戚秀蓮

（洋山同盛港口建設(shè)有限公司，上海201308）

上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)目前已建成一期、二期、三期工程，共形成5.6 km深水集裝箱碼頭岸線、16個(gè)大型集裝箱泊位，圍海成陸近8 km2，集裝箱年設(shè)計(jì)吞吐能力達(dá)930萬(wàn)標(biāo)準(zhǔn)箱，使上?？诎督有哆h(yuǎn)洋干線集裝箱班輪的能力發(fā)生了質(zhì)的飛躍，參與國(guó)際集裝箱運(yùn)輸?shù)母?jìng)爭(zhēng)能力得到了進(jìn)一步提升。

近年來(lái)，隨著洋山深水港的建設(shè)，相關(guān)的研究成果愈加豐富［1-7］。然而針對(duì)港區(qū)岸線選線的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文通過(guò)數(shù)學(xué)模型［8］、物理模型［9］方法，加上船舶通航安全模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)［10］，對(duì)三期工程碼頭和駁岸線走向進(jìn)行了專題研究，使其既不影響已投產(chǎn)的一期港區(qū)前沿水流，又能最大限度地滿足三期東端泊位的靠離泊安全，確保港區(qū)安全高效運(yùn)行。

1 洋山深水港概況

洋山深水港是上海國(guó)際航運(yùn)中心的主體港區(qū)，位于中國(guó)浙江舟山嵊泗崎嶇列島海域，東南距大洋山島約4 km，東北距嵊泗菜園鎮(zhèn)約40 km，西北與上海蘆潮港相隔約32 km，北距長(zhǎng)江口燈船72 km，南至寧波北侖港約90 km，東經(jīng)黃澤洋直通外海，與國(guó)際遠(yuǎn)洋習(xí)慣航線相距約104 km。洋山深水港區(qū)通過(guò)橫跨杭州灣北部海域的東海大橋與上海A2高速公路相連接，集疏運(yùn)道路暢通。

1.1 港區(qū)規(guī)劃

根據(jù)洋山深水港總體規(guī)劃，港區(qū)由大、小洋山南北兩島鏈組成，北島鏈（下稱“北港區(qū)”）位于小洋山側(cè)，由小烏龜山至小巖礁的13個(gè)小島礁形成，規(guī)劃岸線長(zhǎng)約10 km，可布置3 000～150 000 t等級(jí)集裝箱泊位近30個(gè)（其中水深-16.0 m以上的主力泊位岸線合計(jì)5.6 km，大型集裝箱專用泊位16個(gè)），計(jì)劃分四期建設(shè)，總體約于2015年全面建成，屆時(shí)集裝箱吞吐能力可達(dá)到1 500萬(wàn)TEU以上。南島鏈位于大洋山側(cè)，根據(jù)需要規(guī)劃集裝箱泊位和若干配套泊位。

1.2 建設(shè)進(jìn)展和計(jì)劃

根據(jù)規(guī)劃和工程建設(shè)總體安排，北港區(qū)規(guī)劃岸線由東向西依次布置三期、一期、二期、四期。其中一期港區(qū)規(guī)劃岸線長(zhǎng)1 600 m、5個(gè)集裝箱船舶的泊位（碼頭結(jié)構(gòu)兼顧8 000標(biāo)準(zhǔn)箱船舶的靠泊要求），陸域面積約153萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)年吞吐能力220萬(wàn)TEU，2002年6月26日正式開(kāi)工，2005年12月建成并投入運(yùn)行；二期工程碼頭岸線長(zhǎng)1 400 m、4個(gè)集裝箱泊位，陸域面積約88萬(wàn)m2，設(shè)計(jì)年吞吐能力210萬(wàn)TEU，2006年底建成；三期工程碼頭岸線長(zhǎng)2 600 m、7個(gè)大型集裝箱泊位，設(shè)計(jì)年吞吐能力500萬(wàn)TEU，2008年底前全部建成；四期工程規(guī)劃岸線長(zhǎng)近4 000 m、可布置十余個(gè)大小集裝箱泊位，根據(jù)航運(yùn)發(fā)展和工程建設(shè)實(shí)際，規(guī)劃于2015年前基本建成。

