越南沿海海港工程部分水域平面尺度優化

高 浪

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

隨著經濟發展和科技進步，港址選擇諸多要素中，自然條件、基礎設施條件等因素權重在下降，經濟發展和社會效益等因素權重在增加[1-2]。港口及其配套的基礎設施建設屬資金密集型產業，設計技術方案稍有不慎，將造成巨大資源浪費或經濟虧損，在自然條件、基礎設施等建港條件不能完全滿足港口建設的情況下，科學合理的港口設計尤為重要。本文以越南電力中心沿海海港工程為例，在自然水深不能滿足建港要求情況下，水域平面尺度設計除根據經驗選取規范數值外，還結合船舶操縱模擬試驗來驗證和優化，使設計的平面尺度既滿足船舶航行安全，又減少疏浚量、節省工程前期投資和后期維護疏浚運營成本，為設計人員在類似港口水域尺度設計中提供參考。

1 設計方法

港口水域平面尺度應滿足船舶運動的空間，但設計難以進行實船試驗來考量這一尺度的可行性和安全性，通常根據設計規范及設計者的經驗決定設計方案。多種環境因素組合影響時，很難評價船舶操縱安全性、合理性。而運用船舶操縱模擬器，通過計算機實時模擬，可以評價、研究系統的變化過程；結合定量與定性進行分析，模擬多種設計方案及其工況，得出優化結果[3]。

模擬試驗前先實地調研并搜集資料，進行船舶及航行環境建模：建立船舶進出港航道及碼頭水域的大比例尺電子海圖，建立設計代表船型的船舶數學模型，建立碼頭水工設施及周邊水域環境的三維視景；再進行模擬操縱及分析：運用船舶操縱模擬器，依據代表船型在不同水文氣象條件下進行仿真試驗，模擬船舶進、出航道，旋回水域操作，靠、離泊操縱；最后根據模擬結果分析可能存在的安全問題，并提出可行的解決辦法，制定船舶在進出港航道及碼頭水域的航行操縱方案。模擬試驗方法自身也存在局限性，確定設計方案時需要綜合分析規范經驗取值和試驗成果，從而讓最終設計結果更貼切船舶的真實運作情況，保證項目經濟、可行、安全，降低工程風險。

2 案例工程的部分水域平面尺度設計

2.1 工程概況

越南電力中心沿海海港工程項目為新建1萬噸級煤碼頭及配套工程。該碼頭是由東北向和西南向兩座防波堤環抱式掩護的突堤式碼頭，突堤兩側靠泊船舶，并配備有拖輪協助船舶港內航行、靠離泊和轉頭。由于港內自然水深條件不能滿足船舶安全運行要求，航道和港池水域需要疏浚。因水域平面尺度直接影響疏浚工程量及工程造價，項目實施前期，在保證安全性的同時，就標書中給定的部分水域平面尺度進行復核和設計優化。

2.2 主要設計條件

2.2.1船舶

設計船型和拖輪配置見表1。

表1 設計船型、拖輪及其尺度

2.2.2環境條件

項目位于熱帶季風氣候的越南南部的茶榮(Tra Vinh)省沿海(Duyen Hai)縣，南臨東海。受季風影響，雨季波浪主要為SW向浪，旱季波浪主要為ENE向浪。在項目區域很少出現有臺風，全年主導風向西南向。天然情況下，工程水域潮流流向與海岸平行，呈東北-西南方向，最大流速約1.5 ms，且流向與航道軸線垂直，故船舶進港除乘高潮進港外，還需選擇流速較小的時間段進港。

