天津港海嘉汽車碼頭水域布置方案研究

陳萍，樊士廣，劉思宇

（1.天津港海嘉汽車碼頭有限公司，天津 300456；2.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；3.中國能源建設集團東北電力第一工程有限公司，遼寧 沈陽 110000）

天津港海嘉汽車碼頭由天津港股份有限公司與安吉汽車物流有限公司合資建設，位于天津港規劃八大港區之一的北疆港區。項目建設2個大型滾裝泊位，占用岸線565 m，最大可停靠7萬GT滾裝船舶，項目總投資逾10億元人民幣。由于項目投資較大，特別是港池疏浚費用將近2.7億元，擬在對港池設計方案進行研究優化，以便達到節省投資的目的。

1 原設計方案

天津港海嘉汽車碼頭位于北港池第一分支港池南側岸線，其東側為已有環球滾裝碼頭。環球滾裝碼頭為5萬GT滾裝碼頭，碼頭前沿設計底標高-11.5 m，港池設計底標高-10.0 m。海嘉汽車碼頭擬建2個泊位，岸線長度565 m，最大可停靠7萬GT滾裝船，碼頭采用連片滿堂式布置，碼頭面頂高程為6.0 m，碼頭前沿設計底高程-12.8 m，碼頭前沿停泊水域寬度100 m；港池設計底高程-11.5 m，港池寬度593 m，西側最窄處寬度430 m，港池疏浚面積約35萬m2；船舶調頭圓直徑按2倍7萬GT滾裝船船長設計，為524 m，布置在碼頭前方港池內，調頭圓邊界距離碼頭前沿約2倍設計船寬。港池通過東側環球滾裝碼頭港池與天津港北航道相連接，北航道設計底標高-15.5 m，寬度390 m，滿足本項目船舶進出港航行需求。項目平面布置示意圖如圖1所示。

圖1 項目平面布置示意圖Fig.1 Schematic layout of the project

由于本工程港池西側和北側規劃岸線尚未建設，現狀為淤泥淺灘，低潮時露出水面。本工程港池區域現狀水深也較淺，泥面高程約為+3.0 m，因此，本工程港池挖泥量較大，約590萬m3。本項目設計代表船型尺度兩種，具體信息見表1。

表1 設計代表船型尺度Table 1 Design representative ship size

另一方面，由于天津港現有港區建設已基本完成，本項目港池疏浚泥方已無納泥區域，只能考慮外運，因此港池疏浚土方單價達到45元/m3，港池疏浚總工程費用高達2.7億元。

根據規范要求，港池設計水深宜與航道水深取為一致，按下式計算：

式中：D0為航道通航水深；T為設計船型滿載吃水；Z0為船舶航行時船體下沉量；Z1為航行時龍骨下最小富裕水深；Z2為波浪富裕深度；Z3為船舶裝載縱傾富裕深度；Z4為備淤深度。

7萬GT滾裝船港池水深計算參數見表2，乘潮水位與天津港主航道一致，其中乘潮水位取歷時6 h全年保證率90%的潮位2.26 m，計算航道設計底高程為-11.26 m，采用-11.5 m。

表2 港池水深計算表Table 2 Calculation of water depth in the harbor basin

2 優化研究

由于項目設計投資較大，碼頭結構及其它部分進一步優化空間較小，現擬對港池設計方案進行優化。考慮影響港池疏浚方量的因素主要有港池疏浚水深[1-2]和港池疏浚面積[3-4]兩方面。擬從港池設計水深和港池平面布置兩方面對原設計方案進行優化。

2.1 港池設計水深優化

從船型尺度可以看出，7萬GT滾裝船和5萬GT滾裝船的滿載吃水分別為11.8 m和10.0 m，相差1.8 m，水深相差較大。設計中一般考慮按照最大設計船型來計算港池水深，計算得出港池水深較大，計算結果見表2。項目前期通過實際調研天津港到船情況，發現雖然有7萬GT船舶到港，但7萬GT船舶數量較少，因此考慮通過降低7萬GT滾裝船舶通航乘潮標準，來降低港池設計水深，以便達到降低工程投資的目的。

由于7萬GT滾裝船到船較少，通過精確調度，可降低船舶在港航行時間，乘潮水位取歷時3 h全年保證率90%的潮位2.89 m，經計算，港池水深可降低至-10.6 m。根據港池水深反算，5萬GT滾裝船舶在平均低潮位1.34 m情況下可自由進出港，保證率較高，不影響碼頭主力船型進出港及作業。通過此優化方案，港池疏浚量可減少約50萬m3，投資減少約2 250萬元。經濟效益顯著。

2.2 港池平面布置優化

原設計中，為使船舶操縱方便，港池設計時盡量擴大港池范圍，在不影響西北側規劃碼頭建設的情況下，港池邊界盡量靠近西北側。調頭圓盡量向西布置，以不影響東側環球滾裝碼頭船舶作業為原則。考慮本項目船舶進出要經過東側環球滾裝碼頭港池，影響已不可避免，兩個項目調頭水域適當共用，不會對項目運營造成大的影響，擬對本項目港池布置進行優化，方案如下：

