羅源灣40 萬噸航道工程設計

■陳麗陽

（福建省港航勘察設計院有限公司，福州 350002）

羅源灣港區(qū)是福州港一個重要的大宗干散貨物流集中區(qū)，是福建省連通海峽兩岸的重要通道和口岸。 港區(qū)承接的貨種以煤炭、金屬礦石為主，是為福建省及內(nèi)陸省份提供散貨運輸服務的主要港區(qū)，也是福州市經(jīng)濟持續(xù)增長特別是羅源灣臨港工業(yè)發(fā)展的重要依托。 隨著羅源灣港區(qū)的發(fā)展，船舶大型化趨勢明顯，可門作業(yè)區(qū)現(xiàn)已建4# 泊位（30 萬噸級）等多個大型散貨泊位，在建的可門1#～3# 泊位（擴能改造為30 萬噸級）、7# 泊位 （20 萬噸級，結(jié)構(gòu)按40 萬噸），可門8# 泊位（30 萬噸級，結(jié)構(gòu)按40 萬噸）等多個泊位正在開展前期工作，現(xiàn)30 萬噸級航道僅到北航道B′點位置，通往可門作業(yè)區(qū)航道僅為20 萬噸級，現(xiàn)可門4# 泊位30 萬噸級船舶是從北航道B′點臨時通過一段連接水域與船舶回旋水域銜接， 現(xiàn)有航道已無法滿足新建碼頭及船舶大型化的需求，因此有必要開展40 萬噸船舶航道的研究工作。

1 通航環(huán)境分析

1.1 到港船舶類型

羅源灣港區(qū)到港船型主要是運輸煤炭和鐵礦石的散貨船。 隨著可門4#泊位的投產(chǎn)運營，目前可門作業(yè)區(qū)到港靠泊的最大船型為31.5 萬噸的“中海榮華”號，裝卸貨種為南非鐵礦石。 羅源灣港區(qū)目前已有90 多艘次30 萬噸級大型散貨船舶到港，可門4# 泊位、10# 泊位共有700 多艘次15 萬噸級以上船舶到港， 華東船廠目前已有150 多艘次10萬噸級以上船舶到港。

1.2 船舶AIS 流量統(tǒng)計分析

根據(jù)流量統(tǒng)計顯示(圖1)，可門水道平均每天通航20～30 艘次，此外還有大量小型漁船進出，可見羅源灣口門水域船舶通航流量很大，而超大型船舶進出港需采取單向封航的交通管制模式，對其他船舶的通航有一定影響。 隨著港區(qū)的發(fā)展，到港船舶日益增多，并呈現(xiàn)大型化的趨勢，將進一步增加航道通航壓力。

圖1 羅源灣水域船舶交通流示意圖

2 水文分析

羅源灣是個半封閉型海灣， 灣內(nèi)水面寬闊、灣口狹小，形狀似個倒葫蘆，是個天然深水良港。 羅源灣屬潮汐汊道型強潮海灣，平均潮差大于4 m，其水下地形發(fā)育受到地形、地質(zhì)條件限制，在常年波浪潮流動力作用下，形成了島嶼深槽區(qū)及局部的淺灘區(qū)。 工程區(qū)域掩護條件好，受波浪影響較小，航道設計波浪取2.0 m。

羅源灣的潮流為正規(guī)半日潮，外海潮波通過可門口經(jīng)可門水道傳入灣內(nèi)后，分為兩支：一支繞過將軍帽岬角，沿崗嶼水道、北岸梅花、長基一帶流向灣西北部跡頭附近海域；另一支直達門邊、馬鼻一帶的灣南部廣大海區(qū)。

海流主要受水道地形的影響， 以往復流為主。漲、落潮流流向因地而異，各站的流向都以較小的幅度偏擺于該水道縱軸方向，垂直于水道縱軸方向的流速較小。可門水道落潮最大流速1.33 m/s，漲潮最大流速1.61 m/s(圖2)。

