天津港海嘉汽車(chē)碼頭水域布置方案研究

陳萍，樊士廣，劉思宇

（1.天津港海嘉汽車(chē)碼頭有限公司，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)東北電力第一工程有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

天津港海嘉汽車(chē)碼頭由天津港股份有限公司與安吉汽車(chē)物流有限公司合資建設(shè)，位于天津港規(guī)劃八大港區(qū)之一的北疆港區(qū)。項(xiàng)目建設(shè)2個(gè)大型滾裝泊位，占用岸線(xiàn)565 m，最大可?？?萬(wàn)GT滾裝船舶，項(xiàng)目總投資逾10億元人民幣。由于項(xiàng)目投資較大，特別是港池疏浚費(fèi)用將近2.7億元，擬在對(duì)港池設(shè)計(jì)方案進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，以便達(dá)到節(jié)省投資的目的。

1 原設(shè)計(jì)方案

天津港海嘉汽車(chē)碼頭位于北港池第一分支港池南側(cè)岸線(xiàn)，其東側(cè)為已有環(huán)球滾裝碼頭。環(huán)球滾裝碼頭為5萬(wàn)GT滾裝碼頭，碼頭前沿設(shè)計(jì)底標(biāo)高-11.5 m，港池設(shè)計(jì)底標(biāo)高-10.0 m。海嘉汽車(chē)碼頭擬建2個(gè)泊位，岸線(xiàn)長(zhǎng)度565 m，最大可停靠7萬(wàn)GT滾裝船，碼頭采用連片滿(mǎn)堂式布置，碼頭面頂高程為6.0 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程-12.8 m，碼頭前沿停泊水域?qū)挾?00 m；港池設(shè)計(jì)底高程-11.5 m，港池寬度593 m，西側(cè)最窄處寬度430 m，港池疏浚面積約35萬(wàn)m2；船舶調(diào)頭圓直徑按2倍7萬(wàn)GT滾裝船船長(zhǎng)設(shè)計(jì)，為524 m，布置在碼頭前方港池內(nèi)，調(diào)頭圓邊界距離碼頭前沿約2倍設(shè)計(jì)船寬。港池通過(guò)東側(cè)環(huán)球滾裝碼頭港池與天津港北航道相連接，北航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高-15.5 m，寬度390 m，滿(mǎn)足本項(xiàng)目船舶進(jìn)出港航行需求。項(xiàng)目平面布置示意圖如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目平面布置示意圖Fig.1 Schematic layout of the project

由于本工程港池西側(cè)和北側(cè)規(guī)劃岸線(xiàn)尚未建設(shè)，現(xiàn)狀為淤泥淺灘，低潮時(shí)露出水面。本工程港池區(qū)域現(xiàn)狀水深也較淺，泥面高程約為+3.0 m，因此，本工程港池挖泥量較大，約590萬(wàn)m3。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)代表船型尺度兩種，具體信息見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)代表船型尺度Table 1 Design representative ship size

另一方面，由于天津港現(xiàn)有港區(qū)建設(shè)已基本完成，本項(xiàng)目港池疏浚泥方已無(wú)納泥區(qū)域，只能考慮外運(yùn)，因此港池疏浚土方單價(jià)達(dá)到45元/m3，港池疏?？偣こ藤M(fèi)用高達(dá)2.7億元。

根據(jù)規(guī)范要求，港池設(shè)計(jì)水深宜與航道水深取為一致，按下式計(jì)算：

式中：D0為航道通航水深；T為設(shè)計(jì)船型滿(mǎn)載吃水；Z0為船舶航行時(shí)船體下沉量；Z1為航行時(shí)龍骨下最小富裕水深；Z2為波浪富裕深度；Z3為船舶裝載縱傾富裕深度；Z4為備淤深度。

7萬(wàn)GT滾裝船港池水深計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2，乘潮水位與天津港主航道一致，其中乘潮水位取歷時(shí)6 h全年保證率90%的潮位2.26 m，計(jì)算航道設(shè)計(jì)底高程為-11.26 m，采用-11.5 m。

表2 港池水深計(jì)算表Table 2 Calculation of water depth in the harbor basin

2 優(yōu)化研究

由于項(xiàng)目設(shè)計(jì)投資較大，碼頭結(jié)構(gòu)及其它部分進(jìn)一步優(yōu)化空間較小，現(xiàn)擬對(duì)港池設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化?？紤]影響港池疏浚方量的因素主要有港池疏浚水深[1-2]和港池疏浚面積[3-4]兩方面。擬從港池設(shè)計(jì)水深和港池平面布置兩方面對(duì)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

