高 浪

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 200032)

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和科技進(jìn)步，港址選擇諸多要素中，自然條件、基礎(chǔ)設(shè)施條件等因素權(quán)重在下降，經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會效益等因素權(quán)重在增加[1-2]。港口及其配套的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)屬資金密集型產(chǎn)業(yè)，設(shè)計技術(shù)方案稍有不慎，將造成巨大資源浪費或經(jīng)濟(jì)虧損，在自然條件、基礎(chǔ)設(shè)施等建港條件不能完全滿足港口建設(shè)的情況下，科學(xué)合理的港口設(shè)計尤為重要。本文以越南電力中心沿海海港工程為例，在自然水深不能滿足建港要求情況下，水域平面尺度設(shè)計除根據(jù)經(jīng)驗選取規(guī)范數(shù)值外，還結(jié)合船舶操縱模擬試驗來驗證和優(yōu)化，使設(shè)計的平面尺度既滿足船舶航行安全，又減少疏浚量、節(jié)省工程前期投資和后期維護(hù)疏浚運營成本，為設(shè)計人員在類似港口水域尺度設(shè)計中提供參考。

1 設(shè)計方法

港口水域平面尺度應(yīng)滿足船舶運動的空間，但設(shè)計難以進(jìn)行實船試驗來考量這一尺度的可行性和安全性，通常根據(jù)設(shè)計規(guī)范及設(shè)計者的經(jīng)驗決定設(shè)計方案。多種環(huán)境因素組合影響時，很難評價船舶操縱安全性、合理性。而運用船舶操縱模擬器，通過計算機(jī)實時模擬，可以評價、研究系統(tǒng)的變化過程；結(jié)合定量與定性進(jìn)行分析，模擬多種設(shè)計方案及其工況，得出優(yōu)化結(jié)果[3]。

模擬試驗前先實地調(diào)研并搜集資料，進(jìn)行船舶及航行環(huán)境建模：建立船舶進(jìn)出港航道及碼頭水域的大比例尺電子海圖，建立設(shè)計代表船型的船舶數(shù)學(xué)模型，建立碼頭水工設(shè)施及周邊水域環(huán)境的三維視景；再進(jìn)行模擬操縱及分析：運用船舶操縱模擬器，依據(jù)代表船型在不同水文氣象條件下進(jìn)行仿真試驗，模擬船舶進(jìn)、出航道，旋回水域操作，靠、離泊操縱；最后根據(jù)模擬結(jié)果分析可能存在的安全問題，并提出可行的解決辦法，制定船舶在進(jìn)出港航道及碼頭水域的航行操縱方案。模擬試驗方法自身也存在局限性，確定設(shè)計方案時需要綜合分析規(guī)范經(jīng)驗取值和試驗成果，從而讓最終設(shè)計結(jié)果更貼切船舶的真實運作情況，保證項目經(jīng)濟(jì)、可行、安全，降低工程風(fēng)險。

2 案例工程的部分水域平面尺度設(shè)計

2.1 工程概況

越南電力中心沿海海港工程項目為新建1萬噸級煤碼頭及配套工程。該碼頭是由東北向和西南向兩座防波堤環(huán)抱式掩護(hù)的突堤式碼頭，突堤兩側(cè)靠泊船舶，并配備有拖輪協(xié)助船舶港內(nèi)航行、靠離泊和轉(zhuǎn)頭。由于港內(nèi)自然水深條件不能滿足船舶安全運行要求，航道和港池水域需要疏浚。因水域平面尺度直接影響疏浚工程量及工程造價，項目實施前期，在保證安全性的同時，就標(biāo)書中給定的部分水域平面尺度進(jìn)行復(fù)核和設(shè)計優(yōu)化。

2.2 主要設(shè)計條件

2.2.1船舶

設(shè)計船型和拖輪配置見表1。

表1 設(shè)計船型、拖輪及其尺度

2.2.2環(huán)境條件

項目位于熱帶季風(fēng)氣候的越南南部的茶榮(Tra Vinh)省沿海(Duyen Hai)縣，南臨東海。受季風(fēng)影響，雨季波浪主要為SW向浪，旱季波浪主要為ENE向浪。在項目區(qū)域很少出現(xiàn)有臺風(fēng)，全年主導(dǎo)風(fēng)向西南向。天然情況下，工程水域潮流流向與海岸平行，呈東北-西南方向，最大流速約1.5 ms，且流向與航道軸線垂直，故船舶進(jìn)港除乘高潮進(jìn)港外，還需選擇流速較小的時間段進(jìn)港。

2.2.3船舶在港內(nèi)運行情況

由于本碼頭工程僅為電廠供應(yīng)燃煤，貨種單一，且僅為貨物進(jìn)口、流向固定，為節(jié)省挖泥量，船舶運行按滿載船舶進(jìn)港、順岸靠泊且壓載船舶離泊、掉頭和出港。

