羅源灣40 萬(wàn)噸航道工程設(shè)計(jì)

■陳麗陽(yáng)

（福建省港航勘察設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350002）

羅源灣港區(qū)是福州港一個(gè)重要的大宗干散貨物流集中區(qū)，是福建省連通海峽兩岸的重要通道和口岸。 港區(qū)承接的貨種以煤炭、金屬礦石為主，是為福建省及內(nèi)陸省份提供散貨運(yùn)輸服務(wù)的主要港區(qū)，也是福州市經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)特別是羅源灣臨港工業(yè)發(fā)展的重要依托。 隨著羅源灣港區(qū)的發(fā)展，船舶大型化趨勢(shì)明顯，可門(mén)作業(yè)區(qū)現(xiàn)已建4# 泊位（30 萬(wàn)噸級(jí)）等多個(gè)大型散貨泊位，在建的可門(mén)1#～3# 泊位（擴(kuò)能改造為30 萬(wàn)噸級(jí)）、7# 泊位 （20 萬(wàn)噸級(jí)，結(jié)構(gòu)按40 萬(wàn)噸），可門(mén)8# 泊位（30 萬(wàn)噸級(jí)，結(jié)構(gòu)按40 萬(wàn)噸）等多個(gè)泊位正在開(kāi)展前期工作，現(xiàn)30 萬(wàn)噸級(jí)航道僅到北航道B′點(diǎn)位置，通往可門(mén)作業(yè)區(qū)航道僅為20 萬(wàn)噸級(jí)，現(xiàn)可門(mén)4# 泊位30 萬(wàn)噸級(jí)船舶是從北航道B′點(diǎn)臨時(shí)通過(guò)一段連接水域與船舶回旋水域銜接， 現(xiàn)有航道已無(wú)法滿足新建碼頭及船舶大型化的需求，因此有必要開(kāi)展40 萬(wàn)噸船舶航道的研究工作。

1 通航環(huán)境分析

1.1 到港船舶類型

羅源灣港區(qū)到港船型主要是運(yùn)輸煤炭和鐵礦石的散貨船。 隨著可門(mén)4#泊位的投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)，目前可門(mén)作業(yè)區(qū)到港靠泊的最大船型為31.5 萬(wàn)噸的“中海榮華”號(hào)，裝卸貨種為南非鐵礦石。 羅源灣港區(qū)目前已有90 多艘次30 萬(wàn)噸級(jí)大型散貨船舶到港，可門(mén)4# 泊位、10# 泊位共有700 多艘次15 萬(wàn)噸級(jí)以上船舶到港， 華東船廠目前已有150 多艘次10萬(wàn)噸級(jí)以上船舶到港。

1.2 船舶AIS 流量統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)流量統(tǒng)計(jì)顯示(圖1)，可門(mén)水道平均每天通航20～30 艘次，此外還有大量小型漁船進(jìn)出，可見(jiàn)羅源灣口門(mén)水域船舶通航流量很大，而超大型船舶進(jìn)出港需采取單向封航的交通管制模式，對(duì)其他船舶的通航有一定影響。 隨著港區(qū)的發(fā)展，到港船舶日益增多，并呈現(xiàn)大型化的趨勢(shì)，將進(jìn)一步增加航道通航壓力。

圖1 羅源灣水域船舶交通流示意圖

2 水文分析

羅源灣是個(gè)半封閉型海灣， 灣內(nèi)水面寬闊、灣口狹小，形狀似個(gè)倒葫蘆，是個(gè)天然深水良港。 羅源灣屬潮汐汊道型強(qiáng)潮海灣，平均潮差大于4 m，其水下地形發(fā)育受到地形、地質(zhì)條件限制，在常年波浪潮流動(dòng)力作用下，形成了島嶼深槽區(qū)及局部的淺灘區(qū)。 工程區(qū)域掩護(hù)條件好，受波浪影響較小，航道設(shè)計(jì)波浪取2.0 m。

羅源灣的潮流為正規(guī)半日潮，外海潮波通過(guò)可門(mén)口經(jīng)可門(mén)水道傳入灣內(nèi)后，分為兩支：一支繞過(guò)將軍帽岬角，沿崗嶼水道、北岸梅花、長(zhǎng)基一帶流向?yàn)澄鞅辈扣E頭附近海域；另一支直達(dá)門(mén)邊、馬鼻一帶的灣南部廣大海區(qū)。

海流主要受水道地形的影響， 以往復(fù)流為主。漲、落潮流流向因地而異，各站的流向都以較小的幅度偏擺于該水道縱軸方向，垂直于水道縱軸方向的流速較小。可門(mén)水道落潮最大流速1.33 m/s，漲潮最大流速1.61 m/s(圖2)。

圖2 可門(mén)水道大潮流矢圖

3 航道工程設(shè)計(jì)

