城陵磯港設計船型參數分析及應用

楊 峰，岳 銘

(1.湖南省交通運輸廳規劃與項目辦公室，湖南 長沙 410116；2.湖南省交通科學研究院有限公司，湖南 長沙 410015 )

設計船型主尺度及噸位參數，是港口工程重要的設計輸入內容。內河港口豐、枯水期存在水位變化，加上不同目的港口通航等級不同，到港船舶噸級往往有較大差別。在確定泊位等級時，一般將設計代表船型與港口所在航道的現狀等級取一致，但在實際運行中，可能會出現到港船舶噸位超過泊位等級的情況，若設計船型參數選取不合理，將影響港口投資規模及正常運營，并可能對港口作業及水工結構安全產生不利影響。目前湖南內河港口設計船型參數選擇主要依據《內河通航標準》(GB50139—2014)[1]、《長江干線通航標準》(JTS 180-4—2020)[2]推薦的代表船型尺度。但是，上述行業標準在指導設計時存在以下問題：① 缺乏集裝箱船的推薦船型參數；② 標準推薦船型參數基于長江全航段實船統計樣本制定(涵蓋三峽樞紐過壩船型)，由此得出的船型參數與湖南內河港口實際到港船型參數有一定出入，主要體現在標準推薦的船型主尺度偏大、吃水偏小；如按標準推薦的設計船型尺度進行碼頭設計，可能會出現泊位長度偏長而設計水深不足的問題。

城陵磯港(本文泛指納入《岳陽港總體規劃》[3]的城陵磯港區、云溪港區等深水岸線段)是湖南省內河航運主樞紐港，承擔著全省集裝箱、商品汽車、鐵礦石、煤炭、糧食等大宗貨物的中轉運輸功能，岸線資源十分有限、寶貴。為更好地指導“十四五”城陵磯港規劃建設，本文根據城陵磯港81艘集裝箱船、147艘干散貨船實船統計資料，對城陵磯港設計船型參數進行分析，提出建議參數值，并闡述了設計代表船型及兼顧船型參數的不同應用范圍。

1 航道及水文概況

長江干線城陵磯至武漢段現狀航道等級為Ⅰ-5級，航道維護尺度為 4.2 m×150 m×1 000 m(水深×航寬×彎曲半徑)。根據《長江干線航道發展規劃(2016～2030年)》(報送稿)[4]，適時將實施城陵磯至武漢段4.5 m水深航道整治等工程，2030年宜昌至武漢段航道規劃等級為Ⅰ-5級，目標航道尺度為4.5 m×200 m×1 000 m，可滿足5 000 t級內河船和5 000 t級江海船雙向通航。

長江干線航道航行基準面于1958年頒布使用，并經過多次修訂。目前，長江宜昌至武漢河段使用1982年修訂的航行基準面(1985國家高程基準)。城陵磯港所在河段現行航行基準面約16.13 m。從城陵磯蓮花塘水位站多年日平均綜合歷時保證率水位推算結果(見表1)可以看出，三峽工程蓄水后，城陵磯河段98%保證率水位有小幅抬升；2007年～2017年統計98%保證率水位為18.40 m。另外，蓮花塘水位站2007年～2017年實測最低水位為17.89 m，出現于2017年12月29日；2002年～2007年最低水位為17.28 m，出現于2004年2月3日。可見，上述98%保證率水位及實測最低水位均高于城陵磯河段航行基準面，這與近年來城陵磯港經常出現“枯水不枯”的實際情況相吻合。

表1 蓮花塘站日平均綜合歷時保證率水位表m 統計年10%20%33%50%75%80%90%95%98%99%最低水位1996～200728.1127.0325.5522.4620.3219.8819.0418.4418.0117.8317.282002～200727.8126.7125.0422.3919.9019.5718.8818.5718.3418.0517.282007～201727.6426.5424.7922.2119.7119.4118.7918.5618.4018.3117.892012～201727.7726.5725.0122.5919.8619.5918.9818.6418.4418.3517.89