2 港區(qū)自然條件［1，7，11］

2.1 風(fēng)況

海區(qū)的潮汐類型受冬、夏季風(fēng)影響，全年多偏N和偏SE向風(fēng)，風(fēng)向季節(jié)變化明顯，3～8月多偏SE向風(fēng)，9月～翌年2月多偏N向風(fēng)。根據(jù)金雞門站1997年9月～2003年8月間實(shí)測(cè)資料，最大風(fēng)速出現(xiàn)在NNW向，為29.1 m/s，其次分別為 NNE 向（24.8 m/s）和 N 向（24.4 m/s）。

2.2 潮汐

屬非正規(guī)淺海半日潮型，潮汐日不等現(xiàn)象較明顯，一般表現(xiàn)為從春分至秋分夜潮大于日潮、從秋分至春分日潮大于夜潮。平均漲潮歷時(shí)為5 h51 min，平均落潮歷時(shí)為6 h34 min。

2.3 波浪

根據(jù)工程前測(cè)波資料分析：工程海以風(fēng)浪為主，常浪向?yàn)镹、NNE向，次常浪向?yàn)镹E、E向；強(qiáng)浪向?yàn)閃NW、NE向，最大波高H1/10=2.7 m，T=4.9 s，次強(qiáng)浪向?yàn)镾SE向和NNW向，H1/10分別為2.5 m和2.3 m。從周期來(lái)看，4 s以上周期占全年2.4%～4.4%；最大周期7.4 s，出現(xiàn)在NW向，其次為6.8 s，出現(xiàn)在SE向。

2.4 潮流

（1）潮流性質(zhì)。洋山海域潮流屬不規(guī)則半日淺海潮流性質(zhì)，潮流作用強(qiáng)勁，潮流運(yùn)動(dòng)呈明顯的往復(fù)流形態(tài)。

（2）港區(qū)潮流。根據(jù)2005年4月實(shí)測(cè)資料，三期工程碼頭前沿漲潮最大垂線平均流速1.48 m/s，落潮最大垂線平均流速為1.34 m/s。漲潮平均流向294°，落潮平均流向124°。2005年10月實(shí)測(cè)資料，調(diào)頭區(qū)最大漲潮垂線平均流速1.81 m/s，平均流向296°，最大落潮平均流速1.61 m/s，平均流向120°。

（3）東口門潮流。東口門斷面漲、落潮流均強(qiáng)勁，大潮漲潮最大垂線平均流速1.43～1.95 m/s，落潮最大垂線平均流速1.96～2.11 m/s，最大流速均發(fā)生在航道中間及靠小巖礁?jìng)?cè)，靠大洋山側(cè)流速相對(duì)較小。東口門斷面漲、落潮平均流向比較穩(wěn)定，無(wú)論大、中、小潮，漲潮流向均約為279°，落潮流向約為113°。

3 三期工程碼頭和駁岸線走向研究

三期工程位于洋山深水港北港區(qū)的最東端，處于小巖礁山體西側(cè)，臨近進(jìn)港口門，且與對(duì)岸大洋山島鏈相距不到1 000 m。受小巖礁和大小洋山島鏈自然縮窄形成的小口門的影響，三期工程特別是東端泊位前沿的水流條件復(fù)雜。在這種情況下，岸線走向關(guān)系到一期碼頭的安全運(yùn)行，更直接影響到三期港區(qū)前沿水流流態(tài)的平穩(wěn)、船舶靠離泊安全，特別是三期東端泊位靠離泊的安全。為確保三期港區(qū)安全高效運(yùn)行，工程建設(shè)對(duì)三期岸線走向重點(diǎn)進(jìn)行數(shù)學(xué)模型和物理模型的試驗(yàn)研究，并輔以船舶通航安全模擬試驗(yàn)分析評(píng)價(jià)。