2.3 部分水域平面尺度設(shè)計

項目港內(nèi)水域由進(jìn)港航道、船舶制動水域、船舶回旋水域、碼頭前沿停泊水域、港池、港池與航道的連接水域(連接進(jìn)港航道與碼頭前沿停泊水域，連接碼頭前沿停泊水域與回旋水域的連接水域)等組成，其中，回旋水域位于突堤碼頭端部，本文就碼頭前沿停泊水域、回旋水域、突堤碼頭港池和航道的連接水域尺度按中國規(guī)范和其他多國規(guī)范進(jìn)行計算[4]，計算結(jié)果與標(biāo)書中給定的相應(yīng)尺度作對比。標(biāo)書中給定的港內(nèi)水域平面的布置與尺度見圖1、2。

圖1 總平面布置

圖2 標(biāo)書中港內(nèi)水域平面布置(單位：m)

2.3.1泊位前停泊水域

該區(qū)域水深要求在設(shè)計低水位下船舶滿載時能安全停靠，按各國規(guī)范尺度取值見表2。

表2 泊位前停泊水域尺度

標(biāo)書尺度254 m×60 m,設(shè)計取值254 m×37 m，并與進(jìn)港航道相連。

2.3.2船舶靠離碼頭的操作水域

該水域一部分與泊位前停泊水域組合?？紤]乘潮水位船舶滿載狀態(tài)下順岸靠泊碼頭(不考慮掉頭)，以及乘潮水位時船舶壓載狀態(tài)下掉頭離開碼頭，按各國規(guī)范尺度取值見表3。

標(biāo)書尺度254 m×60 m，設(shè)計取值254 m×103 m。

表3 船舶靠離碼頭的操作水域尺度

2.3.3回旋水域

該水域與航道水域組合。該區(qū)域水深要求是乘潮水位時船舶壓載狀態(tài)下能安全轉(zhuǎn)頭離開碼頭。標(biāo)書和按各國規(guī)范尺度取值見表4。標(biāo)書D=360 m，設(shè)計按規(guī)范取值D=260 m。

表4 船舶靠離碼頭的回旋圓直徑

2.3.4港池連接水域

港池與航道夾角90°，突堤北側(cè)港池與回旋水域的連接水域，部分與船舶靠離碼頭的操作水域和回旋水域組合；突堤南側(cè)港池與航道的連接水域，部分與船舶靠離碼頭的操作水域和航道水域組合。

水域平面尺度關(guān)系到船舶在港內(nèi)航行、靠離泊和掉頭的可行性和安全性。為此，該尺度以及疏浚工程量還須進(jìn)行船舶模型試驗驗證，經(jīng)綜合分析后最終確定設(shè)計方案。

2.4 船舶操縱試驗驗證

水域平面尺度試驗分為正常和極限狀態(tài)。運用船舶操縱模擬器，在不同水文氣象條件下，模擬設(shè)計船型船舶在港內(nèi)進(jìn)、出航道及回旋水域操作和靠、離泊操縱，研究設(shè)計船型航行和靠離泊的極限條件及其安全對策。根據(jù)模擬結(jié)果分析可能存在的安全問題，并提出可行的解決辦法。模擬試驗采用2種實施方案：

1)方案1：正常狀態(tài)。船舶靠離泊和回旋轉(zhuǎn)頭模擬試驗。在不大于8級風(fēng)、浪高不大于0.5 m(港內(nèi))條件下進(jìn)行，滿載進(jìn)港和壓載出港。

2)方案2：應(yīng)急狀態(tài)。船舶出港特殊操作試驗?？紤]船舶在港作業(yè)期間遭遇惡劣天氣需要緊急出港，按8級大風(fēng)惡劣條件進(jìn)行。

試驗由具有相應(yīng)等級船舶實船駕駛經(jīng)驗的船舶模擬操縱人員操作。每組組合工況進(jìn)行多次模擬試驗，記錄相應(yīng)試驗結(jié)果和航跡。試驗工況組次分為以下幾類，不同工況下的試驗成果見表5。

1)東北季風(fēng)季節(jié)，大潮乘潮漲急時段，4級風(fēng)、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，壓載船舶出港航行作業(yè)。

2)東北季風(fēng)季節(jié)，大潮乘潮漲急時段，6、8級風(fēng)、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，壓載船舶出港航行作業(yè)。

3)西南季風(fēng)季節(jié)，大潮乘潮漲急時段，4級風(fēng)、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，壓載船舶出港航行作業(yè)。

4)西南季風(fēng)季節(jié)，大潮乘潮漲急時段，6、8級風(fēng)、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，壓載船舶出港航行作業(yè)。

5)東北季風(fēng)季節(jié)，中、小潮乘潮流緩時段，4級風(fēng)、浪高1.3 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，6、8級壓載船舶出港航行作業(yè)。

6)東北季風(fēng)季節(jié)，中、小潮乘潮流緩時段，6、8級風(fēng)、浪高2.36 m條件下，滿載船舶進(jìn)港航行作業(yè)，8、9級壓載船舶出港航行作業(yè)。

