中緬300 000 DWT原油碼頭工程設(shè)計要點簡析

吳永強，陳寶泉

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

1 概述

1.1 工程概況

皎漂灣30萬t級原油碼頭工程位于緬甸西海岸馬德島水域，泊位掩護(hù)條件良好。

工程建設(shè)規(guī)模為進(jìn)口原油2 200萬t/a，新建接卸原油泊位1個，設(shè)計船型為30萬t級，兼顧15萬t級。原油碼頭采用順岸“蝶”型布置型式，碼頭長度為482 m，前沿底高程-25.0 m，接岸引橋長97 m。碼頭由1座卸油平臺、2座靠船墩、6座系纜墩組成。航道呈“S”形布置，由 3段組成，自外海至碼頭依次為：第一段是外航道，第二段是月牙島航道，第三段是馬德島航道。均利用天然潮溝開挖而成，全長約30 km，設(shè)計底高程-23.0 m（見圖 1）。

圖1 碼頭及航道布置示意

圖2 碼頭平面布置示意

1.2 自然條件

該區(qū)域常風(fēng)向為SSE向，強風(fēng)向為NNW向。

工程水域?qū)僖?guī)則的半日潮，平均潮差約2.26 m。為不規(guī)則半日潮型，高、低潮時兩站時間差平均約為30分鐘（馬德島較外海滯后）。

皎漂通往馬德島有一條天然深水潮溝，走向大至呈西北—東南走向，潮溝兩側(cè)星羅棋布的島嶼形成天然屏障，外海較大波浪很難傳入碼頭區(qū)域，碼頭區(qū)主要受偏NW至偏SSE向小風(fēng)區(qū)浪的影響，馬德島附近水域波高都很小，最大波高在 0.1～0.3 m之間，碼頭工程水域泊穩(wěn)條件較好。常浪向為WSW向，次常浪向為W向，強浪為WSW向，最大波高為3.8 m。

工程水域海流均呈往復(fù)流運動，各潮型潮段平均流向變化值均在0°～29°之間。受島嶼邊界影響，漲、落潮方向基本與附近島嶼邊界平行。

碼頭前方港池天然水深為-33～-38 m，水下地形平坦，局部地段存在礁石。航道區(qū)天然水深在-20 m以下，部分地段受海流強烈侵蝕形成深槽，水深達(dá)-45～-73 m，暗礁較多。

外航道表層土質(zhì)以粉細(xì)砂和淤泥質(zhì)土為主，其他航道段表層土質(zhì)大多以淤泥、淤泥質(zhì)土為主。碼頭區(qū)域天然水深0～-35 m，地形起伏較大，表層土質(zhì)以淤泥、淤泥質(zhì)土為主，局部直接出露基巖。巖土層自上而下分布為：①粉細(xì)砂、粉土、⑥1強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑥2中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖、⑦1強風(fēng)化泥巖、⑦2中風(fēng)化泥巖。

2 設(shè)計船型選擇

2.1 石油進(jìn)口主要航線分析

波斯灣是世界主要的石油出口地，其出口原油占世界油運量之半，從波斯灣到東亞（中、韓、新加坡等）、日本、西歐、美國，以及加勒比海到美國，是主要的五大航線。這些航線，以VLCC為主力船型，而以15萬t級的蘇伊士型為輔。

除上述航線外，重要的航線還有西非—美國、北非—南歐、阿拉斯加—美國西海岸、北海油田—西歐美國等，這些航線多用蘇伊士型與阿芙拉型船。

本工程原油來源于中東波斯灣地區(qū)或西非地區(qū)，中東—緬甸皎漂平均運距約3 416 n mile，西非—緬甸皎漂約7 431 n mile。

目前20～32.5萬t級的VLCC是油船隊的主力，約占船隊總載重量的39 %；其次為阿芙拉型和蘇伊士型（10～17.5萬t級），約占22 %；最少的是40萬t以上的ULCC，約占船隊運力的0.7 %。

2.2 船舶運輸必要費率分析

本工程為專用油品接卸泊位，碼頭結(jié)構(gòu)可兼顧10～30萬t級油輪靠泊作業(yè)。為了選擇合理的設(shè)計船型，根據(jù)世界原油船舶運營現(xiàn)狀，重點選用 10萬t級、15萬t級、25萬t級和30萬t級油輪進(jìn)行經(jīng)濟(jì)船型分析。