3.1 二維潮流數(shù)學(xué)模型研究［8］

結(jié)合工程范圍地形地貌，三期碼頭前沿線走向取一期碼頭東端連接大小巖礁，按角度（取126°、124°、120°、117°4種方案）、碼頭結(jié)構(gòu)（分棧橋式、滿堂式2種方案）、小巖礁山體處理方式（有局部、全部炸除2種方案），進(jìn)行了5組13種組合試驗(yàn)。數(shù)學(xué)模型研究結(jié)果表明：

（1）實(shí)施三期工程必將封堵鑊蓋塘—小巖礁汊道，由此小洋山側(cè)兩大通道均被封堵（一期工程已先期封堵了小洋山—鑊蓋塘汊道）。試驗(yàn)表明，汊道封堵后消除了進(jìn)出主通道的側(cè)向水流，碼頭前沿與港池、航道段受碼頭駁岸的導(dǎo)流作用，各方案后流向均貼于岸線走向流動(dòng)，且整個(gè)區(qū)域內(nèi)基本沒(méi)有出現(xiàn)回流。在小巖礁附近，由于水下礁盤體造成的局部水深地形變化，在漲、落潮時(shí)，其下游背流區(qū)則有局部回流現(xiàn)象。

（2）從潮流強(qiáng)度和流態(tài)來(lái)看，小巖礁全炸方案是模擬組合中最理想的方案，但該方案水下炸礁工程量巨大，施工工期長(zhǎng)，須進(jìn)一步綜合論證實(shí)施可行性。

（3）同一方位的駁岸線，棧橋式碼頭與滿堂式碼頭方案之間的流速變化，只在距碼頭前沿50 m以內(nèi)。距碼頭前沿10 m，各方案計(jì)算后，棧橋式碼頭方案漲、落潮最大流速較滿堂式碼頭方案分別小5%～8%，7%～9%。距碼頭前沿30 m，棧橋式碼頭方案漲、落潮最大流速較滿堂式碼頭方案分別小3%～4%，4%～5%。在距碼頭岸線50 m以外的港池調(diào)頭區(qū)水域，兩種碼頭結(jié)構(gòu)方案計(jì)算后的流速變化量，只在正負(fù)1%～2%的范圍內(nèi)。

（4）各方案實(shí)施后，漲、落潮量呈東口增加、西口減少。窄口段的流速有所增加，漲潮流速的增加幅度大于落潮，與小巖礁連接方案增加幅度大于大巖礁連接方案，但其流速絕對(duì)值仍然保持落潮流速大于漲潮流速的規(guī)律。

（5）由表1駁岸線方案碼頭前沿最大流速變化來(lái)看，126°岸線走向流速變化最小，相比之下，此方案稍優(yōu)。

表1 棧橋式碼頭與滿堂式碼頭方案比較Tab.1 Comparison of open-type wharf plan and close-type wharf plan

3.2 定床潮流物理模型研究［9］

3.2.1 工程方案組次［9］

結(jié)合數(shù)模計(jì)算，潮位、流速、流向均與原型基本一致，模型通過(guò)驗(yàn)證，對(duì)碼頭岸線走向、碼頭型式、小巖礁治理及小巖礁—中門堂岸線整治等項(xiàng)工程的不同組合，提出了4組方案14種組合，其中碼頭岸線4種走向：126°、117°與小巖礁相連，120°連至大小巖礁之間，117°與大巖礁相連；碼頭型式3種：滿堂式、棧橋式、長(zhǎng)棧橋式；小巖礁治理方案3種：保留現(xiàn)狀、削角和全部炸除（后2種均按1：1坡度炸至-18 m）；小巖礁—中門堂分自然形態(tài)和建堤2種布置形式。岸線走向126°、小巖礁削角、建堤的2種碼頭結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 三期港區(qū)各方案布置示意圖Fig.1 Sketch of different plans of the Phase III Project

