天津港高沙嶺港區(qū)口門及內航道方案研究

孟照意，池 海，廉立虎

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

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天津港高沙嶺港區(qū)口門及內航道方案研究

孟照意，池 海，廉立虎

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

摘要：基于船舶操縱模擬試驗，對天津港高沙嶺港區(qū)口門內航道布置方案進行研究。在分析風、浪、流等因素對船舶通航安全產生影響的基礎上給出航道選線的合理化建議，為航道實際實施提供了理論依據(jù)和有力指導。

關鍵詞：高沙嶺港區(qū)；口門內；航道選線；船舶操縱；通航安全

引 言

高沙嶺港區(qū)是天津港規(guī)劃八大港區(qū)之一，擁有自然岸線5.9 km，規(guī)劃形成碼頭岸線30.3 km，全部為深水岸線。高沙嶺港區(qū)的開發(fā)可拓展天津港向南部發(fā)展的空間，為臨港工業(yè)發(fā)展和聚集提供所需的深水岸線和配套陸域，為天津港可持續(xù)性發(fā)展提供豐富的岸線儲備。港區(qū)近期主要服務于裝備制造業(yè)等臨港工業(yè)的發(fā)展，以雜貨運輸為主，遠期兼顧臨港工業(yè)和腹地物資運輸。根據(jù)港區(qū)發(fā)展需要，高沙嶺港區(qū)已經開始了航道等港口公共基礎設施的建設。高沙嶺港區(qū)通航水域主要包括口門外航道和口門內航道兩部分，口門外航道為5萬t級單向航道，目前已在實施當中；口門內航道建設成為制約港區(qū)發(fā)展的關鍵部分，但口門內水域條件復雜，需對口門內航道建設方案進行詳細研究，以便為下一步航道實施提供技術支持。

1 主要研究問題和研究思路

1.1 主要研究問題

高沙嶺港區(qū)規(guī)劃碼頭岸線總長30.3 km，陸域總面積50.8 km2，規(guī)劃形成一港池和二港池兩個港池。一港池岸線規(guī)劃泊位為5 000～50 000 t級，為裝備制造業(yè)岸線。二港池岸線規(guī)劃泊位為5萬～10萬t級，為通用泊位區(qū)岸線。

由于港內兩個港池為平行布置，船舶要進入北側一港池，需多次連續(xù)轉向，船舶航行航路復雜。且受防波堤及碼頭岸線布置影響，水域航路布置也受到相應的制約，若航路布置不合理，則可能給船舶航行帶來安全風險，故需對港內水域進行通航專項研究。

圖1 港區(qū)布置示意

本次研究的主要目的是經過船舶操縱模擬試驗得出能夠保證通航安全的港內水域布置最佳設計方案。主要方法是通過船舶操縱模擬試驗驗證內航道布置的可行性和安全性，并根據(jù)試驗結論對航道轉彎段設計和轉彎段加寬方案進行調整優(yōu)化。

1.2 研究思路

根據(jù)港內水域的特點及當?shù)刈匀粭l件，考慮船舶安全通航需要，按照《海港總體設計規(guī)范》的要求，確定初步設計方案。并針對初步方案，進行第一階段模擬試驗。主要目的是驗證方案的可行性，并提出優(yōu)化的建議。如果初步方案通航安全存在問題，可考慮采取加大轉彎半徑和局部加大通航水域尺度的方式調整優(yōu)化，如何加大通航水域需要結合模擬試驗的成果確定。在此基礎上形成優(yōu)化方案，并對優(yōu)化方案進行仿真模擬實驗，以驗證其可行性。

研究分兩個階段，第一階段由研究單位模擬試驗驗證初步方案的可行性及存在問題，設計單位分析第一步模擬試驗當中提出的問題，并有針對性的調整設計方案。第二階段再由研究單位模擬試驗優(yōu)化方案的可行性，并根據(jù)需要提出修改意見，形成最終實施方案。

