卡西姆港燃煤應急電站卸煤碼頭港池水域平面布置優化

高 浪，李成才

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

港內水域是船舶在港內航行、制動、回旋及靠、離泊作業所需要的水域范圍，港內水域布置是港口總平面設計的重要內容。在咨詢與設計階段，如何將港內水域布置與船舶實際作業要求相結合，國內外進行了一系列研究與探索。水域平面尺度大小決定港口的服務水平，較大的平面尺度大有利于船舶通航和作業安全，但建設成本及維護成本也隨之攀升。因此，合理確定水域平面尺度具有重要的工程及經濟意義[1]。

1 港池水域平面尺度的規范界定

1.1 港池寬度

1.1.1國內規范規定

我國《海港總體設計規范》[2]規定，碼頭前沿停泊水域宜取碼頭前2倍設計船寬(以下所指船長、船寬均為設計最大船型尺度)的水域范圍，對于淤積嚴重的港口，根據維護挖泥的需要，此寬度可適當增加(圖1)。

注：B為設計船寬。圖1 停泊水域寬度

同時規定考慮船舶掉頭作業時，碼頭前沿水域總寬度不宜小于1.5倍設計船長加1.0倍設計船寬，見圖2，不考慮掉頭作業時，碼頭前方水域總寬度不應小于0.8倍設計船長。

注：L為設計船長。圖2 考慮船舶掉頭時碼頭前沿總寬度

1.1.2國外規范規定

日本《港口設施技術標準》[3]明確港池的寬度以保證船舶安全、順利靠離為目標。突堤單側布置3個泊位及以下時，港池寬度為1倍設計船長。單側有4個及以上泊位時，港池寬度為1.5倍的最大設計船長。

英國BS 6349-2:2010[4]規定，停泊水域的寬度至少為最大設計船寬的1.5倍，長度至少為最大設計船長的1.2倍。但未對港池寬度作明確的要求和量級界定。

Thoresen的《港口設計手冊》[5]對船舶在港池內回旋掉頭作業和不回旋掉頭作業給出了詳細的尺度界定。突堤式港池同側僅布置一個泊位，且每個泊位僅停靠一艘船時，港池寬度為2倍最大船寬加30 m；如果每個泊位并靠2艘船時，港池寬度為4倍最大船寬加50 m；港池同一側布置2個及以上泊位時，港池寬度為2倍最大船寬加50 m，見圖3。該手冊還明確了船舶在港池內回旋掉頭作業的情況：當港池與進港航道夾角為45°時，港池寬度不小于1.5倍船長；當港池與航道夾角為90°時，港池寬度不小于2倍船長，見圖4。

注：Bmax為最大船寬；h為水深；L為設計船長。圖3 不考慮船舶回旋掉頭作業的港池寬度

圖4 考慮船舶回旋掉頭作業的港池寬度

綜上分析，結合國內外對于港池寬度的界定，對于考慮在碼頭前沿回旋作業的港池，按照斜向45°進出港時，港池寬度不小于最大設計船型的1.5倍船長加1.0倍船寬；按照正向90°進出港時，港池寬度不小于最大設計船型的2.0倍船長。

1.2 回旋水域尺度

1.2.1國內規范

《海港總體設計規范》對回旋水域規定見表1。受水流影響較大的港口，應適當加長掉頭水域沿水流方向的長度，宜通過操船試驗確定加長尺度；缺乏試驗依據時，沿水流方向的長度可取(2.5～3.0)L。

表1 國內規范規定的回旋水域尺度

注：回旋水域可占用航行水域，船舶進出頻繁時，經論證可單獨設置；沒有側推及無拖輪協助的情況，船舶回旋圓直徑可取(2.0～3.0)L，掩護條件差時，可適當加大；L為設計船長。

1.2.2國外規范

美國的EM 1110-2-1100[6]認為回旋水域尺度與流速有關，隨流速增大，船舶掉頭難度明顯增加。如果流速較大，船舶會在橫流作用下發生漂移，回旋水域為橢圓形，橢圓短軸長度可取1.5倍設計船長，長軸長度需要通過船舶航行試驗研究確定，見圖5。

圖5 回旋水域尺度確定

英國的BS 6349-1:2010[7]認為一般在沒有拖輪協助條件下，回旋圓直徑不小于4倍船長。若借助拖輪，回旋圓直徑可減小至2倍設計船長，如船舶配備有艏推進器則回旋水域直徑可以進一步減小。

日本的《港口設施技術標準》中規定，船舶自行掉頭時回旋水域直徑為3倍設計船長，借助拖輪協助掉頭時回旋水域直徑為2倍設計船長。確因受地形等限制，可以利用錨碇、風或流幫助掉頭，可將水域面積縮小為：自行掉頭時直徑約為2倍船長，借助拖輪協助掉頭時直徑約為1.5倍設計最大船長。

Thoresen的《港口設計手冊》認為，回旋水域尺度取決于船長、船舶操縱性能和允許操作時間。一般情況下，當船舶掉頭不使用艏推進器或拖輪協助時，最小直徑為4倍船長；使用拖輪協助時，最小直徑取2倍船長。在掩護條件和船舶操縱條件較好的情況下，直徑最小值可分別減小至3倍船長和1.6倍船長。

綜上，國內外對于回旋水域尺度的界定，在掩護條件較好、水流不大且有拖輪協助的工況下，回旋水域短軸基本上可設計為1.5～2.0倍設計船長，長軸長度則需要通過船舶航行模擬試驗確定。