3.2.2 模型試驗(yàn)結(jié)果分析

物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）滿堂式、棧橋式、長(zhǎng)棧橋式3種碼頭結(jié)構(gòu)形式對(duì)已建一、二期港區(qū)和續(xù)建的三期港區(qū)水流強(qiáng)度基本沒(méi)有影響，從流態(tài)來(lái)看，滿堂式優(yōu)于棧橋式。（2）不同的碼頭岸線走向方案實(shí)施后，三期港區(qū)有漲潮水流強(qiáng)度增加、落潮水流強(qiáng)度減小的變化，但仍小于一、二期港區(qū)。鑒于三期港區(qū)緊鄰窄口強(qiáng)流區(qū)，必須模擬論證船舶航行和靠離泊安全。（3）從流態(tài)角度來(lái)看，以117°碼頭岸線，小巖礁炸除方案最為理想，其次是126°走向岸線、小巖礁削角方案，其后是126°走向岸線，小巖礁保留方案。（4）120°方案、小巖礁削角方案實(shí)施后，三期港區(qū)淤?gòu)?qiáng)略大于一期，但小于二期。

綜上所述，126°保留小巖礁、小巖礁—中門堂筑堤是可行方案；126°岸線、小巖礁削角（標(biāo)高－18.0 m、削礁量約50萬(wàn)m3、結(jié)合自然條件等情況后工期預(yù)計(jì)近1 a）、小巖礁—中門堂筑堤方案相對(duì)較好；117°岸線、小巖礁炸除、中門堂—西門堂相連方案最為理想，但工期長(zhǎng)、投資大且限制了后續(xù)發(fā)展。從工程投資、建設(shè)工期、港區(qū)發(fā)展、船舶安全航行等條件綜合考慮，126°岸線、小巖礁削角、小巖礁—中門堂筑堤為三期港區(qū)現(xiàn)實(shí)可行的方案。

4 安全模擬試驗(yàn)和實(shí)際靠離泊情況［10］

通過(guò)數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)研究，三期港區(qū)碼頭岸線走向擬取126°、小巖礁削角方案。為確保港區(qū)安全高效運(yùn)行，研究進(jìn)一步采用船舶通行和靠離泊模擬試驗(yàn)，評(píng)價(jià)船舶進(jìn)出港和靠離泊操縱的安全性。

4.1 模型試驗(yàn)條件

模擬試驗(yàn)采用的港區(qū)平面：根據(jù)數(shù)模、物模研究，結(jié)合自然條件、設(shè)計(jì)船型、實(shí)際工藝流程等，安全模擬試驗(yàn)采用設(shè)計(jì)提出的三期港區(qū)平面布置，即泊位長(zhǎng)度2 600 m，泊位走向126°～306°，碼頭前沿停泊水域115 m，碼頭前沿設(shè)計(jì)泥面標(biāo)高-17.5 m；回旋水域沿水流方向?yàn)? 400 m（3.5倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)），垂直水流方向?yàn)?00 m（2.0倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)）。

模擬試驗(yàn)流場(chǎng)選擇：鑒于物模、數(shù)模獲得的流場(chǎng)基本相同，但物模僅反映幾個(gè)點(diǎn)，而數(shù)模反映了工程范圍內(nèi)的流態(tài)情況，故船舶航行試驗(yàn)的流場(chǎng)采用數(shù)模結(jié)果。

模擬試驗(yàn)船型選擇：采用10萬(wàn)t級(jí)集裝箱船，主要技術(shù)參數(shù)如表2。該類船型主機(jī)馬力大、航速快、受風(fēng)面積大、保向性能較好、回轉(zhuǎn)性能相對(duì)較差、配有用于低速時(shí)保向和調(diào)頭及靠離泊操縱的船艏側(cè)推器。

模擬試驗(yàn)拖輪配置：設(shè)集裝箱船在橫向靠泊過(guò)程中作勻速橫向運(yùn)動(dòng)，則所需的拖輪力等于風(fēng)浪流作用力的總和。根據(jù)不同風(fēng)浪流條件計(jì)算可知：10萬(wàn)t級(jí)集裝箱船靠離泊，在6級(jí)橫風(fēng)時(shí)約需2艘6 000 HP的拖輪；在7級(jí)橫風(fēng)時(shí)約需3艘6 000 HP的拖輪；在8級(jí)橫風(fēng)時(shí)約需4艘6 000 HP的拖輪（實(shí)際船舶靠離泊時(shí)，可根據(jù)實(shí)際船舶側(cè)推器功率，減少拖輪的配置）。

