卡西姆港燃煤應(yīng)急電站卸煤碼頭港池水域平面布置優(yōu)化

高 浪，李成才

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

港內(nèi)水域是船舶在港內(nèi)航行、制動、回旋及靠、離泊作業(yè)所需要的水域范圍，港內(nèi)水域布置是港口總平面設(shè)計的重要內(nèi)容。在咨詢與設(shè)計階段，如何將港內(nèi)水域布置與船舶實際作業(yè)要求相結(jié)合，國內(nèi)外進(jìn)行了一系列研究與探索。水域平面尺度大小決定港口的服務(wù)水平，較大的平面尺度大有利于船舶通航和作業(yè)安全，但建設(shè)成本及維護(hù)成本也隨之攀升。因此，合理確定水域平面尺度具有重要的工程及經(jīng)濟意義[1]。

1 港池水域平面尺度的規(guī)范界定

1.1 港池寬度

1.1.1國內(nèi)規(guī)范規(guī)定

我國《海港總體設(shè)計規(guī)范》[2]規(guī)定，碼頭前沿停泊水域宜取碼頭前2倍設(shè)計船寬(以下所指船長、船寬均為設(shè)計最大船型尺度)的水域范圍，對于淤積嚴(yán)重的港口，根據(jù)維護(hù)挖泥的需要，此寬度可適當(dāng)增加(圖1)。

注：B為設(shè)計船寬。圖1 停泊水域?qū)挾?/p>

同時規(guī)定考慮船舶掉頭作業(yè)時，碼頭前沿水域總寬度不宜小于1.5倍設(shè)計船長加1.0倍設(shè)計船寬，見圖2，不考慮掉頭作業(yè)時，碼頭前方水域總寬度不應(yīng)小于0.8倍設(shè)計船長。

注：L為設(shè)計船長。圖2 考慮船舶掉頭時碼頭前沿總寬度

1.1.2國外規(guī)范規(guī)定

日本《港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[3]明確港池的寬度以保證船舶安全、順利靠離為目標(biāo)。突堤單側(cè)布置3個泊位及以下時，港池寬度為1倍設(shè)計船長。單側(cè)有4個及以上泊位時，港池寬度為1.5倍的最大設(shè)計船長。

英國BS 6349-2:2010[4]規(guī)定，停泊水域的寬度至少為最大設(shè)計船寬的1.5倍，長度至少為最大設(shè)計船長的1.2倍。但未對港池寬度作明確的要求和量級界定。

Thoresen的《港口設(shè)計手冊》[5]對船舶在港池內(nèi)回旋掉頭作業(yè)和不回旋掉頭作業(yè)給出了詳細(xì)的尺度界定。突堤式港池同側(cè)僅布置一個泊位，且每個泊位僅?？恳凰掖瑫r，港池寬度為2倍最大船寬加30 m；如果每個泊位并靠2艘船時，港池寬度為4倍最大船寬加50 m；港池同一側(cè)布置2個及以上泊位時，港池寬度為2倍最大船寬加50 m，見圖3。該手冊還明確了船舶在港池內(nèi)回旋掉頭作業(yè)的情況：當(dāng)港池與進(jìn)港航道夾角為45°時，港池寬度不小于1.5倍船長；當(dāng)港池與航道夾角為90°時，港池寬度不小于2倍船長，見圖4。

注：Bmax為最大船寬；h為水深；L為設(shè)計船長。圖3 不考慮船舶回旋掉頭作業(yè)的港池寬度

圖4 考慮船舶回旋掉頭作業(yè)的港池寬度

綜上分析，結(jié)合國內(nèi)外對于港池寬度的界定，對于考慮在碼頭前沿回旋作業(yè)的港池，按照斜向45°進(jìn)出港時，港池寬度不小于最大設(shè)計船型的1.5倍船長加1.0倍船寬；按照正向90°進(jìn)出港時，港池寬度不小于最大設(shè)計船型的2.0倍船長。

1.2 回旋水域尺度

1.2.1國內(nèi)規(guī)范

《海港總體設(shè)計規(guī)范》對回旋水域規(guī)定見表1。受水流影響較大的港口，應(yīng)適當(dāng)加長掉頭水域沿水流方向的長度，宜通過操船試驗確定加長尺度；缺乏試驗依據(jù)時，沿水流方向的長度可取(2.5～3.0)L。

