海洋科考船碼頭設計要素和要點研究及應用

王紅堯，吳周翔，覃杰

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

目前，隨著海洋資源開發、海洋科學考察及海洋權益維護等工作的日益增多，多功能的海洋科考及保障船舶建成并投入使用，但海洋科考船碼頭作為以上工作正常開展的基礎，其數量及船舶大型化帶來的結構性缺口都較大。國內海洋科考船現有碼頭大部分建于20 世紀七八十年代，由于建設年代久遠，普遍存在碼頭噸級小、設施功能不全、維護費用高、綜合利用效率低等弊端，目前部分新下水的海洋科考船租用貨運碼頭兼顧靠泊作業，但存在便利性較差及功能交叉的問題。同時，國內外對于該類船舶碼頭的建設沒有專門的規范要求，一般都參照相關的客運及貨運碼頭規范開展設計。綜合考慮海洋科考船舶大型化及碼頭現狀情況，國內已在逐步加快推進相關海洋科考船碼頭的建設。為了更好地推進海洋科考船碼頭的規劃建設，急需對該類型碼頭的相關要素及不同于常規碼頭的設計要點進行總結分析。

1 設計要素分析

1.1 海洋科考碼頭功能要素

1） 營運模式

海洋科考船目前主要服務于國家基礎性、公益性、戰略性的海洋科研項目，其營運根據年度計劃安排開展。部分海洋科考船一般年初統一下達科考任務后陸續出海作業，期間每艘船舶根據其承擔的任務和作業海區海況的不同，需要回港4～8 次進行人員輪換、儀器設備和管材器具更換、作業方法模式切換、生產和生活物資補給等，所有船舶通常于每年9—12 月陸續完成年度任務后回港，并開展儀器設備和船舶的檢修維護和休整等工作，海洋科考船每年出海工作時間約占三分之二，靠泊時間約占三分之一。也有部分船舶根據任務需求不定時出海作業，回港根據任務完成情況確定，任務較少的年份，一年中大部分時間可能都存在在港靠泊的情況。與常規貨運碼頭營運相比，海洋科考船碼頭明顯存在進出港及停靠次數少、單次在港停靠時間長的特點[1]，部分海洋科考船還存在年末集中回港休整的情況，需要考慮所有船舶同時靠港的泊位需求，此外還需要考慮部分船舶的雙檔靠泊。

2） 功能需求

海洋科考船碼頭與常規的貨運碼頭在陸域功能上區別較大，首先科考碼頭陸域可能具有實驗、教學、辦公、實習等多種功能，對于環境宜居性要求較高，在交通、綠化、管線布置等方面應按照科研園區進行設計，將生態、休閑等城市功能融入港區陸域，打造獨一無二的“綠色科研港區”。其次，一般港區陸域的排水重現期按照2 a 設計，而作為科研園區在設計中需要根據面積及功能適當提高陸域排水重現期，優化整體陸域及建筑的高程設計。另外，相較于貨運港區陸域，科研園區對于整體工后沉降的可接受程度低，需要采用相應的措施盡可能降低工后沉降對營運的影響。

1.2 海洋科考船船型要素

目前國內科考船種類較多，包括調查研究海洋地質、氣象、水文、生物等特殊任務的船舶，也包括海洋開發、海洋綜合執法保障等特殊船舶。這類船舶有其自身的特點，與一般的貨船差別較大。根據相關調研整理及碼頭設計經驗的總結，海洋科考船船型主要要素及部分海洋科考實船船型參數分別見表1 和表2。

表1 海洋科考船船型主要要素表Table 1 List of main elements of marine research vessel type

表2 部分海洋科考實船船型參數表Table 2 Part of the marine research vessel type parameters

科考船船型主要要素特點如下：

1） 海洋科考船整體噸級較低，主要以船舶總噸GT5 000 內為主，整體的干舷高度較小，基本在1～3 m，但整體的受風面積比一般貨船大。海洋科考船超過船舶總噸GT10 000 的整體較少，部分新建的噸級較大的船型可以達到船舶總噸GT40 000。相較于普通貨船，海洋科考船的吃水偏小，滿載吃水與空載吃水相差不大。結合我國海洋科考船裝備建設的發展趨勢，船型多樣化及大型化趨勢明顯，包含了單體、雙體、小水線面雙體和三體船型等[2]。

2） 大部分海洋科考船設置艏側推、艉推全回轉，可實現原地回轉，特別是新下水的部分船舶都配備動力定位系統，通過控制系統驅動船舶推進器來抵消風、浪、流等環境外力對船身的作用，保持船舶在海平面某要求的位置[3]，因此海洋科考船的操縱性能較高。