不同航線，同一運量規(guī)模經(jīng)濟(jì)船型方案比較，一般采用單位必要費率進(jìn)行比較。單位必要費率是在充分考慮不同船型的投資、航運方的基準(zhǔn)收益率、年運營費用、運距和運量規(guī)模等因素的基礎(chǔ)上，計算出來的運輸每噸貨物所需的費用。計算方法如下：

先計算出單船年費用（AAC），其表達(dá)式為：

t=1，再計算單位必要費率，其計算式為：

式中：Q為單船運量；Su為稅率。

單位必要費率是一種動態(tài)成本計算方法，考慮到風(fēng)險性和基本折現(xiàn)率因素，本工程所有航線的必要費率是在假定采用新船運輸，暫定折現(xiàn)率8 %的條件下，測算的最低收費水平。這個收費水平對船方來說，只考慮費用因素，未考慮營運利潤水平。

碼頭及航道的造價，按使用期 40年折算，對于10萬t級航道不需開挖，15萬t級以上的航道需要開挖。

假設(shè)進(jìn)口原油來自波斯灣沿岸各港，該航線從波斯灣沿岸各油港開始，出霍爾木茲海峽，經(jīng)阿拉伯海進(jìn)入印度洋，沿印度西海岸經(jīng)斯里蘭卡進(jìn)入孟加拉灣到達(dá)皎漂平均運距約3 416 n mile。通過分析，進(jìn)口原油15萬t級油船必要運費率為每噸73.49元，30萬t級油船必要運費率為每噸60.77元，采用30萬t級油船運輸，比15萬t級油船每噸可節(jié)約必要運費率12.72元，節(jié)約幅度達(dá)17.31 %（見表1）。單純從經(jīng)濟(jì)運輸船型角度分析，25萬t級和30萬t級船型均比15萬t船型經(jīng)濟(jì)。

表1 波斯灣—緬甸皎漂油輪運輸綜合必要費率

2.3 設(shè)計船型的確定

根據(jù)石油運輸航線、油船的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，結(jié)合經(jīng)濟(jì)船型分析，設(shè)計到港船型主要為15萬～30萬t級，設(shè)計船型為30萬t級，兼顧15萬t級船型。

3 航道選線

3.1 航道選線

航道選線利用天然潮溝，由外海至碼頭依次分外航道、月牙島航道和馬德島三段航道，呈“S”形布置。外航道天然水深測圖表明，淺水區(qū)呈南北較寬中間較窄的“沙漏”狀分布；外航道天然巖面分析表明，其基巖分布呈北側(cè)較少南側(cè)較多的趨勢。月牙島航道天然水深呈東側(cè)深西側(cè)淺的趨勢；月牙島航道天然巖面分布也呈東側(cè)較深西側(cè)較淺的趨勢。馬德島航道淺水區(qū)呈南北較多中間較少的趨勢；馬德島航道天然巖面出露在南側(cè)。因月牙島航道和馬德島航道兩段航道疏浚量共計約為 11萬m3，根據(jù)各航道段所處潮溝水深地形，同時考慮風(fēng)、浪、流自然條件，月牙島航道軸線確定為141°-321°，馬德島航道軸線確定為 102°-282°。

本工程航道的疏浚區(qū)域主要位于外航道段。以外航道深槽與月牙島航道交點為軸點，對外航道軸線方位 96°-276°、99°-279°和 102°-282°三個軸線方位進(jìn)行比選。由于三個航道軸線方位角度相差較小，受水流的影響基本相同，主要針對疏浚工程量進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。

表2 不同軸線對應(yīng)疏浚量（外航道段）

根據(jù)計算結(jié)果，外航道軸線方位99°-279°，疏浚、挖巖工程量最少，確定外航道軸線為99°-279°。

3.2 利用長航道特點提高靠泊的安全性

根據(jù)外海觀測站和馬德島觀測站兩年同步水位觀測資料分析，外海潮時較之馬德島提前 30分鐘，而乘潮水位外海較之馬德島低0.2 m。根據(jù)《中緬原油管道 30萬 t級原油碼頭操船模擬試驗報告》[2]，船舶在航道中航行的時間為 2.5小時，靠泊碼頭的時間為1小時。大型油輪靠泊碼頭時一般選用平潮靠泊碼頭，故油輪進(jìn)入航道的時間為高潮前 2小時，利用外海潮時和馬德島潮時差（0.5小時），到達(dá)港池時正處于馬德島高平潮，船舶靠泊時為落潮流，頂流順靠碼頭，此時流速小于0.3 m/s，靠泊操縱較為容易，利用長航道兩端的潮時差，抓住平潮靠碼頭的有利時機，提高操船的安全性。