表5 不同工況下所需回旋水域尺度

2.5 試驗結(jié)論和水域尺度優(yōu)化

將不同操縱工況模擬中船舶掃略過的區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計，繪制航行航跡，在同一平面圖中與標(biāo)書水域平面尺度進(jìn)行對比，見圖3。圖中有的區(qū)域船舶模擬航跡超出了標(biāo)書水域邊界，表明該區(qū)域標(biāo)書尺度太小，不能滿足船舶運行要求而擱淺；有的區(qū)域試驗船舶模擬航跡沒能到達(dá)，表明該區(qū)域標(biāo)書尺度過大，可以進(jìn)行優(yōu)化縮小。

圖3 標(biāo)書水域尺度邊線與不同操縱工況模擬中船舶航跡對比

根據(jù)模擬試驗的船舶航跡優(yōu)化水域尺度，優(yōu)化后的水域布置見圖4；將優(yōu)化后的水域平面圖與標(biāo)書給定的水域平面圖對比見圖5。

圖4 包絡(luò)不同操縱工況模擬中船舶航跡的水域平面尺度

圖5 標(biāo)書水域尺度與試驗后優(yōu)化尺度對比

1)標(biāo)書給定的港池水域?qū)挾?0 m太窄，不能滿足船舶靠離泊安全要求，需要擴(kuò)大至80 m；長度需要縮短至222 m。

2)標(biāo)書回旋水域D=360 m；根據(jù)表5中試驗結(jié)果，1萬噸級船舶回旋水域橢圓長軸最大313 m、最小205 m，短軸最大230 m、最小167 m；表明標(biāo)書回旋水域尺度雖能滿足要求，但標(biāo)書尺度過大，須縮小?；匦虺叨热≡O(shè)計計算值D=260 m。

3)港池連接水域：根據(jù)船舶航跡包絡(luò)區(qū)域，突堤北側(cè)港池與回旋水域的連接水域：在港池端部沿45°向北擴(kuò)大32 m與回旋水域相接；突堤南側(cè)港池與航道的連接水域：在港池端部沿30°向南擴(kuò)大111 m與航道相接。

4)當(dāng)風(fēng)力超過6級時，船舶滿載狀態(tài)下應(yīng)停止靠泊、船舶離泊及掉頭操作。

2.6 試驗局限性

使用模擬試驗結(jié)果時應(yīng)考慮試驗本身的準(zhǔn)確性和可靠性。試驗研究方法和試驗設(shè)備的局限性等都會導(dǎo)致模擬操縱與實際操縱的差異，給試驗結(jié)果帶來誤差。

首先，設(shè)定模擬器參數(shù)可能的誤差：1)試驗需要準(zhǔn)確的電子海圖配置。海圖水深必須精確，航道或航槽的邊界線要完善。實際工作中，可在紙質(zhì)海圖上增加水深點的數(shù)量，或改進(jìn)電子海圖的智能功能等，來提高海圖準(zhǔn)確性。2)試驗需要準(zhǔn)確的邊界條件，輸入風(fēng)、流、潮汐等環(huán)境條件數(shù)據(jù)。試驗中風(fēng)流僅僅是設(shè)定的，難以模擬實際風(fēng)流的演變過程及其突變性。實際工作中可通過建立典型潮流仿真數(shù)據(jù)庫、動態(tài)讀取潮流數(shù)據(jù)來提高潮流模擬精度。3)試驗中模擬船舶的選擇和船舶操縱運動數(shù)學(xué)模型的建立是核心，并須對所建立的船舶操縱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行船舶操縱相似性評價；試驗還需要充分的邊界影響條件輸入，如船間效應(yīng)、淺水效應(yīng)、岸壁效應(yīng)等；船舶操縱數(shù)學(xué)模型中沒有考慮船齡老化等問題，而船齡老化直接影響操縱性能、船舶強(qiáng)度、載貨能力等。

其次，虛擬性的視景系統(tǒng)可能產(chǎn)生誤差。虛擬環(huán)境中有無法克服的問題導(dǎo)致了與實際情況不符，給操作模擬器的人員造成錯覺，形成錯誤的經(jīng)驗，進(jìn)而做出錯誤的條件反射。

另外，模擬者資質(zhì)能力也會對試驗結(jié)果產(chǎn)生影響。有經(jīng)驗船長指導(dǎo)下的模擬操船對試驗結(jié)果有很大幫助。

3 結(jié)語

1)基于越南電力中心沿海海港工程水域平面尺度設(shè)計案例，通過對比標(biāo)書中水域平面尺度、按規(guī)范經(jīng)驗值得出尺度數(shù)值和按船舶操縱模擬器試驗方法的驗證尺度，表明設(shè)計港口水域尺度時，除了需要對現(xiàn)有規(guī)范得出理論設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行取值外，還需要通過船舶操縱模擬試驗的方法來驗證并優(yōu)化理論結(jié)果。

2)船舶操縱模擬的試驗方法本身的局限性和不足可能導(dǎo)致驗證和優(yōu)化出現(xiàn)偏差。

3)現(xiàn)實工作中，可采取有效方法將模擬誤差控制在允許范圍內(nèi)，使試驗結(jié)果更真實模擬現(xiàn)實船舶操縱，確保港口水域尺度滿足船舶安全和便利運行要求，降低工程風(fēng)險，節(jié)省工程造價。