圖2 可門水道大潮流矢圖

3 航道工程設計

3.1 航道的特點和關鍵技術問題

（1）羅源灣口門至可門作業(yè)區(qū)航段水深條件非常好， 外段天然水深可以滿足40 萬噸散貨船不乘潮通航，但可門水道寬度相對較窄、深槽單一，且受小黃礁、擔嶼、古鼎嶼和可門頭水下磯頭等制約，航線布置要在滿足規(guī)范條件下盡量利用天然水深，減少工程措施。

（2）南航道A～B～C1～D1 段有連續(xù)反向轉(zhuǎn)彎，根據(jù)規(guī)范要求，“兩個反向連續(xù)轉(zhuǎn)彎段之間的直線段長度不宜小于5 倍設計船長”[1]，現(xiàn)有航線直線段不能滿足40 萬噸散貨船連續(xù)反向轉(zhuǎn)彎要求， 需進行調(diào)整，B～C1 航段兩端受擔嶼和可門頭水下磯頭的限制，航線布置調(diào)整余地較小。

（3）航道通航船舶噸級較大，口門處船舶通航密度大，尤其是前往羅源灣北岸，因此航線布置時同時需考慮降低大型船舶對北航道通航船舶的影響。

（4）羅源灣可門水道寬度相對較窄，島礁較多且離航道距離較近，通航條件較為復雜，大型船舶通航存在一定安全隱患。

3.2 航道平面布置

航道平面布置如圖3 所示。

圖3 航道平面布置圖

3.2.1 A～B～B′～D1 航段

A～B～B′航段利用現(xiàn)有30 萬噸級航道，船舶沿現(xiàn)有30 萬噸級航道航行約10.70 km 至B′點后，向南轉(zhuǎn)向11.3°航行2.52 km 至可門作業(yè)區(qū)8# 泊位前方水域D1 點，該航道全長約13.2 km。

3.2.2 南航道B～C1～D1 航段

A～B～C1～D1 航段有連續(xù)反向轉(zhuǎn)彎， 根據(jù)規(guī)范要求，“兩個反向連續(xù)轉(zhuǎn)彎段之間的直線段長度不宜小于5 倍設計船長”，現(xiàn)有航線直線段不能滿足，考慮到航道邊線與可門頭水下磯頭淺礁、擔嶼淺區(qū)的安全距離， 將現(xiàn)航道C1 點向西南方向移動約468 m，B～C1 航道軸線旋轉(zhuǎn)約2.3°，B 點轉(zhuǎn)彎半徑取值3 620 m， 采用折線切割法， 航線微調(diào)后兩側(cè)拓寬，與8# 泊位船舶回旋水域平順相接，航道全長約

7.0 km。

3.2.3 導助航設施

現(xiàn)該航段航標配布已較為完善，共有5 座燈樁及1 座燈浮，分別為可門角燈樁、可門頭燈樁、小黃礁燈樁、擔嶼燈樁、古鼎嶼燈樁和3# 燈浮，能滿足航道通航要求，無需新設航標。

3.3 航道尺度計算

3.3.1 航道設計水深

按照JTS181-2016《航道工程設計規(guī)范》[2]，航道水深分通航水深和設計水深，分別按下式計算：

D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3；D=D0+Z4。

40 萬噸散貨船滿載吃水T0為23.0 m， 船舶航行時船體下沉量Z0為0.66 m， 龍骨下最小富裕深度Z1取0.7 m，波浪富裕深度Z2取1.04 m，船舶裝載縱傾富裕深度Z3取0.15 m，備淤富裕深度Z4取0 m，計算得出航道設計水深D 為25.55 m，取25.6 m。

設計底高程＝ΔH－D

式中：ΔH——設計乘潮水位（m）；

D——設計水深。

A～B～B′航段現(xiàn)航道設計底高程為-26.0 m，可滿足40 萬噸散貨船不乘潮進出港；B′～D1 航段、B～C1～D1 航段按滿足40 萬噸散貨船乘潮單線通航要求， 乘潮水位5.14 m， 乘潮歷時4 h， 乘潮保證率90%，航道設計底高程均取-20.5 m，現(xiàn)有天然水深可以滿足通航要求，無需采取工程措施。

