茂名港利豐散貨碼頭水域布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊攀博，楊松姍，李俊良

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津300220）

引言

現(xiàn)階段大多數(shù)港口項(xiàng)目港池水域布置均采用設(shè)計(jì)船型滿載吃水設(shè)計(jì)。這種布置方式安全性高、適應(yīng)性強(qiáng)、管理方便，但對(duì)于泊位等級(jí)大、地質(zhì)巖層淺、貨種流向單一的專業(yè)碼頭，將會(huì)導(dǎo)致其清巖量大、施工工期長(zhǎng)、工程造價(jià)高，給工程帶來(lái)較大的建設(shè)負(fù)擔(dān)。本文以茂名港博賀新港區(qū)利豐散貨碼頭工程為實(shí)例，結(jié)合工程特點(diǎn)，以船舶重載進(jìn)、壓載調(diào)頭出港為設(shè)計(jì)思路，采用深、淺水分開(kāi)的水域布置型式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

利豐散貨碼頭工程位于博賀新港區(qū)大宗干散貨作業(yè)區(qū)中突堤?hào)|側(cè)岸線北部，擬從南向北連續(xù)建設(shè)1 個(gè)20 萬(wàn)t 級(jí)、1 個(gè)10 萬(wàn)t 級(jí)和1 個(gè)5 萬(wàn)t 級(jí)散貨泊位（分別為M7、M8、M9 泊位）。其中北側(cè)237 m 岸線為10 萬(wàn)t 級(jí)結(jié)構(gòu)段，南側(cè)723 m 岸線為20 萬(wàn)t 級(jí)結(jié)構(gòu)段，岸線總長(zhǎng)度960 m。工程設(shè)計(jì)年吞吐量為1 200 萬(wàn)t，主要貨種為鐵礦石及煤炭。碼頭采用連片棧橋式布置，堆場(chǎng)位于北側(cè)陸域。

2 自然條件

2.1 設(shè)計(jì)水位

根據(jù)閘坡海洋站2005 年潮位資料進(jìn)行計(jì)算，設(shè)計(jì)水位如表1（從當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖峦?/p>

表1 設(shè)計(jì)水位

2.2 設(shè)計(jì)波浪

受已建東、西方波堤掩護(hù)，經(jīng)折射、繞射及淺水變形計(jì)算，碼頭設(shè)計(jì)波要素如表2。

表2 本工程波要素表（50 年一遇）

2.3 工程地質(zhì)

港區(qū)地質(zhì)上層為中砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土及砂質(zhì)黏性，下層為巖石，且?guī)r層變化較為劇烈。全風(fēng)化花崗片麻巖層頂平均高程-17.51 m（-27.02 m～-7.30 m），平均層厚5.34 m；強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖層頂平均高程-22.90 m（-31.78 m～-11.40 m），平均層厚4.05 m；中風(fēng)化花崗片麻巖層頂平均高程-22.57 m（-31.80 m～-10.78 m），平均層厚2.05 m；微風(fēng)化花崗片麻巖層頂平均高程-19.42 m（-31.50 m～-9.53 m），平均層厚3.42 m（0.80 m～10.40 m）。

3 水域布置優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)利豐散貨碼頭港池水域鉆探成果揭示，工程區(qū)域巖面較淺，且變化十分劇烈，港池水域強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖巖面最淺處-11.4 m，中風(fēng)化花崗片麻巖巖面最淺處-10.78 m，微風(fēng)化花崗片麻巖巖面最淺處-9.53 m。按常規(guī)設(shè)計(jì)，本工程港池需要大方量清巖，對(duì)微風(fēng)化尚需進(jìn)行水下爆破處理，一方面大幅增加工程投資，另一方面會(huì)大幅增加工程難度及工期，并且增加港區(qū)內(nèi)其它利益相關(guān)者的協(xié)調(diào)難度。

