涌浪控制海域典型海港工程總平面布置*

張宏銓，張 軍，許建武

(中交第四航務工程勘察設(shè)計院有限公司，廣東 廣州510290)

隨著我國水運建設(shè)業(yè)務在全球的拓展，水運工程逐漸涉及波浪動力以涌浪為主的海域，如大西洋、印度洋沿岸等海域，典型國家如安哥拉、斯里蘭卡、喀麥隆、科特迪瓦、加納等，這些國家的海況特征與東南亞國家有顯著不同，最突出的特征是以周期偏長的涌浪為主。

涌浪是由大洋風暴所產(chǎn)生海浪脫離其發(fā)源地經(jīng)過長距離傳播形成的波浪。涌浪波能大且傳播過程中耗散很小，可以影響到非常遠的區(qū)域。我國東海沿海有寬廣大陸架及諸多島嶼構(gòu)成的島鏈，其沿岸的涌浪不顯著[1]。然而，對于沒有大陸架和島鏈掩護的海域，近岸海況常以涌浪為主，典型海域如前所述。

在涌浪控制海區(qū)開展的設(shè)計和施工與風浪為主的海區(qū)有較大不同。我國在風浪為主的海域建設(shè)港口已有較成熟經(jīng)驗并已形成規(guī)范，設(shè)計和施工過程中按規(guī)范指導基本可以完成。但對于涌浪為主的海區(qū)，我國規(guī)范的適用性受到了限制，如泊位的可作業(yè)波高限值會降低，船舶自由航行時的升沉值會增加等。因此，需要針對具體工程開展針對性的研究確定平面設(shè)計尺度、驗證設(shè)計成果。本文以非洲西部某海港工程為例，回顧和闡述實施過程中為確定防波堤對泊位掩護效果及進港航道水深相關(guān)的總平面布置所開展的研究，并總結(jié)一般應對策略，可供類似工程參考。

1 工程概況

工程位于西非幾內(nèi)亞灣，業(yè)主為歐洲大型航運公司及當?shù)馗蹌站致?lián)營體。工程內(nèi)容包括約3.8 km長的深水防波堤、1 400 m長的15萬噸級集裝箱泊位、進港航道及陸域形成等。

工程的功能要求為泊位和航道的年不可作業(yè)率均不大于1%。按菲迪克設(shè)計-施工合同的模式[2]，承包商可以在滿足業(yè)主對功能要求的前提下，提出新的平面布置。業(yè)主提出的原平面布置如圖1所示。

圖1 原平面布置(高程：m)

2 問題分析

工程量主要體現(xiàn)在防波堤、疏浚、陸域形成和碼頭4個方面。陸域形成和碼頭基本不可優(yōu)化。但在疏浚方面，航道經(jīng)過淺水區(qū)域，疏浚量大，通過航道截彎取直，可以減少疏浚量，且有利于船舶進出港；以泊位年不可作業(yè)率1%為標準，研究防波堤長度或走向上的可優(yōu)化空間。

確定優(yōu)化思路：1)在原平面布置基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，航道和防波堤軸線不改變，優(yōu)化防波堤長度；2)替代方案調(diào)整防波堤軸線和航道走向，及防波堤長度，港內(nèi)陸域回填向東擴展約80 m。泊位和航道的年不可作業(yè)率限制是研究平面方案是否可行的最終標準。替代方案的平面布置如圖2所示。

圖2 替代方案的平面布置(高程：m)

3 試驗研究

3.1 波浪研究和初步系泊分析

為得到定量的結(jié)果，進一步開展波浪、船舶操縱及系泊試驗、龍骨下水深研究，對方案進行分析和驗證。

防波堤外-20 m等高線處1992—2014年共23年后報波高-波向聯(lián)合分布數(shù)據(jù)見表1，波高-周期聯(lián)合分布數(shù)據(jù)見表2?？梢钥闯?，工程區(qū)域譜峰周期Tp大于8 s的波浪約90%，大于12 s的波浪約50%，工程海域受涌浪控制。