3.1 航道的特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

（1）羅源灣口門(mén)至可門(mén)作業(yè)區(qū)航段水深條件非常好， 外段天然水深可以滿足40 萬(wàn)噸散貨船不乘潮通航，但可門(mén)水道寬度相對(duì)較窄、深槽單一，且受小黃礁、擔(dān)嶼、古鼎嶼和可門(mén)頭水下磯頭等制約，航線布置要在滿足規(guī)范條件下盡量利用天然水深，減少工程措施。

（2）南航道A～B～C1～D1 段有連續(xù)反向轉(zhuǎn)彎，根據(jù)規(guī)范要求，“兩個(gè)反向連續(xù)轉(zhuǎn)彎段之間的直線段長(zhǎng)度不宜小于5 倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)”[1]，現(xiàn)有航線直線段不能滿足40 萬(wàn)噸散貨船連續(xù)反向轉(zhuǎn)彎要求， 需進(jìn)行調(diào)整，B～C1 航段兩端受擔(dān)嶼和可門(mén)頭水下磯頭的限制，航線布置調(diào)整余地較小。

（3）航道通航船舶噸級(jí)較大，口門(mén)處船舶通航密度大，尤其是前往羅源灣北岸，因此航線布置時(shí)同時(shí)需考慮降低大型船舶對(duì)北航道通航船舶的影響。

（4）羅源灣可門(mén)水道寬度相對(duì)較窄，島礁較多且離航道距離較近，通航條件較為復(fù)雜，大型船舶通航存在一定安全隱患。

3.2 航道平面布置

航道平面布置如圖3 所示。

圖3 航道平面布置圖

3.2.1 A～B～B′～D1 航段

A～B～B′航段利用現(xiàn)有30 萬(wàn)噸級(jí)航道，船舶沿現(xiàn)有30 萬(wàn)噸級(jí)航道航行約10.70 km 至B′點(diǎn)后，向南轉(zhuǎn)向11.3°航行2.52 km 至可門(mén)作業(yè)區(qū)8# 泊位前方水域D1 點(diǎn)，該航道全長(zhǎng)約13.2 km。

3.2.2 南航道B～C1～D1 航段

A～B～C1～D1 航段有連續(xù)反向轉(zhuǎn)彎， 根據(jù)規(guī)范要求，“兩個(gè)反向連續(xù)轉(zhuǎn)彎段之間的直線段長(zhǎng)度不宜小于5 倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)”，現(xiàn)有航線直線段不能滿足，考慮到航道邊線與可門(mén)頭水下磯頭淺礁、擔(dān)嶼淺區(qū)的安全距離， 將現(xiàn)航道C1 點(diǎn)向西南方向移動(dòng)約468 m，B～C1 航道軸線旋轉(zhuǎn)約2.3°，B 點(diǎn)轉(zhuǎn)彎半徑取值3 620 m， 采用折線切割法， 航線微調(diào)后兩側(cè)拓寬，與8# 泊位船舶回旋水域平順相接，航道全長(zhǎng)約

7.0 km。

3.2.3 導(dǎo)助航設(shè)施

現(xiàn)該航段航標(biāo)配布已較為完善，共有5 座燈樁及1 座燈浮，分別為可門(mén)角燈樁、可門(mén)頭燈樁、小黃礁燈樁、擔(dān)嶼燈樁、古鼎嶼燈樁和3# 燈浮，能滿足航道通航要求，無(wú)需新設(shè)航標(biāo)。

3.3 航道尺度計(jì)算

3.3.1 航道設(shè)計(jì)水深

按照J(rèn)TS181-2016《航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，航道水深分通航水深和設(shè)計(jì)水深，分別按下式計(jì)算：

D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3；D=D0+Z4。

40 萬(wàn)噸散貨船滿載吃水T0為23.0 m， 船舶航行時(shí)船體下沉量Z0為0.66 m， 龍骨下最小富裕深度Z1取0.7 m，波浪富裕深度Z2取1.04 m，船舶裝載縱傾富裕深度Z3取0.15 m，備淤富裕深度Z4取0 m，計(jì)算得出航道設(shè)計(jì)水深D 為25.55 m，取25.6 m。

設(shè)計(jì)底高程＝ΔH－D

式中：ΔH——設(shè)計(jì)乘潮水位（m）；

D——設(shè)計(jì)水深。

A～B～B′航段現(xiàn)航道設(shè)計(jì)底高程為-26.0 m，可滿足40 萬(wàn)噸散貨船不乘潮進(jìn)出港；B′～D1 航段、B～C1～D1 航段按滿足40 萬(wàn)噸散貨船乘潮單線通航要求， 乘潮水位5.14 m， 乘潮歷時(shí)4 h， 乘潮保證率90%，航道設(shè)計(jì)底高程均取-20.5 m，現(xiàn)有天然水深可以滿足通航要求，無(wú)需采取工程措施。

