煙臺港西港區30萬t級原油碼頭軸線方案研究

張 靜，許健剛

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

大型船舶抗風浪條件較強，作業標準優于小型船舶，船舶吃水較大，如采用有掩護碼頭，配套建設的掩護設施施工困難、費用昂貴。通常情況下，大型深水碼頭通常選擇在外海布置開敞式碼頭，與有掩護碼頭相比，損失一定的作業天數，如何盡量在建設條件不變的情況下，通過碼頭布置方案的合理設計，最大程度上提升碼頭作業天數，是本文主要的分析論證內容。

本文以煙臺港西港區原油碼頭二期工程為例，結合工程區域風、浪、流等自然條件，分析碼頭布置與區域環境的關系，通過統分結合的方式，對不同影響因素進行組合，最終確定碼頭最合理的軸線布置方案。

煙臺港西港區附近海域岸線平直，港闊水深，泥沙運動微弱，是我國北方不可多得深水港址。煙臺港西港區共規劃布置3個30萬t級原油泊位，目前，已建成1個泊位，本次擬建第2個泊位。該泊位處的自然條件較第1個泊位建設時發生了較大的變化，本文結合西港區地域特點，研究第2個30萬t級原油碼頭軸線布置方案。

1 影響因素分析

1.1 風況

根據西港區風速、風向資料統計，該區常風向為S向，次常風向為SE、NNE向。強風向為NW向，次強風向為NNW、N向。

船舶裝卸作業的允許風力不宜超過6級，故提取工程區域風力大于6級的數據，矢量疊加得出最強風力軸線方位143°—323°。如圖1所示。

圖1 風力疊加（風力大于6級）

1.2 波浪

工程區域水深、岸線走向與芝罘島相似，水域開闊無島嶼影響。船舶裝卸作業允許波高：順浪H4%≤2.0 m、橫浪H4%≤1.5 m、平均周期≤8 s，提取工程區域波高＞1.5 m的數據，矢量疊加得出常強波向0°—180°。如圖2所示。

圖2 波高疊加（波高大于1.5 m）

1.3 潮流

本次調查海域非正規半日潮流海區，每日二次漲、落潮流過程的周期有所差異，潮流強度亦不相同，一強一弱。船舶會受到水流持久作用力，水流、船舶夾角越小，受力越好。30萬t級泊位附近測流點為C3、C4點，在大潮觀測期間，實測最大流速為65 cm/s，流向為307°，出現在落潮期間C4垂線的0.4H層；中潮觀測期間，實測最大流速為60 cm/s，流向為313°，出現在落潮期間C3垂線的0.4H層；小潮觀測期間，實測最大流速為54 cm/s，流向為295°，出現在落潮期間垂線C3的0.4H層。

圖3 潮位、流速、流向過程線（垂線C3大潮）

流速越大，潮流對船舶靠離泊作業影響越大，研究提取流速大于25 cm/s的數據，見表1。

表1 垂線平均流速/流向（大于25 cm/s）

不同水深對船體產生的作用力是不同的，測流數據從表層、0.2H層、0.4H層、0.6H層、0.8H層、底層等不同位置分別提取流場數據，由于底層流場對船體的作用有限，考慮表層到0.8H層平均流速/流向（大于25 cm/s）數據，見表2。

表2 表層到0.8H層平均流速/流向（＞25 cm/s）

通過分析，工程區域潮流特征受已建西港防波堤和一期工程影響，張潮流流速較低而且方向紊亂，潮流以落潮流為主導流向（135°—315°）。

2 碼頭軸線方案

本工程碼頭軸線布置主要考慮船舶靠離泊作業的安全和可操作性；以及船舶裝卸作業允許天數。本次設計兩個碼頭軸線方案。

2.1 順流方案

30萬t級原油碼頭位于原油一期碼頭西北側，泊位長度401 m，軸線方位135°—315°；中間布置工作平臺1座，平臺兩側各布置1座靠船墩和3座系纜墩，最東側系纜墩借用原油碼頭一期工程已建的最外側系纜墩；靠船墩中心距116 m，系纜墩中心距碼頭前沿線50 m，如圖4。

圖4 順流布置方案

2.2 順浪方案

30萬t級原油泊位位于原油一期碼頭西北側，泊位長度401 m，采用雙側靠船，近期，布置一個30萬t級原油泊位，遠期，在背側布置第二個30萬t級原油泊位，兩個泊位共用一套系纜墩，泊位垂直岸線布置，軸線方位0°—180°，中間設工作平臺1座，兩側各布置1座靠船墩和3座系纜墩，靠船墩中心距116 m，系纜墩中心距碼頭前沿線40 m，如圖5。