表1 工程位置附近-20 m等高線處波高-波向聯(lián)合分布

表2 工程位置附近-20 m等高線處波高-周期聯(lián)合分布

波浪研究以防波堤外-20 m高程處1992—2014年波況時間序列為基礎(chǔ)，通過HARES波浪數(shù)學模型計算獲得不同平面布置及防波堤不同長度時(圖3)，港內(nèi)各泊位處的波況，為后期計算不可作業(yè)率提供基礎(chǔ)[3]。

圖3 原方案和替代方案的防波堤優(yōu)化

采用Shipmooring系泊模型對各泊位前不同波浪引起的船舶運動量和受力等進行試算，得到可作業(yè)的臨界波況為Hs=0.65 m和Tp=13 s、Hs=0.50 m和Tp=15 s，Hs=0.30 m和Tp=17 s，相比于國標規(guī)范中的集裝箱船可作業(yè)波高[4]，涌浪條件下可作業(yè)波高顯著降低，船舶作業(yè)受涌浪影響明顯。綜合分析后認為可按波高Hs不大于0.58 m作為初步判定港內(nèi)波況是否滿足1%年不可作業(yè)率的標準。

結(jié)合上一步波浪數(shù)學模型得到的9個不同防波堤布置條件下各泊位的波況，統(tǒng)計得到23年中波浪超過0.58 m的頻率，即泊位的年不可作業(yè)率，見表3。

表3 防波堤優(yōu)化方案泊位的年不可作業(yè)率 %

通過表3比較，可以得出防波堤長度在原方案、替代方案基礎(chǔ)上分別可縮短300、100 m[5]，即縮短至3.548、3.558 km?？紤]替代方案有節(jié)省疏浚量且避免炸礁的優(yōu)勢，后續(xù)工作以替代方案為基礎(chǔ)展開。

進一步采用MIKE21-BW模型進行分析，得到替代平面方案防波堤在3.558 km長時，泊位1～4的年不可作業(yè)率(波高超過0.58 m的頻率)分別為0.23%、0.49%、0.69%和0.42%。因涌浪對船舶系泊有較大影響，考慮留有一定的富余，對替代方案的防波堤長度不再進行優(yōu)化。

3.2 操船模擬和系泊分析

在替代平面方案的基礎(chǔ)上，考慮最大的設(shè)計船型為長367 m、寬51 m的集裝箱船，將掉頭圓直徑和航道寬度減少了25 m。優(yōu)化后的掉頭圓直徑為500 m、航道寬度為225 m，形成了優(yōu)化后替代平面布置方案，如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后替代平面布置方案(單位：m)

為驗證優(yōu)化后航道的適用性，在歐洲著名船舶研究所開展了全任務實時操船模擬研究[6]，船舶參數(shù)為：總長368.5 m，型寬51 m，艏艉吃水均為16 m，排水量19.85萬m3，縱、橫向受風面積分別為2 152、12 670 m2，方形系數(shù)為0.69，推進器數(shù)量、功率分別為1個、63.25 MW，舵數(shù)量、面積分別為1個、96.5 m2，最大舵角、舵轉(zhuǎn)速分別為35°、2.1°/s，艏側(cè)推數(shù)量、單個功率分別為2個、1.8 MW，并配置2條70 t全回轉(zhuǎn)拖輪。

船舶操縱研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的航道有利于船舶進出港。試驗中還驗證了集裝箱船在風、浪、流條件下船舶進出港和緊急工況下的船舶操縱，并評估得到該航道平面不可航行的時間約為0.3%，典型船舶進港操作航跡見圖5。該方案比原平面方案航道布置節(jié)省疏浚量160萬m3。

圖5 典型進港操作船舶軌跡

為檢驗船舶在港內(nèi)的系泊作業(yè)效果，采用了船舶動態(tài)響應模擬器(dynamic vessel response simulator，DVRS)系泊模型研究針對1%波浪的工況進行評估。DVRS軟件包括兩個模塊：船舶頻率響應引擎(frequency vessel response engine，F(xiàn)VRE)及船舶動態(tài)響應引擎(dynamics vessel response engine，DVRE)，前者在頻域內(nèi)計算系泊船舶對波浪等動力的響應；后者基于前者的計算結(jié)果，在時域計算在波浪和風作用在系泊船舶上的力及變形響應。DVRS輸出結(jié)果是船體的六運動量數(shù)值及護舷、纜繩的應力[7]。

