天津港海嘉汽车码头水域布置方案研究

2020-04-17陈萍樊士广刘思宇

中国港湾建设 2020年3期

陈萍，樊士广，刘思宇

（1.天津港海嘉汽车码头有限公司，天津 300456；2.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；3.中国能源建设集团东北电力第一工程有限公司，辽宁沈阳 110000）

天津港海嘉汽车码头由天津港股份有限公司与安吉汽车物流有限公司合资建设，位于天津港规划八大港区之一的北疆港区。项目建设2个大型滚装泊位，占用岸线565 m，最大可停靠7万GT滚装船舶，项目总投资逾10亿元人民币。由于项目投资较大，特别是港池疏浚费用将近2.7亿元，拟在对港池设计方案进行研究优化，以便达到节省投资的目的。

1 原设计方案

天津港海嘉汽车码头位于北港池第一分支港池南侧岸线，其东侧为已有环球滚装码头。环球滚装码头为5万GT滚装码头，码头前沿设计底标高-11.5 m，港池设计底标高-10.0 m。海嘉汽车码头拟建2个泊位，岸线长度565 m，最大可停靠7万GT滚装船，码头采用连片满堂式布置，码头面顶高程为6.0 m，码头前沿设计底高程-12.8 m，码头前沿停泊水域宽度100 m；港池设计底高程-11.5 m，港池宽度593 m，西侧最窄处宽度430 m，港池疏浚面积约35万m2；船舶调头圆直径按2倍7万GT滚装船船长设计，为524 m，布置在码头前方港池内，调头圆边界距离码头前沿约2倍设计船宽。港池通过东侧环球滚装码头港池与天津港北航道相连接，北航道设计底标高-15.5 m，宽度390 m，满足本项目船舶进出港航行需求。项目平面布置示意图如图1所示。

图1 项目平面布置示意图Fig.1 Schematic layout of the project

由于本工程港池西侧和北侧规划岸线尚未建设，现状为淤泥浅滩，低潮时露出水面。本工程港池区域现状水深也较浅，泥面高程约为+3.0 m，因此，本工程港池挖泥量较大，约590万m3。本项目设计代表船型尺度两种，具体信息见表1。

表1 设计代表船型尺度Table 1 Design representative ship size

另一方面，由于天津港现有港区建设已基本完成，本项目港池疏浚泥方已无纳泥区域，只能考虑外运，因此港池疏浚土方单价达到45元/m3，港池疏浚总工程费用高达2.7亿元。

根据规范要求，港池设计水深宜与航道水深取为一致，按下式计算：

式中：D0为航道通航水深；T为设计船型满载吃水；Z0为船舶航行时船体下沉量；Z1为航行时龙骨下最小富裕水深；Z2为波浪富裕深度；Z3为船舶装载纵倾富裕深度；Z4为备淤深度。

7万GT滚装船港池水深计算参数见表2，乘潮水位与天津港主航道一致，其中乘潮水位取历时6 h全年保证率90%的潮位2.26 m，计算航道设计底高程为-11.26 m，采用-11.5 m。

表2 港池水深计算表Table 2 Calculation of water depth in the harbor basin

2 优化研究

由于项目设计投资较大，码头结构及其它部分进一步优化空间较小，现拟对港池设计方案进行优化。考虑影响港池疏浚方量的因素主要有港池疏浚水深[1-2]和港池疏浚面积[3-4]两方面。拟从港池设计水深和港池平面布置两方面对原设计方案进行优化。

2.1 港池设计水深优化

从船型尺度可以看出，7万GT滚装船和5万GT滚装船的满载吃水分别为11.8 m和10.0 m，相差1.8 m，水深相差较大。设计中一般考虑按照最大设计船型来计算港池水深，计算得出港池水深较大，计算结果见表2。项目前期通过实际调研天津港到船情况，发现虽然有7万GT船舶到港，但7万GT船舶数量较少，因此考虑通过降低7万GT滚装船舶通航乘潮标准，来降低港池设计水深，以便达到降低工程投资的目的。

由于7万GT滚装船到船较少，通过精确调度，可降低船舶在港航行时间，乘潮水位取历时3 h全年保证率90%的潮位2.89 m，经计算，港池水深可降低至-10.6 m。根据港池水深反算，5万GT滚装船舶在平均低潮位1.34 m情况下可自由进出港，保证率较高，不影响码头主力船型进出港及作业。通过此优化方案，港池疏浚量可减少约50万m3，投资减少约2 250万元。经济效益显著。