2.1 港池設(shè)計(jì)水深優(yōu)化

從船型尺度可以看出，7萬(wàn)GT滾裝船和5萬(wàn)GT滾裝船的滿(mǎn)載吃水分別為11.8 m和10.0 m，相差1.8 m，水深相差較大。設(shè)計(jì)中一般考慮按照最大設(shè)計(jì)船型來(lái)計(jì)算港池水深，計(jì)算得出港池水深較大，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。項(xiàng)目前期通過(guò)實(shí)際調(diào)研天津港到船情況，發(fā)現(xiàn)雖然有7萬(wàn)GT船舶到港，但7萬(wàn)GT船舶數(shù)量較少，因此考慮通過(guò)降低7萬(wàn)GT滾裝船舶通航乘潮標(biāo)準(zhǔn)，來(lái)降低港池設(shè)計(jì)水深，以便達(dá)到降低工程投資的目的。

由于7萬(wàn)GT滾裝船到船較少，通過(guò)精確調(diào)度，可降低船舶在港航行時(shí)間，乘潮水位取歷時(shí)3 h全年保證率90%的潮位2.89 m，經(jīng)計(jì)算，港池水深可降低至-10.6 m。根據(jù)港池水深反算，5萬(wàn)GT滾裝船舶在平均低潮位1.34 m情況下可自由進(jìn)出港，保證率較高，不影響碼頭主力船型進(jìn)出港及作業(yè)。通過(guò)此優(yōu)化方案，港池疏浚量可減少約50萬(wàn)m3，投資減少約2 250萬(wàn)元。經(jīng)濟(jì)效益顯著。

2.2 港池平面布置優(yōu)化

原設(shè)計(jì)中，為使船舶操縱方便，港池設(shè)計(jì)時(shí)盡量擴(kuò)大港池范圍，在不影響西北側(cè)規(guī)劃碼頭建設(shè)的情況下，港池邊界盡量靠近西北側(cè)。調(diào)頭圓盡量向西布置，以不影響東側(cè)環(huán)球滾裝碼頭船舶作業(yè)為原則?？紤]本項(xiàng)目船舶進(jìn)出要經(jīng)過(guò)東側(cè)環(huán)球滾裝碼頭港池，影響已不可避免，兩個(gè)項(xiàng)目調(diào)頭水域適當(dāng)共用，不會(huì)對(duì)項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)造成大的影響，擬對(duì)本項(xiàng)目港池布置進(jìn)行優(yōu)化，方案如下：

優(yōu)化方案一：考慮7萬(wàn)GT船舶靠離泊，拖輪協(xié)助離泊，拖輪船長(zhǎng)+纜繩長(zhǎng)度+生產(chǎn)船舶寬度+距碼頭安全距離要求，需要港池水域具有一定作業(yè)尺度，對(duì)港池進(jìn)行優(yōu)化布置，西側(cè)寬度取300 m，港池范圍相應(yīng)縮小。優(yōu)化后港池面積約31.5萬(wàn)m2。優(yōu)化后，港池疏浚量減少約29.6萬(wàn)m3，投資減少約1 335萬(wàn)元。

優(yōu)化方案二：根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，港池西側(cè)最小寬度可取0.8倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)，對(duì)港池進(jìn)行優(yōu)化布置，西側(cè)寬度取210 m，港池范圍相應(yīng)縮小。優(yōu)化后港池面積約29.5萬(wàn)m2。優(yōu)化后，港池疏浚量減少約70萬(wàn)m3，投資減少約3 150萬(wàn)元。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況與優(yōu)化方案，結(jié)合設(shè)計(jì)建議，最終選取優(yōu)化方案一，優(yōu)化方案平面布置示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 優(yōu)化方案平面布置示意圖Fig.2 Schematic layout of the optimization plan

3 方案驗(yàn)證

針對(duì)優(yōu)化港池方案，運(yùn)用船舶操縱模擬器，模擬碼頭水域代表船型的操縱，分析在不同風(fēng)、浪、流等環(huán)境因素影響下，船舶進(jìn)出港通航和靠離作業(yè)的可行性及安全性[5]，對(duì)船舶航行及靠離泊進(jìn)行了通航仿真模擬試驗(yàn)。模擬試驗(yàn)平臺(tái)擬采用Transas公司研發(fā)的NTPRO5000型全任務(wù)航海模擬器和操舵模擬器[6-8]。模擬器系統(tǒng)由教練站、1個(gè)主本船、3個(gè)副本船以及拖輪室等組成。各本船均配置有船舶操控系統(tǒng)、電子海圖系統(tǒng)、航海儀器系統(tǒng)、3D視景系統(tǒng)和船舶通信系統(tǒng)等。模擬系統(tǒng)配置有各典型訓(xùn)練海域區(qū)沿岸水域、狹水道、港口水域、分道通航水域等訓(xùn)練場(chǎng)景，各訓(xùn)練區(qū)可設(shè)置不同的通航環(huán)境條件及各種水文氣象條件，各個(gè)本船可在同一海區(qū)進(jìn)行對(duì)抗訓(xùn)練或在不同的海區(qū)單獨(dú)訓(xùn)練。