3） 海洋科考船發電機以低壓為主，絕大部分頻率為50 Hz，但部分船舶受業務功能范圍影響頻率為60 Hz。

4） 海洋科考船一般均配備部分小型的船吊，主要滿足常規的船舶物資補給及部分小型設備儀器的吊取。但對于大型設備儀器及部分特殊重件一般都需要考慮碼頭的裝卸設備。為解決科考設備種類日益增加與海洋綜合科考船空間有限之間的矛盾，科考設備逐步模塊化，同時考慮備航時間及裝卸復雜程度等問題，將集裝箱引入到海洋綜合科考船的裝備體系[4]，因此海洋科考船存在集裝箱的裝卸需求。

5） 根據業務功能需要，部分海洋科考船需要安裝多波束探頭導流罩等水下設備，相應的船舶設計吃水需考慮設備凸出船底約0.45 m，該吃水影響水域通航水深的要求。同時，部分新建的地質科考船舶甲板上部設置鉆機固定設備，鉆采船水線以上高度小的有33 m，高的達到74.5 m。例如國外現有的“喬迪斯·決心號”鉆塔高61.5 m，能操作9 150 m 鉆桿；“地球號”鉆探船井架高70.1 m，能操作10 000 m 的鉆桿[5]，因此對于部分海洋科考船通航的凈高有相關的特殊要求。

2 海洋科考船碼頭設計要點分析及應用

由于目前國內的海洋科考船碼頭主要還是以年代久遠的老碼頭為主，新建的碼頭數量有限，建設及設計經驗都相對比較欠缺。隨著國內海洋開發、海洋科考以及海洋維權等需求的日益增加，相應的海洋科考船數量逐步增加，船舶大型化趨勢也日益明顯，對于科考船碼頭的綜合保障功能也提出了更高的要求。為了更好地分析總結海洋科考船碼頭與其他常規碼頭的技術要點的主要區別，結合已建及在建的科考船碼頭設計經驗進行分析總結。

2.1 選址要點

海洋科考船碼頭港址的選擇與常規貨運碼頭存在較大的區別，除了需要考慮常規的自然條件、通航條件、集疏運條件及外協條件，還需要結合全國科考碼頭的布局規劃、科考任務的實施效率、人員輪崗及船舶補給的便利性等因素。例如，大型的國之重器的海洋科考船碼頭需要考慮全國沿海北、中、南的均衡布局，適應其科考船功能發揮及正常補給；重點任務涉及南海開發、研究及維權等為主的科考船碼頭應重點考慮珠三角、北部灣以及海南的港址布局，盡可能選擇通江達海、區域幾何中心的岸線，同時海洋科考船碼頭的選址需要充分考慮人的因素，分析科考任務的執行單位及人員的區域分布，盡可能提高人員輪崗及船舶補給的便利性。目前廣州、海南等在建或已建成的科考船碼頭選址均考慮了以上因素。

2.2 水域布置要點

海洋科考船營運過程中存在進出港頻次低、單次在港時間長的特點，設計中需要了解各類科考船在實際營運中的功能要求，若不存在特別緊急出任務的需求，可以結合建設條件適當考慮一定的乘潮通航，減少回旋水域、連接水域以及支航道等疏浚的工程量，降低項目建設投資，同時也可以減少營運期的維護成本。另外，對于碼頭前沿停泊水域寬度需要考慮營運期科考船并靠的需求，適當拓寬停泊水域，結合單次在港時間長的特點，碼頭前沿停泊水域的設計底高程建議采用當地理論最低潮面起算。同時在碼頭水域底高程的計算中應考慮設計代表船型凸出船底部分吃水的影響，保證通航的安全性。

海洋科考船的操縱性能優良，很多千噸級以上的船舶都可以滿足全回轉及側推的要求，部分大型船舶還配備了動力定位系統，因此在港池水域環境無特別不足情況下，回旋圓的直徑可以考慮取規范的小值。

2.3 裝卸工藝要點分析

海洋科考船一般均配備部分小型的船吊，常規的船舶物資補給及部分小型設備儀器可由船吊完成，但大型重件、集裝箱等需要特定的碼頭裝卸工藝。結合海洋科考船的裝卸貨物特點，若采用流動機械作業，一些大型重件重量達到50～60 t，需配置200 t 以上汽車吊，此外，作業面覆蓋范圍有限，且其支腿壓力較大，水工結構需設置專用結構用于打支腿作業。若自購流動機械，其價格基本等同于門座起重機價格。若租用流動機械，每臺班租用費用為2 萬～3 萬元，按照科考船4 航次/a，估算年設備租用費大約幾十萬左右，長期租用費用較高。因此，大型重件裝卸量及頻次極少的可以租用流動機械滿足裝卸要求；每航次均有一定的重件及集裝箱裝卸需求的建議采用門座起重機或固定吊。

