高 浪
(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司,上海 200032)
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步,港址選擇諸多要素中,自然條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件等因素權(quán)重在下降,經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)效益等因素權(quán)重在增加[1-2]。港口及其配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)屬資金密集型產(chǎn)業(yè),設(shè)計(jì)技術(shù)方案稍有不慎,將造成巨大資源浪費(fèi)或經(jīng)濟(jì)虧損,在自然條件、基礎(chǔ)設(shè)施等建港條件不能完全滿足港口建設(shè)的情況下,科學(xué)合理的港口設(shè)計(jì)尤為重要。本文以越南電力中心沿海海港工程為例,在自然水深不能滿足建港要求情況下,水域平面尺度設(shè)計(jì)除根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取規(guī)范數(shù)值外,還結(jié)合船舶操縱模擬試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證和優(yōu)化,使設(shè)計(jì)的平面尺度既滿足船舶航行安全,又減少疏浚量、節(jié)省工程前期投資和后期維護(hù)疏浚運(yùn)營(yíng)成本,為設(shè)計(jì)人員在類似港口水域尺度設(shè)計(jì)中提供參考。
港口水域平面尺度應(yīng)滿足船舶運(yùn)動(dòng)的空間,但設(shè)計(jì)難以進(jìn)行實(shí)船試驗(yàn)來(lái)考量這一尺度的可行性和安全性,通常根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范及設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)決定設(shè)計(jì)方案。多種環(huán)境因素組合影響時(shí),很難評(píng)價(jià)船舶操縱安全性、合理性。而運(yùn)用船舶操縱模擬器,通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)模擬,可以評(píng)價(jià)、研究系統(tǒng)的變化過(guò)程;結(jié)合定量與定性進(jìn)行分析,模擬多種設(shè)計(jì)方案及其工況,得出優(yōu)化結(jié)果[3]。
模擬試驗(yàn)前先實(shí)地調(diào)研并搜集資料,進(jìn)行船舶及航行環(huán)境建模:建立船舶進(jìn)出港航道及碼頭水域的大比例尺電子海圖,建立設(shè)計(jì)代表船型的船舶數(shù)學(xué)模型,建立碼頭水工設(shè)施及周邊水域環(huán)境的三維視景;再進(jìn)行模擬操縱及分析:運(yùn)用船舶操縱模擬器,依據(jù)代表船型在不同水文氣象條件下進(jìn)行仿真試驗(yàn),模擬船舶進(jìn)、出航道,旋回水域操作,靠、離泊操縱;最后根據(jù)模擬結(jié)果分析可能存在的安全問(wèn)題,并提出可行的解決辦法,制定船舶在進(jìn)出港航道及碼頭水域的航行操縱方案。模擬試驗(yàn)方法自身也存在局限性,確定設(shè)計(jì)方案時(shí)需要綜合分析規(guī)范經(jīng)驗(yàn)取值和試驗(yàn)成果,從而讓最終設(shè)計(jì)結(jié)果更貼切船舶的真實(shí)運(yùn)作情況,保證項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)、可行、安全,降低工程風(fēng)險(xiǎn)。
越南電力中心沿海海港工程項(xiàng)目為新建1萬(wàn)噸級(jí)煤碼頭及配套工程。該碼頭是由東北向和西南向兩座防波堤環(huán)抱式掩護(hù)的突堤式碼頭,突堤兩側(cè)靠泊船舶,并配備有拖輪協(xié)助船舶港內(nèi)航行、靠離泊和轉(zhuǎn)頭。由于港內(nèi)自然水深條件不能滿足船舶安全運(yùn)行要求,航道和港池水域需要疏浚。因水域平面尺度直接影響疏浚工程量及工程造價(jià),項(xiàng)目實(shí)施前期,在保證安全性的同時(shí),就標(biāo)書中給定的部分水域平面尺度進(jìn)行復(fù)核和設(shè)計(jì)優(yōu)化。