表1 國內(nèi)規(guī)范規(guī)定的回旋水域尺度

注：回旋水域可占用航行水域，船舶進(jìn)出頻繁時，經(jīng)論證可單獨設(shè)置；沒有側(cè)推及無拖輪協(xié)助的情況，船舶回旋圓直徑可取(2.0～3.0)L，掩護(hù)條件差時，可適當(dāng)加大；L為設(shè)計船長。

1.2.2國外規(guī)范

美國的EM 1110-2-1100[6]認(rèn)為回旋水域尺度與流速有關(guān)，隨流速增大，船舶掉頭難度明顯增加。如果流速較大，船舶會在橫流作用下發(fā)生漂移，回旋水域為橢圓形，橢圓短軸長度可取1.5倍設(shè)計船長，長軸長度需要通過船舶航行試驗研究確定，見圖5。

圖5 回旋水域尺度確定

英國的BS 6349-1:2010[7]認(rèn)為一般在沒有拖輪協(xié)助條件下，回旋圓直徑不小于4倍船長。若借助拖輪，回旋圓直徑可減小至2倍設(shè)計船長，如船舶配備有艏推進(jìn)器則回旋水域直徑可以進(jìn)一步減小。

日本的《港口設(shè)施技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，船舶自行掉頭時回旋水域直徑為3倍設(shè)計船長，借助拖輪協(xié)助掉頭時回旋水域直徑為2倍設(shè)計船長。確因受地形等限制，可以利用錨碇、風(fēng)或流幫助掉頭，可將水域面積縮小為：自行掉頭時直徑約為2倍船長，借助拖輪協(xié)助掉頭時直徑約為1.5倍設(shè)計最大船長。

Thoresen的《港口設(shè)計手冊》認(rèn)為，回旋水域尺度取決于船長、船舶操縱性能和允許操作時間。一般情況下，當(dāng)船舶掉頭不使用艏推進(jìn)器或拖輪協(xié)助時，最小直徑為4倍船長；使用拖輪協(xié)助時，最小直徑取2倍船長。在掩護(hù)條件和船舶操縱條件較好的情況下，直徑最小值可分別減小至3倍船長和1.6倍船長。

綜上，國內(nèi)外對于回旋水域尺度的界定，在掩護(hù)條件較好、水流不大且有拖輪協(xié)助的工況下，回旋水域短軸基本上可設(shè)計為1.5～2.0倍設(shè)計船長，長軸長度則需要通過船舶航行模擬試驗確定。

2 港池水域尺度確定的考慮因素

2.1 船舶通行密度

碼頭設(shè)計吞吐量和主力船型決定了船舶的通行密度，公用碼頭到港船型較雜、到港班次不定，而電廠等企業(yè)專用碼頭往往與生產(chǎn)相關(guān)聯(lián)，到港船型和到港時間都比較規(guī)律。

2.2 建港條件

港區(qū)的潮流、波浪等條件對水域平面尺度影響較為直接，水流大的港口相應(yīng)加大沿水流方向的水域尺度。

2.3 水域邊界條件

碼頭周邊水域邊界條件包括已建碼頭、已建航道以及周邊陸域邊界已建設(shè)施，均對工程水域邊界條件產(chǎn)生影響。

2.4 船舶進(jìn)出港操作方式

船舶進(jìn)出港是否配備拖輪，配備拖輪時的拖輪等級及數(shù)量，對回旋水域尺度均有影響。

具體特定工程需要遵循國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范，并結(jié)合工程區(qū)域的航道、建港條件、邊界條件及船舶進(jìn)出港方式綜合確定，并借助船舶操縱模擬試驗研究確定。

3 典型工程案例水域平面優(yōu)化

3.1 工程概況

卡西姆港燃煤電站項目位于巴基斯坦信德省卡拉奇市東南方約37 km的卡西姆港工業(yè)園內(nèi)(圖6)，是中國電建與卡塔爾王室AMC公司按照股份51:49的比例共同投資建設(shè)的混合所有制項目，總投資20.85億美元，建設(shè)2臺660 MW超臨界機組，建設(shè)工期36個月。卡西姆港燃煤電站項目是“中巴經(jīng)濟走廊”首個落地能源項目、中國電建集團(tuán)最大的海外投資項目、巴基斯坦最大的燃煤電站，因此工程建設(shè)意義重大。