圖5 順浪布置方案

3 碼頭裝卸作業天數分析

影響作業天數的主要因素有風、雨、霧、波浪等，根據當地海事部門要求及參照《海港總體設計規范》，碼頭作業標準：風：風速≤6級；雨：降水強度≤中雨；霧：能見度≥1 km；波浪：順浪H4%≤2.0 m，橫浪H4%≤1.5 m。從作業標準中可以看出，只有波浪的影響分為橫浪和順浪，即波浪影響下的作業天數和碼頭軸線布置是有關的。經對工程區域波浪條件的分析，得出工程區域波浪大于1.5 m和大于2.0 m出現的天數。

表3 波浪影響天數統計

表4 不同軸線方案波浪頻率統計

通過上表分析，可以得出波浪因素對碼頭作業天數影響：順流方案波浪影響裝卸作業天數為26天；順浪方案波浪影響裝卸作業天數為20天。

4 船舶靠離泊作業影響分析

4.1 船體受力計算

船舶靠離泊作業過程主要受到潮流作用的影響，根據原油一期工程的使用經驗，為降低船舶靠離泊作業過程中受到流場的影響，船舶都是趕在平潮期間完成靠泊作業，目前，一期工程僅為1個30萬t級原油泊位，本工程的建設，共形成2個30萬t級原油泊位，同時需要考慮規劃的30萬t級原油泊位，共有3個30萬t級原油泊位，在此情況下，泊位設計時必須考慮非平潮條件下完成靠離泊作業，針對不同碼頭潮流夾角，30萬t級船舶受到的水流力[2]見表5。

表5 30萬t級船舶受到的水流力計算

從計算結果可以看出，船舶與潮流夾角越小，受力越小，隨著夾角的增大，船舶受到的水流壓力增速明顯，結合一期工程運營情況，建議船舶如不能實現平潮進出港，最好選擇靠泊時船舶與潮流夾角最小的角度、逆流完成靠離泊作業。

4.2 拖輪配備分析

根據煙臺港引航站調研資料，頂推拖輪能發揮其功率90%，拖拽拖輪能發揮其功率約80%，為了統一計算，此處我們均按照拖輪發揮其功率80%考慮。海港總體設計規范中建議拖輪托力保留20%的安全富裕儲備。靠泊時按照配備6艘拖輪進行計算，采用全回轉型拖輪（ZP）[3]。

圖6 油船進港過程中拖輪配置方案

圖7 油船平行入泊過程中拖輪配置方案

順流布置方案我們考慮船流夾角15°，計算船體受力87 t，須配備拖輪功率87/（1.15～1.35）×100=（7 565～6 444）hp，配備拖輪功率為7 565/0.8×1.2=11 347.5 hp，需配備6艘總功率不小于11 347.5 hp的拖輪；順浪布置方案考慮船流夾角45°，計算船體受力358 t，須配備拖輪總功率358/（1.15～1.35）×100=（26 519～31 130）hp，配備拖輪功率為31 130/0.8×1.2=46 695 hp，如配置6艘拖輪，西港區現有拖輪無法滿足要求。

5 結 語

本文結合煙臺港西港區原油碼頭二期工程的區域位置特點，將開敞式碼頭的平面布置與風、浪、流等外部條件的關系進行了詳細論述，原則上碼頭軸線布置宜與風、浪、流的主導方向一致[1]，但這些條件往往不能同時滿足。風和浪主要影響作業天數，在超過設計標準的風浪條件下泊位是不能作業的，碼頭的平面布置如果能實現順風、順浪，將在極大程度上增大泊位的作業天數，提升泊位建設的效益指標。海流的影響主要體現在船舶靠泊時及靠離泊過程中船體受力，作業時船體受力較為直觀，可以通過調整碼頭平面布置，計算保證船舶纜繩受力在可控范圍內即可，但靠離泊過程中水流產生的影響需加以重視，當碼頭布置與流場有一定的夾角，在靠泊作業特別是吹攏流作用時，則船體極易與碼頭產生碰撞，風險較大，在平面布置時，盡量減少船舶與流場的夾角，而且船舶靠泊作業時，盡量在吹開流作用下、逆流靠泊。