唐山港曹妃甸港區(qū)礦石碼頭三期工程碼頭平面布置

許健剛，魏美芳

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

引 言

圖1 工程位置示意

唐山港曹妃甸港區(qū)位于渤海灣少有的30 m深槽水域，由于碼頭位于外海，工程的建設(shè)會(huì)對附近海域及鄰近工程流場產(chǎn)生影響。為此，需要通過相關(guān)物理及數(shù)學(xué)模型研究，確定合理的碼頭方位角和岸線長度，為碼頭的平面布置提供科學(xué)依據(jù)。

1 自然條件

曹妃甸港區(qū)的設(shè)計(jì)高水位為2.91 m，極端高水位為4.46 m（高程系統(tǒng)以曹妃甸理論最低潮面起算，下同）。港區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾向，出現(xiàn)頻率為9.16%；次常風(fēng)向?yàn)镾SW向，出現(xiàn)頻率為8.28%；強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹W向。港區(qū)的常浪向?yàn)镾向，出現(xiàn)頻率為10.87%；次常浪向?yàn)镾W向，出現(xiàn)頻率為7.48%。強(qiáng)浪向ENE向，次強(qiáng)浪向NE向。

曹妃甸海域潮流運(yùn)動(dòng)形式基本呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)。但由于受地形變化影響，隨測站位置不同，其流向也有所變化。而在距甸頭和淺灘較近海區(qū)，由于受到灘面的阻水作用和岬角的挑流作用，使得該處的流向有順岸或者沿等深線方向流動(dòng)的趨勢。

從曹妃甸附近海域的流場看，漲潮時(shí)水體呈自東向西運(yùn)動(dòng)，落潮時(shí)水體總體自西向東運(yùn)動(dòng)。在甸頭附近的流場則顯示出了比較明顯的岬角效應(yīng)，漲落潮水流在該范圍水域受地形影響較大，水流表現(xiàn)為明顯的往復(fù)流性質(zhì)，且流向集中，流速較大。在礦石碼頭三期工程附近水域，潮流呈往復(fù)流運(yùn)動(dòng)，擬建碼頭前沿大、小潮漲落潮平均流向?yàn)?63°～79°，大潮最大流速對應(yīng)的漲、落潮流向分別為259°～76°。附近水域的流速分布具有外海大于近岸的特點(diǎn)。

2 碼頭岸線方位布置研究

2.1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《唐山港總體規(guī)劃（修訂）》[1]，本工程位于曹妃甸甸頭深水區(qū)，已建礦石碼頭一期工程的東側(cè)，共建設(shè)2個(gè)25萬t級(jí)的散貨泊位（碼頭結(jié)構(gòu)按照40萬t級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)），兩泊位呈“一”字形布置。碼頭結(jié)構(gòu)采用高樁墩式結(jié)構(gòu)。

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)條文計(jì)算，40萬t級(jí)散貨船的碼頭前沿設(shè)計(jì)底高程為-25 m。為了充分利用甸頭區(qū)的深水資源并避免港池的疏浚作業(yè)，本工程將碼頭岸線布置在-25 m等深線上。

對于開敞式碼頭，橫風(fēng)、橫流和橫浪對船舶的作用力遠(yuǎn)大于順風(fēng)、順流、順浪。為此在選擇碼頭軸線時(shí)，盡可能要順風(fēng)、順流、順浪布置；且波浪和海流對船舶起到重要的影響?？紤]到本工程碼頭所處海域的大、小潮流平均流向?yàn)?63°～79°，并結(jié)合碼頭前沿線-25 m等深線的走向，綜合考慮后碼頭方位角確定為90°～270°。

2.2 潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)分析

對于上述的碼頭布置方案，通過潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)[2]，研究本工程實(shí)施后附近水域的流場變化以及碼頭前沿的流速流向情況。潮流數(shù)模結(jié)果表明：

1）針對碼頭布置方案，工程實(shí)施后，曹妃甸海域的流場基本沒有變化，由于本工程碼頭采用樁墩結(jié)構(gòu)，對水流的影響僅在碼頭附近局部水域。

2）本工程碼頭前沿水域主要受東向及東北向漲潮流、西向落潮流影響，各時(shí)刻水流較為平順，沒有明顯的環(huán)流產(chǎn)生。漲落潮過程中，水流與擬建碼頭均存在夾角，該夾角在漲、落急時(shí)刻分別達(dá)到最大，且漲潮流方向形成的夾角（17°）大于落潮流方向形成的夾角（8°）。

3）工程實(shí)施后，其碼頭前沿水域和東北側(cè)水域流速有所減弱，礦石一期碼頭前沿流速略有減小。該工程實(shí)施對甸頭深槽水域已建和預(yù)留項(xiàng)目水域均沒有影響。

4）本工程碼頭前沿的漲、落急時(shí)刻的流向范圍在253°～270°和82°～94°，其中碼頭東端與設(shè)計(jì)軸線夾角最大，漲、落急分別為17°、8°。水流與碼頭形成的最大漲、落潮橫流分量位于碼頭東端，分別為0.29 m/s、0.14 m/s。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，本工程碼頭總平面布置方案較為合理。但碼頭東端（3a點(diǎn)）漲潮流速最大到0.97 m/s，流向與船舶縱軸線夾角較大（17°），因此在項(xiàng)目運(yùn)營中，碼頭東端的靠、系泊作業(yè)要加強(qiáng)管理，保證船舶安全。