3.3.2 航道通航寬度

航道通航寬度由設(shè)計(jì)船型總長(zhǎng)、型寬、航速及航道的橫風(fēng)、橫流及“風(fēng)、流壓偏角”等因素所決定，按照J(rèn)TS181-2016《航道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，航道通航寬度按下式計(jì)算（表1）：

表1 通航寬度計(jì)算

單線航道：W=A+2c；

雙線航道：W=2A+b+2c；

式中：

W——航道通航寬度（m）；

A——航跡帶寬度（m）；

c——船舶與航道底邊線間的富裕寬度（m）；

b——船舶間富裕寬度（m），取設(shè)計(jì)船寬B（m）；

n——船舶漂移倍數(shù)；

γ——風(fēng)、流壓偏角（°）；

L——設(shè)計(jì)船長(zhǎng)（m）；

B——設(shè)計(jì)船寬（m）。

可門(mén)水道航道內(nèi)最大橫流0.39 m/s，航道風(fēng)、流壓偏角取7°，航速按8 kn。考慮到船流密度，該航段需同時(shí)滿足10 萬(wàn)噸級(jí)散貨船和5 萬(wàn)噸級(jí)散貨船交會(huì)，根據(jù)計(jì)算，通航寬度取350 m。現(xiàn)主航道A～B 航段通航寬度為410 m，保持不變。

3.4 船舶仿真模擬試驗(yàn)研究

試驗(yàn)工況包括常態(tài)和最不利情況的模擬試驗(yàn)，通過(guò)不同工況下的模擬試驗(yàn)， 獲得船舶操縱數(shù)據(jù)，分析40 萬(wàn)噸散貨船航行、 靠離泊作業(yè)的可行性和安全性，最終確定船舶靠離泊時(shí)機(jī)[3]。 典型工況下的船舶航行軌跡見(jiàn)圖4。

圖4 典型工況下的船舶航行軌跡

船舶仿真模擬試驗(yàn)結(jié)論如下：（1）航道平面布置合理，在工況設(shè)定的風(fēng)、流條件下，在熟悉水域的操船人員謹(jǐn)慎操縱下，航道的航道寬度和航道轉(zhuǎn)彎半徑尺度能滿足試驗(yàn)船型安全通航的要求。 （2）根據(jù)模擬試驗(yàn)，40 萬(wàn)噸散貨船在航道中航行和靠離泊時(shí)的限制條件如下：①航道內(nèi)航行、靠離泊時(shí)，流速要＜2 kn，風(fēng)力≤7 級(jí)，靠泊采用直接靠泊方式，離泊采用掉頭離泊方式；②靠離泊作業(yè)時(shí)，配備助操拖輪應(yīng)≥21 500 hp，根據(jù)福州港實(shí)際情況，可采用5～6 艘大馬力拖輪助操；③風(fēng)力8 級(jí)時(shí)，船舶無(wú)法正?？侩x泊； ④為保障船舶航行安全，40 萬(wàn)噸散貨船進(jìn)出港時(shí)要采取單向封航的交通管制模式， 并配置2 艘拖輪護(hù)航； ⑤建議40 萬(wàn)噸散貨船選擇在風(fēng)小、流緩、高平潮初落時(shí)進(jìn)行靠泊，漲潮順流向左掉頭離泊，落潮頂流向右掉頭離泊。 控制好航速是保證船舶安全靠離泊的關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）羅源灣內(nèi)水域?qū)掗?、灣口狹小，屬于天然深水良港， 口門(mén)至可門(mén)作業(yè)區(qū)航段水深條件非常好，外段天然水深可以滿足40 萬(wàn)噸散貨船不乘潮通航， 僅靠近可門(mén)作業(yè)區(qū)8# 泊位附近航段需乘潮通航，無(wú)需采取工程措施。

（2）40 萬(wàn)噸航道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮船舶安全航行和靠泊要求，以平穩(wěn)靠泊碼頭為最終目標(biāo)。 綜合考慮水流、風(fēng)況、周邊島礁和船舶交通流等各方面對(duì)船舶航行安全的影響。

（3）鑒于羅源灣港區(qū)的自然條件和航道、泊位狀況，結(jié)合船模分析，為了確保運(yùn)營(yíng)期安全，40 萬(wàn)噸散貨船在航道內(nèi)航行時(shí)，流速要＜2 kn，風(fēng)力≤7 級(jí)，應(yīng)選擇在風(fēng)小、流緩、高平潮初落時(shí)進(jìn)行靠泊，采用直接靠泊，調(diào)頭離泊作業(yè)的方式。

（4）超大型船舶慣性大，操作難度大，對(duì)航行條件要求較高， 進(jìn)出港時(shí)需安排拖輪全程護(hù)航清障，同時(shí)加強(qiáng)對(duì)小型船舶的管理，采取單向封航的交通管制模式。