注册土木工程师(港口与航道)专业考试讲义-海港航道设计

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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、航道宽度计算航道有效宽度W由航迹带宽度A、船舶间的富余宽度B、船舶与航道底边的富裕宽度C组成（见图1-6），根据港口工程技术规范规定，单双航道宽度分别按下式计算：单航道：W＝A+2C（2-1）双航道：W＝2A+b+2C海港航道设计 航道宽度的计算主要依据以下几方面：1、船舶偏航和漂移运动力学分析2、航迹带宽度的计算3、船舶之间富余宽度b的确定4、船舶与航道底边间的富余宽度C的确定海港航道设计 1、船舶偏航和漂移运动力学分析船舶在具有风浪流的海域中航行时，将受下列因素的影响：（1）由于船舶加速运动产生的惯性力和惯性矩；（2）船壳外侧水动力压力；（3）舵力；（4）风压力；（5）流压力；（6）波浪压力；（7）航道两侧的岸吸力；（8）错船时的船吸力；（9）航速影响的下座力；（10）螺旋桨产生的纵向水平推进力和横向推进力。海港航道设计 2、航迹带宽度的计算经论证，在不同风流条件下，航迹带宽度A与船舶偏航投影宽度Lsin+B有一定的相关倍数，称为船舶漂移倍数n（见图2-2），根据实测资料进行统计，建立计算公式如下：A＝n（Lsin+B）（2-2）式中：A——航迹带宽度（m）；n——船舶漂移倍数，见表2-1；——风流压偏角（°），见表2-1；B——设计船宽（m）。满载船舶漂移倍数n和和流压偏角g值表2-1海港航道设计 3、船舶之间富余宽度b的确定船舶之间的富余宽度b是指分道通航的双向航道中，船舶相向航行相会错船时，为防止发生船吸现象而保持两航迹带间的内侧横向净距。两船间的相互作用，主要受船型尺度、两船间距、航速和操船性能等因素的影响。许多国家诸如美国、前苏联、日本、荷兰及英国等一些港口和科研机构，做了大量的理论研究和船型试验，取得了许多很有参考价值的科研成果。总结国外有关文献资料和我国的一些港口实践经验，建议两航迹带间的内侧距离不得小于最大设计船宽。海港航道设计 4、船舶与航道底边间的富余宽度C的确定船舶与航道底边线间的富余宽度C是指船舶在航道中以蛇形航迹前进时，航迹带外侧与边坡底边线的最小安全距离。C与航道水深、宽度、断面形状；船舶性能、航速；水文气象条件和地质条件等因素都有密切的关系。通常一般规律是，航道越宽或水深越浅C值越大；航道两侧岸滩水深越浅C值越大；航道底质越硬或回淤严重时C越大。不同专业船舶通航的航道C不同，一般LPG、LNG和油轮等危险品船C＞散货船C＞杂货船或集装箱船C，其范围为0.5B≤C≤1.5B。规范要求C值按表2-2选取。船舶与航道底边间的富余宽度C表2-2海港航道设计 第三章航道水深航道水深是在港口当地一定的自然条件下，满足设计船型满载吃水航行所要求的最小安全深度。通常，确定进港航道水深的影响因素有：（1）船舶装载条件；（2）水位条件；（3）船舶航行条件；（4）波浪影响条件；（5）航道底质条件等。详见图3-1所示。海港航道设计 一、航道设计水位的确定1、航行密度2、通航持续时间3、设计乘潮水位海港航道设计 二、航道水深设计航道水深通常有两种尺度，一是通航水深D。（又称通告水深），二是设计水深D（又称航道疏浚水深），分别按图3-3及式（3-4）和（3-5）确定。图3-3航道水深设计示意图海港航道设计 通航水深：D0＝T+ZO+Z1+Z2+Z3(3-4)设计水深：D＝D0+Z4(3-5)式中：T——设计船型满载吃水（m）；ZO——船舶航行时船体下沉值（m）；Z1——航行时龙骨下最小富余深度（m）；Z2——波浪富余深度（m）；Z3——船舶装载纵倾富余深度（m）；Z4——备淤富余深度（m）。海港航道设计 式中各参数的确定：1、船舶航行下沉值ZO海港航道设计 2、龙骨下最小富余深度Z1龙骨下最小富裕深度z1（m）海港航道设计 3、波浪影响的富裕深度Z2船浪夹角ψ与Z2/H4%的变化系数值表3-2海港航道设计 4、船舶装载纵倾富裕深度Z3船舶装载纵倾富余深度是根据不同船型特点、装载货物情况和航行要求，在港口装货配载时，由于首尾纵倾而增加的吃水超深值。通过对我国各港实船资料统计分析，以及从国内外各种标准船型的规定表明，杂货船、多用途船和集装箱船虽尾倾吃水大，但实载率较低，均小于满载吃水，所以以这些设计船型为准进行航道水深设计时一般不予考虑z3值；对于油船和散货船，多为满载航行，规范规定Z3＝0.15m。海港航道设计 5、备淤富余深度Z4备淤深度与下列因素有关：（l）港口附近海域水文气象和地质地貌条件，以及航道受风浪流影响的回淤强度；（2）航道平面布置、掩护情况、走向和断面尺度；（3）维护挖泥采用的挖泥船类型和疏浚工程施工的频繁程度。