中緬300 000 DWT原油碼頭工程設計要點簡析

吳永強，陳寶泉

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

1 概述

1.1 工程概況

皎漂灣30萬t級原油碼頭工程位于緬甸西海岸馬德島水域，泊位掩護條件良好。

工程建設規模為進口原油2 200萬t/a，新建接卸原油泊位1個，設計船型為30萬t級，兼顧15萬t級。原油碼頭采用順岸“蝶”型布置型式，碼頭長度為482 m，前沿底高程-25.0 m，接岸引橋長97 m。碼頭由1座卸油平臺、2座靠船墩、6座系纜墩組成。航道呈“S”形布置，由 3段組成，自外海至碼頭依次為：第一段是外航道，第二段是月牙島航道，第三段是馬德島航道。均利用天然潮溝開挖而成，全長約30 km，設計底高程-23.0 m（見圖 1）。

圖1 碼頭及航道布置示意

圖2 碼頭平面布置示意

1.2 自然條件

該區域常風向為SSE向，強風向為NNW向。

工程水域屬規則的半日潮，平均潮差約2.26 m。為不規則半日潮型，高、低潮時兩站時間差平均約為30分鐘（馬德島較外海滯后）。

皎漂通往馬德島有一條天然深水潮溝，走向大至呈西北—東南走向，潮溝兩側星羅棋布的島嶼形成天然屏障，外海較大波浪很難傳入碼頭區域，碼頭區主要受偏NW至偏SSE向小風區浪的影響，馬德島附近水域波高都很小，最大波高在 0.1～0.3 m之間，碼頭工程水域泊穩條件較好。常浪向為WSW向，次常浪向為W向，強浪為WSW向，最大波高為3.8 m。

工程水域海流均呈往復流運動，各潮型潮段平均流向變化值均在0°～29°之間。受島嶼邊界影響，漲、落潮方向基本與附近島嶼邊界平行。

碼頭前方港池天然水深為-33～-38 m，水下地形平坦，局部地段存在礁石。航道區天然水深在-20 m以下，部分地段受海流強烈侵蝕形成深槽，水深達-45～-73 m，暗礁較多。

外航道表層土質以粉細砂和淤泥質土為主，其他航道段表層土質大多以淤泥、淤泥質土為主。碼頭區域天然水深0～-35 m，地形起伏較大，表層土質以淤泥、淤泥質土為主，局部直接出露基巖。巖土層自上而下分布為：①粉細砂、粉土、⑥1強風化泥質粉砂巖、⑥2中風化泥質粉砂巖、⑦1強風化泥巖、⑦2中風化泥巖。

2 設計船型選擇

2.1 石油進口主要航線分析

波斯灣是世界主要的石油出口地，其出口原油占世界油運量之半，從波斯灣到東亞（中、韓、新加坡等）、日本、西歐、美國，以及加勒比海到美國，是主要的五大航線。這些航線，以VLCC為主力船型，而以15萬t級的蘇伊士型為輔。

除上述航線外，重要的航線還有西非—美國、北非—南歐、阿拉斯加—美國西海岸、北海油田—西歐美國等，這些航線多用蘇伊士型與阿芙拉型船。

本工程原油來源于中東波斯灣地區或西非地區，中東—緬甸皎漂平均運距約3 416 n mile，西非—緬甸皎漂約7 431 n mile。

目前20～32.5萬t級的VLCC是油船隊的主力，約占船隊總載重量的39 %；其次為阿芙拉型和蘇伊士型（10～17.5萬t級），約占22 %；最少的是40萬t以上的ULCC，約占船隊運力的0.7 %。

2.2 船舶運輸必要費率分析

本工程為專用油品接卸泊位，碼頭結構可兼顧10～30萬t級油輪靠泊作業。為了選擇合理的設計船型，根據世界原油船舶運營現狀，重點選用 10萬t級、15萬t級、25萬t級和30萬t級油輪進行經濟船型分析。

不同航線，同一運量規模經濟船型方案比較，一般采用單位必要費率進行比較。單位必要費率是在充分考慮不同船型的投資、航運方的基準收益率、年運營費用、運距和運量規模等因素的基礎上，計算出來的運輸每噸貨物所需的費用。計算方法如下：

先計算出單船年費用（AAC），其表達式為：

t=1，再計算單位必要費率，其計算式為：

式中：Q為單船運量；Su為稅率。

單位必要費率是一種動態成本計算方法，考慮到風險性和基本折現率因素，本工程所有航線的必要費率是在假定采用新船運輸，暫定折現率8 %的條件下，測算的最低收費水平。這個收費水平對船方來說，只考慮費用因素，未考慮營運利潤水平。

