于松榮,朱 峰

(1.廣西北部灣國際港務(wù)集團有限公司,廣西 南寧 530021;2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司,廣東 廣州 510290)

廣西北部灣港位于廣西壯族自治區(qū)南端、南海北部灣北岸，海岸線長1 629 km，有水域?qū)掗煛⒓{潮量大、地形隱蔽、水深浪小、港池航道淤積少等良好的天然水域條件和廣闊的陸域，開發(fā)潛力巨大，是我國西南沿海地區(qū)的深水良港。廣西北部灣港背靠大西南、面向東南亞、東臨粵港澳，是我國西南地區(qū)最便捷的出海通道，也是我國與東盟國家海上貿(mào)易的重要口岸，地理位置十分優(yōu)越[1]。

欽州港位于廣西北部灣經(jīng)濟區(qū)的中心位置，是我國大西南出海的陸上咽喉要道。為了實現(xiàn)欽州港千萬標(biāo)箱集裝箱干線港的目標(biāo)，規(guī)劃建設(shè)的大欖坪港區(qū)是欽州港“十三五”期間重點集裝箱項目之一。本項目功能定位為滿足集裝箱干線港的發(fā)展需要，近期主要滿足外貿(mào)集裝箱運輸需求，兼顧部分內(nèi)貿(mào)集裝箱運輸，遠期主要滿足區(qū)域外貿(mào)集裝箱水路運輸需求。

欽州港大欖坪港區(qū)泊位工程項目的建設(shè)會對附近水域的通航環(huán)境產(chǎn)生影響[2]，為保證過往船舶的安全航行和航運暢通，保障工程水域通航船舶的安全，開展了通航安全技術(shù)模擬試驗，根據(jù)真實風(fēng)浪流條件，進行船舶進出港及靠離泊模擬仿真試驗，得出20萬噸級船舶在風(fēng)浪流條件下進出港的適應(yīng)性和限制條件。

1 工程背景

本工程建設(shè)2個10萬噸級集裝箱泊位，布置在大欖坪南作業(yè)區(qū)集裝箱9#、10#泊位，見圖1。為滿足未來20萬噸級集裝箱船靠離泊的要求，7#、8#泊位水域底高程由-13.3 m進一步疏浚至-15.1 m，可滿足10萬噸級集裝箱滿載乘潮(乘潮水位1.59 m)進港、12～15萬噸級集裝箱船舶滿載乘潮(乘潮水位3.43 m，3 h乘潮保證率90%)進港、20萬噸級集裝箱船舶減載(船舶吃水減載至16.2 m)乘潮(乘潮水位3.43 m， 3 h乘潮保證率90%)進港要求；9#、10#泊位水域底高程由-13.3 m進一步疏浚至-16.3 m，可滿足10萬噸級集裝箱滿載全潮進港，20萬噸級集裝箱船滿載乘潮(乘潮水位3.43 m， 3 h乘潮保證率90%)進港要求。7#、8#泊位的回旋水域直徑按2倍10萬噸級集裝箱船長考慮，取692 m；9#、10#泊位的回旋水域按1.975倍20萬噸級集裝箱船長考慮，取790 m。設(shè)計船型的基本尺寸參數(shù)見表1[3]。

圖1 欽州港9#、10#泊位總體規(guī)劃

表1 設(shè)計船型基本尺寸

本地區(qū)季風(fēng)分布特征比較明顯，每年5—8月多偏南風(fēng)，10—翌年3月多偏北風(fēng)，多年平均風(fēng)速3.8 m/s，極大風(fēng)速36 m/s。欽州灣外海漲潮流向東北、落潮流向西南，漲落潮流均與航道走向大體一致，流向較穩(wěn)定，落潮流速大于漲潮流速，落潮歷時小于漲潮歷時，漲潮平均流速為0.08～0.28 m/s，最大為0.54 m/s。落潮平均流速為0.09～0.55 m/s，最大流速0.95 m/s。欽州灣內(nèi)最大漲潮流速為1.0 m/s，最大落潮流速為1.7 m/s。在1個大潮周期內(nèi)，東航道內(nèi)的水流條件好于西航道，東航道內(nèi)除個別拐彎點外，最大橫向流速分量均小于0.25 m/s；西航道個別航段橫向流速分量達0.50 m/s的時間在4 h左右。

2 理論基礎(chǔ)

通航模擬是一種數(shù)值驗證方法，可以通過計算仿真在一定程度上預(yù)測工程的實際實施效果，為近海交通工程設(shè)計提出有價值的參考依據(jù)[4]。以航道水力模型和自由航行的船模為基礎(chǔ)進行船舶航行操作模擬，可實現(xiàn)對擬建港口及航道工程進行船舶航行、靠離泊等模擬研究和通航安全評估[5]。