一般应结合各港的具体情况，在保证航道通航水深的前提下，进行技术经济论证，然后根据计算的或实际观测的港口泥沙回淤强度，按合理的挖泥间隔期内产生的淤积量确定，通常不小于0.4m。对于不淤港口不计Z4值；对于淤积严重的港口，可适当增加备淤深度，但最好不大于1.0m。海港航道设计 第四章转弯航道设计一、航道转弯半径的确定二、航道转弯段增加的富裕宽度三、航道转向拓宽方式海港航道设计 一、航道转弯半径的确定：确定转弯半径一般应遵循的原则如下：1、航道转弯半径与设计船长有关，船舶尺度越大，所要求的转弯半径越大；2、不同专业船舶转弯半径不同，行驶油船和危险品船舶的航道转弯半径应大于其它专业船舶使用的航道；3、转弯半径随水文地质条件变化，风浪流大的水域应增大R值；对于回淤严重、岸坡不稳定或土质较坚硬的航道，也应适当增加转弯半径；4、转弯半径随航道水深／满载吃水的加大而减小；5、航道宽度越窄或边坡越陡，应适当加大转弯半径；6、航道转向角越大转弯半径应按规定增加；海港航道设计 7、航速设计航速越快，转弯半径要求越大；8、港外无掩护航道的转弯半径应大于港内有掩护航道的转弯半径。外海航道应大于港外航道的转弯半径；9、当水域狭窄，地形条件复杂，选线困难而必须采用“S”弯转向时，应适当加大转弯半径；10、有拖船助航时，可适当减小转弯半径；11、航道转弯半径还与转弯段增加的富裕宽度有关，增加的富裕宽度越大，转弯半径应越小；12、当船舶转向时，采用不同的平衡舵角转弯半径不同，平衡舵角小转弯半径大，平衡舵角大转弯半径小；13、转弯半径与船舶操纵性能、特点、装载情况、驾驶技术和其它人为因素有关。海港航道设计 关于按航道转向角的大小及船舶长度为依据，参照上述有关因素决定转弯半径，各国均有明确的规定和要求。根据我国各港的具体条件和经验，经技术经济论证和分析，转弯半径范围为R＝3L～10L，因此规范规定R值为：（1）φ≤10°不考虑转弯段圆滑过渡，航道内外边线可直接相交；（2）10°＜φ≤30°，R＝3L～5L；（3）φ＞30°，R＝5L～10L；（4）转向角小时R采用小值，转向角大时R采用大值。海港航道设计 二、航道转弯段增加的富裕宽度航道转弯有效宽度W应由四部分组成，即航迹带宽度A；船舶间富裕宽度b；船舶与航道底边线间的富余宽度C；航道转弯段增加的富余宽度e。单向航道转弯段：W=A+2C+e(4-1)双向航道转弯段：W=2A+b+2C+2e(4-2)式中：A、b．C取值与直航道相同。海港航道设计 三、航道转向拓宽方式航道转向拓宽应根据转向角、转弯半径和设计船长确定，为疏浚施工方便，其通常采用的加宽方式如下：1、φ≤10°，航道内外边线相交，不必加宽；2、10°<φ≤30°R=3L～5L，采用凹岸切角加宽法（见图4-1）；3、φ>30°,R＝5L～10L，采用折线切割加宽法4、对于特殊情况下R＞10L时，航道转弯段可不予加宽；5、航道加宽的起始点应布置在距曲线和直线相接点一个计算船长的位置上。海港航道设计 图4-1凹岸切角法图4-2梯形连接，凹岸折线切割法（虚线表示需要加宽时的作法）海港航道设计 第五章航道边坡设计航道边坡主要取决于航槽断面土质种类、物理力学特性；该海域波浪水流以及泥沙沉积对边坡的影响；航道被掩护的程度；疏浚设备类型和施工方法；船舶航行时对边坡的影响；边坡形成的时间等等。航道边坡分为设计边坡和稳定边坡，设计边坡是根据开挖航槽的土质特性而确定的边坡；稳定边坡是在两次维护期之间，定期维护疏浚开始前，由于各种外部影响因素作用下，形成相对平衡和比较稳定的边坡称为稳定边坡。设计边坡建议参照土质类似的航道边坡和水文条件，按表5-1的土质分类和贯λ击数N值范围选用，有条件时可通过现场和室内试验确定，所列表中的坡度，对于有掩护的航道或浅水域航道取小值，对于无掩护航道或深水航道取大值。稳定边坡的坡度，由于受外界因素影响，一般比上述设计边坡缓一些，统计结果约大1～2左右，特殊情况可大几倍。海港航道设计 各类土质航道边坡坡度表5-1海港航道设计 第六章超宽和超深计算按照《疏浚工程技术规范》（JTJ319-99）要求，为使航道施工满足设计尺度，计算港航道工程量时应考虑各类挖泥船疏浚作业时的计算超宽值和计算超深值，按下表选用。海港航道设计 疏浚工程量计算断面示意图a,b,c,d-设计断面；A,B,C,D-计算土方断面；△b-计算平均超宽；△h-计算平均超深；1:m-设计坡比；h-设计疏浚深度b海港航道设计 第七章疏浚土处理航道疏浚土的处理通常有两种方式，吹填和海上外抛。无论采用何种方式均应从经济和环保的角度进行分析和评价。近年来多提倡疏浚土的综合利用，减少海上外抛处理，这样既可减少疏浚弃土对海洋环境的污染，也可节省造陆的费用。一、疏浚土的陆上处理二、疏浚土的海上处理海港航道设计