城陵磯港設(shè)計船型參數(shù)分析及應(yīng)用

楊 峰，岳 銘

(1.湖南省交通運輸廳規(guī)劃與項目辦公室，湖南 長沙 410116；2.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015 )

設(shè)計船型主尺度及噸位參數(shù)，是港口工程重要的設(shè)計輸入內(nèi)容。內(nèi)河港口豐、枯水期存在水位變化，加上不同目的港口通航等級不同，到港船舶噸級往往有較大差別。在確定泊位等級時，一般將設(shè)計代表船型與港口所在航道的現(xiàn)狀等級取一致，但在實際運行中，可能會出現(xiàn)到港船舶噸位超過泊位等級的情況，若設(shè)計船型參數(shù)選取不合理，將影響港口投資規(guī)模及正常運營，并可能對港口作業(yè)及水工結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生不利影響。目前湖南內(nèi)河港口設(shè)計船型參數(shù)選擇主要依據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》(GB50139—2014)[1]、《長江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTS 180-4—2020)[2]推薦的代表船型尺度。但是，上述行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在指導(dǎo)設(shè)計時存在以下問題：① 缺乏集裝箱船的推薦船型參數(shù)；② 標(biāo)準(zhǔn)推薦船型參數(shù)基于長江全航段實船統(tǒng)計樣本制定(涵蓋三峽樞紐過壩船型)，由此得出的船型參數(shù)與湖南內(nèi)河港口實際到港船型參數(shù)有一定出入，主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)推薦的船型主尺度偏大、吃水偏?。蝗绨礃?biāo)準(zhǔn)推薦的設(shè)計船型尺度進(jìn)行碼頭設(shè)計，可能會出現(xiàn)泊位長度偏長而設(shè)計水深不足的問題。

城陵磯港(本文泛指納入《岳陽港總體規(guī)劃》[3]的城陵磯港區(qū)、云溪港區(qū)等深水岸線段)是湖南省內(nèi)河航運主樞紐港，承擔(dān)著全省集裝箱、商品汽車、鐵礦石、煤炭、糧食等大宗貨物的中轉(zhuǎn)運輸功能，岸線資源十分有限、寶貴。為更好地指導(dǎo)“十四五”城陵磯港規(guī)劃建設(shè)，本文根據(jù)城陵磯港81艘集裝箱船、147艘干散貨船實船統(tǒng)計資料，對城陵磯港設(shè)計船型參數(shù)進(jìn)行分析，提出建議參數(shù)值，并闡述了設(shè)計代表船型及兼顧船型參數(shù)的不同應(yīng)用范圍。

1 航道及水文概況

長江干線城陵磯至武漢段現(xiàn)狀航道等級為Ⅰ-5級，航道維護(hù)尺度為 4.2 m×150 m×1 000 m(水深×航寬×彎曲半徑)。根據(jù)《長江干線航道發(fā)展規(guī)劃(2016～2030年)》(報送稿)[4]，適時將實施城陵磯至武漢段4.5 m水深航道整治等工程，2030年宜昌至武漢段航道規(guī)劃等級為Ⅰ-5級，目標(biāo)航道尺度為4.5 m×200 m×1 000 m，可滿足5 000 t級內(nèi)河船和5 000 t級江海船雙向通航。

長江干線航道航行基準(zhǔn)面于1958年頒布使用，并經(jīng)過多次修訂。目前，長江宜昌至武漢河段使用1982年修訂的航行基準(zhǔn)面(1985國家高程基準(zhǔn))。城陵磯港所在河段現(xiàn)行航行基準(zhǔn)面約16.13 m。從城陵磯蓮花塘水位站多年日平均綜合歷時保證率水位推算結(jié)果(見表1)可以看出，三峽工程蓄水后，城陵磯河段98%保證率水位有小幅抬升；2007年～2017年統(tǒng)計98%保證率水位為18.40 m。另外，蓮花塘水位站2007年～2017年實測最低水位為17.89 m，出現(xiàn)于2017年12月29日；2002年～2007年最低水位為17.28 m，出現(xiàn)于2004年2月3日。可見，上述98%保證率水位及實測最低水位均高于城陵磯河段航行基準(zhǔn)面，這與近年來城陵磯港經(jīng)常出現(xiàn)“枯水不枯”的實際情況相吻合。

表1 蓮花塘站日平均綜合歷時保證率水位表m 統(tǒng)計年10%20%33%50%75%80%90%95%98%99%最低水位1996～200728.1127.0325.5522.4620.3219.8819.0418.4418.0117.8317.282002～200727.8126.7125.0422.3919.9019.5718.8818.5718.3418.0517.282007～201727.6426.5424.7922.2119.7119.4118.7918.5618.4018.3117.892012～201727.7726.5725.0122.5919.8619.5918.9818.6418.4418.3517.89