2.2.3船舶在港內運行情況

由于本碼頭工程僅為電廠供應燃煤，貨種單一，且僅為貨物進口、流向固定，為節省挖泥量，船舶運行按滿載船舶進港、順岸靠泊且壓載船舶離泊、掉頭和出港。

2.3 部分水域平面尺度設計

項目港內水域由進港航道、船舶制動水域、船舶回旋水域、碼頭前沿停泊水域、港池、港池與航道的連接水域(連接進港航道與碼頭前沿停泊水域，連接碼頭前沿停泊水域與回旋水域的連接水域)等組成，其中，回旋水域位于突堤碼頭端部，本文就碼頭前沿停泊水域、回旋水域、突堤碼頭港池和航道的連接水域尺度按中國規范和其他多國規范進行計算[4]，計算結果與標書中給定的相應尺度作對比。標書中給定的港內水域平面的布置與尺度見圖1、2。

圖1 總平面布置

圖2 標書中港內水域平面布置(單位：m)

2.3.1泊位前停泊水域

該區域水深要求在設計低水位下船舶滿載時能安全?？?，按各國規范尺度取值見表2。

表2 泊位前停泊水域尺度

標書尺度254 m×60 m,設計取值254 m×37 m，并與進港航道相連。

2.3.2船舶靠離碼頭的操作水域

該水域一部分與泊位前停泊水域組合?？紤]乘潮水位船舶滿載狀態下順岸靠泊碼頭(不考慮掉頭)，以及乘潮水位時船舶壓載狀態下掉頭離開碼頭，按各國規范尺度取值見表3。

標書尺度254 m×60 m，設計取值254 m×103 m。

表3 船舶靠離碼頭的操作水域尺度

2.3.3回旋水域

該水域與航道水域組合。該區域水深要求是乘潮水位時船舶壓載狀態下能安全轉頭離開碼頭。標書和按各國規范尺度取值見表4。標書D=360 m，設計按規范取值D=260 m。

表4 船舶靠離碼頭的回旋圓直徑

2.3.4港池連接水域

港池與航道夾角90°，突堤北側港池與回旋水域的連接水域，部分與船舶靠離碼頭的操作水域和回旋水域組合；突堤南側港池與航道的連接水域，部分與船舶靠離碼頭的操作水域和航道水域組合。

水域平面尺度關系到船舶在港內航行、靠離泊和掉頭的可行性和安全性。為此，該尺度以及疏浚工程量還須進行船舶模型試驗驗證，經綜合分析后最終確定設計方案。

2.4 船舶操縱試驗驗證

水域平面尺度試驗分為正常和極限狀態。運用船舶操縱模擬器，在不同水文氣象條件下，模擬設計船型船舶在港內進、出航道及回旋水域操作和靠、離泊操縱，研究設計船型航行和靠離泊的極限條件及其安全對策。根據模擬結果分析可能存在的安全問題，并提出可行的解決辦法。模擬試驗采用2種實施方案：

1)方案1：正常狀態。船舶靠離泊和回旋轉頭模擬試驗。在不大于8級風、浪高不大于0.5 m(港內)條件下進行，滿載進港和壓載出港。

2)方案2：應急狀態。船舶出港特殊操作試驗?？紤]船舶在港作業期間遭遇惡劣天氣需要緊急出港，按8級大風惡劣條件進行。

試驗由具有相應等級船舶實船駕駛經驗的船舶模擬操縱人員操作。每組組合工況進行多次模擬試驗，記錄相應試驗結果和航跡。試驗工況組次分為以下幾類，不同工況下的試驗成果見表5。

1)東北季風季節，大潮乘潮漲急時段，4級風、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進港航行作業，壓載船舶出港航行作業。

2)東北季風季節，大潮乘潮漲急時段，6、8級風、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進港航行作業，壓載船舶出港航行作業。

3)西南季風季節，大潮乘潮漲急時段，4級風、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進港航行作業，壓載船舶出港航行作業。

4)西南季風季節，大潮乘潮漲急時段，6、8級風、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進港航行作業，壓載船舶出港航行作業。

5)東北季風季節，中、小潮乘潮流緩時段，4級風、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進港航行作業，6、8級壓載船舶出港航行作業。

6)東北季風季節，中、小潮乘潮流緩時段，6、8級風、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進港航行作業，8、9級壓載船舶出港航行作業。