試驗共研究了3種代表的設(shè)計船型，分別為500 TEU(泊位1)、3 000 TEU(泊位4)和1.4萬TEU(泊位4)，泊位平面布置見圖6，碼頭采用Trelleborg SCN1800-F2.0型護舷。3種船型的參數(shù)見表4。

圖6 泊位平面布置(高程：m)

表4 系泊試驗采用的船舶參數(shù)

3種船型在水位為0.9 m、滿載、風速為7 m/s的情況下，不同1%波高條件下的運動量見表5。此外，還對船舶在不同載度和不同水位條件下的動力響應進行了敏感性分析。

表5 3條試驗船舶的運動量

表5結(jié)果表明，在不同的1%波高條件下，系泊船舶均滿足PIANC 1995[8]規(guī)定的船舶可作業(yè)的運動量條件，纜繩和護舷也都在其允許受力和變形范圍內(nèi)，認為該平面防波堤布置對泊位掩護滿足年不可作業(yè)率的要求。

3.3 龍骨下富余水深研究

對于進港航道水深的設(shè)計，國標采用經(jīng)驗公式單獨考慮航速、波浪等對船舶升沉的影響后直接將各個影響值相加得到龍骨下富余水深值(under keel clearance，UKC)。國際主流的UKC分析方法則涵蓋了較多影響因素分析[9]，見圖7。

圖7 UKC分析影響因素

本工程采用基于概率論原理方法的UKC分析軟件進行富余水深研究。UKC分析軟件基于頻域上船舶響應算子(response amplitude operator，RAO)在時域上快速計算船舶運動量。該分析的輸入條件為的船舶殼文件、船舶在不同位置的航速、船舶響應參數(shù)及環(huán)境條件的時間序列。輸出結(jié)果為綜合各因素的船舶下沉值。

采用環(huán)境條件為1993—2015年連續(xù)23年的潮位、風、浪和流的同步時間序列，針對不同航道水深設(shè)計方案的各設(shè)計船型，在23年的時變環(huán)境背景下，每0.5 h模擬1次進港和出港作業(yè)，各設(shè)計船型均模擬了約40萬次進港和約40萬次出港作業(yè)，按給定的船隊組合進行計算得到23年內(nèi)該航道水深設(shè)計方案的可作業(yè)率。優(yōu)化后替代方案平面航道的可作業(yè)率見表6。可作業(yè)率與不可作業(yè)率之和為100%。

表6 UKC軟件分析得到的不同船型在航道的可作業(yè)率

將外航道和過渡段的底高程統(tǒng)一為-18.7 m，回旋水域和內(nèi)港池設(shè)計水深不變，優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。此方案在航道軸線調(diào)整的基礎(chǔ)上，進一步節(jié)省疏浚量約30萬m3。得到的綜合航道可使用率結(jié)果為99.46%[10]，即不可航行時間約為0.5%，加上操船試驗得到的年不可作業(yè)率0.3%，航道的年不可作業(yè)率共為0.8%，滿足小于1%的要求。

圖8 航道底高程優(yōu)化結(jié)果

4 結(jié)語

1)分析了影響項目工程量和工期的主要因素，明確以防波堤和疏浚作為平面方案優(yōu)化的著力點。

2)采用翔實、可靠的多年水文氣象基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行波浪、系泊、操船及UKC模型分析，準確、定量分析防波堤長度、航道水深等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。

3)通過模型研究，最終優(yōu)化平面方案比原平面方案防波堤縮短約300 m，疏浚量減少約190萬m3。

4)本工程具有一定的代表性，實施過程中的研究方法對涌浪控制海域海港工程平面布置具有指導意義，可供類似工程參考。