唐山港曹妃甸港区矿石码头三期工程码头平面布置

许健刚，魏美芳

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

图1 工程位置示意

唐山港曹妃甸港区位于渤海湾少有的30 m深槽水域，由于码头位于外海，工程的建设会对附近海域及邻近工程流场产生影响。为此，需要通过相关物理及数学模型研究，确定合理的码头方位角和岸线长度，为码头的平面布置提供科学依据。

1 自然条件

曹妃甸港区的设计高水位为2.91 m，极端高水位为4.46 m（高程系统以曹妃甸理论最低潮面起算，下同）。港区常风向为S向，出现频率为9.16%；次常风向为SSW向，出现频率为8.28%；强风向为NW向。港区的常浪向为S向，出现频率为10.87%；次常浪向为SW向，出现频率为7.48%。强浪向ENE向，次强浪向NE向。

曹妃甸海域潮流运动形式基本呈往复流运动。但由于受地形变化影响，随测站位置不同，其流向也有所变化。而在距甸头和浅滩较近海区，由于受到滩面的阻水作用和岬角的挑流作用，使得该处的流向有顺岸或者沿等深线方向流动的趋势。

从曹妃甸附近海域的流场看，涨潮时水体呈自东向西运动，落潮时水体总体自西向东运动。在甸头附近的流场则显示出了比较明显的岬角效应，涨落潮水流在该范围水域受地形影响较大，水流表现为明显的往复流性质，且流向集中，流速较大。在矿石码头三期工程附近水域，潮流呈往复流运动，拟建码头前沿大、小潮涨落潮平均流向为263°～79°，大潮最大流速对应的涨、落潮流向分别为259°～76°。附近水域的流速分布具有外海大于近岸的特点。

2 码头岸线方位布置研究

2.1 方案设计

根据《唐山港总体规划（修订）》[1]，本工程位于曹妃甸甸头深水区，已建矿石码头一期工程的东侧，共建设2个25万t级的散货泊位（码头结构按照40万t级进行设计），两泊位呈“一”字形布置。码头结构采用高桩墩式结构。

根据《海港总体设计规范》相关条文计算，40万t级散货船的码头前沿设计底高程为-25 m。为了充分利用甸头区的深水资源并避免港池的疏浚作业，本工程将码头岸线布置在-25 m等深线上。

对于开敞式码头，横风、横流和横浪对船舶的作用力远大于顺风、顺流、顺浪。为此在选择码头轴线时，尽可能要顺风、顺流、顺浪布置；且波浪和海流对船舶起到重要的影响。考虑到本工程码头所处海域的大、小潮流平均流向为263°～79°，并结合码头前沿线-25 m等深线的走向，综合考虑后码头方位角确定为90°～270°。

2.2 潮流数学模型试验分析

对于上述的码头布置方案，通过潮流数学模型试验[2]，研究本工程实施后附近水域的流场变化以及码头前沿的流速流向情况。潮流数模结果表明：

1）针对码头布置方案，工程实施后，曹妃甸海域的流场基本没有变化，由于本工程码头采用桩墩结构，对水流的影响仅在码头附近局部水域。

2）本工程码头前沿水域主要受东向及东北向涨潮流、西向落潮流影响，各时刻水流较为平顺，没有明显的环流产生。涨落潮过程中，水流与拟建码头均存在夹角，该夹角在涨、落急时刻分别达到最大，且涨潮流方向形成的夹角（17°）大于落潮流方向形成的夹角（8°）。

3）工程实施后，其码头前沿水域和东北侧水域流速有所减弱，矿石一期码头前沿流速略有减小。该工程实施对甸头深槽水域已建和预留项目水域均没有影响。

4）本工程码头前沿的涨、落急时刻的流向范围在253°～270°和82°～94°，其中码头东端与设计轴线夹角最大，涨、落急分别为17°、8°。水流与码头形成的最大涨、落潮横流分量位于码头东端，分别为0.29 m/s、0.14 m/s。

由试验结果可知，本工程码头总平面布置方案较为合理。但码头东端（3a点）涨潮流速最大到0.97 m/s，流向与船舶纵轴线夹角较大（17°），因此在项目运营中，码头东端的靠、系泊作业要加强管理，保证船舶安全。