碼頭及航道的造價，按使用期 40年折算，對于10萬t級航道不需開挖，15萬t級以上的航道需要開挖。

假設進口原油來自波斯灣沿岸各港，該航線從波斯灣沿岸各油港開始，出霍爾木茲海峽，經阿拉伯海進入印度洋，沿印度西海岸經斯里蘭卡進入孟加拉灣到達皎漂平均運距約3 416 n mile。通過分析，進口原油15萬t級油船必要運費率為每噸73.49元，30萬t級油船必要運費率為每噸60.77元，采用30萬t級油船運輸，比15萬t級油船每噸可節約必要運費率12.72元，節約幅度達17.31 %（見表1）。單純從經濟運輸船型角度分析，25萬t級和30萬t級船型均比15萬t船型經濟。

表1 波斯灣—緬甸皎漂油輪運輸綜合必要費率

2.3 設計船型的確定

根據石油運輸航線、油船的現狀和發展趨勢，結合經濟船型分析，設計到港船型主要為15萬～30萬t級，設計船型為30萬t級，兼顧15萬t級船型。

3 航道選線

3.1 航道選線

航道選線利用天然潮溝，由外海至碼頭依次分外航道、月牙島航道和馬德島三段航道，呈“S”形布置。外航道天然水深測圖表明，淺水區呈南北較寬中間較窄的“沙漏”狀分布；外航道天然巖面分析表明，其基巖分布呈北側較少南側較多的趨勢。月牙島航道天然水深呈東側深西側淺的趨勢；月牙島航道天然巖面分布也呈東側較深西側較淺的趨勢。馬德島航道淺水區呈南北較多中間較少的趨勢；馬德島航道天然巖面出露在南側。因月牙島航道和馬德島航道兩段航道疏浚量共計約為 11萬m3，根據各航道段所處潮溝水深地形，同時考慮風、浪、流自然條件，月牙島航道軸線確定為141°-321°，馬德島航道軸線確定為 102°-282°。

本工程航道的疏浚區域主要位于外航道段。以外航道深槽與月牙島航道交點為軸點，對外航道軸線方位 96°-276°、99°-279°和 102°-282°三個軸線方位進行比選。由于三個航道軸線方位角度相差較小，受水流的影響基本相同，主要針對疏浚工程量進行比較，結果見表2。

表2 不同軸線對應疏浚量（外航道段）

根據計算結果，外航道軸線方位99°-279°，疏浚、挖巖工程量最少，確定外航道軸線為99°-279°。

3.2 利用長航道特點提高靠泊的安全性

根據外海觀測站和馬德島觀測站兩年同步水位觀測資料分析，外海潮時較之馬德島提前 30分鐘，而乘潮水位外海較之馬德島低0.2 m。根據《中緬原油管道 30萬 t級原油碼頭操船模擬試驗報告》[2]，船舶在航道中航行的時間為 2.5小時，靠泊碼頭的時間為1小時。大型油輪靠泊碼頭時一般選用平潮靠泊碼頭，故油輪進入航道的時間為高潮前 2小時，利用外海潮時和馬德島潮時差（0.5小時），到達港池時正處于馬德島高平潮，船舶靠泊時為落潮流，頂流順靠碼頭，此時流速小于0.3 m/s，靠泊操縱較為容易，利用長航道兩端的潮時差，抓住平潮靠碼頭的有利時機，提高操船的安全性。

圖3 落潮右舷靠泊示意

4 水工結構對泥巖的處理

根據碼頭使用要求及水文、地質等方面的條件，30萬t級原油碼頭水工結構可以考慮大直徑全斷面嵌巖樁結構方案，嵌巖樁的沉樁、穩樁難度較大，在具有遇水軟化崩解特性的中風化泥巖中施工嵌巖樁，需對嵌巖效果、樁基承載力值及其長期變化規律等需進行專題研究，可行性的不確定因素較大，另工程區域地震烈度較大（地震加速度為0.28g），采用重力式鋼筋混凝土圓沉箱墩式結構方案，基床受力均勻，基床頂應力較小，對軟質泥巖的適應性較好，故水工結構采用重力式沉箱墩結構。

該碼頭區域表層為淤泥或淤泥質土，其下多為中、強風化泥巖。強風化泥巖浸水1小時后即完全崩解，水中表態不穩定，本層不可以作為持力層，所以必須清除，避免給工程留下安全隱患。中風化泥巖水中表態較為穩定，地基承載力較高，可作為持力層。但考慮到在碼頭使用期內泥巖與水長期作用下的軟化和泥化，將對碼頭的穩定和承載能力產生較大不利影響，特別是基槽炸巖后下部中風化泥巖整體性變差，軟化現象更加嚴重，需要采取有效措施，將碼頭基礎下方的中風化泥巖與水隔離，避免基礎下方中風化泥巖長期在水浸泡下泥化對碼頭穩定的影響。擬采用如下措施：先挖除巖面上的淤泥，挖（炸巖）至中風化泥巖層，用高壓水處理表面殘渣后，現澆1 000 mm厚混凝土封底，封閉新鮮巖面，阻斷中風化泥巖層與水的接觸。在混凝土封底的上層拋填10～100 kg塊石基床，其厚度根據所在位置處中風化巖的不同出露高程而不同，約為1.5～12.0 m。基床需進行夯實處理（見圖4）。