結(jié)合項(xiàng)目貨種及流向，5萬(wàn)t級(jí)泊位為裝船轉(zhuǎn)水泊位，10萬(wàn)t級(jí)及20萬(wàn)t級(jí)泊位為卸船泊位，卸船泊位貨物流向單一。根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 165-2013）[1]：“對(duì)貨物流向單一的專業(yè)碼頭，經(jīng)論證后，部分回旋水域可按船舶壓載吃水計(jì)算”。因此進(jìn)行水域設(shè)計(jì)時(shí)，5萬(wàn)t級(jí)以上散貨船按滿載順靠碼頭、壓載調(diào)頭作業(yè)進(jìn)行港池水域布置?？稍诒ＷC正常運(yùn)營(yíng)需求及通航安全的前提下，大幅降低疏浚量，帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。對(duì)于5萬(wàn)t級(jí)及以下散貨船仍按滿載設(shè)計(jì)港池水域。

3.2 船舶壓載吃水

利豐散貨碼頭最大設(shè)計(jì)船型為20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船，關(guān)于其壓載吃水的取值是最為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。目前，國(guó)內(nèi)、外對(duì)船舶壓載吃水的研究多為經(jīng)驗(yàn)估算[2]。根據(jù)海運(yùn)經(jīng)驗(yàn)，空載船舶壓載航行時(shí)，最小平均吃水應(yīng)達(dá)到滿載吃水的50 %以上；冬季航行時(shí)因?yàn)轱L(fēng)浪較大，則應(yīng)達(dá)到55 %～60 %[3]，但這一估算值較為粗糙。經(jīng)查閱《基于實(shí)船數(shù)據(jù)的船舶壓載及營(yíng)運(yùn)吃水統(tǒng)計(jì)研究》[4]、《船舶壓載吃水估算方法探討》[5]、《港口系泊船舶壓載吃水取值研究》[6]等相關(guān)文獻(xiàn)，各計(jì)算方法統(tǒng)計(jì)如表3 所示，壓載吃水取值范圍為8.24～9.99 m。根據(jù)《基于AIS 數(shù)據(jù)的散貨船壓載吃水取值研究》[7]的船型統(tǒng)計(jì)結(jié)果，見(jiàn)表4，20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船壓載吃水為11.3 m（90 % 保證率），略大于表3 中數(shù)值。綜合以上分析，基于AIS 數(shù)據(jù)的船型統(tǒng)計(jì)結(jié)果更為權(quán)威可信，壓載吃水取為11.3 m 是安全和可行的。

表3 各計(jì)算方法下20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船船舶壓載吃水計(jì)算表

表4 基于AIS 數(shù)據(jù)各噸級(jí)不同保證率下的壓載吃水值

3.3 水域布置

港池設(shè)計(jì)底高程計(jì)算結(jié)果如表5 所示，水域采用深、淺水分開(kāi)布置型式。20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船滿載左舷順靠M7、M8 泊位，碼頭前滿載通航水域?yàn)樯钏畢^(qū)，北側(cè)最小寬度按規(guī)范0.8 倍船長(zhǎng)設(shè)計(jì)，為250 m，南側(cè)最大寬度為439 m，設(shè)計(jì)底高程為-19.0 m。10萬(wàn)t 級(jí)散貨船同樣滿載順靠，壓載掉頭。位于深水區(qū)外的回旋水域布置為淺水區(qū)，20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船回旋水域布置在M7 泊位前方，回旋水域直徑624 m，按壓載調(diào)頭設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)底高程-11.6 m。5 萬(wàn)t 級(jí)散貨船回旋水域布置在M9 泊位前方，回旋水域直徑446 m，設(shè)計(jì)底高程-12.7 m，按滿載掉頭設(shè)計(jì)。淺水區(qū)現(xiàn)狀水深即滿足設(shè)計(jì)要求，無(wú)需疏浚。

表5 港池設(shè)計(jì)底標(biāo)高計(jì)算表

港池與30 萬(wàn)t 級(jí)航道通過(guò)一段支航道相連，支航道通航寬度210 m，設(shè)計(jì)底高程-19.0 m，連接水域邊線與岸線夾角18°。20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船滿載回旋水域擬利用E1 泊位港池(30 萬(wàn)t 級(jí)原油泊位)，以滿足極端情況下的緊急離泊要求。水域布置如圖1 所示。