2.2.1船舶
設(shè)計(jì)船型和拖輪配置見(jiàn)表1。
表1 設(shè)計(jì)船型、拖輪及其尺度
2.2.2環(huán)境條件
項(xiàng)目位于熱帶季風(fēng)氣候的越南南部的茶榮(Tra Vinh)省沿海(Duyen Hai)縣,南臨東海。受季風(fēng)影響,雨季波浪主要為SW向浪,旱季波浪主要為ENE向浪。在項(xiàng)目區(qū)域很少出現(xiàn)有臺(tái)風(fēng),全年主導(dǎo)風(fēng)向西南向。天然情況下,工程水域潮流流向與海岸平行,呈東北-西南方向,最大流速約1.5 ms,且流向與航道軸線垂直,故船舶進(jìn)港除乘高潮進(jìn)港外,還需選擇流速較小的時(shí)間段進(jìn)港。
2.2.3船舶在港內(nèi)運(yùn)行情況
由于本碼頭工程僅為電廠供應(yīng)燃煤,貨種單一,且僅為貨物進(jìn)口、流向固定,為節(jié)省挖泥量,船舶運(yùn)行按滿載船舶進(jìn)港、順岸靠泊且壓載船舶離泊、掉頭和出港。
項(xiàng)目港內(nèi)水域由進(jìn)港航道、船舶制動(dòng)水域、船舶回旋水域、碼頭前沿停泊水域、港池、港池與航道的連接水域(連接進(jìn)港航道與碼頭前沿停泊水域,連接碼頭前沿停泊水域與回旋水域的連接水域)等組成,其中,回旋水域位于突堤碼頭端部,本文就碼頭前沿停泊水域、回旋水域、突堤碼頭港池和航道的連接水域尺度按中國(guó)規(guī)范和其他多國(guó)規(guī)范進(jìn)行計(jì)算[4],計(jì)算結(jié)果與標(biāo)書中給定的相應(yīng)尺度作對(duì)比。標(biāo)書中給定的港內(nèi)水域平面的布置與尺度見(jiàn)圖1、2。
圖1 總平面布置
圖2 標(biāo)書中港內(nèi)水域平面布置(單位:m)
2.3.1泊位前停泊水域
該區(qū)域水深要求在設(shè)計(jì)低水位下船舶滿載時(shí)能安全停靠,按各國(guó)規(guī)范尺度取值見(jiàn)表2。
表2 泊位前停泊水域尺度
標(biāo)書尺度254 m×60 m,設(shè)計(jì)取值254 m×37 m,并與進(jìn)港航道相連。
2.3.2船舶靠離碼頭的操作水域
該水域一部分與泊位前停泊水域組合。考慮乘潮水位船舶滿載狀態(tài)下順岸靠泊碼頭(不考慮掉頭),以及乘潮水位時(shí)船舶壓載狀態(tài)下掉頭離開(kāi)碼頭,按各國(guó)規(guī)范尺度取值見(jiàn)表3。
標(biāo)書尺度254 m×60 m,設(shè)計(jì)取值254 m×103 m。
表3 船舶靠離碼頭的操作水域尺度
2.3.3回旋水域
該水域與航道水域組合。該區(qū)域水深要求是乘潮水位時(shí)船舶壓載狀態(tài)下能安全轉(zhuǎn)頭離開(kāi)碼頭。標(biāo)書和按各國(guó)規(guī)范尺度取值見(jiàn)表4。標(biāo)書D=360 m,設(shè)計(jì)按規(guī)范取值D=260 m。
表4 船舶靠離碼頭的回旋圓直徑
2.3.4港池連接水域
港池與航道夾角90°,突堤北側(cè)港池與回旋水域的連接水域,部分與船舶靠離碼頭的操作水域和回旋水域組合;突堤南側(cè)港池與航道的連接水域,部分與船舶靠離碼頭的操作水域和航道水域組合。
水域平面尺度關(guān)系到船舶在港內(nèi)航行、靠離泊和掉頭的可行性和安全性。為此,該尺度以及疏浚工程量還須進(jìn)行船舶模型試驗(yàn)驗(yàn)證,經(jīng)綜合分析后最終確定設(shè)計(jì)方案。
水域平面尺度試驗(yàn)分為正常和極限狀態(tài)。運(yùn)用船舶操縱模擬器,在不同水文氣象條件下,模擬設(shè)計(jì)船型船舶在港內(nèi)進(jìn)、出航道及回旋水域操作和靠、離泊操縱,研究設(shè)計(jì)船型航行和靠離泊的極限條件及其安全對(duì)策。根據(jù)模擬結(jié)果分析可能存在的安全問(wèn)題,并提出可行的解決辦法。模擬試驗(yàn)采用2種實(shí)施方案:
1)方案1:正常狀態(tài)。船舶靠離泊和回旋轉(zhuǎn)頭模擬試驗(yàn)。在不大于8級(jí)風(fēng)、浪高不大于0.5 m(港內(nèi))條件下進(jìn)行,滿載進(jìn)港和壓載出港。
