40萬t級船舶進董家口港關鍵技術指標控制

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(1.廣州航海學院 海運學院，廣州 510725；2.武漢理工大學 航運學院，武漢 430063；3.青島港引航站,山東 青島 266011)

40萬t級船舶進入我國港口航行安全保障的關鍵技術并不成熟，主要表現在富裕水深、航速控制、乘潮控制、靠泊技術、航行方案、限定條件等技術指標或保障方案上并未形成共識。40萬t級超大型船舶受限水域航行安全面臨著擱淺甚至碰撞風險，制約了40萬t級船舶正常化掛靠我國沿海港口。

近10年來，國內外學者針對超大型船舶的通航條件開展了有關研究，研究集中于探討船舶安全航行的富裕水深與安全航速條件[1- 5]；分析船舶通航的乘潮條件[6- 8]；40萬t級船舶靠泊的操縱特征[9- 11]。但是，對40萬t級特大型船舶安全進出港的整套解決方案的研究尚屬空白，40萬t級船舶的通航條件也有待進一步補充。

以青島董家口港為目標水域，探索并提出了40萬t級超大型船舶安全進港與靠泊的解決方案，見圖1。這里40萬t級船舶指的是“淡水河谷”型滿載散貨船，船型尺度[12]：總長362 m，型寬65.6 m，型深30.5 m，滿載吃水23.0 m。從巴西淡水河谷公司港口滿載至青島水域，除去耗油量、貨物水分排量、排水量減少值等，抵港最大吃水(抵港滿載吃水)理論值為22.8 m。

圖1 40萬t級船舶進港航行安全保障解決方案結構

1 董家口港通航條件

1.1 航道

40萬t船舶進港航道PC由PA、AB與BC三段組成，如圖2。

圖2 40萬t級船舶進港航道示意

PA=10.8 n mile、AB=4.7 n mile、BC=3.1 n mile，PC=18.6 n mile。BC段后接制動段CD=1.08 n mile。PA段寬1 000 m，AC段寬470 m，A點為寬度1 000 m至470 m的過渡段，長2 800 m。P點為接40萬t級船舶深槽錨地。航道設計底高Z=-23.2 m(理論最低潮面為基準面)。

1.2 氣象水文與靠泊條件

董家口港區，ENE為強風向，最大風速12.8 m/s；潮汐類型為正規半日潮，最大流速為0.88 m/s；波浪屬風涌混合浪，分布在ESE～SSE向；風流浪與航道位置關系如圖3。40萬t級船舶航行及靠泊受風流影響較大，需要在轉流前的高平潮完成左舷順靠泊位。轉流時間可推遲至高潮后1 h，高潮前的可利用乘潮時間為3 h(正規半日潮的特征),即完成航道內航行、轉向、制動、靠泊應限制在4 h內。

圖3 風流浪與航道位置關系示意

2 技術指標

2.1 富裕水深

表1 不同航速下的40萬t級船舶下沉值

表2 40萬t級船舶航行于董家口航道時富裕水深各要素取值

2.2 航速控制與乘潮控制

航速控制應綜合考慮：①船舶進出港受風流影響較大，航速不宜過低；②船舶需要高平潮轉流前靠泊，需要更長的潮位歷時，因此航速不宜過低；③船舶航速越高，航行下沉量增大；④船舶在航道B點及C點轉向時速度應適當降低。可見，40萬t級船舶航道內航行時受乘潮歷時和潮位的雙重限制，使得航速須限制在合理的范圍內。董家口航道較長，具有兩個轉向點B、C和寬度縮窄點A，富裕水深需按航段取值。在確定富裕水深和航速的取值時，可采用經驗航速窮舉法。即首先確定各段的經驗航速，然后對經驗航速進行窮舉，每次航速選擇后，根據乘潮條件、富裕水深取值和船舶吃水，計算航道底標高，與設計底標高相比較獲得船舶能否安全航行，最后獲得滿足條件的各段航速。據此可求得航速控制值與富裕水深，同時可選取符合條件的較高保證率對應的潮位，見表3。

表3 航速與富裕水深取值及潮位選擇

乘潮可利用的時間為4 h, 除去制動和靠泊時間，求得PC段乘潮歷時的最大值tmax。

tmax=4-(CD/3+0.75)×1.1=2.78 h

式中：制動段CD航速取3 kn, 靠泊時間為0.75 h，時間富裕系數為1.1。

故40萬t級船舶PC段航行時乘潮歷時tPC和乘潮潮位h滿足：

3 保障方案

3.1 靠泊技術

40萬t級船舶進董家口港航道時接近橫風橫流，流壓較大，船舶操縱困難，引航員應選擇錨地或P點登輪，拖輪應在B點轉向前帶好。根據《港規》，拖船所需總拖力BP=(D/100 000)×60+40=311.2 t(D為排水量，取代表船型452 000 t)，折合Z型全回轉拖船功率為19 925 kW，根據《港規》查得所需拖船數量為6條。

