天津港LNG 碼頭前沿頂高程研究

張 靜

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

隨著國民經濟的發展，我國天然氣資源與市場需求之間的缺口越來越大，從國外引進天然氣量將逐年加大，尤其是在能源相對缺乏而經濟發達的環渤海地區，而運輸方便、安全、清潔、高效的LNG則成了相對較優的選擇。隨著國家對能源需求的不斷增長，引進LNG 將對優化中國的能源結構，有效解決能源供應安全、生態環境保護的雙重問題，實現經濟和社會的可持續發展發揮重要作用。在這種背景下，北京市燃氣集團有限責任公司認真貫徹落實國家加快儲氣設施建設和完善儲氣調峰輔助服務的要求，擬在具有LNG 接收站建設條件的天津市南港工業區規劃建設LNG 項目。北燃LNG 碼頭位于天津港大港港區東港池東岸北端，工程建設1 個可靠泊1～26.6 萬m3LNG 船的LNG 泊位，考慮到LNG 泊位兼顧船型較廣，工程建設既要滿足大型船舶靠泊需求，同時又要防止小型船舶靠泊時吊纜現象的發生，工程對碼頭各部分高程體系要求較高，本文根據規范公式進行計算，考慮船舶系靠泊設施的布置情況，結合船舶系泊物模試驗對船舶靠泊作業相關的各部分高程進行分析，給出LNG碼頭頂高程設計的合理建議，為類似工程設計提供參考。

1 設計條件

1）設計水位

設計高水位 4.30 m；

設計低水位 0.50 m；

極端高水位 5.88 m；

極端低水位 -1.29 m。

2）波浪條件

根據本項目北京燃氣天津LNG碼頭平面布置方案建立港內考慮波浪折射、繞射和反射的波浪數學波型，得出港內的波高分布和碼頭前一些控制點位置的波浪要素。綜合比較設計風速推算結果、天氣圖方法結果及分析塘沽海洋站實測資料，LNG碼頭位于防波堤內側，受防波堤掩護作用的影響，外海波浪對碼頭水域的影響較小，由于防波堤內水域寬闊、碼頭前水域及航道的開挖、水深較大，碼頭前主要考慮受偏N～NW方向的局部風浪影響。為此根據該水域的不同重現期風速對碼頭水域的風浪進行了推算。

表1 N～NW 方向港內碼頭風浪要素

3）設計船型

表2 船型尺度表

2 頂高程計算

碼頭前沿頂高程應滿足當地大潮時碼頭面不被淹沒、便于作業、結構安全和碼頭周邊銜接等要求，并應根據當地潮汐、波浪、泊位性質、船型、裝卸工藝、船舶系纜、陸域高程、防汛等要求確定[1]。本工程為LNG碼頭，碼頭裝卸平臺頂應有足夠的高度，以盡量減少波浪力的影響，保證碼頭上部結構和設施的正常使用，但是如果太高，又可能在船舶滿載低水位時超出裝卸臂的工作范圍，在確定平臺高程的時候，要統籌考慮波浪力和裝卸臂的影響。

靠船墩和系纜墩的頂高程，還必須考慮系纜的垂直角，頂高程過高的話，由于滿載時船舶的甲板高度過低，系纜時就會出現吊纜現象，加速纜繩的磨損，當頂高程過低的話，會導致大船在設計高水位空載情況下系纜的仰角過大（一般不宜超過30°），從而影響系纜效果。靠船墩、系纜墩上通常會設置絞盤、脫纜鉤控制系統、液壓動力裝置等系船設備，最好不要上浪[2]。

