欽州港大欖坪港區(qū)20萬噸級(jí)集裝箱船靠離泊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

于松榮,朱 峰

(1.廣西北部灣國(guó)際港務(wù)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530021;2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,廣東 廣州 510290)

廣西北部灣港位于廣西壯族自治區(qū)南端、南海北部灣北岸，海岸線長(zhǎng)1 629 km，有水域?qū)掗?、納潮量大、地形隱蔽、水深浪小、港池航道淤積少等良好的天然水域條件和廣闊的陸域，開發(fā)潛力巨大，是我國(guó)西南沿海地區(qū)的深水良港。廣西北部灣港背靠大西南、面向東南亞、東臨粵港澳，是我國(guó)西南地區(qū)最便捷的出海通道，也是我國(guó)與東盟國(guó)家海上貿(mào)易的重要口岸，地理位置十分優(yōu)越[1]。

欽州港位于廣西北部灣經(jīng)濟(jì)區(qū)的中心位置，是我國(guó)大西南出海的陸上咽喉要道。為了實(shí)現(xiàn)欽州港千萬標(biāo)箱集裝箱干線港的目標(biāo)，規(guī)劃建設(shè)的大欖坪港區(qū)是欽州港“十三五”期間重點(diǎn)集裝箱項(xiàng)目之一。本項(xiàng)目功能定位為滿足集裝箱干線港的發(fā)展需要，近期主要滿足外貿(mào)集裝箱運(yùn)輸需求，兼顧部分內(nèi)貿(mào)集裝箱運(yùn)輸，遠(yuǎn)期主要滿足區(qū)域外貿(mào)集裝箱水路運(yùn)輸需求。

欽州港大欖坪港區(qū)泊位工程項(xiàng)目的建設(shè)會(huì)對(duì)附近水域的通航環(huán)境產(chǎn)生影響[2]，為保證過往船舶的安全航行和航運(yùn)暢通，保障工程水域通航船舶的安全，開展了通航安全技術(shù)模擬試驗(yàn)，根據(jù)真實(shí)風(fēng)浪流條件，進(jìn)行船舶進(jìn)出港及靠離泊模擬仿真試驗(yàn)，得出20萬噸級(jí)船舶在風(fēng)浪流條件下進(jìn)出港的適應(yīng)性和限制條件。

1 工程背景

本工程建設(shè)2個(gè)10萬噸級(jí)集裝箱泊位，布置在大欖坪南作業(yè)區(qū)集裝箱9#、10#泊位，見圖1。為滿足未來20萬噸級(jí)集裝箱船靠離泊的要求，7#、8#泊位水域底高程由-13.3 m進(jìn)一步疏浚至-15.1 m，可滿足10萬噸級(jí)集裝箱滿載乘潮(乘潮水位1.59 m)進(jìn)港、12～15萬噸級(jí)集裝箱船舶滿載乘潮(乘潮水位3.43 m，3 h乘潮保證率90%)進(jìn)港、20萬噸級(jí)集裝箱船舶減載(船舶吃水減載至16.2 m)乘潮(乘潮水位3.43 m， 3 h乘潮保證率90%)進(jìn)港要求；9#、10#泊位水域底高程由-13.3 m進(jìn)一步疏浚至-16.3 m，可滿足10萬噸級(jí)集裝箱滿載全潮進(jìn)港，20萬噸級(jí)集裝箱船滿載乘潮(乘潮水位3.43 m， 3 h乘潮保證率90%)進(jìn)港要求。7#、8#泊位的回旋水域直徑按2倍10萬噸級(jí)集裝箱船長(zhǎng)考慮，取692 m；9#、10#泊位的回旋水域按1.975倍20萬噸級(jí)集裝箱船長(zhǎng)考慮，取790 m。設(shè)計(jì)船型的基本尺寸參數(shù)見表1[3]。