船舶靠泊時，注意拖船的使用安全，防止倒拖或打橫。40萬t級船舶靠泊方式為左舷順靠，到達泊位外檔前，拖船在船艏左舷帶1條，右舷帶2條，船艉右舷帶2條，兩舷拖船頂推，船艉正后方1條，艉拖制動，共計6條拖船協助船舶微速到達泊位外檔，待余速基本為零后，調整艏艉拖船位置，里檔拖船改系外舷側，將船舶頂推至泊位，橫向入泊速度不超過10 cm/s，見圖4。

圖4 40萬t級船舶靠泊示意

3.2 航行方案

根據40萬t級船舶航行時技術指標控制，結合董家口港的通航環境和引航經驗，確定40萬t級船舶的航行方案：船舶抵達P點附近，引航員登輪，4條拖船伴航，開始乘潮沿航道軸向(航向318°)航行，逐漸提速，在PA航段平均航速為8～10 kn；航行約10.8 n mile進入人工航道段口門A點后，注意航道寬度縮窄，速度可降至8 kn左右；繼續沿航道軸向航行約3.3 n mile抵至141#浮，帶妥6條拖船，2條左舷，4條右舷；航行1.4 n mile后到達航道轉向點B點，向右轉向約27°，進入BC段，沿航道軸向(航向345°)航行，BC段平均航速5 kn左右；航行約3.1 n mile后到達航道端點C點轉向，進入港池連接的制動水域。

3.3 限定條件

確定40萬t級船舶進董家口港極限通航條件應根據：①氣象與水文條件。②避免在急漲、急落潮時進行靠泊和掉頭操作，應選擇在高平潮時段進行靠泊作業。③40萬t級船舶的操縱特點和航行保障條件。根據這些要求與模擬試驗的驗證，確定40萬t船舶進港限定條件如表4。

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表4 40萬t級船舶進董家口港的限定條件

4 模擬試驗

4.1 試驗工況

利用全任務大型船舶操縱模擬器(NT- PRO 40型)，建立6自由度的40萬t級船舶運動視景圖、目標水域的電子海圖和航道視景。在設定的工況條件下，通過引航員和船長的模擬操縱，驗證和調整40萬t級船舶航行方案。

試驗的氣象水文條件：風力設定在4級、6級和7級，降水設定在中雨以下，水平能見度不小于1.5 n mile。水文條件選擇對船舶影響較大的漲潮流急時段的流速和流向(流速0.88 m/s，流向230°～235°)，波浪選擇該區常浪向SE，浪高不超過2.0 m。模擬試驗驗證了40萬t級船舶進港的極限條件，見圖5。

圖5 漲潮、風力7級風向057°時船舶靠泊軌跡

4.2 試驗結果

1)靠泊方式。高潮時段該水域為漲流，船舶進港宜選擇左舷順靠方式。

2)拖船配備。40萬t級船舶靠泊可按4條3 700 kW和2條5 900 kW全回轉拖船配備。在拖船協助下，船舶單向航跡帶寬度達到200 m，所需單向航道寬度達300 m，加上富裕寬度100 m約需400 m，航道寬度470 m能滿足船舶試驗航行的要求。

3)航速控制。航道航行時航速可保持在8～10 kn，在接近轉向航段時降至5～6 kn，接近航道末端時降至3～4 kn，在拖輪協助下船舶轉向、降速，至回旋水域附近，將船舶速度降至1 kn以下或把船停住，擺好靠泊姿勢，拖船頂推入泊，靠泊速度控制在10 cm/s內。

4)乘潮時間分配。航道總長18.6 n mile，高潮前2.5～3.0 h從P點開始進港，駛至人工段航道入口時流速較大，風流壓角在9°～11°，不同工況下，船舶從P點到達泊位前沿水域時間為2 h 48 min～2 h 57 min，船舶靠上碼頭時間為3 h 15 min～3 h 28 min，高潮時段碼頭水域漲流時間約為30 min，40萬t級船舶基本能夠在拖船協助下完成靠泊作業，時間富裕度較小。

5 結論

本文以董家口港為目標水域提出并驗證了40萬t級船舶安全進港與靠泊的解決方案。該方案充分考慮了水域的通航環境特征與大型船舶的通常航法，用于從理論更從實踐上指導40萬t級船舶安全掛靠董家口港，同時對其他引入40萬t級船舶的港口提供重要的航法指導與技術指標參考。

該方案具有很好的完整性，提供了從航道入口至靠泊完成整個階段的技術參數。需要注意的是，實際中40萬t級船舶進港時應根據該方案掌握好進航道的時間點與航速控制值，防止船舶過快造成下沉觸淺或過慢造成潮位歷時不足而觸淺。在應用過程中根據實際狀況不斷地完善方案是以后的研究重點。

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