模擬試驗(yàn)工況：鑒于洋山海域8級(jí)風(fēng)以下可運(yùn)行的實(shí)際，根據(jù)風(fēng)況（7級(jí)、8級(jí)兩種）、潮流（漲急、落急兩種）、風(fēng)向（吹攏、吹開(kāi)兩種）、波浪（波高1 m、波長(zhǎng)20 m、橫浪）等工況進(jìn)行16組次試驗(yàn)。

表2 試驗(yàn)船型主要技術(shù)參數(shù)Tab.2 Main technical parameters of test ship types

4.2 模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，三期工程港區(qū)的西部與中部水流條件良好，靠泊條件優(yōu)于三期東端泊位。

（2）在風(fēng)浪流的影響下，配備足夠的拖輪，總體滿足三期港區(qū)安全靠離泊要求，其中10萬(wàn)t級(jí)集裝箱船，在7級(jí)橫風(fēng)、1.0 m橫浪、急漲（急落）時(shí)采用3艘6 000 HP拖輪；在8級(jí)橫風(fēng)、1.0 m橫浪、急漲（急落）時(shí)采用4艘6 000 HP拖輪。

（3）三期東部泊位：由于東口門處流速和流向變化均較大，同時(shí)東端泊位近小巖礁距東口門較近，船舶急落潮進(jìn)港時(shí)，在大風(fēng)的影響下，為確保安全，必須抵達(dá)小巖礁調(diào)順船位和航向后才能仃車淌航。船舶落潮離泊（漲水靠）時(shí)，由于港池落潮流向與碼頭走向有一定夾角，必須避免吹攏風(fēng)使船舶離泊后很快向碼頭一側(cè)壓攏的現(xiàn)象，確保船舶安全出港，建議東部泊位應(yīng)盡量避免船舶在急落流靠泊和急漲流離泊。

4.3 實(shí)際靠離泊情況

三期工程碼頭岸線長(zhǎng)2 600 m、7個(gè)大型集裝箱泊位，其中1 350 m、4個(gè)集裝箱泊位先期于2007年建成投產(chǎn)，2008年底三期工程全線建成，由此標(biāo)志著洋山深水港主體港區(qū)全面建成。實(shí)際運(yùn)行表明：

（1）10萬(wàn)t級(jí)集裝箱船，在8級(jí)風(fēng)以下，急漲（急落）流離泊出港，需3艘6 000 HP拖輪協(xié)助，在風(fēng)向不好或船舶載箱量少時(shí)，需4艘6 000 HP拖輪協(xié)助。

（2）鑒于東端泊位水流復(fù)雜，運(yùn)行過(guò)程中船舶盡量避免了在急落流靠泊和急漲流離泊，確保安全。

（3）船舶在碼頭前沿急流時(shí)掉頭，整個(gè)掉頭過(guò)程中船身向下游漂移的距離為800～900 m，與試驗(yàn)結(jié)果3倍船長(zhǎng)相吻合。

先后近兩年的運(yùn)行情況與模擬試驗(yàn)情況吻合，表明三期碼頭岸線走向合理。

5 結(jié)論

上海洋山深水港區(qū)三期工程碼頭和駁岸線走向的數(shù)學(xué)模型、物理模型研究結(jié)果顯示，綜合考慮工程投資、建設(shè)工期、港區(qū)發(fā)展、船舶安全航行等條件，126°岸線、小巖礁削角、小巖礁—中門堂筑堤為三期港區(qū)現(xiàn)實(shí)可行的方案。船舶航行安全論證和近兩年來(lái)的實(shí)際運(yùn)行情況表明，模型研究確定的三期碼頭岸線走向合理，在拖輪的配合下能夠滿足船舶安全靠離泊的需要。

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［9］交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所.上海國(guó)際航運(yùn)中心洋山深水港區(qū)后續(xù)工程（東側(cè)）建設(shè)方案潮流物理模型研究［R］.天津：交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2004.

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