天津港LNG 碼頭前沿頂高程研究

張 靜

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300220）

引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，我國天然氣資源與市場需求之間的缺口越來越大，從國外引進天然氣量將逐年加大，尤其是在能源相對缺乏而經(jīng)濟發(fā)達(dá)的環(huán)渤海地區(qū)，而運輸方便、安全、清潔、高效的LNG則成了相對較優(yōu)的選擇。隨著國家對能源需求的不斷增長，引進LNG 將對優(yōu)化中國的能源結(jié)構(gòu)，有效解決能源供應(yīng)安全、生態(tài)環(huán)境保護的雙重問題，實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。在這種背景下，北京市燃?xì)饧瘓F有限責(zé)任公司認(rèn)真貫徹落實國家加快儲氣設(shè)施建設(shè)和完善儲氣調(diào)峰輔助服務(wù)的要求，擬在具有LNG 接收站建設(shè)條件的天津市南港工業(yè)區(qū)規(guī)劃建設(shè)LNG 項目。北燃LNG 碼頭位于天津港大港港區(qū)東港池東岸北端，工程建設(shè)1 個可靠泊1～26.6 萬m3LNG 船的LNG 泊位，考慮到LNG 泊位兼顧船型較廣，工程建設(shè)既要滿足大型船舶靠泊需求，同時又要防止小型船舶靠泊時吊纜現(xiàn)象的發(fā)生，工程對碼頭各部分高程體系要求較高，本文根據(jù)規(guī)范公式進行計算，考慮船舶系靠泊設(shè)施的布置情況，結(jié)合船舶系泊物模試驗對船舶靠泊作業(yè)相關(guān)的各部分高程進行分析，給出LNG碼頭頂高程設(shè)計的合理建議，為類似工程設(shè)計提供參考。

1 設(shè)計條件

1）設(shè)計水位

設(shè)計高水位 4.30 m；

設(shè)計低水位 0.50 m；

極端高水位 5.88 m；

極端低水位 -1.29 m。

2）波浪條件

根據(jù)本項目北京燃?xì)馓旖騆NG碼頭平面布置方案建立港內(nèi)考慮波浪折射、繞射和反射的波浪數(shù)學(xué)波型，得出港內(nèi)的波高分布和碼頭前一些控制點位置的波浪要素。綜合比較設(shè)計風(fēng)速推算結(jié)果、天氣圖方法結(jié)果及分析塘沽海洋站實測資料，LNG碼頭位于防波堤內(nèi)側(cè)，受防波堤掩護作用的影響，外海波浪對碼頭水域的影響較小，由于防波堤內(nèi)水域?qū)掗?、碼頭前水域及航道的開挖、水深較大，碼頭前主要考慮受偏N～NW方向的局部風(fēng)浪影響。為此根據(jù)該水域的不同重現(xiàn)期風(fēng)速對碼頭水域的風(fēng)浪進行了推算。

表1 N～NW 方向港內(nèi)碼頭風(fēng)浪要素

3）設(shè)計船型

表2 船型尺度表

2 頂高程計算

碼頭前沿頂高程應(yīng)滿足當(dāng)?shù)卮蟪睍r碼頭面不被淹沒、便于作業(yè)、結(jié)構(gòu)安全和碼頭周邊銜接等要求，并應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)爻毕?、波浪、泊位性質(zhì)、船型、裝卸工藝、船舶系纜、陸域高程、防汛等要求確定[1]。本工程為LNG碼頭，碼頭裝卸平臺頂應(yīng)有足夠的高度，以盡量減少波浪力的影響，保證碼頭上部結(jié)構(gòu)和設(shè)施的正常使用，但是如果太高，又可能在船舶滿載低水位時超出裝卸臂的工作范圍，在確定平臺高程的時候，要統(tǒng)籌考慮波浪力和裝卸臂的影響。

靠船墩和系纜墩的頂高程，還必須考慮系纜的垂直角，頂高程過高的話，由于滿載時船舶的甲板高度過低，系纜時就會出現(xiàn)吊纜現(xiàn)象，加速纜繩的磨損，當(dāng)頂高程過低的話，會導(dǎo)致大船在設(shè)計高水位空載情況下系纜的仰角過大（一般不宜超過30°），從而影響系纜效果?？看?、系纜墩上通常會設(shè)置絞盤、脫纜鉤控制系統(tǒng)、液壓動力裝置等系船設(shè)備，最好不要上浪[2]。

1）按受力標(biāo)準(zhǔn)控制的碼頭前沿頂高程計算

根據(jù)《海港總體設(shè)計規(guī)范》（JTS165-2013），碼頭前沿頂高程按照下列公式計算：

式中：

E—碼頭前沿頂高程（m）；

E0—上部結(jié)構(gòu)受力計算的下緣高程（m）；

h—上部結(jié)構(gòu)高度（m），結(jié)構(gòu)厚度2.2 m；

DWL——設(shè)計水位（m），設(shè)計高水位，4.3 m；

η——設(shè)計高水位時重現(xiàn)期為50年的H1%（波列累計頻率為1%的波高）靜水面以上的波峰面高度（m）；

h0—水面以上波峰面高度與上部結(jié)構(gòu)底面的高度（m），本工程波峰面低于上部結(jié)構(gòu)，故取0。

ΔF—受力標(biāo)準(zhǔn)的綜合富裕高度（m），取0.8 m。

E=4.3+1.20+0.8+2.2=8.5 m。

按照受力標(biāo)準(zhǔn)控制，LNG碼頭前沿頂高程取為8.5 m。

2）按上水標(biāo)準(zhǔn)控制的碼頭前沿頂高程計算

本項目所處港池位置對外海波浪掩護良好，僅需考慮港池小風(fēng)區(qū)風(fēng)成浪的影響，根據(jù)規(guī)范相關(guān)條文，碼頭前沿高程按照基本標(biāo)準(zhǔn)和復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)分別計算。