圖1 欽州港9#、10#泊位總體規(guī)劃

表1 設(shè)計(jì)船型基本尺寸

本地區(qū)季風(fēng)分布特征比較明顯，每年5—8月多偏南風(fēng)，10—翌年3月多偏北風(fēng)，多年平均風(fēng)速3.8 m/s，極大風(fēng)速36 m/s。欽州灣外海漲潮流向東北、落潮流向西南，漲落潮流均與航道走向大體一致，流向較穩(wěn)定，落潮流速大于漲潮流速，落潮歷時(shí)小于漲潮歷時(shí)，漲潮平均流速為0.08～0.28 m/s，最大為0.54 m/s。落潮平均流速為0.09～0.55 m/s，最大流速0.95 m/s。欽州灣內(nèi)最大漲潮流速為1.0 m/s，最大落潮流速為1.7 m/s。在1個(gè)大潮周期內(nèi)，東航道內(nèi)的水流條件好于西航道，東航道內(nèi)除個(gè)別拐彎點(diǎn)外，最大橫向流速分量均小于0.25 m/s；西航道個(gè)別航段橫向流速分量達(dá)0.50 m/s的時(shí)間在4 h左右。

2 理論基礎(chǔ)

通航模擬是一種數(shù)值驗(yàn)證方法，可以通過計(jì)算仿真在一定程度上預(yù)測(cè)工程的實(shí)際實(shí)施效果，為近海交通工程設(shè)計(jì)提出有價(jià)值的參考依據(jù)[4]。以航道水力模型和自由航行的船模為基礎(chǔ)進(jìn)行船舶航行操作模擬，可實(shí)現(xiàn)對(duì)擬建港口及航道工程進(jìn)行船舶航行、靠離泊等模擬研究和通航安全評(píng)估[5]。

船舶在水中的操縱運(yùn)動(dòng)可以看作是船首尾方向及正橫方向的并進(jìn)運(yùn)動(dòng)及繞船重心垂直軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[6]。根據(jù)圖2中坐標(biāo)系統(tǒng)及受力方式，得出方程組(1)。

注：x0y0為整體坐標(biāo)軸；xy為局部坐標(biāo)軸；X0為作用于船的x0軸方向的合力；Y0為作用于船的y0軸方向的合力；X為作用于船的x軸方向的合力；Y為作用于船的y軸方向的合力；N為繞船重心垂直軸的合力矩；m為船的質(zhì)量；φ為船的轉(zhuǎn)頭角；U為船速；u和v分別為船速在船首尾方向及橫向的分量；δ為航行方向與x坐標(biāo)軸之間的夾角。圖2 船舶航行受力分析

(1)

式中：x0G、y0G為在t0時(shí)刻船重心G的坐標(biāo)；Izz是繞z軸的船的質(zhì)量慣性矩。

將船舶運(yùn)動(dòng)方程(1)轉(zhuǎn)化為船體坐標(biāo)的表達(dá)式，以船體重心G為原點(diǎn)，船首尾為x軸，垂直于船首尾向?yàn)閥軸，則可得到式(2)：

(2)

式中：r為轉(zhuǎn)頭角速度；mx、my為x、y向的附加質(zhì)量；λ為各個(gè)運(yùn)動(dòng)分量之間相關(guān)的運(yùn)動(dòng)慣量；Iz為z向附加慣性矩。采用通常的水動(dòng)力模型，可將X、Y、N表達(dá)為：

(3)

式中：角標(biāo)H、R、P、W、WV分別為作用在裸船體、舵、螺旋槳上及風(fēng)和浪所產(chǎn)生的力和力矩[7]。對(duì)裸船體的操縱運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的橫蕩力YH和船搖力矩NH均可用多項(xiàng)式表示[8]。

每一時(shí)刻船舶的運(yùn)動(dòng)可以通過離散方程逐次積分計(jì)算求得[9]。因此船舶對(duì)水流速為：

(4)

式中：vx、vy為船對(duì)水運(yùn)動(dòng)速度在x、y方向的分量。在對(duì)水運(yùn)動(dòng)計(jì)算的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步計(jì)算船對(duì)地運(yùn)動(dòng)的航行參數(shù)。