2 航道布置方案及模擬研究

2.1 初步設計方案

第一階段初步方案包括2個方案。

設計方案1：工況為口門防波堤建成，口門內航道起始點位于現(xiàn)有南北向防波堤位置，與口門外航道順接。進入二港池航道與口門外航道夾角約4°，進入一港池航道與口門外航道夾角約54°。航道轉向點軸線半徑為5倍設計船長1 115 m，航道有效寬度165 m。

設計方案2：航道轉向點軸線半徑取10倍設計船長2 230 m，其余布置與方案1相同。

圖2 口門內航路示意

圖3 口門內航道布置（設計方案1）

圖4 口門內航道布置（設計方案2）

影響船舶航行的主要因素為風、流和操船等因素。研究單位根據(jù)以上方案設計進行了港內水域船舶操縱模擬試驗研究，得到結論如下。

1）設計方案1

風的影響：

①不同的風向對船舶產生不同的作用，S風對船舶在第二次轉向時影響較大，船舶操縱不當易越出航道；NE風對進港船舶在第一次轉向時影響較大，尤其與漲潮流疊加時，船舶易越出航道；NW風主要影響船舶的航速，船舶航行風險較低。

圖5 S風向航跡疊加

圖6 NE風向航跡疊加

流的影響：

①進入一港池航道與主航道交匯水域為港內流速最大水域，最大流速為0.64 m/s。港內其它水域的流速較小、流向較為穩(wěn)定。

模擬試驗中，船舶在流場的作用下，存在越出航道的工況，航跡帶寬度最大為160 m。

圖7 流場作用下進港航跡疊加

操船影響：船舶在第二轉向點轉向時需打大舵角方可順利通過該水域，存在一定的風險。

2）設計方案2

風流對船舶通航造成的影響基本一致，由于方案2轉彎半徑加大，船舶航行和操船風險較方案1小。

3）船舶通航風險分析結論

①進出一港池航道需轉向兩次，船舶在第一轉向點和第二轉向點存在一定的安全風險。由于方案二轉彎半徑較方案一大，經模擬試驗可知，方案1在轉向位置航行的通航風險較方案2高。

②當風力在7級及以下時，兩種方案情況下，船舶均能安全進出一港池航道；當風力在8級條件下，方案一越出航道的風險較高，方案2越出航道的風險相對于方案1小。

4）推薦安全保障措施

①船舶進出港前，首先應了解航道及碼頭的情況。包括：風、流、波浪、水深、助航設施、泊位情況等。根據(jù)船舶自身的性能，制定船舶進出港、安排靠離泊的操作計劃。

②船舶在進入一港池水域時需進行轉向，船舶需根據(jù)風流狀況及泊位的位置合理選擇轉向時機，當船舶右舷受風時，需提前轉向，當船舶左舷受風時，需滯后轉向，風力較大時，需借助拖輪協(xié)助轉向。

③船舶在內航道中根據(jù)本船特性使用安全航速航行，在轉向點水域航行時應保持一定的航速。

④由于第一轉向點船舶越出航道的風險較大，建議加寬轉向水域。

2.2 優(yōu)化設計方案

分析第一階段船舶操縱模擬試驗結果可知，船舶在口門內航行時，受到風的影響作用最大。特別是在航道轉向點處，受S向風和NE風影響，船舶宜越出航道。同時航道轉彎半徑大小對船舶航行影響較大。因此，擬對航道轉向點處尺度進行調整，并對轉彎半徑進行優(yōu)化，滿足船舶航行需要。