圖3 落潮右舷靠泊示意

4 水工結(jié)構(gòu)對泥巖的處理

根據(jù)碼頭使用要求及水文、地質(zhì)等方面的條件，30萬t級原油碼頭水工結(jié)構(gòu)可以考慮大直徑全斷面嵌巖樁結(jié)構(gòu)方案，嵌巖樁的沉樁、穩(wěn)樁難度較大，在具有遇水軟化崩解特性的中風(fēng)化泥巖中施工嵌巖樁，需對嵌巖效果、樁基承載力值及其長期變化規(guī)律等需進(jìn)行專題研究，可行性的不確定因素較大，另工程區(qū)域地震烈度較大（地震加速度為0.28g），采用重力式鋼筋混凝土圓沉箱墩式結(jié)構(gòu)方案，基床受力均勻，基床頂應(yīng)力較小，對軟質(zhì)泥巖的適應(yīng)性較好，故水工結(jié)構(gòu)采用重力式沉箱墩結(jié)構(gòu)。

該碼頭區(qū)域表層為淤泥或淤泥質(zhì)土，其下多為中、強風(fēng)化泥巖。強風(fēng)化泥巖浸水1小時后即完全崩解，水中表態(tài)不穩(wěn)定，本層不可以作為持力層，所以必須清除，避免給工程留下安全隱患。中風(fēng)化泥巖水中表態(tài)較為穩(wěn)定，地基承載力較高，可作為持力層。但考慮到在碼頭使用期內(nèi)泥巖與水長期作用下的軟化和泥化，將對碼頭的穩(wěn)定和承載能力產(chǎn)生較大不利影響，特別是基槽炸巖后下部中風(fēng)化泥巖整體性變差，軟化現(xiàn)象更加嚴(yán)重，需要采取有效措施，將碼頭基礎(chǔ)下方的中風(fēng)化泥巖與水隔離，避免基礎(chǔ)下方中風(fēng)化泥巖長期在水浸泡下泥化對碼頭穩(wěn)定的影響。擬采用如下措施：先挖除巖面上的淤泥，挖（炸巖）至中風(fēng)化泥巖層，用高壓水處理表面殘渣后，現(xiàn)澆1 000 mm厚混凝土封底，封閉新鮮巖面，阻斷中風(fēng)化泥巖層與水的接觸。在混凝土封底的上層拋填10～100 kg塊石基床，其厚度根據(jù)所在位置處中風(fēng)化巖的不同出露高程而不同，約為1.5～12.0 m?；残柽M(jìn)行夯實處理（見圖4）。

圖4 水下混凝土封底示意

5 拋泥區(qū)的選劃

工程區(qū)域自然水深條件較好，水深均在 19 m以深，30 km的長航道疏浚約1 000萬m3，大部分疏浚集中在外航道段，本工程沒有吹填造陸需求，疏浚土方全部棄入拋泥區(qū)。拋泥區(qū)的選化應(yīng)盡可能地減少拋泥船運移距離，更重要的是避免拋泥后的泥沙受水動力影響重新回淤到航道。本工程利用數(shù)學(xué)模型對拋泥區(qū)傾倒后的泥沙運動及對航道回淤影響進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析。