圖6 工程位置

該工程配套建設(shè)1座7萬t煤炭卸船碼頭以及輔助生產(chǎn)設(shè)施，年設(shè)計卸料量為520萬t。

該工程建設(shè)1座長280 m、寬23 m的連片式高樁碼頭，通過1座長26.7 m、寬12 m的短引橋連接后方電廠區(qū)。

3.2 航道條件

目前由外海至卡西姆港7#泊位為已建7萬噸級航道，寬度為200～250 m，維護(hù)水深為-14.0 m。

本工程需要建設(shè)1條長約4.0 km、寬度150 m的單線航道與已有7萬噸級航道連接。根據(jù)建設(shè)單位建設(shè)計劃，按乘潮2.0 m控制，近期航道設(shè)計水深按-12.5 m設(shè)計，能滿足5萬噸級散貨船進(jìn)出港，遠(yuǎn)期擴建至7萬噸級航道，設(shè)計水深繼續(xù)浚深至-14.0 m。

3.3 水域邊界條件

本工程碼頭西側(cè)為已建鋼廠排水口，周邊現(xiàn)狀條件見圖7。南側(cè)為紅樹林，擬建碼頭前沿水域?qū)挾葍H為450 m左右，約為最大設(shè)計船型的2倍船長。

圖7 卡西姆港燃煤電站項目卸煤碼頭現(xiàn)狀平面

3.4 水域平面初步方案

根據(jù)對國內(nèi)外規(guī)范的分析，結(jié)合工程水域邊界條件，本工程停泊水域按照2倍船寬取值，回旋水域短軸按1.8倍設(shè)計船長計算，取430 m；回旋水域長軸按照2.5倍設(shè)計船長計算，取580 m，見圖8。

圖8 原卸煤碼頭水域平面(單位：m)

3.5 船舶操縱模擬試驗

為確保航行及靠離泊作業(yè)安全，開展了船舶操縱模擬試驗研究。主要試驗工況見表2。

表2 船舶操縱模擬試驗主要工況

模擬數(shù)據(jù)分析成果見圖9。可以看出，7萬噸級散貨船在6～7級風(fēng)進(jìn)出所需最大回旋水域為415 m×306 m(長軸×短軸)。本碼頭設(shè)計前沿所設(shè)回旋水域為580 m×430 m橢圓，滿足7萬噸級散貨船靠離泊所需回旋水域的尺度要求。

圖9 模擬數(shù)據(jù)分析成果

3.6 優(yōu)化水域尺度布置

根據(jù)上述船舶操縱模擬試驗結(jié)論，要求的回旋水域尺度低于原設(shè)計尺度。且根據(jù)勘察情況，南側(cè)水域邊界存在紅樹林。原回旋水域南側(cè)疏浚邊界距離紅樹林僅15 m，經(jīng)與當(dāng)?shù)刭Y源管理部門溝通，要求適當(dāng)增大此距離，避免施工時對生態(tài)造成破壞。因此適當(dāng)減少南側(cè)水域范圍是必要而且是可行的。

綜合國內(nèi)外水運行業(yè)規(guī)范對于碼頭水域主要尺度的界定，并考慮到該工程為端部泊位，往上游暫無新增規(guī)劃泊位，且本工程為專用泊位，船舶停泊與回旋不可能同時進(jìn)行，因此考慮回旋水域短軸方向與停泊水域?qū)挾瓤删C合利用，回旋水域短軸占用1.0倍設(shè)計船寬，見圖10。

圖10 卸煤碼頭優(yōu)化水域布置平面(單位：m)

4 結(jié)語

1)對于回旋水域尺度的界定，國內(nèi)外規(guī)范差異較大，國內(nèi)規(guī)范與日本規(guī)范接近：需要考慮掉頭作業(yè)時，回旋水域短軸基本上可取設(shè)計最大船型長度的1.5～2.0倍，長軸需要通過船舶操縱模擬試驗確定。

2)影響回旋水域尺度確定的因素較多，特別對于河道狹窄、周邊已建工程及邊界條件較為復(fù)雜同時又需要拖輪協(xié)助進(jìn)出港，其尺度確定更為復(fù)雜。在專業(yè)化碼頭設(shè)計時，可結(jié)合碼頭到港船舶頻次，綜合考慮停泊水域與回旋水域的統(tǒng)籌利用，減少港池疏浚等建設(shè)及維護(hù)成本。

3)船舶操縱模擬試驗按照正常作業(yè)工況開展，因此試驗結(jié)果數(shù)據(jù)通常比規(guī)范給定的建議值偏小，在具體設(shè)計時需要綜合考慮船舶超過作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)離泊避風(fēng)前的不利工況，適當(dāng)加大回旋水域尺度，確保航行和作業(yè)安全。