2 到港船舶統計

2.1 散貨船

城陵磯港務公司提供的2018年148艘到港散貨船備案資料顯示，最大滿載噸位20 000 t，最小滿載噸位1 800 t，平均滿載噸位11 874.76 t，85%保證率的到港船舶滿載噸位約為15 000 t(見圖1)。滿載吃水為2.9～9 m，平均滿載吃水6.22 m，85%保證率的滿載吃水約為7.2 m(見圖2)。船舶長度為66～139 m，平均長度113.31 m，85%保證率的船舶長度約為125 m(見圖3)。船舶寬度為12.5～24 m，平均寬度19.65 m，85%保證率的船舶寬度約為21.6 m(見圖4)。

圖1 滿載噸位分布曲線

圖2 滿載吃水分布曲線

圖3 船舶長度分布曲線

圖4 船舶寬度分布曲線

2.2 集裝箱船

城陵磯國際港務集團提供的2018年81艘到港集裝箱船備案資料顯示，最大滿載噸位8 684 t，最小滿載噸位1 100 t，平均滿載噸位4 627.37 t，85%保證率的到港船舶滿載噸位約6 700 t(見圖5)。最大載箱量分布在72～610 TEU之間，平均最大載箱量291.64 TEU，85%保證率的最大載箱量約為380 TEU(見圖6)。重載吃水為2.3～6.25 m，平均滿載吃水4.31 m，85%保證率的滿載吃水約為5.2 m(見圖7)。船舶長度為65～129.98 m，平均長度96.30 m，85%保證率的船舶長度約為110 m(見圖8)。船舶寬度為11.4～21 m，平均寬度16.06 m，85%保證率的船舶寬度約為17.9 m(見圖9)。

圖5 滿載噸位分布曲線

圖6 最大載箱量分布曲線

圖7 重載吃水分布曲線

圖8 船舶長度分布曲線

圖9 船舶寬度分布曲線

3 設計船型參數分析

3.1 設計船型概念

現行《河港總體設計規范》(JTS 166—2020)[5]未給出設計船型術語解釋。《港口工程基本術語標準》(GB/T50186—2013)[6]中，將設計船型概念注釋為：設計時所采用的某種尺度和噸位的船型。《海港總體設計規范》(JTS165—2013)[7]中，將設計船型概念注釋為：用于確定碼頭、港池和航道尺度的船型，按其確定的尺度能保證所有使用碼頭、港池和航道的船舶在給定的條件下均能安全操作。

工程設計時，設計船型分為“設計代表船型”(主力船型)和“兼顧船型”2類。設計代表船型及兼顧船型可以分別取一種船型，也可以分別取多種船型。針對不同設計指標，可以根據控制性設計代表船型或兼顧船型進行分析確定，遵循的原則為“按設計船型確定的尺度能保證所有使用碼頭、港池和航道的船舶在給定的條件下均能安全操作”。

3.2 設計船型影響因素

城陵磯港設計船型主尺度，主要受以下因素影響。① 航道條件：包括航道維護水深、彎曲半徑、航寬、跨河建筑物通航凈空等，是影響設計船型主尺度的決定性因素。② 貨物流量及流向(航線)：貨物種類決定了設計船型的類型，貨運量的高低也影響投運船型的大小。對于集裝箱、商品汽車等采用班輪運輸的貨類，航線也是影響設計船型的重要因素。③ 運輸經濟性：江海直達運輸以及長江口中轉至城陵磯的干散貨，貨源充足，采用更大的運輸船型更為經濟；集裝箱船型發展還與燃油經濟性、艙位實載率密切相關。

3.3 設計船型噸位參數分析

3.3.1設計代表船型

設計代表船型決定了泊位等級，是確定碼頭建設規模的主要參數之一。城陵磯港所在河段航道等級為Ⅰ-5級。根據《長江干線通航標準》(JTS 180-4—2020)，Ⅰ-5級航道對應的船舶噸級為5 000 t級；城陵磯港近幾年立項建設的碼頭項目，泊位等級一般按5 000 t級設計。但從統計資料來看，實際到港船型噸位超出航道等級情況普遍存在，特別是干散貨船。港口工程設計中，若設計代表船型參數取值偏小，碼頭泊位計算長度不足，豐水期到港船舶可能無法順利靠泊。