5.1 MIKE 21 Hydrodynamic Model

該模型采用垂向平均的二維淺水方程，包括連續(xù)方程和動量方程，即

5.2 懸沙輸移擴(kuò)散方程

式中：S為垂線平均含沙量；Dx、Dy分別為x、y方向的泥沙擴(kuò)散系數(shù)；FS為泥沙沖淤函數(shù)。

5.3 床面沖淤變化方程

式中：dγ為床沙干容重；bη為海底床面的豎向位移（即沖淤變化量）。

5.4 計算結(jié)果

三個拋泥區(qū)（西部、中部、東部）拋泥后懸沙擴(kuò)散的范圍都呈狹長的橢圓形，主要是拋泥區(qū)附近水流以往復(fù)流為主，而拋泥后懸沙主要隨漲落潮擴(kuò)散，因此懸沙擴(kuò)散的主要方向基本與水流方向一致，而垂直于水流方向的擴(kuò)散面積相對小很多。在西部拋泥區(qū)拋泥后，懸浮泥沙隨漲潮流擴(kuò)散的最長距離是4.35 km（50 mg/L的外邊線），隨落潮流擴(kuò)散的最長距離是3.0 km；在中部拋泥區(qū)拋泥后，懸浮泥沙隨漲潮流擴(kuò)散的最長距離是 4.13 km，隨落潮流擴(kuò)散的最長距離是3.1 km；在東部拋泥區(qū)拋泥后，懸浮泥沙隨漲潮流主要向皎漂島與馬德島之間水域擴(kuò)散，遠(yuǎn)離航道，因此對航道不會造成影響，落潮時水流運動方向與航道有一定夾角，因此落潮時拋泥影響不利，懸浮泥沙隨落潮流擴(kuò)散的最長距離是3.03 km。

西部、中部兩拋泥區(qū)拋泥后，懸浮泥沙都沒有擴(kuò)散至航道內(nèi)，因此對航道沒有影響；東區(qū)拋泥后，落潮期間會有少量泥沙漂至轉(zhuǎn)彎航道處，但這部分泥沙含沙量較低（小于100 mg/L），而且該區(qū)域疏浚量少，港池和航道水深又大（大于30 m），因此即使拋泥擴(kuò)散到港池和航道也不會構(gòu)成太大影響。

圖5 拋泥區(qū)選化位置

6 拖輪配備

6.1 拖輪布置

30萬t級船舶滿載靠泊、壓載離泊出港拖輪布置見圖6。

當(dāng)船舶進(jìn)入外航道前，應(yīng)將船尾限速拖輪帶妥，船舶駛?cè)腭R得島航道時應(yīng)將所有拖輪帶妥。

圖6 靠、離泊拖輪布置

6.2 拖輪的功率

表3 試驗船型所需拖輪馬力推算

可利用的拖輪類型見表4所示，試驗者可以根據(jù)不同情況采用各種拖輪進(jìn)行組合。

表4 拖輪配備

本工程碼頭位于開敞水域，受周圍各島嶼的掩護(hù)，波浪較小，但碼頭前沿海域流速較大，結(jié)合類似30萬t級油輪操船經(jīng)驗，30萬t船舶的拖輪總馬力配備不宜小于20 000 HP。

根據(jù)上述拖輪的布置，報告[2]各種操作情況下建議使用的拖輪數(shù)量和功率：

30萬t船舶滿載靠泊時，拖輪5艘：2×5 000 HP+3×4 000 HP=22 000 HP；

30萬t船舶壓載離泊時，拖輪4艘：2×5 000+2×4 000 HP=18 000 HP。

結(jié)合當(dāng)?shù)厮臈l件和操船模擬研究，本工程擬配備5 000 HP的拖輪5艘，拖輪總馬力為25 000 HP，能夠滿足本工程30萬t級船舶靠離泊操縱的要求。

7 結(jié)語

本工程是“一帶一路”走出去實施的大型原油碼頭，為我國提供穩(wěn)定、安全的能源保障。根據(jù)石油運輸航線、油船的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，結(jié)合綜合必要費率分析本工程的經(jīng)濟(jì)船型。利用天然潮溝，進(jìn)行30 km長航道的選線。充分利用皎漂灣內(nèi)外水位差和潮時差的特點，高潮前2小時進(jìn)入航道，抓住停潮靠碼頭的有利時機，提高靠泊的安全性。采用混凝土封底，封閉新鮮巖面，阻斷中風(fēng)化泥巖層與水的接觸，破解了泥巖遇水崩解的難題，保證水工結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。結(jié)合二維潮流和泥沙數(shù)學(xué)模型，對工程前后潮流場以及拋泥后懸浮泥沙的輸移擴(kuò)散進(jìn)行研究，進(jìn)而確定滿足該航道疏浚所需的拋泥區(qū)位置；根據(jù)操船模擬研究，確定了大型油輪靠、離泊拖輪的配備。碼頭自 2016年投入使用來，運營良好。現(xiàn)對該工程的設(shè)計要點進(jìn)行總結(jié)，可為類似工程設(shè)計提供借鑒。