合理确定大型开敞式码头前沿设计水深

合理确定大型开敞式码头前沿设计水深

常雪峰，龙晓警

【摘 要】摘要：合理确定的码头前沿设计水深，既能满足船舶安全作业的要求，又能使码头达到预期的运营效果。本文根据现行规范的要求，并结合实际工程项目，对大型开敞式码头前沿设计水深的计算进行了探讨。 【期刊名称】港工技术 【年(卷),期】2015(000)002 【总页数】3

【关键词】码头前沿设计水深；大型；允许船舶运动量；允许波高

引 言

近年来，随着船舶大型化的不断发展，近岸优良深水港湾的逐渐缺乏，及环境生态保护的要求，在外海建设的大型开敞式泊位越来越多。合理的码头前沿设计水深，既能确保船舶作业的安全，也能使码头达到预期的运营效果。本文根据现行规范[1]的要求，结合实际工程项目，探讨了如何合理确定大型开敞式码头的前沿设计水深，供类似工程的设计者参考。

1 现行规范对前沿设计水深的规定

根据现行规范[1]规定，开敞式码头的前沿设计水深可按下列公式确定： D=T+Z1+Z2+Z3+Z4 Z2=K1H4%

式中：T 为设计船型满载吃水； Z1 为龙骨下最小富裕深度； Z2 为波浪富裕深度；

Z3 为船舶因配载不均而增加的船尾吃水值； Z4 为备淤富裕深度。

规范[1]对公式中各项计算取值都有明确要求，如果某港址海底底质为含淤泥的砂、含粘土的砂和松砂土，允许停泊的顺浪2.5 m，横浪2.0 m，则不同等级的码头前沿设计水深以散货15 万t 级、20 万t 级、30 万t 级船型为例，计算结果如表1。

由表1 中计算可知，虽然船型等级不同，但富裕水深的计算结果一致，均为1.85 m，详见表2；

这是因为Z1 的取值只与码头处的底质有关，Z2的取值只与允许停泊的波高有关，而Z3、Z4 的取值与船型和疏浚维护相关，对于某一码头工程项目而言，基本为定值；但这样得出的计算结果似乎与船型大小无关，显然是不尽合理的，所以在规范第5.4.12.2 条同时规定了“开敞式大型码头前沿设计水深尚不宜小于1.1 倍船舶满载吃水，必要时应经物理模型验证”，这就把码头前沿设计水深的确定与设计船型的大小关联起来。故应对表1 中关于30 万t 级船型的计算结果进行修正，修正后的码头前沿设计水深为1.1×23.0=25.3 m；至此按照现行规范完成了计算，30 万t 级码头前沿设计水深为25.3 m。

2 码头前沿水深要适应装卸作业的要求

上述计算结果能够满足船舶安全停靠要求、并获得足够的码头作业天，以达到我们预期的效果吗？首先我们研究一下允许船舶进行装卸作业的标准。除了原规范中对允许波高、允许风力、降水、能见度、雷暴等的相关规定外，我们越来越关注船舶运动的本身。我们知道在船舶停靠泊位时，由于波浪、潮流、风等综合作用，船舶会产生纵移、横移、升沉、回转、纵摇、横摇等几个维度的

运动，其运动量的大小是决定船舶是否能进行安全作业的关键因素。在现行规范中给出了不同类型船舶在采取不同装卸设备作业时允许的船舶运动分量限值。其中关于散货船的允许运动量限值见表3。

表3 给出的六个维度的船舶运动量限制中，两个数据对码头前沿设计水深的确定影响很大，就是船舶的升沉量和纵摇。如果我们允许船舶停泊作业时出现以上运动量，那么什么样的码头前沿设计水深才能适应这种运动量的要求呢？我们还是以15～30 万t 级散货船型为例进行计算，结果见表4。对比表1、表4 的计算结果可见，船舶在装卸工艺允许作业的状态时，其升沉和纵摇运动分量对计算码头前沿设计水深的影响是非常大的；较规范中的常规计算分别增加了21.62 %～26.73 %，见表5。

这样的计算结果说明，从允许码头装卸作业的船舶运动量角度，对码头前沿设计水深提出了相对更高的要求；但是，如果我们按照这一标准来确定码头前沿设计水深，将导致码头前沿设计水深普遍偏大，造成工程投资的浪费。如果按照表1 中的计算结果来取值，由于码头前沿设计水深偏小，对船舶运动量提出了更加严格的限制条件，在码头装卸作业还被允许时，水深已经不能满足船舶运动量的要求，必须离泊；这直接影响了泊位装卸作业效率的发挥，也浪费了有限的深水岸线资源。