海洋科考船碼頭涉及大重件的運輸，有些重件可能還需要定制牽引平板車，因此碼頭平面布置在水平運輸上應考慮牽引平板車通行、轉彎、甚至掉頭的需要。同時，部分裝卸重件在寬度、高度上可能存在需求，因此碼頭平面布置在水平運輸路線上還應滿足通行凈空及凈寬的要求，合理布置相關的建構筑物、燈桿等設施。

2.4 水工結構要點分析

由于海洋科考船存在集中到港且單次在港時間較長的特點，一般的海洋科考船碼頭都存在雙檔靠泊的情況，因此在新建海洋科考船碼頭水工結構受力計算中應考慮相關設計代表船型雙檔靠泊的需求。同時，由于海洋科考船的干舷整體較低，且船型間差距較大，在碼頭護舷及系船柱的設置上需要考慮不同噸級船舶的需求，設計中需要調研海洋科考船的靠泊組合及情況，對于泊位相對固定的組合兩端和泊位間富裕長度區域可加密系船柱，避免出現2 船共用1 個系船柱或者纜繩交叉的情況。

海洋科考船的受風面積較常規的散貨船及雜貨船大，比郵輪等客船小，因此在水工結構受力計算中應調研具體項目中的海洋科考船實船參數，以便于保證計算的合理性，避免出現受力計算不足或者富裕過大的情況。海洋地質科考船受風面積與客船和雜貨船的對比如表3 所示。

表3 各類船型受風面積對比表Table 3 Comparison of wind affected area of various vessel types

2.5 后方陸域要點分析

海洋科考船碼頭后方陸域不同于貨運港區，雖然可能會有部分堆場及倉儲功能，但在整體布局及設計中更接近科研園區，交通、綠化等環境舒適度的要求更高。

同時，科研園區對陸域整體工后沉降的可接受程度較貨運港區低，在設計中應采取措施來提高營運期的適應性，例如相關建筑結構地面宜采用鋼筋混凝土結構板，各建筑室內與室外管線在建筑單體外設置管井分界，建筑單體進出門檻局部考慮二次加固處理等。

2.6 配套工程要點分析

根據國家高標準環保政策的要求，海洋科考船碼頭需要配置相應的岸電設置。結合目前海洋科考船的特點，變電所的設置需要滿足給船舶低壓供電的要求，同時，對于有特殊供電需求的海洋科考船碼頭，應建設具備工頻及變頻的船舶岸電設施。

海洋科考船碼頭陸域排水需要在貨運港區基礎上適當提高排水重現期，建議陸域排水重現期按5 a 設計，同時合理設置高程系統。

3 結語

在國內海洋開發、海洋科考以及海洋維權等需求日益增加的背景下，結合科考船逐步大型化及現有科考船碼頭適應性差的實際情況，對科考船碼頭的功能要素和船型要素進行了分析總結，并提出了海洋科考船碼頭的設計要點：1） 海洋科考船碼頭的選址需要考慮全國科考碼頭的布局規劃、科考任務的實施效率、人員輪崗及船舶補給的便利性等因素；2） 海洋科考船碼頭水域布置需結合船舶性能、具體的營運及功能需求合理優化水域尺度，保障設計船型的通航安全及長時間的在港靠泊需求；3） 海洋科考船碼頭裝卸工藝結合營運需求分析，對于大型重件裝卸量及頻次極少的可以租用流動機械滿足裝卸要求，對于每航次均有一定的重件及集裝箱裝卸需求的建議考慮門座起重機或固定吊。碼頭水平運輸應考慮牽引平板車通行、轉彎、甚至掉頭的需要，水平運輸路線上還需要考慮大重件通行凈空及凈寬的要求，合理布置相關的建構筑物、燈桿等設施；4） 新建科考船碼頭水工結構受力計算中需要考慮相關設計代表船型雙檔靠泊的需求以及實船受風面積的情況。同時，在碼頭護舷及系船柱的設置上需要考慮不同噸級船舶的需求，對于泊位相對固定的組合兩端和泊位間富裕長度區域可加密系船柱，避免出現2 艘船共用1 個系船柱或者纜繩交叉的情況；5） 科考船碼頭后方陸域設計中需要采取一定的措施來提高營運期對工后不均勻沉降的適應性；6） 科考船碼頭需要滿足給船舶低壓供電的要求，特殊情況下還需具備工頻及變頻的船舶岸電設施。建議科考船碼頭后方陸域排水重現期按5 a設計，同時合理設置高程系統。以上設計要點在目前廣州、青島以及海南等建設的海洋科考船碼頭中都有相應的考慮及應用，也可為后續類似的海洋科考船碼頭工程提供參考。