2.2 港池平面布置优化

原设计中，为使船舶操纵方便，港池设计时尽量扩大港池范围，在不影响西北侧规划码头建设的情况下，港池边界尽量靠近西北侧。调头圆尽量向西布置，以不影响东侧环球滚装码头船舶作业为原则。考虑本项目船舶进出要经过东侧环球滚装码头港池，影响已不可避免，两个项目调头水域适当共用，不会对项目运营造成大的影响，拟对本项目港池布置进行优化，方案如下：

优化方案一：考虑7万GT船舶靠离泊，拖轮协助离泊，拖轮船长+缆绳长度+生产船舶宽度+距码头安全距离要求，需要港池水域具有一定作业尺度，对港池进行优化布置，西侧宽度取300 m，港池范围相应缩小。优化后港池面积约31.5万m2。优化后，港池疏浚量减少约29.6万m3，投资减少约1 335万元。

优化方案二：根据JTS 165—2013《海港总体设计规范》，港池西侧最小宽度可取0.8倍设计船长，对港池进行优化布置，西侧宽度取210 m，港池范围相应缩小。优化后港池面积约29.5万m2。优化后，港池疏浚量减少约70万m3，投资减少约3 150万元。

结合现场实际情况与优化方案，结合设计建议，最终选取优化方案一，优化方案平面布置示意图见图2。

图2 优化方案平面布置示意图Fig.2 Schematic layout of the optimization plan

3 方案验证

针对优化港池方案，运用船舶操纵模拟器，模拟码头水域代表船型的操纵，分析在不同风、浪、流等环境因素影响下，船舶进出港通航和靠离作业的可行性及安全性[5]，对船舶航行及靠离泊进行了通航仿真模拟试验。模拟试验平台拟采用Transas公司研发的NTPRO5000型全任务航海模拟器和操舵模拟器[6-8]。模拟器系统由教练站、1个主本船、3个副本船以及拖轮室等组成。各本船均配置有船舶操控系统、电子海图系统、航海仪器系统、3D视景系统和船舶通信系统等。模拟系统配置有各典型训练海域区沿岸水域、狭水道、港口水域、分道通航水域等训练场景，各训练区可设置不同的通航环境条件及各种水文气象条件，各个本船可在同一海区进行对抗训练或在不同的海区单独训练。

分别对5万GT、7万GT船舶，针对不同风向、风况，不同船舶载重状态，靠泊、离泊等不同操船方式，涨潮、落潮情况等不同工况组合，共进行47次操船模拟试验。

第1次模拟试验共进行了18次靠离泊试验，试验类型为涨潮右舷靠泊水流为流场流速，其中，7万GT滚装船3×2 940 kW（3×4 000 HP）拖轮和5万GT滚装船2×2 940 kW（2×4 000 HP）拖轮模拟试验各做了9次，模拟试验风力以6级风和7级风为主，少量试验设计风力8级。模拟试验结果表明，6级风和7级风情况下，本工程设计船型5万GT滚装船和7万GT滚装船都能成功靠离泊。具体结果如表3[1]。

表3 第1次模拟试验信息表Table 3 Information table of the first simulation test

为进一步验证本工程设计船型靠泊作业的可行性，新增模拟靠泊试验在7万GT滚装船3×2 940 kW（3×4 000 HP）拖轮在流场流向7级强风向（E风）和7级常风向（NNW）情况下靠泊本工程以西侧泊位为主，增加了20次模拟试验；同时在第1次模拟试验等基础上，增加了9次，共计增加了29次靠泊模拟试验。部分模拟信息见表4。

试验结果7级强风向（E风）情况下，设计船型7万GT滚装船都能安全靠泊本工程西侧泊位：7级常风向（NNW）情况下，10次靠泊试验l次失败，失败原因为掉头时间选择较晚，转头过程中船尾拖轮施加后拖时间太迟，造成船尾压向泊位。正常情况下均能安全靠泊；

结果表明：港池西侧尺度影响船舶操纵难度。船舶调头作业在E风影响下有快速向西北偏移趋势，船位控制困难，容易被压向北支港池西侧浅水区。因此应适当扩大西侧水域区域，并为拖轮作业留出足够空间。西侧边线取300 m，能够满足船舶作业需要。

同时，通过船舶靠离泊作业模拟试验，给出船舶作业指导意见如下：

1）正常情况下，本工程设计船型中风力不大于7级情况下可安全靠离本工程码头泊位。

2）鉴于本工程设计船型受风面积大，工程泊位走向受常风向影响较大，建议：①正常拖船数量和马力配备条件下，船舶靠泊风力不大于6级；②7万GT滚装船优先靠泊本工程东侧码头泊位，靠泊西侧码头泊位时，应适当增加拖船数量和（或）马力；③风力8级及以上情况下应急离泊，应适当增加拖船数量和（或）马力。