系分析

2.3.1 天津港15万吨及以上船舶吞吐量预测

根据天津港2020年预测吞吐量、到港船舶密度和大型泊位情况，主要考虑15万吨及以上船舶。根据天津港总体布局规划，2005年、2010年港口吞吐量将分别达到1.4亿吨和2亿吨，而通过4#号锚地，2005年石油的吞吐量将达到1100万吨，2010年石油的吞吐量将达到2000万吨，分别占天津港货物总吞吐量的7.9%和10%。根据工可报告提供的相关资料，对2005年、2010年及2020年的15万吨及以上船舶的预测艘次进行相关统计。统计数据见表2.3-1及图2.3-1。

表2.3-1 15万吨及以上船舶吞吐量预测列表

预测年份 吨级 15万吨级 2005 25万吨级 30万吨级 15万吨级 2010 25万吨级 30万吨级 15万吨级 2020

25万吨级 30万吨级 煤船 0 0 0 0 0 0 0 0 0 炭船 7 0 0 7 0 0 11 0 0 矿石船 13 8 0 20 6 3 20 19 9 原油船 4 0 0 8 5 0 23 14 0 96 49 32 合 计 （艘） 15万吨及以上船舶预测12010080604020020052010预测年份2020船舶数量（艘）

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图2.3-1 15万吨及以上船舶吞吐量预测图

根据预测图可以看出，2020年的吞吐量接近于2005年的吞吐量的3倍，因此，天津港的货物吞吐量的发展较为迅速，锚地建设需要充分考虑港口的未来吞吐量的规模及发展。 2.3.2 港口排队模型

随着天津港货物吞吐量的快速增长，船舶到港的吨级明显增大，同时船舶到港的密度也有很大提高。根据《可行性研究报告》关于天津港分货种大型船舶密度预测表中对15万吨级船舶的年吞吐量预测，借用运筹学中的排队论（Queuing Theory）理论对锚地进行建模，从而对锚地规模进行科学评估。根据随机过程的相关理论，结合港口的具体特点，可以将港口生产视为随机服务系统，将码头作为排队容器，利用排队理论推求有关参数，从而验证锚地规模的合理性。此外，考虑到锚地检疫等因素的影响，为了研究问题的全面性，还将锚地作为服务窗，而排队容器假想为一个无限容量的容器，通过对排队容器中的排队船舶的数量进行分析及需要排队等待服务的概率等参数进行分析，从而得出结论，锚地泊位数（即服务窗的大小）是否适宜与港口的长远规划与发展。

对于系统模型的建立，主要考虑如下因素（含理论成果）和假设： （1） 考虑到在建和待建15万吨级及以上散货泊位有外海25＃，南11＃，南12＃，南13＃四个泊位供船舶靠泊，为了从更安全的角度分析问题，可能部分泊位的不可用性，在实验中所取的泊位数量通常会小于4。2020年预计船型主要有煤炭船、矿石船和原油船。

（2） 由于船舶到港具有很大随机性，国内外大量相关资料表明，大多数港口船舶到达服从泊松分布，即在t时间段内，到达n艘船舶的概率为：

(?t)nPn(t)=en!?t

式中：?－船舶平均到港率，即单位时间内（通常为1天）平均到港船舶数；

0}是具有参数?的泊松分布，则对根据泊松过程的相关性质可知，如果{x(t),t≥应的时间间隔序列{Tn,n≥我们在建模过1}是独立分布的均值为1/?的指数分布。程中同样假设船舶到达天津港的随机过程服从于泊松分布。

（3）因为船舶靠港之后，如无泊位可用，通常采用先来先服务原则，即通

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常所说的先进先出（FIFO, First In First Out）系统。如果作为排队系统，可以将其看作单列的等待制，即一个服务队列，多个服务窗口。

综合以上分析，将排队论应用于船舶-锚地-泊位系统进行系统建模是可行的。根据系统特点，可以将船舶作为顾客，泊位作为服务系统（或称“服务窗”），而锚地可以看作排队容器（Buffer），这样，船舶-锚地-泊位系统简化为一个多服务窗等待制排队模型，即M/M/n模型。如前所述，为了研究问题的全面性，我们还将船舶作为顾客，锚地作为服务系统（或称“服务窗”），而队列为一个无限大小的排队容器（Buffer）对系统进行建模分析。其中前者的系统方框图如图2.3-2所示。下面重点阐述前者模型的主要参数，后者参数的说明省略。

图2.3-2 船舶-锚地-泊位排队论模型

对于排队服务系统中的n个服务窗（即泊位），且各个窗口（泊位）工作是独立的，且船舶的到达按泊松流到达，到达强度为?；各窗口服务时间按指数分布，平均服务时间为?；这样可以得到，整个系统的平均服务率应为n?。理论上已经证明，当

