船坞设计各行业规范条文取值探讨

王广成，刘馨怡，刁伟明

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220；2.长春凌众环保工程有限公司，吉林长春 130012）

引言

亚洲修造船业近些年发展迅猛，小型船舶进船坞维修或建造，东南亚国家早些年采用过升降机提升船舶进出坞方式。近些年由于各国交流日趋频繁，航运业的发展与其社会、经济、贸易的发展态势密切相关，海上运输货运量逐年增大，小型船舶无法满足国际航运市场需要。因此，结合国际需求和船舶运输经济性考虑，各国都在增造一批大型船舶逐步加入到海运市场。由于船舶建造吨级越来越大，采用升船机提升船舶进坞无法满足条件，故国内、外近年均修建采用干船坞组合灌、排水泵房的船舶进、出坞模式。海水通过坞门上蝶阀或船坞泵房虹吸管进入船坞内，船坞内水通过船坞泵房排入海域。干船坞灌、排水设计型式国内外基本都大同小异，本质上并无区别。

1 项目概况

缅甸蒂洛瓦船厂三期工程位于仰光以南，距离仰光约10 km。船厂选址于已建一期、二期工程同侧岸线。本工程建设规模为，坞长400 m，坞宽40 m，坞室深度为12.6 m，双坞室最大可修造40 000 DWT船舶干船坞1座及其配套舾装码头等设施。可建造40 000 DWT杂货船及以下吨位船舶，维修5 000 DWT以上40 000 DWT杂货船以下的船舶。串联船坞设置中间坞门，船坞可分成两个独立的坞室，两个坞室均可实现建造与修理船舶功能。中间坞门有三个安放位置，设置于船坞正中及其前后50 m处，可以满足设计船型的不同组合。当中间坞门打开，船坞可以满足更大吨级船舶的修造需求。

现阶段我国船厂方面设计规范有《船厂总体设计标准》（GB/T51405-2019）、《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）和《船厂水工工程设计规范》（JTS190-2018）。其中《船厂总体设计标准》（GB/T51405-2019）侧重介绍船厂厂址选择、总图、水工、工艺、建筑物、结构等，对船坞介绍较少；船坞主要设计规范是《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）和《船厂水工工程设计规范》（JTS190-2018）。

《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）和《船厂水工工程设计规范》（JTS190-2018）对船坞灌水和排水都有相关章节。这两本规范都在执行当中，不同规范说明同一条文数据时，取值不同，现对不同条文进行探讨。

2 水泵入口隔板长度

《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）第8.3.2.21条：当主泵进口为喇叭口时，在喇叭口下沿流道中心线设垂直隔板。隔板应与流道顶、底以及后墙接触，隔板应伸出喇叭口外缘1.0～2.0 m。而《船厂水工工程设计规范》（JTS190-2018）第6.5.24条：当主泵进口为喇叭口时，宜在喇叭口下沿流道中心线设垂直隔板。隔板应与流道顶、底以及后墙接触，隔板宜伸出喇叭口外缘0.2～0.3 m。《干船坞设计规范》强调“应伸出喇叭口外缘1.0～2.0 m”表示在正常情况下均应这样做。《船厂水工工程设计规范》强调“宜伸出喇叭口外缘0.2～0.3 m。”表示允许稍有选择，在条件许可时首先应该这样做。两本规范隔板长度相差5～10倍，笔者认为首先应弄清楚设置隔板的作用是什么，再分析其长度的合理数值。设置隔板主要是为了水泵入口导流作用，既然是导流，设计时有条件隔板可做的伸出喇叭口长一些，对水泵吸水没有不利影响。设置隔板导流与吸水管口径大小、水泵流量、流道层长短等入口条件因素有关。若吸水管口径大、水泵流量大、流道层长度允许，隔板可以做的稍微长一些，执行《干船坞设计规范》。若吸水管口径小、水泵流量小，流道层长度受限制，隔板可设置短一些，可参考《船厂水工工程设计规范》执行。若设计者仍有疑虑，为谨慎起见可通过模型试验确定取值。喇叭口与下沿流道中心线处隔板设置如图1。