2)方案2:應(yīng)急狀態(tài)。船舶出港特殊操作試驗(yàn)。考慮船舶在港作業(yè)期間遭遇惡劣天氣需要緊急出港,按8級(jí)大風(fēng)惡劣條件進(jìn)行。
試驗(yàn)由具有相應(yīng)等級(jí)船舶實(shí)船駕駛經(jīng)驗(yàn)的船舶模擬操縱人員操作。每組組合工況進(jìn)行多次模擬試驗(yàn),記錄相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果和航跡。試驗(yàn)工況組次分為以下幾類,不同工況下的試驗(yàn)成果見(jiàn)表5。
1)東北季風(fēng)季節(jié),大潮乘潮漲急時(shí)段,4級(jí)風(fēng)、浪高1.3 m條件下,滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè),壓載船舶出港航行作業(yè)。
2)東北季風(fēng)季節(jié),大潮乘潮漲急時(shí)段,6、8級(jí)風(fēng)、浪高2.36 m條件下,滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè),壓載船舶出港航行作業(yè)。
3)西南季風(fēng)季節(jié),大潮乘潮漲急時(shí)段,4級(jí)風(fēng)、浪高1.3 m條件下,滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè),壓載船舶出港航行作業(yè)。
4)西南季風(fēng)季節(jié),大潮乘潮漲急時(shí)段,6、8級(jí)風(fēng)、浪高2.36 m條件下,滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè),壓載船舶出港航行作業(yè)。
5)東北季風(fēng)季節(jié),中、小潮乘潮流緩時(shí)段,4級(jí)風(fēng)、浪高1.3 m條件下,滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè),6、8級(jí)壓載船舶出港航行作業(yè)。
6)東北季風(fēng)季節(jié),中、小潮乘潮流緩時(shí)段,6、8級(jí)風(fēng)、浪高2.36 m條件下,滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè),8、9級(jí)壓載船舶出港航行作業(yè)。
表5 不同工況下所需回旋水域尺度
將不同操縱工況模擬中船舶掃略過(guò)的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì),繪制航行航跡,在同一平面圖中與標(biāo)書水域平面尺度進(jìn)行對(duì)比,見(jiàn)圖3。圖中有的區(qū)域船舶模擬航跡超出了標(biāo)書水域邊界,表明該區(qū)域標(biāo)書尺度太小,不能滿足船舶運(yùn)行要求而擱淺;有的區(qū)域試驗(yàn)船舶模擬航跡沒(méi)能到達(dá),表明該區(qū)域標(biāo)書尺度過(guò)大,可以進(jìn)行優(yōu)化縮小。
圖3 標(biāo)書水域尺度邊線與不同操縱工況模擬中船舶航跡對(duì)比
根據(jù)模擬試驗(yàn)的船舶航跡優(yōu)化水域尺度,優(yōu)化后的水域布置見(jiàn)圖4;將優(yōu)化后的水域平面圖與標(biāo)書給定的水域平面圖對(duì)比見(jiàn)圖5。
圖4 包絡(luò)不同操縱工況模擬中船舶航跡的水域平面尺度
圖5 標(biāo)書水域尺度與試驗(yàn)后優(yōu)化尺度對(duì)比
1)標(biāo)書給定的港池水域?qū)挾?0 m太窄,不能滿足船舶靠離泊安全要求,需要擴(kuò)大至80 m;長(zhǎng)度需要縮短至222 m。
2)標(biāo)書回旋水域D=360 m;根據(jù)表5中試驗(yàn)結(jié)果,1萬(wàn)噸級(jí)船舶回旋水域橢圓長(zhǎng)軸最大313 m、最小205 m,短軸最大230 m、最小167 m;表明標(biāo)書回旋水域尺度雖能滿足要求,但標(biāo)書尺度過(guò)大,須縮小?;匦虺叨热≡O(shè)計(jì)計(jì)算值D=260 m。
3)港池連接水域:根據(jù)船舶航跡包絡(luò)區(qū)域,突堤北側(cè)港池與回旋水域的連接水域:在港池端部沿45°向北擴(kuò)大32 m與回旋水域相接;突堤南側(cè)港池與航道的連接水域:在港池端部沿30°向南擴(kuò)大111 m與航道相接。