圖1 水域布置圖

4 操船模擬試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)論證

通過(guò)操船模擬試驗(yàn)對(duì)水域布置進(jìn)行論證。試驗(yàn)選取了5 萬(wàn)t 級(jí)散貨船、10 萬(wàn)t 級(jí)散貨船、20 萬(wàn)t級(jí)散貨船作為試驗(yàn)船型，試驗(yàn)變量為風(fēng)速、風(fēng)向以及漲落潮，試驗(yàn)結(jié)果如下[8]：

1）6 級(jí)風(fēng)情況下，無(wú)論是NE 風(fēng)、ESE 風(fēng)還是NW 風(fēng)，基本可以保證設(shè)計(jì)船型安全靠離泊。

2）7 級(jí)風(fēng)情況下，20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船靠離M7 泊位時(shí)，需配置4 艘4 000～5 000 HP 拖輪方能安全靠泊泊位，離泊時(shí)存在偏出港池水域的風(fēng)險(xiǎn)，10 萬(wàn)t級(jí)散貨船和5 萬(wàn)t 級(jí)散貨船分別靠泊M8、M9 泊位時(shí)，均出現(xiàn)拖輪馬力不足的情況。

3）8 級(jí)風(fēng)情況下，靠泊困難，船舶靠離泊均存在較大風(fēng)險(xiǎn)。

4）漲落潮對(duì)船舶在主航道及口門水域航行影響較大，尤其與偏E、偏W 風(fēng)疊加時(shí)，需壓一定流壓差角，對(duì)支航道及港池水域航行、船舶靠離泊影響較小。試驗(yàn)結(jié)果如圖2～5 所示。

圖2 20萬(wàn)t級(jí)散貨船滿載靠泊M7泊位軌跡圖

圖3 20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船壓載離泊軌跡圖(NW-7、落潮)

圖4 20萬(wàn)t級(jí)散貨船緊急離泊出港軌跡圖（NW-7、漲潮）

圖5 10萬(wàn)t級(jí)滿載進(jìn)港靠泊M8軌跡圖(NW-7、落潮)

4.2 水域調(diào)整

結(jié)合操船模擬試驗(yàn)中船舶航跡帶情況，對(duì)水域布置進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整：

1）20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船在滿載靠泊M7、M8 泊位時(shí)，觸及深淺水分界，因此加寬了M7、M8 泊位前方深水區(qū)寬度，深水區(qū)從北側(cè)最窄處250 m 向南側(cè)逐步擴(kuò)寬至439 m；

2）20 萬(wàn)t 級(jí)散貨船在壓載離泊時(shí)出現(xiàn)偏出港池水域的工況，港區(qū)天然水深滿足壓載離泊要求，因此僅需對(duì)浮標(biāo)位置進(jìn)行調(diào)整，局部拓寬回旋水域。

操船模擬結(jié)果和調(diào)整后水域布置情況及見(jiàn)圖6、圖7。深、淺水分開(kāi)水域布置型式相比傳統(tǒng)的全部采用滿載吃水的布置型式減少疏浚量約260 萬(wàn)m3，節(jié)約工程造價(jià)近2 億元。

圖6 10 萬(wàn)t 級(jí)散貨船滿載進(jìn)港靠泊M8 軌跡圖（水域調(diào)整后）

圖7 調(diào)整后水域布置圖

結(jié)合港區(qū)條件及操船模擬試驗(yàn)，給出船舶靠離泊的限制條件如表6 所示，同時(shí)需保證拖輪配備并加強(qiáng)港區(qū)管理。

表6 本項(xiàng)目超大型船舶靠離泊建議限制條件

5 結(jié)語(yǔ)

1）對(duì)于泊位等級(jí)大、地質(zhì)巖層淺、貨種流向單一的專業(yè)碼頭，可考慮以船舶重載進(jìn)、壓載調(diào)頭出港為設(shè)計(jì)思路，采用深、淺水分開(kāi)的水域布置型式，可大幅度減少清巖量、縮減工期、節(jié)約工程造價(jià)；

2）設(shè)計(jì)中船舶壓載吃水為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，需重點(diǎn)考慮，取值合理；

3）建議開(kāi)展操船模擬試驗(yàn)對(duì)水域布置進(jìn)行充分論證，并明確給出船舶靠離泊限制條件，方便運(yùn)營(yíng)管理，以策安全。