船舶在水中的操縱運動可以看作是船首尾方向及正橫方向的并進運動及繞船重心垂直軸的回轉(zhuǎn)運動[6]。根據(jù)圖2中坐標(biāo)系統(tǒng)及受力方式，得出方程組(1)。

注：x0y0為整體坐標(biāo)軸；xy為局部坐標(biāo)軸；X0為作用于船的x0軸方向的合力；Y0為作用于船的y0軸方向的合力；X為作用于船的x軸方向的合力；Y為作用于船的y軸方向的合力；N為繞船重心垂直軸的合力矩；m為船的質(zhì)量；φ為船的轉(zhuǎn)頭角；U為船速；u和v分別為船速在船首尾方向及橫向的分量；δ為航行方向與x坐標(biāo)軸之間的夾角。圖2 船舶航行受力分析

(1)

式中：x0G、y0G為在t0時刻船重心G的坐標(biāo)；Izz是繞z軸的船的質(zhì)量慣性矩。

將船舶運動方程(1)轉(zhuǎn)化為船體坐標(biāo)的表達式，以船體重心G為原點，船首尾為x軸，垂直于船首尾向為y軸，則可得到式(2)：

(2)

式中：r為轉(zhuǎn)頭角速度；mx、my為x、y向的附加質(zhì)量；λ為各個運動分量之間相關(guān)的運動慣量；Iz為z向附加慣性矩。采用通常的水動力模型，可將X、Y、N表達為：

(3)

式中：角標(biāo)H、R、P、W、WV分別為作用在裸船體、舵、螺旋槳上及風(fēng)和浪所產(chǎn)生的力和力矩[7]。對裸船體的操縱運動所產(chǎn)生的橫蕩力YH和船搖力矩NH均可用多項式表示[8]。

每一時刻船舶的運動可以通過離散方程逐次積分計算求得[9]。因此船舶對水流速為：

(4)

式中：vx、vy為船對水運動速度在x、y方向的分量。在對水運動計算的基礎(chǔ)上可進一步計算船對地運動的航行參數(shù)。

3 船舶進出港航跡分析

船舶進出港航跡是判斷航道寬度是否滿足同行安全性的重要參考依據(jù)，因此本項目進行了船舶進出港船舶的航跡分析。通航環(huán)境仿真模型中風(fēng)況設(shè)置為NE向吹開風(fēng)、SW向吹攏風(fēng)，典型風(fēng)力6級，模擬試驗浪況設(shè)置與風(fēng)況相匹配。航道及港池的潮流數(shù)據(jù)參考相應(yīng)的潮流場計算結(jié)果。選取設(shè)計代表船型20萬噸級集裝箱船作為模擬試驗船型，船舶模型見圖3。

圖3 20萬噸級集裝箱船模型

船舶進港的航線順序為：由航道南段轉(zhuǎn)至三墩段，再由三墩段轉(zhuǎn)至大欖坪段，然后進入泊位的回旋水域進行靠泊。船舶經(jīng)南段轉(zhuǎn)三墩段以及由三墩段轉(zhuǎn)大欖坪段的進港航跡見圖4。

圖4 集裝箱船進港航跡

根據(jù)模擬試驗結(jié)果，20萬噸級集裝箱船進港時，在東航道南段船速一般為8～11 kn，風(fēng)流壓差約2°～3°；船舶三墩段船速一般為8～10 kn，風(fēng)流壓差約3°～5°；轉(zhuǎn)入大欖坪段船速一般為5～8 kn，風(fēng)流壓差約5°～8°，轉(zhuǎn)入港池水域時航速需要降至4 kn以下。

船舶離港的航線順序為：由泊位的回旋水域進入大欖坪段，由大攬坪段轉(zhuǎn)至三墩段，再由三墩段轉(zhuǎn)至航道南段。船舶出港航跡見圖5。

圖5 集裝箱船出港航跡

模擬試驗操作過程表明，進港航道55#燈浮至回旋水域段為船舶進港的制動段，也是船舶離泊出港時上線的關(guān)鍵航段，船舶低速狀態(tài)下受風(fēng)影響顯著，且舵效差，進港船舶單憑船舶難以完成由航道轉(zhuǎn)入港池的操作，應(yīng)使用拖輪協(xié)助控制船位及制動。

船舶進出港過程中，建議選擇1艘大馬力拖輪在船尾進行吊拖，協(xié)助船舶進行制動及提高舵效；船舶進港過程中，船舶在東航道南段轉(zhuǎn)入三墩段，控制船速9 kn為宜，模擬操作時的舵角大約15°；三墩段轉(zhuǎn)入大攬坪段，控制船速7 kn為宜，模擬操作時的舵角大約20°，船舶進出港航行需注意風(fēng)流同向?qū)Υ暗挠绊懀侠碚{(diào)整船位。模擬試驗結(jié)果顯示在三墩段航跡帶寬度最大，試驗數(shù)據(jù)按三墩段航道寬度核算。模擬試驗中20萬噸級集裝箱船進出港航跡帶寬度最大為137 m，所需單向航道寬度最大值為230 m。航道通航寬度230～280 m滿足20萬噸級集裝箱船在6級及以下風(fēng)力條件下乘潮單向通航的要求。