4)當(dāng)風(fēng)力超過(guò)6級(jí)時(shí),船舶滿載狀態(tài)下應(yīng)停止靠泊、船舶離泊及掉頭操作。
使用模擬試驗(yàn)結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮試驗(yàn)本身的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗(yàn)研究方法和試驗(yàn)設(shè)備的局限性等都會(huì)導(dǎo)致模擬操縱與實(shí)際操縱的差異,給試驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)誤差。
首先,設(shè)定模擬器參數(shù)可能的誤差:1)試驗(yàn)需要準(zhǔn)確的電子海圖配置。海圖水深必須精確,航道或航槽的邊界線要完善。實(shí)際工作中,可在紙質(zhì)海圖上增加水深點(diǎn)的數(shù)量,或改進(jìn)電子海圖的智能功能等,來(lái)提高海圖準(zhǔn)確性。2)試驗(yàn)需要準(zhǔn)確的邊界條件,輸入風(fēng)、流、潮汐等環(huán)境條件數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中風(fēng)流僅僅是設(shè)定的,難以模擬實(shí)際風(fēng)流的演變過(guò)程及其突變性。實(shí)際工作中可通過(guò)建立典型潮流仿真數(shù)據(jù)庫(kù)、動(dòng)態(tài)讀取潮流數(shù)據(jù)來(lái)提高潮流模擬精度。3)試驗(yàn)中模擬船舶的選擇和船舶操縱運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的建立是核心,并須對(duì)所建立的船舶操縱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行船舶操縱相似性評(píng)價(jià);試驗(yàn)還需要充分的邊界影響條件輸入,如船間效應(yīng)、淺水效應(yīng)、岸壁效應(yīng)等;船舶操縱數(shù)學(xué)模型中沒(méi)有考慮船齡老化等問(wèn)題,而船齡老化直接影響操縱性能、船舶強(qiáng)度、載貨能力等。
其次,虛擬性的視景系統(tǒng)可能產(chǎn)生誤差。虛擬環(huán)境中有無(wú)法克服的問(wèn)題導(dǎo)致了與實(shí)際情況不符,給操作模擬器的人員造成錯(cuò)覺(jué),形成錯(cuò)誤的經(jīng)驗(yàn),進(jìn)而做出錯(cuò)誤的條件反射。
另外,模擬者資質(zhì)能力也會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響。有經(jīng)驗(yàn)船長(zhǎng)指導(dǎo)下的模擬操船對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有很大幫助。
1)基于越南電力中心沿海海港工程水域平面尺度設(shè)計(jì)案例,通過(guò)對(duì)比標(biāo)書中水域平面尺度、按規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值得出尺度數(shù)值和按船舶操縱模擬器試驗(yàn)方法的驗(yàn)證尺度,表明設(shè)計(jì)港口水域尺度時(shí),除了需要對(duì)現(xiàn)有規(guī)范得出理論設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取值外,還需要通過(guò)船舶操縱模擬試驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證并優(yōu)化理論結(jié)果。
2)船舶操縱模擬的試驗(yàn)方法本身的局限性和不足可能導(dǎo)致驗(yàn)證和優(yōu)化出現(xiàn)偏差。
3)現(xiàn)實(shí)工作中,可采取有效方法將模擬誤差控制在允許范圍內(nèi),使試驗(yàn)結(jié)果更真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)船舶操縱,確保港口水域尺度滿足船舶安全和便利運(yùn)行要求,降低工程風(fēng)險(xiǎn),節(jié)省工程造價(jià)。