越南沿海海港工程部分水域平面尺度优化

高 浪

(中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032)

随着经济发展和科技进步，港址选择诸多要素中，自然条件、基础设施条件等因素权重在下降，经济发展和社会效益等因素权重在增加[1-2]。港口及其配套的基础设施建设属资金密集型产业，设计技术方案稍有不慎，将造成巨大资源浪费或经济亏损，在自然条件、基础设施等建港条件不能完全满足港口建设的情况下，科学合理的港口设计尤为重要。本文以越南电力中心沿海海港工程为例，在自然水深不能满足建港要求情况下，水域平面尺度设计除根据经验选取规范数值外，还结合船舶操纵模拟试验来验证和优化，使设计的平面尺度既满足船舶航行安全，又减少疏浚量、节省工程前期投资和后期维护疏浚运营成本，为设计人员在类似港口水域尺度设计中提供参考。

1 设计方法

港口水域平面尺度应满足船舶运动的空间，但设计难以进行实船试验来考量这一尺度的可行性和安全性，通常根据设计规范及设计者的经验决定设计方案。多种环境因素组合影响时，很难评价船舶操纵安全性、合理性。而运用船舶操纵模拟器，通过计算机实时模拟，可以评价、研究系统的变化过程；结合定量与定性进行分析，模拟多种设计方案及其工况，得出优化结果[3]。

模拟试验前先实地调研并搜集资料，进行船舶及航行环境建模：建立船舶进出港航道及码头水域的大比例尺电子海图，建立设计代表船型的船舶数学模型，建立码头水工设施及周边水域环境的三维视景；再进行模拟操纵及分析：运用船舶操纵模拟器，依据代表船型在不同水文气象条件下进行仿真试验，模拟船舶进、出航道，旋回水域操作，靠、离泊操纵；最后根据模拟结果分析可能存在的安全问题，并提出可行的解决办法，制定船舶在进出港航道及码头水域的航行操纵方案。模拟试验方法自身也存在局限性，确定设计方案时需要综合分析规范经验取值和试验成果，从而让最终设计结果更贴切船舶的真实运作情况，保证项目经济、可行、安全，降低工程风险。

2 案例工程的部分水域平面尺度设计

2.1 工程概况

越南电力中心沿海海港工程项目为新建1万吨级煤码头及配套工程。该码头是由东北向和西南向两座防波堤环抱式掩护的突堤式码头，突堤两侧靠泊船舶，并配备有拖轮协助船舶港内航行、靠离泊和转头。由于港内自然水深条件不能满足船舶安全运行要求，航道和港池水域需要疏浚。因水域平面尺度直接影响疏浚工程量及工程造价，项目实施前期，在保证安全性的同时，就标书中给定的部分水域平面尺度进行复核和设计优化。

2.2 主要设计条件

2.2.1船舶

设计船型和拖轮配置见表1。

表1 设计船型、拖轮及其尺度

2.2.2环境条件

项目位于热带季风气候的越南南部的茶荣(Tra Vinh)省沿海(Duyen Hai)县，南临东海。受季风影响，雨季波浪主要为SW向浪，旱季波浪主要为ENE向浪。在项目区域很少出现有台风，全年主导风向西南向。天然情况下，工程水域潮流流向与海岸平行，呈东北-西南方向，最大流速约1.5 ms，且流向与航道轴线垂直，故船舶进港除乘高潮进港外，还需选择流速较小的时间段进港。

2.2.3船舶在港内运行情况

由于本码头工程仅为电厂供应燃煤，货种单一，且仅为货物进口、流向固定，为节省挖泥量，船舶运行按满载船舶进港、顺岸靠泊且压载船舶离泊、掉头和出港。

2.3 部分水域平面尺度设计

项目港内水域由进港航道、船舶制动水域、船舶回旋水域、码头前沿停泊水域、港池、港池与航道的连接水域(连接进港航道与码头前沿停泊水域，连接码头前沿停泊水域与回旋水域的连接水域)等组成，其中，回旋水域位于突堤码头端部，本文就码头前沿停泊水域、回旋水域、突堤码头港池和航道的连接水域尺度按中国规范和其他多国规范进行计算[4]，计算结果与标书中给定的相应尺度作对比。标书中给定的港内水域平面的布置与尺度见图1、2。