图1 吸水池示意图

3 栅条间距取值

《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）第8.3.4.4条：大明渠应设置盖板。盖板宜采用栅条状，栅条最大净距为 30 cm。盖板应能承受工艺提出的流动机械的载荷。而《船厂水工工程设计规范》（JTS190-2018）第6.7.5条：大明渠应设置盖板，盖板宜采用栅条状，栅条最大净距宜为 30 mm。盖板应能承受流动机械荷载。《干船坞设计规范》“栅条最大净距为 30 cm”，《船厂水工工程设计规范》“栅条最大净距宜为 30 mm。”经笔者查询《室外给水设计标准》（GB 50013-2018）第5.3.17条，取水构筑物进水孔应设置格栅，栅条间净距应根据取水量、冰絮和漂浮物等确定。小型取水构筑物宜为 30～50 mm。大、中型取水构筑物宜为 80～ 120 mm 。当江河中冰絮或漂浮 物较多时，栅条间净距宜取大值。《室外排水设计标准》（GB 50014-2021）第7.3.2条 格栅栅条间隙宽度应符合下列规定：1）粗格栅：机械清除时宜为 16～25 mm，人工清除时宜为 25～40 mm。特殊情况下，最大间隙可为100 mm。2）细格栅：宜为1.5～10 mm。3）超细格栅：不宜大于1 mm。《给水排水设计手册》（第9册专用机械）第1章，拦污设备中关于格栅栅条间距取15～75 mm。经以上数据分析可知《干船坞设计规范》中“大明渠应设置盖板。盖板宜采用栅条状，栅条最大净距为 30 cm。”应为错误表述。正确数值应为《船厂水工工程设计规范》中所述“大明渠应设置盖板，盖板宜采用栅条状，栅条最大净距宜为 30 mm。”

4 虹吸管出口流速

《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）第8.3.2.11条：虹吸管出口处流速为1.5～2.0 m/s。而《船厂水工工程设计规范》（JTS190-2018）第6.5.14.3条：虹吸管出口处流速宜为1.0～1.5 m/s。虹吸灌水如图2。

图2 虹吸式灌水廊道

笔者认为这两组数据没有绝对的对与错，虹吸管出口处流速取大值产生的影响，一是对大明渠盖板的冲击，设计者应核算盖板的尺寸、重量，以水流不能将盖板冲击活动或掀起为基础。二是不能对船坞底板放置的龙骨墩产生影响。流速取小值产生的影响是虹吸出口水工结构设置增大，使有效操作面积会加大，投资会相应增加。设计具体项目时应充分分析各方面影响因素，找出流速大小对工艺和结构的影响和造价平衡点。

5 水位取值描述

《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）第8.3.2.13条：辅泵出水管出口中心标高，应在平均高水位与进出坞设计水位之间，排渍泵和减压排水泵出水管出口中心标高，应高于坞外校核高水位。而《船厂水工工程设计规范》（JTS190-2018）第6.5.16条：辅泵出水管出口中心高程，宜在平均高水位与进出坞设计水位之间；排渍泵和减压排水泵出水管出口中心高程，宜高于坞外极端高水位。两本规范对排渍泵出水管出口中心标高一本提到“应高于坞外校核高水位”，另一本提到“宜高于坞外极端高水位”。两本规范说法不统一。经笔者查询水文相关书籍，了解到早些年为“校核高水位”，而近几年改为“极端高水位”，其实这两个水位是相同的。“校核高水位”这些年被提及的很少，由于规范写法不统一，容易对水文知识没有深入了解的同志造成一定困扰。

6 水面坡降取值

《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）第8.3.1.10 条和《船厂水工工程设计规范》（JTS190-2018）第6.4.8条内容都是“坞内余水量可按主泵停泵水位另加水面坡降进行计算，水面坡降宜取2～3 ‰。”虽然两本规范说法相同，但笔者认为“水面坡降宜取2～3 ‰”这个取值需要商榷。通常船坞底纵向排水沟坡度可取此值，但水面坡降线不能与排水沟坡度相同按恒定均匀流取值，因为船坞底板有些项目只设横坡，不设纵坡。从坞首至坞口没有纵坡，即平行于坞墙方向坞底是水平的，以本工程为例，坞底无纵坡。坞长400 m，坞宽40 m，3台主排水泵流量9.6 m3/s，根据试算假设停第1台主泵时大明渠坞底水深0.3 m，船坞宽40 m，根据下列公式计算，流速为0.8 m/s（因有横坡存在和大明渠在船坞一侧，坞内流态复杂，本计算简化处理，但原理正确，以此说明水面坡降取值）。