规范中同时还给出了泊位允许作业的波高，对15 万t 级以上的散货船要求顺浪不宜超过2.0 m，横浪不宜超过1.5 m，平均周期不大于8 s；而外海开敞式布置的大型码头，其位置处的波高和周期往往会超过这一允许的作业标准，但船舶运动量还经常是远远没有达到允许的限值（按装卸工艺要求码头还可以安全作业），这时，我们是按波浪限制条件停止码头装卸作业呢？还是按工艺允许

的船舶运动量限值要求继续作业呢？

面对这一问题，我们认为规范中笼统的将15 万t 级以上散货船的波浪作业标准统一为同一组数据是不合适的，应进一步研究船舶运动量及拖轮协助作业安全等给出合理的波浪限制条件。对于外海大型开敞式码头来说，船舶运动量是否适应装卸工艺要求的研究已经成为合理确定码头前沿设计水深的关键因素。

3 合理确定码头前沿设计水深

前面我们已经论述，由于开敞式码头的作业条件相对较差，在确定码头前沿设计水深时应重点考虑船舶运动量的影响；尤其在较长周期的顺浪作用下，船舶会发生较大的纵摇角度，对码头前沿设计水深影响较大，更应引起足够的重视。 现以南美某30 万t 级矿石码头为例，研究确定码头前沿设计水深及波浪作业标准。该工程位置处水深条件较好，距岸约1.5 km 处，水深达30 m。波浪以SW 向为主，短期实测波高大于2 m 的波浪出现频率24.24 %，实测平均周期大于8 s 的出现频率为58.98 %，波况较为恶劣。接岸栈桥和码头方位均与自然岸线垂直，基本为SW 向顺浪布置。

鉴于本工程波况的恶劣程度，如按我国规范对允许作业波浪的限制，则损失的作业天太多，严重限制了码头作业效率，工程可行性受到质疑。为论证本工程建设的可行性，工程中做了大量的计算分析和试验研究，现仅对船舶运动分析和合理确定码头前沿设计水深介绍如下：

为了解在各种波浪条件下产生的船舶运动量，进行了物理模型试验，并进行了各种组合研究，大多情况下船舶产生的运动量都在装卸工艺允许的范围内，综合考虑各种影响因素，确定的允许运动量详见表6。 根据试验结果计算码头前沿设计水深，见表7。

因此，码头应布置在大于27 m 水深处。对应的码头作业条件为波高不大于2.5 m，周期不大于12 s。

4 其他影响码头前沿设计水深的因素

在研究确定码头轴线时，我们会尽量做到顺流、顺浪、顺风等，但难以同时满足；一般会考虑主要影响因素和总体布局的协调来确定码头轴线方位。当出现不可避免的横向流，流速又较大时，就要设法减少横流带来的不利影响，方法之一就是增大富裕水深。

根据相关研究，船舶龙骨下富裕水深与水流作用力的关系见表8。

从表8 可见，当加大龙骨下富裕水深时，流的作用力会大幅减小；这种特性在水深条件好、流速较大的海域布置开敞式码头时应给予考虑。

5 结 语

1）根据规范[1]中给出的计算公式计算的大型开敞式码头前沿设计水深值明显偏小，船型越大越明显，甚至达不到船舶满载吃水的1.1 倍。

2）开敞式码头很多情况下会超过允许作业波浪标准（规范[1]表5.4.27），但并不会达到限制的船舶运动量（规范[1]表5.4.29），船舶还可以安全作业，也就是说衡量开敞式码头是否能安全作业的控制因素往往是船舶运动量。

3）大型开敞式码头的前沿设计水深不能用规范[1]5.4.12.1 中的公式计算，应重点考虑船舶运动的要求，及水流作用的影响等结合模型研究合理确定；在没有进行相关模型研究的情况下，建议按规范[1]5.4.12.3 中关于“可行性研究或方案阶段”的估算标准（1.15-1.2 倍的满载吃水）进行设计阶段的取值。 参考文献：

[1] JTS165-2013 海港总体设计规范［S］.

[2] 石油公司国际海事论坛（OCIMF）.1992 年系泊设备指南［M］. DOI: 10.16403/j.cnki.ggjs20150204