分別對(duì)5萬(wàn)GT、7萬(wàn)GT船舶，針對(duì)不同風(fēng)向、風(fēng)況，不同船舶載重狀態(tài)，靠泊、離泊等不同操船方式，漲潮、落潮情況等不同工況組合，共進(jìn)行47次操船模擬試驗(yàn)。

第1次模擬試驗(yàn)共進(jìn)行了18次靠離泊試驗(yàn)，試驗(yàn)類(lèi)型為漲潮右舷靠泊水流為流場(chǎng)流速，其中，7萬(wàn)GT滾裝船3×2 940 kW（3×4 000 HP）拖輪和5萬(wàn)GT滾裝船2×2 940 kW（2×4 000 HP）拖輪模擬試驗(yàn)各做了9次，模擬試驗(yàn)風(fēng)力以6級(jí)風(fēng)和7級(jí)風(fēng)為主，少量試驗(yàn)設(shè)計(jì)風(fēng)力8級(jí)。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明，6級(jí)風(fēng)和7級(jí)風(fēng)情況下，本工程設(shè)計(jì)船型5萬(wàn)GT滾裝船和7萬(wàn)GT滾裝船都能成功靠離泊。具體結(jié)果如表3[1]。

表3 第1次模擬試驗(yàn)信息表Table 3 Information table of the first simulation test

為進(jìn)一步驗(yàn)證本工程設(shè)計(jì)船型靠泊作業(yè)的可行性，新增模擬靠泊試驗(yàn)在7萬(wàn)GT滾裝船3×2 940 kW（3×4 000 HP）拖輪在流場(chǎng)流向7級(jí)強(qiáng)風(fēng)向（E風(fēng)）和7級(jí)常風(fēng)向（NNW）情況下靠泊本工程以西側(cè)泊位為主，增加了20次模擬試驗(yàn)；同時(shí)在第1次模擬試驗(yàn)等基礎(chǔ)上，增加了9次，共計(jì)增加了29次靠泊模擬試驗(yàn)。部分模擬信息見(jiàn)表4。

試驗(yàn)結(jié)果7級(jí)強(qiáng)風(fēng)向（E風(fēng)）情況下，設(shè)計(jì)船型7萬(wàn)GT滾裝船都能安全靠泊本工程西側(cè)泊位：7級(jí)常風(fēng)向（NNW）情況下，10次靠泊試驗(yàn)l次失敗，失敗原因?yàn)榈纛^時(shí)間選擇較晚，轉(zhuǎn)頭過(guò)程中船尾拖輪施加后拖時(shí)間太遲，造成船尾壓向泊位。正常情況下均能安全靠泊；

結(jié)果表明：港池西側(cè)尺度影響船舶操縱難度。船舶調(diào)頭作業(yè)在E風(fēng)影響下有快速向西北偏移趨勢(shì)，船位控制困難，容易被壓向北支港池西側(cè)淺水區(qū)。因此應(yīng)適當(dāng)擴(kuò)大西側(cè)水域區(qū)域，并為拖輪作業(yè)留出足夠空間。西側(cè)邊線(xiàn)取300 m，能夠滿(mǎn)足船舶作業(yè)需要。

同時(shí)，通過(guò)船舶靠離泊作業(yè)模擬試驗(yàn)，給出船舶作業(yè)指導(dǎo)意見(jiàn)如下：

1）正常情況下，本工程設(shè)計(jì)船型中風(fēng)力不大于7級(jí)情況下可安全靠離本工程碼頭泊位。

2）鑒于本工程設(shè)計(jì)船型受風(fēng)面積大，工程泊位走向受常風(fēng)向影響較大，建議：①正常拖船數(shù)量和馬力配備條件下，船舶靠泊風(fēng)力不大于6級(jí)；②7萬(wàn)GT滾裝船優(yōu)先靠泊本工程?hào)|側(cè)碼頭泊位，靠泊西側(cè)碼頭泊位時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加拖船數(shù)量和（或）馬力；③風(fēng)力8級(jí)及以上情況下應(yīng)急離泊，應(yīng)適當(dāng)增加拖船數(shù)量和（或）馬力。

表4 第2次模擬試驗(yàn)信息表Table 4 Information table of the second simulation test

4 結(jié)語(yǔ)

天津港海嘉汽車(chē)碼頭工程投資較大，通過(guò)對(duì)港池設(shè)計(jì)水深和港池平面布置方案優(yōu)化，節(jié)省疏浚方量約79.6萬(wàn)m3，投資約3 585萬(wàn)元。根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)化后方案滿(mǎn)足船舶航行和靠離泊需要。通過(guò)上述方案優(yōu)化，節(jié)省了工程投資，大大提高了方案的可行性，對(duì)下一步項(xiàng)目實(shí)施提供了理論支持，具有很好的指導(dǎo)意義。