3.3.1.1 散貨泊位

對于干散貨泊位，城陵磯港5 000 t級到港保證率約3%，平均滿載噸位及85%保證率滿載噸位均超過10 000 t，設計代表船型取5 000 t級明顯偏低。城陵磯港已建成的散貨泊位，泊位等級多在1 000～5 000 t級之間，散貨碼頭超載使用十分普遍，而接卸萬噸級以上散貨船更多地依賴水上過駁，給水上通航安全保障、污染物治理帶來一定壓力。與集裝箱班輪運輸不同，城陵磯港到港散貨船基本為上海、南通等長江口中轉而來的三程船，點對點航線固定，貨源充足，船公司投入的船型越大，運輸成本就越低；換言之，航運市場的充分競爭，已經將該航線上的中小噸位散貨船完全淘汰。從航道條件、水文條件來看，盡管城陵磯河段最小航道維護水深為4.2 m，但考慮到實際港口設計低水位(98%保證率水位)較航行基準面高出約2.27 m，特別是隨著下游界牌河段航道整治效果的逐年顯現，枯水期航寬制約影響明顯減弱，近年來城陵磯至武漢段航道實際上已經具備了常年通航萬噸級內河散貨船的能力。因此，建議城陵磯港干散貨泊位設計代表船型取10 000 t級散貨船。“十四五”期間，城陵磯港區建設一批10 000 t級散貨接卸泊位是十分必要的，一方面能夠改善岳陽港大宗干散貨的接卸能力，另一方面也為推動水上過駁向靠岸中轉有序轉移創造條件。

3.3.1.2 集裝箱泊位

從實船統計數據來看，集裝箱泊位85%保證率下的滿載噸位約為6 700 t、最大載箱量約為380 TEU。城陵磯港作為湖南湘、資、沅、澧四水支線航線的喂給港，以及上游川渝地區部分集裝箱的中轉港，到港船型較為復雜。除了從城陵磯始發、目的港為上海港的始發班輪外，大部分到港船型為100～400 TEU的中小型內河支線船。從航道條件、水文條件來看，城陵磯港具備承載更大噸位集裝箱班輪運輸的條件，但實際上，集裝箱班輪投入還受到航線、運量、運輸成本等多重因素制約，船舶大型化與船公司利潤的平衡點更多地取決于班輪實載率。因此，城陵磯港設計代表船型取400 TEU集裝箱船基本反映大部分到港船型實際噸位，是合理的集裝箱泊位設計代表船型參數。

3.3.2兼顧船型

為保證所有使用碼頭、港池和航道的船舶在給定的條件下均能安全操作，設計兼顧船型宜重點考慮最大兼顧船型。

3.3.2.1 散貨泊位

受下游跨河橋梁通航凈空尺度限制，目前城陵磯港最大到港船型基本為20 000 t級散貨船。隨著長江中游645航道工程的實施，城陵磯以下河段航道條件將逐年改善，預計“十四五”期間2 000 t級到港散貨船頻次將持續提高。新建散貨泊位建議最大兼顧船型按20 000 t級散貨船設計。

3.3.2.2 集裝箱泊位

城陵磯港集裝箱船舶存在一定大型化趨勢，目前最大到港船型為新進投入運營的特定航線江海直達“湘水運26”輪，是國內首艘雙燃料集裝箱船，總長118.9 m，型寬21.6 m，型深9.2 m，滿載吃水6 m，裝箱量653 TEU,載重噸10 289 t，代表了未來岳陽港集裝箱班輪發展方向。此外，作為長江中游一類水運開放口岸，城陵磯港將于近期開通海外直航航線，預計600 TEU集裝箱船將穩定在一定投運比例。城陵磯港新建集裝箱泊位，建議最大兼顧船型按10 000 t級或600 TEU集裝箱船設計。