基本標(biāo)準(zhǔn)：E=4.3+1.0～2.0=5.3～6.3 m

復(fù)核標(biāo)準(zhǔn)：E=5.88+0～0.5=5.88～6.38 m

按照上水標(biāo)準(zhǔn)控制，碼頭前沿高程不宜低于6.0 m。

本工程碼頭前沿頂高程暫取值8.5m進行后續(xù)的計算分析。

3 船舶系纜垂直角測算

1）系泊模型試驗高程論證

26.6萬m3LNG船系纜方式采用3-3-2-2型式，艏艉纜和艏艉橫纜1各3根，艏艉橫纜2和艏艉倒纜各2根，如圖1。

圖1 26.6m3LNG 船舶系纜方式示意圖

1.0萬m3船舶系纜方式如圖2。船艏、艉纜和艏、艉倒纜分別為兩根，其中艏、艉纜系在系纜墩上，艏、艉倒纜分別系在工作平臺的脫纜鉤上。

圖2 1 萬m3LNG 船舶系纜方式示意圖

圖3 26.6 萬m3LNG 船舶系泊試驗照片

其中在設(shè)計低水位、船舶滿載條件下，存在垂直角為“-”，表明船舶帶纜點處的甲板在系纜墩/工作平臺頂高程以下，此時纜繩系纜后可能會與碼頭邊緣接觸摩擦，故在模型上嚴(yán)格模擬了護舷的幾何尺度以及碼頭和船舶系纜點的位置，并對纜繩和碼頭邊緣是否接觸進行了校核。

經(jīng)試驗?zāi)M，工作平臺系纜點高程為8.5 m時，1萬m3LNG船，當(dāng)艏倒纜從船舶型深處的導(dǎo)纜孔出纜，則纜繩與碼頭邊緣接觸，且此時的艏倒纜長度較短，不建議使用，除該導(dǎo)纜孔外，其余導(dǎo)纜孔出纜，均不與碼頭前沿接觸。

在靠船墩、系纜墩頂高程能夠滿足上水標(biāo)準(zhǔn)（≥6.0 m）要求的前提下對系纜位置處高程進行適當(dāng)降低，在系纜點高程降為7.0 m時，各組纜繩可實現(xiàn)均不與碼頭邊緣接觸。此種工況下，26.6萬m3LNG船與1萬m3LNG船的纜繩角度和纜繩長度如下表所示：

圖5 1 萬m3LNG 船舶系泊吊纜現(xiàn)象

表3 26.6 萬m3LNG 船纜繩角度及纜繩長度

表4 1 萬m3LNG 船纜繩角度及纜繩長度

在本工程系纜位置處高程調(diào)整為7.0 m后，26.6萬m3LNG船其纜繩角度和纜繩長度均比較適宜，1萬m3LNG船在高程調(diào)整后，也不存在吊纜現(xiàn)象，可見，系纜位置處頂高程取值7.0 m，從船舶系纜方面考慮比較合理。

4 護舷安裝位置分析

有靠泊需求的靠船墩頂高程，除了考慮上水和結(jié)構(gòu)受力外，還應(yīng)結(jié)合漲、落潮和壓、滿載時船舶甲板高度的變化考慮護舷安裝位置的合理性，以便能有效地承受船舶的撞擊力。

LNG船舶靠泊的船側(cè)并非完全是一個平面，而是兩端為曲面的不規(guī)則形狀，僅有中部位置為可靠泊區(qū)域，《海港總體設(shè)計規(guī)范》給出的船舶護舷布置間距取值設(shè)計船長的30 %～45 %，在分析護舷與碼頭前沿頂高程的相關(guān)關(guān)系時，僅有≤45 %船長的船側(cè)直立面能滿足靠泊護舷接觸面需求。對大船而言，由于船體較大，船舶護舷接觸面尺度基本能滿足靠泊需要，但對小船而言，對可靠泊的船側(cè)直立面需要慎重考慮，對于本工程LNG碼頭，由于靠船墩間距較大，須同時在工作平臺布置護舷，方能滿足小型LNG船舶靠泊需要。

1萬m3LNG船和26.6萬m3LNG船，在滿載和壓載工況下，船舶可靠泊船側(cè)尺度如表5所示。

表5 船型尺度表

結(jié)合設(shè)計船型滿載和壓載工況下可靠泊船側(cè)尺度，本工程靠泊護舷選用SC1700H兩鼓一板橡膠護舷，兩鼓的鼓中心高程分別為5.4 m和2.7 m，考慮到板的高程，護舷布置后船體接觸板面頂高程約6.8 m，這就決定了本工程靠船墩頂高程不宜小于該數(shù)值，本工程設(shè)計選取頂面高程7.0 m較為合理。

圖7 LNG 船舶滿載設(shè)計低水位靠泊示意圖

圖8 LNG 船舶壓載設(shè)計高水位靠泊示意圖

5 結(jié)語

本文以北燃LNG配套碼頭為例，根據(jù)工程區(qū)域的潮汐和波浪條件，對碼頭前沿頂高程按照受力標(biāo)準(zhǔn)和上水標(biāo)準(zhǔn)分別進行了計算，在規(guī)范計算基礎(chǔ)上，結(jié)合船舶系泊物模試驗和船舶靠泊時與護舷的相互作用，對碼頭前沿頂高程進行了優(yōu)化，給出頂高程合理值。受工程建設(shè)位置影響，本工程碼頭前沿頂高程確定時未考慮防洪、風(fēng)暴潮[3]等因素的影響，如工程區(qū)域存在上述因素，在高程設(shè)計時，尚需要加以考慮。