優(yōu)化方案1在初步方案1基礎上，對轉彎半徑加大至1 670 m，約為7.5倍船長，同時對港內航道轉向點處尺度進行了局部加寬。

優(yōu)化方案2在初步方案2基礎上，在兩個轉彎段船舶宜漂出航道邊線位置對航道進行了局部加寬。轉彎半徑不變仍為10倍船長2 230 m。

圖8 口門內航道布置（優(yōu)化方案1）

圖9 口門內航道布置（優(yōu)化方案2）

1）優(yōu)化方案1

風的影響：

①不同的風向對船舶產生不同的作用，NE風對進港船舶在第一次轉向時影響較大，第一轉向水域的航跡帶寬度為187 m；NW風主要影響船舶的航速，船舶航行風險較低，第一轉向水域的航跡帶寬度為145 m。

圖10 進港航跡疊加

圖11 出港航跡疊加

流的影響：

①模擬試驗中，船舶受口門防波堤未建流場的作用下，船舶可安全通過第一轉向水域，航跡帶寬度最大為186 m；船舶受口門防波堤建成流場的作用下，航跡帶寬度最大為164 m。

圖12 流場進港航跡疊加

操船影響：船舶從口門駛入一港池需轉向兩次，存在一定的通航風險。

2）優(yōu)化方案2

優(yōu)化方案2船舶航行風險與優(yōu)化方案1基本一致，船舶操縱風險整體小于優(yōu)化方案1。

2.3 模擬試驗主要結論

1）從自然環(huán)境分析：設計方案1、設計方案2、優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2受風、流、浪的影響較為一致，因此從自然環(huán)境角度分析，四個方案通航風險相當。

2）從交通環(huán)境分析：設計方案1、設計方案2、優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2都存在交匯水域，存在同樣的通航風險，四個方案的轉彎半徑和轉彎水域寬度不同，因此四個方案的交通風險為：設計方案1>設計方案2>優(yōu)化方案1>優(yōu)化方案2；

3）經模擬實驗表明：二港池航道四個方案的航行風險均較小；一港池航道模擬試驗中，優(yōu)化方案的操縱風險較設計方案小，優(yōu)化方案1的操縱風險相對于優(yōu)化方案2略大，但兩種優(yōu)化方案風險均處于可控范圍之內。

3 結 語

高沙嶺港區(qū)是天津港規(guī)劃八大港區(qū)之一，其建設對天津港發(fā)展有著積極的作用。目前口門內航道的建設成為高沙嶺港區(qū)基礎設施建設的關鍵點，對下一步開港和港內碼頭投產起著至關重要的作用。本研究通過船舶操縱模擬試驗，針對不同航道布置方案，對船舶航行安全性進行了研究，并對風、浪、流等條件對船舶通航安全的影響進行了研究，給出了實施建議，對下一步航道實施提供了理論支持，具有很好的指導意義。

參考文獻：

[1] 交通運輸部天津水運工程科學研究所. 天津港高沙嶺港區(qū)港內水域船舶操縱模擬試驗研究報告[R]. 2015, 2.

[2] 交通運輸部天津水運工程科學研究所. 天津港高沙嶺港區(qū)波浪物理模型試驗研究報告[R]. 2008, 10.

[3] 交通運輸部天津水運工程科學研究所. 天津高沙嶺港區(qū)潮流物理模型試驗研究報告[R]. 2008, 10.

Research on Entrance and Inner Channel Plan of Tianjin Port Gaoshaling Harbor

Meng Zhaoyi, Chi Hai, Lian Lihu
（CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China）

Abstract:Vessel maneuvering simulation test has been adopted to study layout of the channel inside the entrance of Tianjin Port Gaoshaling Harbor. An optimum advice on selecting channel is put forward by analyzing the effect of wind, wave and current on the navigation safety, which will provide a theoretical basis and effective guidance for the implementation of channel project.

Key words:Gaoshaling harbor; inside harbor entrance; channel selecting; vessel maneuvering; navigation safety

作者簡介：孟照意（1983-），男，高級工程師，主要從事港口規(guī)劃與總體設計工作。

收稿日期：2015-07-08

DOI:10.16403/j.cnki.ggjs20160103

中圖分類號：U651+.3

文獻標識碼：A

文章編號：1004-9592（2016）01-0016-05