2 港池水域尺度確定的考慮因素

2.1 船舶通行密度

碼頭設計吞吐量和主力船型決定了船舶的通行密度，公用碼頭到港船型較雜、到港班次不定，而電廠等企業專用碼頭往往與生產相關聯，到港船型和到港時間都比較規律。

2.2 建港條件

港區的潮流、波浪等條件對水域平面尺度影響較為直接，水流大的港口相應加大沿水流方向的水域尺度。

2.3 水域邊界條件

碼頭周邊水域邊界條件包括已建碼頭、已建航道以及周邊陸域邊界已建設施，均對工程水域邊界條件產生影響。

2.4 船舶進出港操作方式

船舶進出港是否配備拖輪，配備拖輪時的拖輪等級及數量，對回旋水域尺度均有影響。

具體特定工程需要遵循國內外設計規范，并結合工程區域的航道、建港條件、邊界條件及船舶進出港方式綜合確定，并借助船舶操縱模擬試驗研究確定。

3 典型工程案例水域平面優化

3.1 工程概況

卡西姆港燃煤電站項目位于巴基斯坦信德省卡拉奇市東南方約37 km的卡西姆港工業園內(圖6)，是中國電建與卡塔爾王室AMC公司按照股份51:49的比例共同投資建設的混合所有制項目，總投資20.85億美元，建設2臺660 MW超臨界機組，建設工期36個月。卡西姆港燃煤電站項目是“中巴經濟走廊”首個落地能源項目、中國電建集團最大的海外投資項目、巴基斯坦最大的燃煤電站，因此工程建設意義重大。

圖6 工程位置

該工程配套建設1座7萬t煤炭卸船碼頭以及輔助生產設施，年設計卸料量為520萬t。

該工程建設1座長280 m、寬23 m的連片式高樁碼頭，通過1座長26.7 m、寬12 m的短引橋連接后方電廠區。

3.2 航道條件

目前由外海至卡西姆港7#泊位為已建7萬噸級航道，寬度為200～250 m，維護水深為-14.0 m。

本工程需要建設1條長約4.0 km、寬度150 m的單線航道與已有7萬噸級航道連接。根據建設單位建設計劃，按乘潮2.0 m控制，近期航道設計水深按-12.5 m設計，能滿足5萬噸級散貨船進出港，遠期擴建至7萬噸級航道，設計水深繼續浚深至-14.0 m。

3.3 水域邊界條件

本工程碼頭西側為已建鋼廠排水口，周邊現狀條件見圖7。南側為紅樹林，擬建碼頭前沿水域寬度僅為450 m左右，約為最大設計船型的2倍船長。

圖7 卡西姆港燃煤電站項目卸煤碼頭現狀平面

3.4 水域平面初步方案

根據對國內外規范的分析，結合工程水域邊界條件，本工程停泊水域按照2倍船寬取值，回旋水域短軸按1.8倍設計船長計算，取430 m；回旋水域長軸按照2.5倍設計船長計算，取580 m，見圖8。

圖8 原卸煤碼頭水域平面(單位：m)

3.5 船舶操縱模擬試驗

為確保航行及靠離泊作業安全，開展了船舶操縱模擬試驗研究。主要試驗工況見表2。

表2 船舶操縱模擬試驗主要工況

模擬數據分析成果見圖9。可以看出，7萬噸級散貨船在6～7級風進出所需最大回旋水域為415 m×306 m(長軸×短軸)。本碼頭設計前沿所設回旋水域為580 m×430 m橢圓，滿足7萬噸級散貨船靠離泊所需回旋水域的尺度要求。

圖9 模擬數據分析成果

3.6 優化水域尺度布置

根據上述船舶操縱模擬試驗結論，要求的回旋水域尺度低于原設計尺度。且根據勘察情況，南側水域邊界存在紅樹林。原回旋水域南側疏浚邊界距離紅樹林僅15 m，經與當地資源管理部門溝通，要求適當增大此距離，避免施工時對生態造成破壞。因此適當減少南側水域范圍是必要而且是可行的。

綜合國內外水運行業規范對于碼頭水域主要尺度的界定，并考慮到該工程為端部泊位，往上游暫無新增規劃泊位，且本工程為專用泊位，船舶停泊與回旋不可能同時進行，因此考慮回旋水域短軸方向與停泊水域寬度可綜合利用，回旋水域短軸占用1.0倍設計船寬，見圖10。

圖10 卸煤碼頭優化水域布置平面(單位：m)

4 結語

1)對于回旋水域尺度的界定，國內外規范差異較大，國內規范與日本規范接近：需要考慮掉頭作業時，回旋水域短軸基本上可取設計最大船型長度的1.5～2.0倍，長軸需要通過船舶操縱模擬試驗確定。

2)影響回旋水域尺度確定的因素較多，特別對于河道狹窄、周邊已建工程及邊界條件較為復雜同時又需要拖輪協助進出港，其尺度確定更為復雜。在專業化碼頭設計時，可結合碼頭到港船舶頻次，綜合考慮停泊水域與回旋水域的統籌利用，減少港池疏浚等建設及維護成本。

3)船舶操縱模擬試驗按照正常作業工況開展，因此試驗結果數據通常比規范給定的建議值偏小，在具體設計時需要綜合考慮船舶超過作業標準離泊避風前的不利工況，適當加大回旋水域尺度，確保航行和作業安全。