图1 总平面布置

图2 标书中港内水域平面布置(单位：m)

2.3.1泊位前停泊水域

该区域水深要求在设计低水位下船舶满载时能安全停靠，按各国规范尺度取值见表2。

表2 泊位前停泊水域尺度

标书尺度254 m×60 m,设计取值254 m×37 m，并与进港航道相连。

2.3.2船舶靠离码头的操作水域

该水域一部分与泊位前停泊水域组合。考虑乘潮水位船舶满载状态下顺岸靠泊码头(不考虑掉头)，以及乘潮水位时船舶压载状态下掉头离开码头，按各国规范尺度取值见表3。

标书尺度254 m×60 m，设计取值254 m×103 m。

表3 船舶靠离码头的操作水域尺度

2.3.3回旋水域

该水域与航道水域组合。该区域水深要求是乘潮水位时船舶压载状态下能安全转头离开码头。标书和按各国规范尺度取值见表4。标书D=360 m，设计按规范取值D=260 m。

表4 船舶靠离码头的回旋圆直径

2.3.4港池连接水域

港池与航道夹角90°，突堤北侧港池与回旋水域的连接水域，部分与船舶靠离码头的操作水域和回旋水域组合；突堤南侧港池与航道的连接水域，部分与船舶靠离码头的操作水域和航道水域组合。

水域平面尺度关系到船舶在港内航行、靠离泊和掉头的可行性和安全性。为此，该尺度以及疏浚工程量还须进行船舶模型试验验证，经综合分析后最终确定设计方案。

2.4 船舶操纵试验验证

水域平面尺度试验分为正常和极限状态。运用船舶操纵模拟器，在不同水文气象条件下，模拟设计船型船舶在港内进、出航道及回旋水域操作和靠、离泊操纵，研究设计船型航行和靠离泊的极限条件及其安全对策。根据模拟结果分析可能存在的安全问题，并提出可行的解决办法。模拟试验采用2种实施方案：

1)方案1：正常状态。船舶靠离泊和回旋转头模拟试验。在不大于8级风、浪高不大于0.5 m(港内)条件下进行，满载进港和压载出港。

2)方案2：应急状态。船舶出港特殊操作试验。考虑船舶在港作业期间遭遇恶劣天气需要紧急出港，按8级大风恶劣条件进行。

试验由具有相应等级船舶实船驾驶经验的船舶模拟操纵人员操作。每组组合工况进行多次模拟试验，记录相应试验结果和航迹。试验工况组次分为以下几类，不同工况下的试验成果见表5。

1)东北季风季节，大潮乘潮涨急时段，4级风、浪高1.3 m条件下，满载船舶进港航行作业，压载船舶出港航行作业。

2)东北季风季节，大潮乘潮涨急时段，6、8级风、浪高2.36 m条件下，满载船舶进港航行作业，压载船舶出港航行作业。

3)西南季风季节，大潮乘潮涨急时段，4级风、浪高1.3 m条件下，满载船舶进港航行作业，压载船舶出港航行作业。

4)西南季风季节，大潮乘潮涨急时段，6、8级风、浪高2.36 m条件下，满载船舶进港航行作业，压载船舶出港航行作业。

5)东北季风季节，中、小潮乘潮流缓时段，4级风、浪高1.3 m条件下，满载船舶进港航行作业，6、8级压载船舶出港航行作业。

6)东北季风季节，中、小潮乘潮流缓时段，6、8级风、浪高2.36 m条件下，满载船舶进港航行作业，8、9级压载船舶出港航行作业。

表5 不同工况下所需回旋水域尺度

2.5 试验结论和水域尺度优化

将不同操纵工况模拟中船舶扫略过的区域进行统计，绘制航行航迹，在同一平面图中与标书水域平面尺度进行对比，见图3。图中有的区域船舶模拟航迹超出了标书水域边界，表明该区域标书尺度太小，不能满足船舶运行要求而搁浅；有的区域试验船舶模拟航迹没能到达，表明该区域标书尺度过大，可以进行优化缩小。