3 码头岸线长度优化设计

3.1 码头泊位长度设计

码头泊位长度需要考虑船舶安全靠离、装卸作业以及系缆的要求。根据《海港总体设计规范》要求，对于一字形布置的25万t级散货泊位，其富裕长度取为40 m。但考虑到该码头处在完全开敞的条件下，且船舶吨级较大，停泊作业条件要求艏艉缆绳的长度和泊位富裕长度均需适当加大。为此，参考相邻已建工程的设计和使用情况，本工程泊位两端的富裕长度增加到50 m。码头泊位总长度为50+325+40+325+50=790 m。为了节省工程投资，本工程西侧的艏艉系缆墩可与已建成的矿石码头一期工程的系缆墩共用；而东侧则新建一座系缆墩，通过钢桥与连片式码头段相连。为此，本工程实际新建连片式码头结构长度为778 m。详见图2。

图2 潮流特征点布置及泊位长度示意

3.2 模型试验分析

为了进一步验证在风、浪、流作业下，船舶装卸作业过程的安全性，本工程进行了系泊船舶运动物理模型试验和数学模型试验。

1）物理模型试验[3]

物理模型试验采用30万t级散货船作为试验船型，主要测定系泊船舶在波浪、水流和风作用下，在不同水位、不同装载状态时船舶的横移、纵移、横摇、纵摇、升沉、回转等运动量以及船舶的系缆力和撞击力。共设24根缆，缆绳采用周径为12英寸的尼龙缆，缆绳破断力为1 500 kN。其中，缆绳布置分为艏缆6根、艏横缆4根、艏倒缆2根、艉缆6根、艉横缆4根、艉倒缆2根。

试验结果表明：对于30万t级散货船而言，在给定风速（Vf=22 m/s）、浪（H4%=1.8 m或2.0 m）、流（见表1）的联合作用下，各工况时各组缆绳的系缆力均未超过缆绳破断力，系泊是安全的。但较多工况下，横移量超过了船舶安全作业允许的运动量（抓斗卸船机为1 m），最大值达到1.74 m。表1给出了压载、设计高水位及吹开风作用工况下系缆力及船舶运动量的试验结果。

表1 风、浪、流联合作用下系泊试验结果

本工程横移量较大的原因主要在于码头东部受等深线变化的影响存在253°的涨潮流，流向与船舶纵轴线形成约17°的夹角，流速可达0.97 m/s。当码头前的水流达到一定速度且流向与船舶的夹角也较大时，流压力将带来船舶运动量的增加。

2）数学模型试验[4]

针对物理模型试验的结果：涨潮流及相应风浪组合条件作用下船舶的横移量过大，对船舶装卸作业产生不利影响。为此，设计过程中对系缆墩布置进行优化，将东侧系缆墩转向90°并向后移，同时在系缆墩后方增设1个系船柱，从而加强对船舶横移的约束，以减少船舶的横移量。

本工程对系缆墩优化布置前后两种工况分别进行了数学模型试验（采用船舶系缆系统分析的软件OPTIMOOR），试验结果表明：将码头东侧的系缆墩转向并后移对约束船舶的运动量确实有帮助，纵移的最大位移量从1.1 m降到0.7 m，横移的最大位移量从2.1 m降到1.7 m。而最大的缆绳系缆力从调整前占破断力的43%降到37%，且缆绳的受力更加均匀。

图3 转向后的东侧系缆墩布置

4 结 语

通过以上分析论证、并基于物理模型和数学模型论证的基础上，本工程连片式码头结构长度定为778 m是合理的，降低了码头工程造价。

通过将码头东侧的系缆墩转向90°并向后移，同时增加后方系船柱，可以有效加强对船舶的横移约束，减小船舶的横移量并使缆绳的受力更加均匀，实现了码头平面布置的优化。

本工程2015年9月试运行，截至2019年10月底已累计接卸船舶823艘次，其中20万t级以下船舶325艘次、20万～25万t级船舶274艘次、25万t级以上船舶224艘次，码头设施、装卸设备等均能满足到港船舶装卸要求。