2 到港船舶統(tǒng)計

2.1 散貨船

城陵磯港務(wù)公司提供的2018年148艘到港散貨船備案資料顯示，最大滿載噸位20 000 t，最小滿載噸位1 800 t，平均滿載噸位11 874.76 t，85%保證率的到港船舶滿載噸位約為15 000 t(見圖1)。滿載吃水為2.9～9 m，平均滿載吃水6.22 m，85%保證率的滿載吃水約為7.2 m(見圖2)。船舶長度為66～139 m，平均長度113.31 m，85%保證率的船舶長度約為125 m(見圖3)。船舶寬度為12.5～24 m，平均寬度19.65 m，85%保證率的船舶寬度約為21.6 m(見圖4)。

圖1 滿載噸位分布曲線

圖2 滿載吃水分布曲線

圖3 船舶長度分布曲線

圖4 船舶寬度分布曲線

2.2 集裝箱船

城陵磯國際港務(wù)集團(tuán)提供的2018年81艘到港集裝箱船備案資料顯示，最大滿載噸位8 684 t，最小滿載噸位1 100 t，平均滿載噸位4 627.37 t，85%保證率的到港船舶滿載噸位約6 700 t(見圖5)。最大載箱量分布在72～610 TEU之間，平均最大載箱量291.64 TEU，85%保證率的最大載箱量約為380 TEU(見圖6)。重載吃水為2.3～6.25 m，平均滿載吃水4.31 m，85%保證率的滿載吃水約為5.2 m(見圖7)。船舶長度為65～129.98 m，平均長度96.30 m，85%保證率的船舶長度約為110 m(見圖8)。船舶寬度為11.4～21 m，平均寬度16.06 m，85%保證率的船舶寬度約為17.9 m(見圖9)。

圖5 滿載噸位分布曲線

圖6 最大載箱量分布曲線

圖7 重載吃水分布曲線

圖8 船舶長度分布曲線

圖9 船舶寬度分布曲線

3 設(shè)計船型參數(shù)分析

3.1 設(shè)計船型概念

現(xiàn)行《河港總體設(shè)計規(guī)范》(JTS 166—2020)[5]未給出設(shè)計船型術(shù)語解釋?！陡劭诠こ袒拘g(shù)語標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50186—2013)[6]中，將設(shè)計船型概念注釋為：設(shè)計時所采用的某種尺度和噸位的船型。《海港總體設(shè)計規(guī)范》(JTS165—2013)[7]中，將設(shè)計船型概念注釋為：用于確定碼頭、港池和航道尺度的船型，按其確定的尺度能保證所有使用碼頭、港池和航道的船舶在給定的條件下均能安全操作。

工程設(shè)計時，設(shè)計船型分為“設(shè)計代表船型”(主力船型)和“兼顧船型”2類。設(shè)計代表船型及兼顧船型可以分別取一種船型，也可以分別取多種船型。針對不同設(shè)計指標(biāo)，可以根據(jù)控制性設(shè)計代表船型或兼顧船型進(jìn)行分析確定，遵循的原則為“按設(shè)計船型確定的尺度能保證所有使用碼頭、港池和航道的船舶在給定的條件下均能安全操作”。

3.2 設(shè)計船型影響因素

城陵磯港設(shè)計船型主尺度，主要受以下因素影響。① 航道條件：包括航道維護(hù)水深、彎曲半徑、航寬、跨河建筑物通航凈空等，是影響設(shè)計船型主尺度的決定性因素。② 貨物流量及流向(航線)：貨物種類決定了設(shè)計船型的類型，貨運量的高低也影響投運船型的大小。對于集裝箱、商品汽車等采用班輪運輸?shù)呢涱?，航線也是影響設(shè)計船型的重要因素。③ 運輸經(jīng)濟(jì)性：江海直達(dá)運輸以及長江口中轉(zhuǎn)至城陵磯的干散貨，貨源充足，采用更大的運輸船型更為經(jīng)濟(jì)；集裝箱船型發(fā)展還與燃油經(jīng)濟(jì)性、艙位實載率密切相關(guān)。

3.3 設(shè)計船型噸位參數(shù)分析

3.3.1設(shè)計代表船型

設(shè)計代表船型決定了泊位等級，是確定碼頭建設(shè)規(guī)模的主要參數(shù)之一。城陵磯港所在河段航道等級為Ⅰ-5級。根據(jù)《長江干線通航標(biāo)準(zhǔn)》(JTS 180-4—2020)，Ⅰ-5級航道對應(yīng)的船舶噸級為5 000 t級；城陵磯港近幾年立項建設(shè)的碼頭項目，泊位等級一般按5 000 t級設(shè)計。但從統(tǒng)計資料來看，實際到港船型噸位超出航道等級情況普遍存在，特別是干散貨船。港口工程設(shè)計中，若設(shè)計代表船型參數(shù)取值偏小，碼頭泊位計算長度不足，豐水期到港船舶可能無法順利靠泊。