3.3.2 航道通航寬度

航道通航寬度由設計船型總長、型寬、航速及航道的橫風、橫流及“風、流壓偏角”等因素所決定，按照JTS181-2016《航道工程設計規(guī)范》，航道通航寬度按下式計算（表1）：

表1 通航寬度計算

單線航道：W=A+2c；

雙線航道：W=2A+b+2c；

式中：

W——航道通航寬度（m）；

A——航跡帶寬度（m）；

c——船舶與航道底邊線間的富裕寬度（m）；

b——船舶間富裕寬度（m），取設計船寬B（m）；

n——船舶漂移倍數(shù)；

γ——風、流壓偏角（°）；

L——設計船長（m）；

B——設計船寬（m）。

可門水道航道內(nèi)最大橫流0.39 m/s，航道風、流壓偏角取7°，航速按8 kn。考慮到船流密度，該航段需同時滿足10 萬噸級散貨船和5 萬噸級散貨船交會，根據(jù)計算，通航寬度取350 m。現(xiàn)主航道A～B 航段通航寬度為410 m，保持不變。

3.4 船舶仿真模擬試驗研究

試驗工況包括常態(tài)和最不利情況的模擬試驗，通過不同工況下的模擬試驗， 獲得船舶操縱數(shù)據(jù)，分析40 萬噸散貨船航行、 靠離泊作業(yè)的可行性和安全性，最終確定船舶靠離泊時機[3]。 典型工況下的船舶航行軌跡見圖4。

圖4 典型工況下的船舶航行軌跡

船舶仿真模擬試驗結(jié)論如下：（1）航道平面布置合理，在工況設定的風、流條件下，在熟悉水域的操船人員謹慎操縱下，航道的航道寬度和航道轉(zhuǎn)彎半徑尺度能滿足試驗船型安全通航的要求。 （2）根據(jù)模擬試驗，40 萬噸散貨船在航道中航行和靠離泊時的限制條件如下：①航道內(nèi)航行、靠離泊時，流速要＜2 kn，風力≤7 級，靠泊采用直接靠泊方式，離泊采用掉頭離泊方式；②靠離泊作業(yè)時，配備助操拖輪應≥21 500 hp，根據(jù)福州港實際情況，可采用5～6 艘大馬力拖輪助操；③風力8 級時，船舶無法正?？侩x泊； ④為保障船舶航行安全，40 萬噸散貨船進出港時要采取單向封航的交通管制模式， 并配置2 艘拖輪護航； ⑤建議40 萬噸散貨船選擇在風小、流緩、高平潮初落時進行靠泊，漲潮順流向左掉頭離泊，落潮頂流向右掉頭離泊。 控制好航速是保證船舶安全靠離泊的關鍵。

4 結(jié)語

（1）羅源灣內(nèi)水域?qū)掗?、灣口狹小，屬于天然深水良港， 口門至可門作業(yè)區(qū)航段水深條件非常好，外段天然水深可以滿足40 萬噸散貨船不乘潮通航， 僅靠近可門作業(yè)區(qū)8# 泊位附近航段需乘潮通航，無需采取工程措施。

（2）40 萬噸航道設計時應綜合考慮船舶安全航行和靠泊要求，以平穩(wěn)靠泊碼頭為最終目標。 綜合考慮水流、風況、周邊島礁和船舶交通流等各方面對船舶航行安全的影響。

（3）鑒于羅源灣港區(qū)的自然條件和航道、泊位狀況，結(jié)合船模分析，為了確保運營期安全，40 萬噸散貨船在航道內(nèi)航行時，流速要＜2 kn，風力≤7 級，應選擇在風小、流緩、高平潮初落時進行靠泊，采用直接靠泊，調(diào)頭離泊作業(yè)的方式。

（4）超大型船舶慣性大，操作難度大，對航行條件要求較高， 進出港時需安排拖輪全程護航清障，同時加強對小型船舶的管理，采取單向封航的交通管制模式。