圖4 水下混凝土封底示意

5 拋泥區的選劃

工程區域自然水深條件較好，水深均在 19 m以深，30 km的長航道疏浚約1 000萬m3，大部分疏浚集中在外航道段，本工程沒有吹填造陸需求，疏浚土方全部棄入拋泥區。拋泥區的選化應盡可能地減少拋泥船運移距離，更重要的是避免拋泥后的泥沙受水動力影響重新回淤到航道。本工程利用數學模型對拋泥區傾倒后的泥沙運動及對航道回淤影響進行數值模擬計算分析。

5.1 MIKE 21 Hydrodynamic Model

該模型采用垂向平均的二維淺水方程，包括連續方程和動量方程，即

5.2 懸沙輸移擴散方程

式中：S為垂線平均含沙量；Dx、Dy分別為x、y方向的泥沙擴散系數；FS為泥沙沖淤函數。

5.3 床面沖淤變化方程

式中：dγ為床沙干容重；bη為海底床面的豎向位移（即沖淤變化量）。

5.4 計算結果

三個拋泥區（西部、中部、東部）拋泥后懸沙擴散的范圍都呈狹長的橢圓形，主要是拋泥區附近水流以往復流為主，而拋泥后懸沙主要隨漲落潮擴散，因此懸沙擴散的主要方向基本與水流方向一致，而垂直于水流方向的擴散面積相對小很多。在西部拋泥區拋泥后，懸浮泥沙隨漲潮流擴散的最長距離是4.35 km（50 mg/L的外邊線），隨落潮流擴散的最長距離是3.0 km；在中部拋泥區拋泥后，懸浮泥沙隨漲潮流擴散的最長距離是 4.13 km，隨落潮流擴散的最長距離是3.1 km；在東部拋泥區拋泥后，懸浮泥沙隨漲潮流主要向皎漂島與馬德島之間水域擴散，遠離航道，因此對航道不會造成影響，落潮時水流運動方向與航道有一定夾角，因此落潮時拋泥影響不利，懸浮泥沙隨落潮流擴散的最長距離是3.03 km。

西部、中部兩拋泥區拋泥后，懸浮泥沙都沒有擴散至航道內，因此對航道沒有影響；東區拋泥后，落潮期間會有少量泥沙漂至轉彎航道處，但這部分泥沙含沙量較低（小于100 mg/L），而且該區域疏浚量少，港池和航道水深又大（大于30 m），因此即使拋泥擴散到港池和航道也不會構成太大影響。

圖5 拋泥區選化位置

6 拖輪配備

6.1 拖輪布置

30萬t級船舶滿載靠泊、壓載離泊出港拖輪布置見圖6。

當船舶進入外航道前，應將船尾限速拖輪帶妥，船舶駛入馬得島航道時應將所有拖輪帶妥。

圖6 靠、離泊拖輪布置

6.2 拖輪的功率

表3 試驗船型所需拖輪馬力推算

可利用的拖輪類型見表4所示，試驗者可以根據不同情況采用各種拖輪進行組合。

表4 拖輪配備

本工程碼頭位于開敞水域，受周圍各島嶼的掩護，波浪較小，但碼頭前沿海域流速較大，結合類似30萬t級油輪操船經驗，30萬t船舶的拖輪總馬力配備不宜小于20 000 HP。

根據上述拖輪的布置，報告[2]各種操作情況下建議使用的拖輪數量和功率：

30萬t船舶滿載靠泊時，拖輪5艘：2×5 000 HP+3×4 000 HP=22 000 HP；

30萬t船舶壓載離泊時，拖輪4艘：2×5 000+2×4 000 HP=18 000 HP。

結合當地水文條件和操船模擬研究，本工程擬配備5 000 HP的拖輪5艘，拖輪總馬力為25 000 HP，能夠滿足本工程30萬t級船舶靠離泊操縱的要求。

7 結語

本工程是“一帶一路”走出去實施的大型原油碼頭，為我國提供穩定、安全的能源保障。根據石油運輸航線、油船的現狀和發展趨勢，結合綜合必要費率分析本工程的經濟船型。利用天然潮溝，進行30 km長航道的選線。充分利用皎漂灣內外水位差和潮時差的特點，高潮前2小時進入航道，抓住停潮靠碼頭的有利時機，提高靠泊的安全性。采用混凝土封底，封閉新鮮巖面，阻斷中風化泥巖層與水的接觸，破解了泥巖遇水崩解的難題，保證水工結構穩定。結合二維潮流和泥沙數學模型，對工程前后潮流場以及拋泥后懸浮泥沙的輸移擴散進行研究，進而確定滿足該航道疏浚所需的拋泥區位置；根據操船模擬研究，確定了大型油輪靠、離泊拖輪的配備。碼頭自 2016年投入使用來，運營良好。現對該工程的設計要點進行總結，可為類似工程設計提供借鑒。