3 碼頭岸線長度優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 碼頭泊位長度設(shè)計(jì)

碼頭泊位長度需要考慮船舶安全靠離、裝卸作業(yè)以及系纜的要求。根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，對于一字形布置的25萬t級(jí)散貨泊位，其富裕長度取為40 m。但考慮到該碼頭處在完全開敞的條件下，且船舶噸級(jí)較大，停泊作業(yè)條件要求艏艉纜繩的長度和泊位富裕長度均需適當(dāng)加大。為此，參考相鄰已建工程的設(shè)計(jì)和使用情況，本工程泊位兩端的富裕長度增加到50 m。碼頭泊位總長度為50+325+40+325+50=790 m。為了節(jié)省工程投資，本工程西側(cè)的艏艉系纜墩可與已建成的礦石碼頭一期工程的系纜墩共用；而東側(cè)則新建一座系纜墩，通過鋼橋與連片式碼頭段相連。為此，本工程實(shí)際新建連片式碼頭結(jié)構(gòu)長度為778 m。詳見圖2。

圖2 潮流特征點(diǎn)布置及泊位長度示意

3.2 模型試驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證在風(fēng)、浪、流作業(yè)下，船舶裝卸作業(yè)過程的安全性，本工程進(jìn)行了系泊船舶運(yùn)動(dòng)物理模型試驗(yàn)和數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)。

1）物理模型試驗(yàn)[3]

物理模型試驗(yàn)采用30萬t級(jí)散貨船作為試驗(yàn)船型，主要測定系泊船舶在波浪、水流和風(fēng)作用下，在不同水位、不同裝載狀態(tài)時(shí)船舶的橫移、縱移、橫搖、縱搖、升沉、回轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)量以及船舶的系纜力和撞擊力。共設(shè)24根纜，纜繩采用周徑為12英寸的尼龍纜，纜繩破斷力為1 500 kN。其中，纜繩布置分為艏纜6根、艏橫纜4根、艏倒纜2根、艉纜6根、艉橫纜4根、艉倒纜2根。

試驗(yàn)結(jié)果表明：對于30萬t級(jí)散貨船而言，在給定風(fēng)速（Vf=22 m/s）、浪（H4%=1.8 m或2.0 m）、流（見表1）的聯(lián)合作用下，各工況時(shí)各組纜繩的系纜力均未超過纜繩破斷力，系泊是安全的。但較多工況下，橫移量超過了船舶安全作業(yè)允許的運(yùn)動(dòng)量（抓斗卸船機(jī)為1 m），最大值達(dá)到1.74 m。表1給出了壓載、設(shè)計(jì)高水位及吹開風(fēng)作用工況下系纜力及船舶運(yùn)動(dòng)量的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用下系泊試驗(yàn)結(jié)果

本工程橫移量較大的原因主要在于碼頭東部受等深線變化的影響存在253°的漲潮流，流向與船舶縱軸線形成約17°的夾角，流速可達(dá)0.97 m/s。當(dāng)碼頭前的水流達(dá)到一定速度且流向與船舶的夾角也較大時(shí)，流壓力將帶來船舶運(yùn)動(dòng)量的增加。

2）數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)[4]

針對物理模型試驗(yàn)的結(jié)果：漲潮流及相應(yīng)風(fēng)浪組合條件作用下船舶的橫移量過大，對船舶裝卸作業(yè)產(chǎn)生不利影響。為此，設(shè)計(jì)過程中對系纜墩布置進(jìn)行優(yōu)化，將東側(cè)系纜墩轉(zhuǎn)向90°并向后移，同時(shí)在系纜墩后方增設(shè)1個(gè)系船柱，從而加強(qiáng)對船舶橫移的約束，以減少船舶的橫移量。

本工程對系纜墩優(yōu)化布置前后兩種工況分別進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)（采用船舶系纜系統(tǒng)分析的軟件OPTIMOOR），試驗(yàn)結(jié)果表明：將碼頭東側(cè)的系纜墩轉(zhuǎn)向并后移對約束船舶的運(yùn)動(dòng)量確實(shí)有幫助，縱移的最大位移量從1.1 m降到0.7 m，橫移的最大位移量從2.1 m降到1.7 m。而最大的纜繩系纜力從調(diào)整前占破斷力的43%降到37%，且纜繩的受力更加均勻。

圖3 轉(zhuǎn)向后的東側(cè)系纜墩布置

4 結(jié) 語

通過以上分析論證、并基于物理模型和數(shù)學(xué)模型論證的基礎(chǔ)上，本工程連片式碼頭結(jié)構(gòu)長度定為778 m是合理的，降低了碼頭工程造價(jià)。

通過將碼頭東側(cè)的系纜墩轉(zhuǎn)向90°并向后移，同時(shí)增加后方系船柱，可以有效加強(qiáng)對船舶的橫移約束，減小船舶的橫移量并使纜繩的受力更加均勻，實(shí)現(xiàn)了碼頭平面布置的優(yōu)化。

本工程2015年9月試運(yùn)行，截至2019年10月底已累計(jì)接卸船舶823艘次，其中20萬t級(jí)以下船舶325艘次、20萬～25萬t級(jí)船舶274艘次、25萬t級(jí)以上船舶224艘次，碼頭設(shè)施、裝卸設(shè)備等均能滿足到港船舶裝卸要求。