3 船舶進(jìn)出港航跡分析

船舶進(jìn)出港航跡是判斷航道寬度是否滿足同行安全性的重要參考依據(jù)，因此本項(xiàng)目進(jìn)行了船舶進(jìn)出港船舶的航跡分析。通航環(huán)境仿真模型中風(fēng)況設(shè)置為NE向吹開風(fēng)、SW向吹攏風(fēng)，典型風(fēng)力6級(jí)，模擬試驗(yàn)浪況設(shè)置與風(fēng)況相匹配。航道及港池的潮流數(shù)據(jù)參考相應(yīng)的潮流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果。選取設(shè)計(jì)代表船型20萬噸級(jí)集裝箱船作為模擬試驗(yàn)船型，船舶模型見圖3。

圖3 20萬噸級(jí)集裝箱船模型

船舶進(jìn)港的航線順序?yàn)椋河珊降滥隙无D(zhuǎn)至三墩段，再由三墩段轉(zhuǎn)至大欖坪段，然后進(jìn)入泊位的回旋水域進(jìn)行靠泊。船舶經(jīng)南段轉(zhuǎn)三墩段以及由三墩段轉(zhuǎn)大欖坪段的進(jìn)港航跡見圖4。

圖4 集裝箱船進(jìn)港航跡

根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，20萬噸級(jí)集裝箱船進(jìn)港時(shí)，在東航道南段船速一般為8～11 kn，風(fēng)流壓差約2°～3°；船舶三墩段船速一般為8～10 kn，風(fēng)流壓差約3°～5°；轉(zhuǎn)入大欖坪段船速一般為5～8 kn，風(fēng)流壓差約5°～8°，轉(zhuǎn)入港池水域時(shí)航速需要降至4 kn以下。

船舶離港的航線順序?yàn)椋河刹次坏幕匦蜻M(jìn)入大欖坪段，由大攬坪段轉(zhuǎn)至三墩段，再由三墩段轉(zhuǎn)至航道南段。船舶出港航跡見圖5。

圖5 集裝箱船出港航跡

模擬試驗(yàn)操作過程表明，進(jìn)港航道55#燈浮至回旋水域段為船舶進(jìn)港的制動(dòng)段，也是船舶離泊出港時(shí)上線的關(guān)鍵航段，船舶低速狀態(tài)下受風(fēng)影響顯著，且舵效差，進(jìn)港船舶單憑船舶難以完成由航道轉(zhuǎn)入港池的操作，應(yīng)使用拖輪協(xié)助控制船位及制動(dòng)。

船舶進(jìn)出港過程中，建議選擇1艘大馬力拖輪在船尾進(jìn)行吊拖，協(xié)助船舶進(jìn)行制動(dòng)及提高舵效；船舶進(jìn)港過程中，船舶在東航道南段轉(zhuǎn)入三墩段，控制船速9 kn為宜，模擬操作時(shí)的舵角大約15°；三墩段轉(zhuǎn)入大攬坪段，控制船速7 kn為宜，模擬操作時(shí)的舵角大約20°，船舶進(jìn)出港航行需注意風(fēng)流同向?qū)Υ暗挠绊?，合理調(diào)整船位。模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示在三墩段航跡帶寬度最大，試驗(yàn)數(shù)據(jù)按三墩段航道寬度核算。模擬試驗(yàn)中20萬噸級(jí)集裝箱船進(jìn)出港航跡帶寬度最大為137 m，所需單向航道寬度最大值為230 m。航道通航寬度230～280 m滿足20萬噸級(jí)集裝箱船在6級(jí)及以下風(fēng)力條件下乘潮單向通航的要求。

4 船舶靠離泊分析

進(jìn)港后，船舶靠泊與離泊是船舶裝卸作業(yè)的關(guān)鍵步驟，也是判斷船舶與港口作業(yè)條件安全的重要條件，為此開展了船舶靠離泊航跡分析。分析模型中風(fēng)況設(shè)置為NE向吹開風(fēng)、SW向吹攏風(fēng)，風(fēng)力設(shè)置為6級(jí)風(fēng)，浪況設(shè)置與風(fēng)況相匹配。

20萬噸級(jí)集裝箱船進(jìn)港靠泊時(shí)，離岸風(fēng)作用下，船舶逐漸減速抵達(dá)泊位前方，左舷首尾拖輪對(duì)船舶進(jìn)行頂推使其逐步靠岸；靠岸風(fēng)作用下，隨著船舶減速，其舵效逐漸降低，船舶受到風(fēng)流力影響逐漸向岸偏移，此時(shí)拖輪需根據(jù)風(fēng)流力方向調(diào)整拖力及拖帶方向，使船舶緩慢平行靠泊，靠泊軌跡見圖6。