表5 不同工況下所需回旋水域尺度

2.5 試驗結論和水域尺度優化

將不同操縱工況模擬中船舶掃略過的區域進行統計，繪制航行航跡，在同一平面圖中與標書水域平面尺度進行對比，見圖3。圖中有的區域船舶模擬航跡超出了標書水域邊界，表明該區域標書尺度太小，不能滿足船舶運行要求而擱淺；有的區域試驗船舶模擬航跡沒能到達，表明該區域標書尺度過大，可以進行優化縮小。

圖3 標書水域尺度邊線與不同操縱工況模擬中船舶航跡對比

根據模擬試驗的船舶航跡優化水域尺度，優化后的水域布置見圖4；將優化后的水域平面圖與標書給定的水域平面圖對比見圖5。

圖4 包絡不同操縱工況模擬中船舶航跡的水域平面尺度

圖5 標書水域尺度與試驗后優化尺度對比

1)標書給定的港池水域寬度60 m太窄，不能滿足船舶靠離泊安全要求，需要擴大至80 m；長度需要縮短至222 m。

2)標書回旋水域D=360 m；根據表5中試驗結果，1萬噸級船舶回旋水域橢圓長軸最大313 m、最小205 m，短軸最大230 m、最小167 m；表明標書回旋水域尺度雖能滿足要求，但標書尺度過大，須縮小?；匦虺叨热≡O計計算值D=260 m。

3)港池連接水域：根據船舶航跡包絡區域，突堤北側港池與回旋水域的連接水域：在港池端部沿45°向北擴大32 m與回旋水域相接；突堤南側港池與航道的連接水域：在港池端部沿30°向南擴大111 m與航道相接。

4)當風力超過6級時，船舶滿載狀態下應停止靠泊、船舶離泊及掉頭操作。

2.6 試驗局限性

使用模擬試驗結果時應考慮試驗本身的準確性和可靠性。試驗研究方法和試驗設備的局限性等都會導致模擬操縱與實際操縱的差異，給試驗結果帶來誤差。

首先，設定模擬器參數可能的誤差：1)試驗需要準確的電子海圖配置。海圖水深必須精確，航道或航槽的邊界線要完善。實際工作中，可在紙質海圖上增加水深點的數量，或改進電子海圖的智能功能等，來提高海圖準確性。2)試驗需要準確的邊界條件，輸入風、流、潮汐等環境條件數據。試驗中風流僅僅是設定的，難以模擬實際風流的演變過程及其突變性。實際工作中可通過建立典型潮流仿真數據庫、動態讀取潮流數據來提高潮流模擬精度。3)試驗中模擬船舶的選擇和船舶操縱運動數學模型的建立是核心，并須對所建立的船舶操縱數學模型進行船舶操縱相似性評價；試驗還需要充分的邊界影響條件輸入，如船間效應、淺水效應、岸壁效應等；船舶操縱數學模型中沒有考慮船齡老化等問題，而船齡老化直接影響操縱性能、船舶強度、載貨能力等。

其次，虛擬性的視景系統可能產生誤差。虛擬環境中有無法克服的問題導致了與實際情況不符，給操作模擬器的人員造成錯覺，形成錯誤的經驗，進而做出錯誤的條件反射。

另外，模擬者資質能力也會對試驗結果產生影響。有經驗船長指導下的模擬操船對試驗結果有很大幫助。

3 結語

1)基于越南電力中心沿海海港工程水域平面尺度設計案例，通過對比標書中水域平面尺度、按規范經驗值得出尺度數值和按船舶操縱模擬器試驗方法的驗證尺度，表明設計港口水域尺度時，除了需要對現有規范得出理論設計數據進行取值外，還需要通過船舶操縱模擬試驗的方法來驗證并優化理論結果。

2)船舶操縱模擬的試驗方法本身的局限性和不足可能導致驗證和優化出現偏差。

3)現實工作中，可采取有效方法將模擬誤差控制在允許范圍內，使試驗結果更真實模擬現實船舶操縱，確保港口水域尺度滿足船舶安全和便利運行要求，降低工程風險，節省工程造價。