1）按受力標準控制的碼頭前沿頂高程計算

根據《海港總體設計規范》（JTS165-2013），碼頭前沿頂高程按照下列公式計算：

式中：

E—碼頭前沿頂高程（m）；

E0—上部結構受力計算的下緣高程（m）；

h—上部結構高度（m），結構厚度2.2 m；

DWL——設計水位（m），設計高水位，4.3 m；

η——設計高水位時重現期為50年的H1%（波列累計頻率為1%的波高）靜水面以上的波峰面高度（m）；

h0—水面以上波峰面高度與上部結構底面的高度（m），本工程波峰面低于上部結構，故取0。

ΔF—受力標準的綜合富裕高度（m），取0.8 m。

E=4.3+1.20+0.8+2.2=8.5 m。

按照受力標準控制，LNG碼頭前沿頂高程取為8.5 m。

2）按上水標準控制的碼頭前沿頂高程計算

本項目所處港池位置對外海波浪掩護良好，僅需考慮港池小風區風成浪的影響，根據規范相關條文，碼頭前沿高程按照基本標準和復核標準分別計算。

基本標準：E=4.3+1.0～2.0=5.3～6.3 m

復核標準：E=5.88+0～0.5=5.88～6.38 m

按照上水標準控制，碼頭前沿高程不宜低于6.0 m。

本工程碼頭前沿頂高程暫取值8.5m進行后續的計算分析。

3 船舶系纜垂直角測算

1）系泊模型試驗高程論證

26.6萬m3LNG船系纜方式采用3-3-2-2型式，艏艉纜和艏艉橫纜1各3根，艏艉橫纜2和艏艉倒纜各2根，如圖1。

圖1 26.6m3LNG 船舶系纜方式示意圖

1.0萬m3船舶系纜方式如圖2。船艏、艉纜和艏、艉倒纜分別為兩根，其中艏、艉纜系在系纜墩上，艏、艉倒纜分別系在工作平臺的脫纜鉤上。

圖2 1 萬m3LNG 船舶系纜方式示意圖

圖3 26.6 萬m3LNG 船舶系泊試驗照片

其中在設計低水位、船舶滿載條件下，存在垂直角為“-”，表明船舶帶纜點處的甲板在系纜墩/工作平臺頂高程以下，此時纜繩系纜后可能會與碼頭邊緣接觸摩擦，故在模型上嚴格模擬了護舷的幾何尺度以及碼頭和船舶系纜點的位置，并對纜繩和碼頭邊緣是否接觸進行了校核。

經試驗模擬，工作平臺系纜點高程為8.5 m時，1萬m3LNG船，當艏倒纜從船舶型深處的導纜孔出纜，則纜繩與碼頭邊緣接觸，且此時的艏倒纜長度較短，不建議使用，除該導纜孔外，其余導纜孔出纜，均不與碼頭前沿接觸。

在靠船墩、系纜墩頂高程能夠滿足上水標準（≥6.0 m）要求的前提下對系纜位置處高程進行適當降低，在系纜點高程降為7.0 m時，各組纜繩可實現均不與碼頭邊緣接觸。此種工況下，26.6萬m3LNG船與1萬m3LNG船的纜繩角度和纜繩長度如下表所示：

圖5 1 萬m3LNG 船舶系泊吊纜現象

表3 26.6 萬m3LNG 船纜繩角度及纜繩長度

表4 1 萬m3LNG 船纜繩角度及纜繩長度

在本工程系纜位置處高程調整為7.0 m后，26.6萬m3LNG船其纜繩角度和纜繩長度均比較適宜，1萬m3LNG船在高程調整后，也不存在吊纜現象，可見，系纜位置處頂高程取值7.0 m，從船舶系纜方面考慮比較合理。

4 護舷安裝位置分析

有靠泊需求的靠船墩頂高程，除了考慮上水和結構受力外，還應結合漲、落潮和壓、滿載時船舶甲板高度的變化考慮護舷安裝位置的合理性，以便能有效地承受船舶的撞擊力。

LNG船舶靠泊的船側并非完全是一個平面，而是兩端為曲面的不規則形狀，僅有中部位置為可靠泊區域，《海港總體設計規范》給出的船舶護舷布置間距取值設計船長的30 %～45 %，在分析護舷與碼頭前沿頂高程的相關關系時，僅有≤45 %船長的船側直立面能滿足靠泊護舷接觸面需求。對大船而言，由于船體較大，船舶護舷接觸面尺度基本能滿足靠泊需要，但對小船而言，對可靠泊的船側直立面需要慎重考慮，對于本工程LNG碼頭，由于靠船墩間距較大，須同時在工作平臺布置護舷，方能滿足小型LNG船舶靠泊需要。

1萬m3LNG船和26.6萬m3LNG船，在滿載和壓載工況下，船舶可靠泊船側尺度如表5所示。

表5 船型尺度表

結合設計船型滿載和壓載工況下可靠泊船側尺度，本工程靠泊護舷選用SC1700H兩鼓一板橡膠護舷，兩鼓的鼓中心高程分別為5.4 m和2.7 m，考慮到板的高程，護舷布置后船體接觸板面頂高程約6.8 m，這就決定了本工程靠船墩頂高程不宜小于該數值，本工程設計選取頂面高程7.0 m較為合理。

圖7 LNG 船舶滿載設計低水位靠泊示意圖

圖8 LNG 船舶壓載設計高水位靠泊示意圖

5 結語

本文以北燃LNG配套碼頭為例，根據工程區域的潮汐和波浪條件，對碼頭前沿頂高程按照受力標準和上水標準分別進行了計算，在規范計算基礎上，結合船舶系泊物模試驗和船舶靠泊時與護舷的相互作用，對碼頭前沿頂高程進行了優化，給出頂高程合理值。受工程建設位置影響，本工程碼頭前沿頂高程確定時未考慮防洪、風暴潮[3]等因素的影響，如工程區域存在上述因素，在高程設計時，尚需要加以考慮。