圖6 集裝箱船靠泊軌跡

20萬噸級(jí)集裝箱船離泊出港時(shí)，左舷首尾及船中各帶1艘拖輪，另一艘拖輪待命，根據(jù)風(fēng)向調(diào)整拖輪的拖力及拖帶方向，利用風(fēng)力和拖輪拖力使船舶平行出泊，使用拖輪調(diào)整船位及姿態(tài)，根據(jù)流向、流速調(diào)整與流向的交角，船舶至碼頭前沿水域外距離泊位一定安全距離(根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向確定)時(shí)，首部的拖輪加車，并使用備用拖輪頂右舷首部，使船移向回旋水域并向左轉(zhuǎn)向，用拖輪控制船首和船位，擺正船位進(jìn)入航道略偏向上風(fēng)、流一側(cè)，加車提速進(jìn)入出港航道，待船速提高到4 kn以上時(shí)，適時(shí)解掉拖輪，快車出港。離泊軌跡見圖7。

圖7 集裝箱船離泊軌跡

船舶操縱模擬出港航跡結(jié)果表明：在離岸風(fēng)和漲潮流作用下，由于外荷載對(duì)船舶航跡有推離泊位的作用，因此20萬噸級(jí)集裝箱船離泊過程較為順利；在靠岸風(fēng)和漲潮流共同作用下，20萬噸級(jí)集裝箱船掉頭操作較為困難，為防止船舶與泊位間距過近，在控制前沖態(tài)勢(shì)情況下，船尾在拖輪輔助下需要發(fā)生較大幅度的回旋，掉頭操作軌跡沿水流方向超出設(shè)計(jì)回旋水域范圍。因此，設(shè)計(jì)回旋水域不能滿足20萬噸級(jí)集裝箱船在拖輪協(xié)助下掉頭操作的要求，建議回旋水域形狀修正為橢圓形，沿水流方向尺度由原先的790 m擴(kuò)展為1 200 m。

5 結(jié)論

1)通過對(duì)船舶航行過程的模擬分析，可以得到航道不同區(qū)間的定量參考航速和舵角，例如南段轉(zhuǎn)三墩段，航速應(yīng)控制在9 kn、舵角約15°左右為宜；三墩段轉(zhuǎn)入大欖坪段，航速應(yīng)控制在7 kn，舵角約20°左右為宜。

2)通過航行模擬，可以確定20萬噸級(jí)集裝箱船進(jìn)出港航跡帶在三墩段寬度最大為137 m，所需單向航道寬度最大值為230 m。航道通航寬度可以滿足20萬噸級(jí)集裝箱船在6級(jí)及以下風(fēng)力條件下乘潮單向通航的要求。

3)通過離泊航行模擬可以發(fā)現(xiàn)，在靠岸風(fēng)和漲潮流共同作用下，船舶在拖輪輔助下回旋的航跡幅度較大，將導(dǎo)致船舶航跡超出設(shè)計(jì)回旋水域范圍。因此，為滿足20萬噸級(jí)集裝箱船掉頭操作的要求，回旋水域沿水流方向尺度需由原先的790 m擴(kuò)展為1 200 m。

4)由于集裝箱船受風(fēng)壓影響大，拖輪在進(jìn)出港控制船速及靠離泊作業(yè)中發(fā)揮重要作用。為保證船舶靠離泊安全，建議6級(jí)風(fēng)力條件時(shí)，20萬噸級(jí)集裝箱船靠離泊作業(yè)采用5艘不小于2 940 kW的拖輪協(xié)助。

5)船舶進(jìn)出港過程中，建議選擇1艘大功率拖輪在船尾進(jìn)行吊拖，協(xié)助船舶進(jìn)行制動(dòng)及提高舵效。同時(shí)，船舶進(jìn)出港航行需注意風(fēng)流同向?qū)Υ暗挠绊?，合理調(diào)整船位。