3.4 設計船型主尺度參數分析

關于設計船型尺度保證率取值標準，采用過高或過低的保證率都是不適宜的。由于泊位長度和泊位水深都存在可調節因素，規范[7]和標準[2]均采用85%保證率的設計船型尺度，較為經濟合理。根據實際到港船型尺度，采用85%保證率對城陵磯港10 000 t級散貨船(8 501～12 000 t、65艘)及400 TEU集裝箱船(350～450 TEU、25艘)進行主尺度分析。由于兼顧船型統計樣本數量相對較少，按統計平均值對城陵磯港20 000 t級散貨船及600 TEU集裝箱船進行主尺度分析。主要結果見表2。

表2 城陵磯港設計船型主尺度推薦值m 設計船型總長總寬設計吃水10 000 t級散貨船118206.820 000 t級散貨船135248.0400 TEU集裝箱船11018.65.7600 TEU集裝箱船11720.46.0

4 設計船型參數應用

1)泊位長度：對于單泊位碼頭，泊位長度計算時，設計船長L應取最大兼顧船型長度。對于多個泊位連續布置的碼頭，泊位總長度計算時，設計船長L可取設計代表船型長度，也可根據到港船型實際預測結果，采取不同船型組合靠泊的方式，合理確定泊位總長度。

2)停泊水域寬度、回旋水域尺度：停泊水域寬度、回旋水域尺度計算時，設計船長L、設計船寬B應按最大兼顧船型尺度確定。

3)碼頭前沿設計水深：應按設計代表船型滿載吃水深度進行計算。碼頭前沿設計水深還應注意與航道實際維護水深相協調。

4)船舶荷載：船舶荷載應按最大兼顧船型滿載靠泊進行計算。需要指出的是，設計船型噸級為一個范圍值，船舶荷載計算應取載重噸位(DWT)上限值。在進行靠泊船舶管理時，只要不超過此上限值，就可以允許靠泊[9]。

5)裝卸設備外伸距：裝卸設備外伸距應按最大兼顧船型寬度進行設計。對于干散貨泊位某些類型的設備，尚應考慮對最小兼顧船型的作業面覆蓋。對于集裝箱泊位，裝卸設備外伸距宜考慮可能出現的多艘小型船只并靠作業需求。

5 結論

1)城陵磯港所在河段現行航行基準面16.13 m；三峽工程蓄水后，城陵磯河段枯水位有小幅抬升，2007年～2017年蓮花塘站98%保證率水位為18.40 m。隨著下游界牌河段航道整治效果的逐年顯現，枯水期航寬制約影響明顯減弱，近年來城陵磯至武漢段航道基本具備了常年通航萬噸級內河散貨船的能力。建議加快開展對長江中游航道航行基準面的研究及修訂，在實施“645”工程的基礎上，研究將6 m水深航道進一步上延至城陵磯，此舉對城陵磯港提升中轉服務水平、穩定外貿直航航線具有深遠現實意義。

2)對于城陵磯港集裝箱碼頭泊位，建議設計代表船型取400 TEU集裝箱船，設計兼顧船型取600 TEU集裝箱船。

3)對于城陵磯港干散貨碼頭泊位，建議設計代表船型取10 000 t級內河散貨船，設計兼顧船型取20 000 t級內河散貨船。

4)以10 000 t級散貨船為例，本文推薦設計船型長度118 m，較標準[2]提出的10 000 t級內河散貨船代表船型總長130 m少12 m。根據實際到港船型得出的設計船型尺度參數，有利于城陵磯港岸線資源節約利用。

5)泊位等級、多個泊位連續布置碼頭泊位總長度、碼頭前沿設計水深等參數，應按設計代表船型相關尺度確定；單泊位碼頭泊位長度、停泊水域寬度、回旋水域尺度、船舶荷載、裝卸設備外伸距等參數，應按最大兼顧船型尺度確定。