3.3.1.1 散貨泊位

對于干散貨泊位，城陵磯港5 000 t級到港保證率約3%，平均滿載噸位及85%保證率滿載噸位均超過10 000 t，設(shè)計代表船型取5 000 t級明顯偏低。城陵磯港已建成的散貨泊位，泊位等級多在1 000～5 000 t級之間，散貨碼頭超載使用十分普遍，而接卸萬噸級以上散貨船更多地依賴水上過駁，給水上通航安全保障、污染物治理帶來一定壓力。與集裝箱班輪運輸不同，城陵磯港到港散貨船基本為上海、南通等長江口中轉(zhuǎn)而來的三程船，點對點航線固定，貨源充足，船公司投入的船型越大，運輸成本就越低；換言之，航運市場的充分競爭，已經(jīng)將該航線上的中小噸位散貨船完全淘汰。從航道條件、水文條件來看，盡管城陵磯河段最小航道維護(hù)水深為4.2 m，但考慮到實際港口設(shè)計低水位(98%保證率水位)較航行基準(zhǔn)面高出約2.27 m，特別是隨著下游界牌河段航道整治效果的逐年顯現(xiàn)，枯水期航寬制約影響明顯減弱，近年來城陵磯至武漢段航道實際上已經(jīng)具備了常年通航萬噸級內(nèi)河散貨船的能力。因此，建議城陵磯港干散貨泊位設(shè)計代表船型取10 000 t級散貨船。“十四五”期間，城陵磯港區(qū)建設(shè)一批10 000 t級散貨接卸泊位是十分必要的，一方面能夠改善岳陽港大宗干散貨的接卸能力，另一方面也為推動水上過駁向靠岸中轉(zhuǎn)有序轉(zhuǎn)移創(chuàng)造條件。

3.3.1.2 集裝箱泊位

從實船統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，集裝箱泊位85%保證率下的滿載噸位約為6 700 t、最大載箱量約為380 TEU。城陵磯港作為湖南湘、資、沅、澧四水支線航線的喂給港，以及上游川渝地區(qū)部分集裝箱的中轉(zhuǎn)港，到港船型較為復(fù)雜。除了從城陵磯始發(fā)、目的港為上海港的始發(fā)班輪外，大部分到港船型為100～400 TEU的中小型內(nèi)河支線船。從航道條件、水文條件來看，城陵磯港具備承載更大噸位集裝箱班輪運輸?shù)臈l件，但實際上，集裝箱班輪投入還受到航線、運量、運輸成本等多重因素制約，船舶大型化與船公司利潤的平衡點更多地取決于班輪實載率。因此，城陵磯港設(shè)計代表船型取400 TEU集裝箱船基本反映大部分到港船型實際噸位，是合理的集裝箱泊位設(shè)計代表船型參數(shù)。

3.3.2兼顧船型

為保證所有使用碼頭、港池和航道的船舶在給定的條件下均能安全操作，設(shè)計兼顧船型宜重點考慮最大兼顧船型。

3.3.2.1 散貨泊位

受下游跨河橋梁通航凈空尺度限制，目前城陵磯港最大到港船型基本為20 000 t級散貨船。隨著長江中游645航道工程的實施，城陵磯以下河段航道條件將逐年改善，預(yù)計“十四五”期間2 000 t級到港散貨船頻次將持續(xù)提高。新建散貨泊位建議最大兼顧船型按20 000 t級散貨船設(shè)計。

3.3.2.2 集裝箱泊位

城陵磯港集裝箱船舶存在一定大型化趨勢，目前最大到港船型為新進(jìn)投入運營的特定航線江海直達(dá)“湘水運26”輪，是國內(nèi)首艘雙燃料集裝箱船，總長118.9 m，型寬21.6 m，型深9.2 m，滿載吃水6 m，裝箱量653 TEU,載重噸10 289 t，代表了未來岳陽港集裝箱班輪發(fā)展方向。此外，作為長江中游一類水運開放口岸，城陵磯港將于近期開通海外直航航線，預(yù)計600 TEU集裝箱船將穩(wěn)定在一定投運比例。城陵磯港新建集裝箱泊位，建議最大兼顧船型按10 000 t級或600 TEU集裝箱船設(shè)計。