图3 标书水域尺度边线与不同操纵工况模拟中船舶航迹对比

根据模拟试验的船舶航迹优化水域尺度，优化后的水域布置见图4；将优化后的水域平面图与标书给定的水域平面图对比见图5。

图4 包络不同操纵工况模拟中船舶航迹的水域平面尺度

图5 标书水域尺度与试验后优化尺度对比

1)标书给定的港池水域宽度60 m太窄，不能满足船舶靠离泊安全要求，需要扩大至80 m；长度需要缩短至222 m。

2)标书回旋水域D=360 m；根据表5中试验结果，1万吨级船舶回旋水域椭圆长轴最大313 m、最小205 m，短轴最大230 m、最小167 m；表明标书回旋水域尺度虽能满足要求，但标书尺度过大，须缩小。回旋水域尺度取设计计算值D=260 m。

3)港池连接水域：根据船舶航迹包络区域，突堤北侧港池与回旋水域的连接水域：在港池端部沿45°向北扩大32 m与回旋水域相接；突堤南侧港池与航道的连接水域：在港池端部沿30°向南扩大111 m与航道相接。

4)当风力超过6级时，船舶满载状态下应停止靠泊、船舶离泊及掉头操作。

2.6 试验局限性

使用模拟试验结果时应考虑试验本身的准确性和可靠性。试验研究方法和试验设备的局限性等都会导致模拟操纵与实际操纵的差异，给试验结果带来误差。

首先，设定模拟器参数可能的误差：1)试验需要准确的电子海图配置。海图水深必须精确，航道或航槽的边界线要完善。实际工作中，可在纸质海图上增加水深点的数量，或改进电子海图的智能功能等，来提高海图准确性。2)试验需要准确的边界条件，输入风、流、潮汐等环境条件数据。试验中风流仅仅是设定的，难以模拟实际风流的演变过程及其突变性。实际工作中可通过建立典型潮流仿真数据库、动态读取潮流数据来提高潮流模拟精度。3)试验中模拟船舶的选择和船舶操纵运动数学模型的建立是核心，并须对所建立的船舶操纵数学模型进行船舶操纵相似性评价；试验还需要充分的边界影响条件输入，如船间效应、浅水效应、岸壁效应等；船舶操纵数学模型中没有考虑船龄老化等问题，而船龄老化直接影响操纵性能、船舶强度、载货能力等。

其次，虚拟性的视景系统可能产生误差。虚拟环境中有无法克服的问题导致了与实际情况不符，给操作模拟器的人员造成错觉，形成错误的经验，进而做出错误的条件反射。

另外，模拟者资质能力也会对试验结果产生影响。有经验船长指导下的模拟操船对试验结果有很大帮助。

3 结语

1)基于越南电力中心沿海海港工程水域平面尺度设计案例，通过对比标书中水域平面尺度、按规范经验值得出尺度数值和按船舶操纵模拟器试验方法的验证尺度，表明设计港口水域尺度时，除了需要对现有规范得出理论设计数据进行取值外，还需要通过船舶操纵模拟试验的方法来验证并优化理论结果。

2)船舶操纵模拟的试验方法本身的局限性和不足可能导致验证和优化出现偏差。

3)现实工作中，可采取有效方法将模拟误差控制在允许范围内，使试验结果更真实模拟现实船舶操纵，确保港口水域尺度满足船舶安全和便利运行要求，降低工程风险，节省工程造价。