1）流量计算公式

式中：

Q－设计流量（m3/s）；

w－水流有效断面面积（m2）；

v－流速（m/s）。

2）流速计算公式

式中：

v－流速（m/s）；

R－水力半径（m）；

I－水力坡降；

n－粗糙系数；

R=W/X

X－湿周（m）；

根据上述公式求得：水力半径 R=W/X= 0.296 m，n 混凝土取0.014，则水面坡降I=6.35×10-4，不到1 ‰ 。模型试验运用 CFX 仿真软件对整个船坞进行流场模拟，采用 SST 湍流模型。CFD 计算停泵液位的依据是集水池内主泵流动状态，为了解流道内流动状态的优劣引入了流速分布均匀度、速度加权平均角这两项判别指标。

表1 计算边界条件

3）流速分布均匀度

式中：

uai为该断面各单元的轴向速度；

Ai为流场数值。

4）速度加权平均角度

式中：

uti为泵进口断面各单元的横向速度。

图3 船坞三维建模坐标示意图

图4 船坞靠近排水泵房区域示意图

图5 水表面位置云图

图6 沿水流方向泵中轴面

经模型试验计算验证的水面坡度和计算坡度接近。笔者认为规范要求“水面坡降宜取2～3 ‰”此数值过大，会导致主泵提前停泵。由于船坞排水时间规范有一定要求，为满足在规定排水时间内将船坞内水排出，会导致主泵、辅泵选型流量过大或水泵台数增加，造成经济浪费。因此设计者应自行简略计算，然后进行CFD 模型试验，加以验证，再进行主、辅泵选型。而不能直接采用规范数值，进行主、辅泵选型。

7 船坞分类

《干船坞设计规范》（CB/T8524-2011）第4.2条：船坞按在坞内进行修造的最大船舶来分类，超过10万载重吨(含10万载重吨〉的为大型船坞，5万载重吨 (含5万载重吨) 10万载重吨为中型船坞，小于5万载重吨的为小型船坞。而规范第5.5.11条：船坞的灌水时间宜为1.0～3.0 h，大型船坞取大值；根据船坞的功能确定船坞的排水时间，一般为：大型船坞4.0～12.0 h，中型船坞2.5～4.0 h，小型船坞1.0～2.5 h。美国干船坞规范要求排水时间如下UNIFIED FACILITIES CRITERIA (UFC) 《GRAVING DRY DOCKS》(UFC 4-213-10 18 May 2020)。Submarine docks,135 minutes；Destroyer docks,150 minutes；Cruiser and Auxiliary docks,165 minutes；Carrier docks,240 minutes。以本项目为例“建造40 000 DWT杂货船及以下吨位船舶，维修5 000 DWT以上40 000 DWT杂货船以下的船舶。”若按4.2条规范，应属小型船坞。排水时间取1.0～2.5 h。但本项目“坞长400 m，坞宽40 m，坞室深度为12.6 m。”船坞长度400 m，可停放15万载重吨以上任何一种船舶，应属大型船坞。但坞宽40 m，能停放70 000 DWT船舶。船舶设计高水位进出坞，船坞内水量约为18.4万m³；船舶进出坞水位进出坞，船坞内水量最少，约为15.2万m³。如此大量水需水泵强排，排水时间取“大型船坞4.0～12.0 h”还是“小型船坞1.0～2.5 h”对排水设备参数选型影响很大，设备造价相差2倍以上甚至更多。经与国外咨询工程师讨论，最后确定按大型船坞确定排水时间，大大缩减了设备投资。因业主方需求不同，项目类型千差万别，在规范不能完全适用时，要勇于探讨，敢于突破，以项目实际运行情况出发，本着安全性、可行性、经济性兼顾为目标服务项目。

8 结语

本文的研究对解决船坞设计不同行业规范之间的说法不统一和取值不同做了分析、解释，通过计算和查询其它规范、设计手册给以佐证。可使以后其他做船坞设计人员多一份资料参考，也为“干船坞设计规范”和“船厂水工工程设计规范”日后的修编，提供参考。通过本文探讨避免现阶段做船坞设计人员浪费过多精力去搜索资料研究规范的不同，可解决查找不同规范相同条文说法不一的困惑，也为解决船坞项目设计提供有益的借鉴，有较大的现实意义。