優化方案一：考慮7萬GT船舶靠離泊，拖輪協助離泊，拖輪船長+纜繩長度+生產船舶寬度+距碼頭安全距離要求，需要港池水域具有一定作業尺度，對港池進行優化布置，西側寬度取300 m，港池范圍相應縮小。優化后港池面積約31.5萬m2。優化后，港池疏浚量減少約29.6萬m3，投資減少約1 335萬元。

優化方案二：根據JTS 165—2013《海港總體設計規范》，港池西側最小寬度可取0.8倍設計船長，對港池進行優化布置，西側寬度取210 m，港池范圍相應縮小。優化后港池面積約29.5萬m2。優化后，港池疏浚量減少約70萬m3，投資減少約3 150萬元。

結合現場實際情況與優化方案，結合設計建議，最終選取優化方案一，優化方案平面布置示意圖見圖2。

圖2 優化方案平面布置示意圖Fig.2 Schematic layout of the optimization plan

3 方案驗證

針對優化港池方案，運用船舶操縱模擬器，模擬碼頭水域代表船型的操縱，分析在不同風、浪、流等環境因素影響下，船舶進出港通航和靠離作業的可行性及安全性[5]，對船舶航行及靠離泊進行了通航仿真模擬試驗。模擬試驗平臺擬采用Transas公司研發的NTPRO5000型全任務航海模擬器和操舵模擬器[6-8]。模擬器系統由教練站、1個主本船、3個副本船以及拖輪室等組成。各本船均配置有船舶操控系統、電子海圖系統、航海儀器系統、3D視景系統和船舶通信系統等。模擬系統配置有各典型訓練海域區沿岸水域、狹水道、港口水域、分道通航水域等訓練場景，各訓練區可設置不同的通航環境條件及各種水文氣象條件，各個本船可在同一海區進行對抗訓練或在不同的海區單獨訓練。

分別對5萬GT、7萬GT船舶，針對不同風向、風況，不同船舶載重狀態，靠泊、離泊等不同操船方式，漲潮、落潮情況等不同工況組合，共進行47次操船模擬試驗。

第1次模擬試驗共進行了18次靠離泊試驗，試驗類型為漲潮右舷靠泊水流為流場流速，其中，7萬GT滾裝船3×2 940 kW（3×4 000 HP）拖輪和5萬GT滾裝船2×2 940 kW（2×4 000 HP）拖輪模擬試驗各做了9次，模擬試驗風力以6級風和7級風為主，少量試驗設計風力8級。模擬試驗結果表明，6級風和7級風情況下，本工程設計船型5萬GT滾裝船和7萬GT滾裝船都能成功靠離泊。具體結果如表3[1]。

表3 第1次模擬試驗信息表Table 3 Information table of the first simulation test

為進一步驗證本工程設計船型靠泊作業的可行性，新增模擬靠泊試驗在7萬GT滾裝船3×2 940 kW（3×4 000 HP）拖輪在流場流向7級強風向（E風）和7級常風向（NNW）情況下靠泊本工程以西側泊位為主，增加了20次模擬試驗；同時在第1次模擬試驗等基礎上，增加了9次，共計增加了29次靠泊模擬試驗。部分模擬信息見表4。

試驗結果7級強風向（E風）情況下，設計船型7萬GT滾裝船都能安全靠泊本工程西側泊位：7級常風向（NNW）情況下，10次靠泊試驗l次失敗，失敗原因為掉頭時間選擇較晚，轉頭過程中船尾拖輪施加后拖時間太遲，造成船尾壓向泊位。正常情況下均能安全靠泊；

結果表明：港池西側尺度影響船舶操縱難度。船舶調頭作業在E風影響下有快速向西北偏移趨勢，船位控制困難，容易被壓向北支港池西側淺水區。因此應適當擴大西側水域區域，并為拖輪作業留出足夠空間。西側邊線取300 m，能夠滿足船舶作業需要。

同時，通過船舶靠離泊作業模擬試驗，給出船舶作業指導意見如下：

1）正常情況下，本工程設計船型中風力不大于7級情況下可安全靠離本工程碼頭泊位。

2）鑒于本工程設計船型受風面積大，工程泊位走向受常風向影響較大，建議：①正常拖船數量和馬力配備條件下，船舶靠泊風力不大于6級；②7萬GT滾裝船優先靠泊本工程東側碼頭泊位，靠泊西側碼頭泊位時，應適當增加拖船數量和（或）馬力；③風力8級及以上情況下應急離泊，應適當增加拖船數量和（或）馬力。

表4 第2次模擬試驗信息表Table 4 Information table of the second simulation test

4 結語

天津港海嘉汽車碼頭工程投資較大，通過對港池設計水深和港池平面布置方案優化，節省疏浚方量約79.6萬m3，投資約3 585萬元。根據模擬試驗結果，優化后方案滿足船舶航行和靠離泊需要。通過上述方案優化，節省了工程投資，大大提高了方案的可行性，對下一步項目實施提供了理論支持，具有很好的指導意義。