?<1时，系统存在平稳分布。 n???记?1=，?=，假设系统没有限制顾客来源和系统容量，则系统的可

n??能状态集为E ={0,1,2,?}。用状态k(0≤k≤n)表示系统k个服务窗忙着接待顾客，其余n-k 个顾客排队等候服务。又约定此处只允许一个队等候，当有服务窗服务完空闲时，等候中的顾客按照前面所述的先后顺序（即FIFO方法）前往空闲的服务窗接受服务。根据平稳泊松过程的状态流图可知，当系统处于平衡状态时候，可列出K氏代数方程并求出相应的平稳分布，其中主要参数如下：

根据系统的正则性条件及K氏方程，可求出处于状态p0和pk的概率为：

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?n?1?1k?1n1? p0????k!?n!1???? （2.3-1）

?k?0??1nkk?1p0 pk?k!

（2.3-2）

平均排队等待的队长：

Lq??(k?n)pk??lpl?nk?nl?1??

??1n?p0n!(1??)2?

（2.3-3）

?1n?1(n?1)!(n??1)2p0平均忙着的服务窗口数量：

Lf?k??kpk?n?pk?n???1

k?0k?nn?1? （2.3-4）

系统队长，即系统中平均顾客数量： Ls?Lq?Lf?Lq??1??1n?1(n?1)!(n??1)2 p0??1 （2.3-5）

此外，由Little公式，可以求出系统在队列中的平均等待时间及在系统的整个停留时间，其表达式见（2.3-6）和（2.3-7）。

Wq?Lq?Ls??1np0?n?n!(1??)12 （2.3-6）

Ws?2.3.3 仿真实验及结果分析

??Wq?? （2.3-7）

根据上述分析及港口船舶到达的特点，结合运筹学中的排队论理论，分别将船舶作为顾客、锚地作为容器、泊位作为服务窗（实验一），及船舶作为顾客、锚地作为服务窗（实验二）对系统进行建模，并运用Matlab6.5对系统进行了分析。 （1）实验一

根据4.2.2节提出的排队论模型，根据天津港的泊位情况，利用对不同情况下的锚地船舶情况进行仿真计算，对于不同泊位数（为了安全考虑，假设最多为

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3个泊位可以使用）情况下不同的船舶到达率和不同事件接待速率条件下的等待靠泊船舶平均数、港区船舶平均数、船舶在港平均停留时间及船舶在锚地平均停留时间等参数进行了计算。表2.3-2~2.3-4为实验一的主要数据。

表2.3-2 泊位数为3的实验数据 比较项 1 2 3 4 5 6 ? 0.3 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2 ? 1 0.5 0.3 1 0.5 0.3 等待靠泊船 舶平均数 近似为0 0.0062 0.0445 接近于0 0.0013 0.0093 港区船舶 平均数量 0.3004 0.6062 1.0445 0.2001 0.4013 0.6760 船舶在港区平均停留时间 1.0014 2.0205 3.4848 1.0004 2.0063 3.3798 船舶在锚地平均停留时间 0.0037 0.0205 0.1515 接近于0 0.0063 0.0465 结果分析：在该组实验中，将泊位作为服务窗，显然，泊位数与船舶到达率和船舶接待率必须满足

?<1，即到达船舶的数量不能高于每天所能接待的船舶n?数量，否则系统成为非平稳系统，这种系统会导致容器容量需求的无限延伸，无论锚地规模大小如何是不能满足系统需要的。当系统处于平稳状态时，在理想情况下，锚地规模是完全能满足要求的。但需要指出的是，实验中没有考虑泊位停靠其他船舶。在实验二中将以锚地作为服务窗对锚地规模进行进一步论证。 （2）实验二

若考虑检疫等其它原因，可以将锚地作为接待单元，分析锚地规模的可行性。同样，依据前小节有关参数的求取方法，锚地规模为9艘船舶的容量，分别考虑每天到达的平均船舶数量为0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，即年到达船舶数量对应的数量依次为37艘，73艘，109艘，146艘和183艘。其中37艘可以代表目前的船舶数量，而0.3可以代表2020年的预测船舶数量，表2.3-5和表2.3-6列出了这两种情况下的实验数据，表2.3-7列出了一种更为长远的船舶数量。

表2.3-5 锚地规模数为9，λ＝0.1情况下的实验数据 比较项 μ＝1 μ＝0.5

等待靠泊船舶平均数 0 0.00 港区船舶 平均数量 0.1 0.2 船舶在港区平均停留时间 1.0 2.0 50

船舶在队列平均停留时间 0.00 0.00 需要等待的概率 0.00 0.00

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