4 船舶靠離泊分析

進港后，船舶靠泊與離泊是船舶裝卸作業(yè)的關(guān)鍵步驟，也是判斷船舶與港口作業(yè)條件安全的重要條件，為此開展了船舶靠離泊航跡分析。分析模型中風(fēng)況設(shè)置為NE向吹開風(fēng)、SW向吹攏風(fēng)，風(fēng)力設(shè)置為6級風(fēng)，浪況設(shè)置與風(fēng)況相匹配。

20萬噸級集裝箱船進港靠泊時，離岸風(fēng)作用下，船舶逐漸減速抵達泊位前方，左舷首尾拖輪對船舶進行頂推使其逐步靠岸；靠岸風(fēng)作用下，隨著船舶減速，其舵效逐漸降低，船舶受到風(fēng)流力影響逐漸向岸偏移，此時拖輪需根據(jù)風(fēng)流力方向調(diào)整拖力及拖帶方向，使船舶緩慢平行靠泊，靠泊軌跡見圖6。

圖6 集裝箱船靠泊軌跡

20萬噸級集裝箱船離泊出港時，左舷首尾及船中各帶1艘拖輪，另一艘拖輪待命，根據(jù)風(fēng)向調(diào)整拖輪的拖力及拖帶方向，利用風(fēng)力和拖輪拖力使船舶平行出泊，使用拖輪調(diào)整船位及姿態(tài)，根據(jù)流向、流速調(diào)整與流向的交角，船舶至碼頭前沿水域外距離泊位一定安全距離(根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向確定)時，首部的拖輪加車，并使用備用拖輪頂右舷首部，使船移向回旋水域并向左轉(zhuǎn)向，用拖輪控制船首和船位，擺正船位進入航道略偏向上風(fēng)、流一側(cè)，加車提速進入出港航道，待船速提高到4 kn以上時，適時解掉拖輪，快車出港。離泊軌跡見圖7。

圖7 集裝箱船離泊軌跡

船舶操縱模擬出港航跡結(jié)果表明：在離岸風(fēng)和漲潮流作用下，由于外荷載對船舶航跡有推離泊位的作用，因此20萬噸級集裝箱船離泊過程較為順利；在靠岸風(fēng)和漲潮流共同作用下，20萬噸級集裝箱船掉頭操作較為困難，為防止船舶與泊位間距過近，在控制前沖態(tài)勢情況下，船尾在拖輪輔助下需要發(fā)生較大幅度的回旋，掉頭操作軌跡沿水流方向超出設(shè)計回旋水域范圍。因此，設(shè)計回旋水域不能滿足20萬噸級集裝箱船在拖輪協(xié)助下掉頭操作的要求，建議回旋水域形狀修正為橢圓形，沿水流方向尺度由原先的790 m擴展為1 200 m。

5 結(jié)論

1)通過對船舶航行過程的模擬分析，可以得到航道不同區(qū)間的定量參考航速和舵角，例如南段轉(zhuǎn)三墩段，航速應(yīng)控制在9 kn、舵角約15°左右為宜；三墩段轉(zhuǎn)入大欖坪段，航速應(yīng)控制在7 kn，舵角約20°左右為宜。

2)通過航行模擬，可以確定20萬噸級集裝箱船進出港航跡帶在三墩段寬度最大為137 m，所需單向航道寬度最大值為230 m。航道通航寬度可以滿足20萬噸級集裝箱船在6級及以下風(fēng)力條件下乘潮單向通航的要求。

3)通過離泊航行模擬可以發(fā)現(xiàn)，在靠岸風(fēng)和漲潮流共同作用下，船舶在拖輪輔助下回旋的航跡幅度較大，將導(dǎo)致船舶航跡超出設(shè)計回旋水域范圍。因此，為滿足20萬噸級集裝箱船掉頭操作的要求，回旋水域沿水流方向尺度需由原先的790 m擴展為1 200 m。

4)由于集裝箱船受風(fēng)壓影響大，拖輪在進出港控制船速及靠離泊作業(yè)中發(fā)揮重要作用。為保證船舶靠離泊安全，建議6級風(fēng)力條件時，20萬噸級集裝箱船靠離泊作業(yè)采用5艘不小于2 940 kW的拖輪協(xié)助。

5)船舶進出港過程中，建議選擇1艘大功率拖輪在船尾進行吊拖，協(xié)助船舶進行制動及提高舵效。同時，船舶進出港航行需注意風(fēng)流同向?qū)Υ暗挠绊?，合理調(diào)整船位。