3.4 設(shè)計船型主尺度參數(shù)分析

關(guān)于設(shè)計船型尺度保證率取值標(biāo)準(zhǔn)，采用過高或過低的保證率都是不適宜的。由于泊位長度和泊位水深都存在可調(diào)節(jié)因素，規(guī)范[7]和標(biāo)準(zhǔn)[2]均采用85%保證率的設(shè)計船型尺度，較為經(jīng)濟(jì)合理。根據(jù)實際到港船型尺度，采用85%保證率對城陵磯港10 000 t級散貨船(8 501～12 000 t、65艘)及400 TEU集裝箱船(350～450 TEU、25艘)進(jìn)行主尺度分析。由于兼顧船型統(tǒng)計樣本數(shù)量相對較少，按統(tǒng)計平均值對城陵磯港20 000 t級散貨船及600 TEU集裝箱船進(jìn)行主尺度分析。主要結(jié)果見表2。

表2 城陵磯港設(shè)計船型主尺度推薦值m 設(shè)計船型總長總寬設(shè)計吃水10 000 t級散貨船118206.820 000 t級散貨船135248.0400 TEU集裝箱船11018.65.7600 TEU集裝箱船11720.46.0

4 設(shè)計船型參數(shù)應(yīng)用

1)泊位長度：對于單泊位碼頭，泊位長度計算時，設(shè)計船長L應(yīng)取最大兼顧船型長度。對于多個泊位連續(xù)布置的碼頭，泊位總長度計算時，設(shè)計船長L可取設(shè)計代表船型長度，也可根據(jù)到港船型實際預(yù)測結(jié)果，采取不同船型組合靠泊的方式，合理確定泊位總長度。

2)停泊水域?qū)挾?、回旋水域尺度：停泊水域?qū)挾?、回旋水域尺度計算時，設(shè)計船長L、設(shè)計船寬B應(yīng)按最大兼顧船型尺度確定。

3)碼頭前沿設(shè)計水深：應(yīng)按設(shè)計代表船型滿載吃水深度進(jìn)行計算。碼頭前沿設(shè)計水深還應(yīng)注意與航道實際維護(hù)水深相協(xié)調(diào)。

4)船舶荷載：船舶荷載應(yīng)按最大兼顧船型滿載靠泊進(jìn)行計算。需要指出的是，設(shè)計船型噸級為一個范圍值，船舶荷載計算應(yīng)取載重噸位(DWT)上限值。在進(jìn)行靠泊船舶管理時，只要不超過此上限值，就可以允許靠泊[9]。

5)裝卸設(shè)備外伸距：裝卸設(shè)備外伸距應(yīng)按最大兼顧船型寬度進(jìn)行設(shè)計。對于干散貨泊位某些類型的設(shè)備，尚應(yīng)考慮對最小兼顧船型的作業(yè)面覆蓋。對于集裝箱泊位，裝卸設(shè)備外伸距宜考慮可能出現(xiàn)的多艘小型船只并靠作業(yè)需求。

5 結(jié)論

1)城陵磯港所在河段現(xiàn)行航行基準(zhǔn)面16.13 m；三峽工程蓄水后，城陵磯河段枯水位有小幅抬升，2007年～2017年蓮花塘站98%保證率水位為18.40 m。隨著下游界牌河段航道整治效果的逐年顯現(xiàn)，枯水期航寬制約影響明顯減弱，近年來城陵磯至武漢段航道基本具備了常年通航萬噸級內(nèi)河散貨船的能力。建議加快開展對長江中游航道航行基準(zhǔn)面的研究及修訂，在實施“645”工程的基礎(chǔ)上，研究將6 m水深航道進(jìn)一步上延至城陵磯，此舉對城陵磯港提升中轉(zhuǎn)服務(wù)水平、穩(wěn)定外貿(mào)直航航線具有深遠(yuǎn)現(xiàn)實意義。

2)對于城陵磯港集裝箱碼頭泊位，建議設(shè)計代表船型取400 TEU集裝箱船，設(shè)計兼顧船型取600 TEU集裝箱船。

3)對于城陵磯港干散貨碼頭泊位，建議設(shè)計代表船型取10 000 t級內(nèi)河散貨船，設(shè)計兼顧船型取20 000 t級內(nèi)河散貨船。

4)以10 000 t級散貨船為例，本文推薦設(shè)計船型長度118 m，較標(biāo)準(zhǔn)[2]提出的10 000 t級內(nèi)河散貨船代表船型總長130 m少12 m。根據(jù)實際到港船型得出的設(shè)計船型尺度參數(shù)，有利于城陵磯港岸線資源節(jié)約利用。

5)泊位等級、多個泊位連續(xù)布置碼頭泊位總長度、碼頭前沿設(shè)計水深等參數(shù)，應(yīng)按設(shè)計代表船型相關(guān)尺度確定；單泊位碼頭泊位長度、停泊水域?qū)挾?、回旋水域尺度、船舶荷載、裝卸設(shè)備外伸距等參數(shù)，應(yīng)按最大兼顧船型尺度確定。