王強(qiáng)，郭源媛

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)南山（山東）天然氣有限公司，山東 煙臺(tái) 264000；2.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200000）

0 引言

港口岸線(xiàn)是支撐區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、稀缺性資源。伴隨岸線(xiàn)資源的日益緊張，岸線(xiàn)的高效、集約利用也成為當(dāng)代港口發(fā)展的基本導(dǎo)向。優(yōu)化LNG 碼頭泊位長(zhǎng)度，不僅有利于提高港口岸線(xiàn)整體利用效率，而且直接關(guān)系到船舶系泊作業(yè)的穩(wěn)定性和安全性，因而一直是LNG 碼頭設(shè)計(jì)中的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)。根據(jù)調(diào)研，山東某工程碼頭泊位在目前國(guó)內(nèi)所有已建、在建15 萬(wàn)總噸LNG碼頭中泊位長(zhǎng)度最短。本文以此工程為研究背景，探討在岸線(xiàn)資源緊張的建設(shè)條件下，如何對(duì)LNG碼頭泊位長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)物理模型試驗(yàn)測(cè)定系泊船舶在波浪、水流和風(fēng)等聯(lián)合作用時(shí)，不同泊位長(zhǎng)度條件下，LNG 船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)及系纜力，為論證船舶安全系泊和作業(yè)提供科學(xué)依據(jù)，并對(duì)LNG 碼頭泊位長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)給出優(yōu)化建議，為同類(lèi)LNG 碼頭泊位長(zhǎng)度設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

1 工程案例

1.1 項(xiàng)目概況

工程[1]位于煙臺(tái)港龍口港區(qū)龍口作業(yè)區(qū)西凸堤液體散貨泊位區(qū)最北側(cè)LNG 泊位區(qū)的3 號(hào)泊位。龍口市位于膠東半島西北部，東與蓬萊、煙臺(tái)毗鄰，南與棲霞、濰坊市接壤，西臨渤海，隔渤海與天津、大連相望，其地理概位為：37°40′N(xiāo)，120°25′E。建設(shè)規(guī)模為新建15 萬(wàn)總噸級(jí)液化天然氣（LNG）碼頭泊位1 個(gè)，最大可靠泊26.6 萬(wàn)m3LNG船舶，設(shè)計(jì)年接卸能力500 萬(wàn)t，泊位設(shè)計(jì)年通過(guò)能力644.6 萬(wàn)t。

設(shè)計(jì)船型：本工程設(shè)計(jì)主力船型為8 萬(wàn)～18萬(wàn)m3的LNG 船，最大兼顧26.6 萬(wàn)m3LNG 船，按艙容統(tǒng)計(jì)的船型主要尺度見(jiàn)表1。從船型長(zhǎng)度來(lái)看，本項(xiàng)目需要兼容的船長(zhǎng)范圍為239~345 m，跨度較大。

表1 設(shè)計(jì)船型主要尺度Table 1 Main dimensions of the design ship type

1.2 泊位長(zhǎng)度優(yōu)化背景

工程位于已建4 號(hào)泊位西北側(cè)，已建4 號(hào)泊位為1 座10 萬(wàn)噸級(jí)（水工結(jié)構(gòu)15 萬(wàn)噸級(jí)）的散貨泊位，泊位岸線(xiàn)長(zhǎng)度360 m，與本工程岸線(xiàn)間距72 m。4 號(hào)泊位東南側(cè)為5 號(hào)、6 號(hào)散貨泊位，泊位岸線(xiàn)長(zhǎng)度607 m，碼頭等級(jí)為10 萬(wàn)噸級(jí)。根據(jù)《煙臺(tái)港龍口港區(qū)總體規(guī)劃方案調(diào)整》，4 號(hào)泊位、5 號(hào)泊位與本工程所在的1 140 m 岸線(xiàn)規(guī)劃為L(zhǎng)NG泊位岸線(xiàn)。工程相鄰泊位關(guān)系見(jiàn)圖1。

圖1 工程相鄰泊位關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of adjacent berths in the project

根據(jù)規(guī)范要求，LNG 船舶與其他貨類(lèi)船舶相鄰?fù)？繒r(shí)，船舶凈距不小于200 m。當(dāng)規(guī)劃的3號(hào)（即工程案例）、4 號(hào)泊位均建成為L(zhǎng)NG 泊位，LNG 船舶?？孔鳂I(yè)時(shí)，與5 號(hào)泊位船舶凈距需≥200 m，對(duì)5 號(hào)泊位運(yùn)營(yíng)有影響。為盡量減少對(duì)5號(hào)泊位的影響，需要對(duì)泊位長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

1.3 LNG 碼頭平面布置

案例工程碼頭前沿線(xiàn)位置、走向?yàn)橐呀? 號(hào)泊位的延長(zhǎng)線(xiàn)，方位角為（N144—N324）°，碼頭平面布置形式為開(kāi)敞式墩式碼頭，采用蝶形布置形式，由1 座工作平臺(tái)、2 座靠船墩、6 座系纜墩、聯(lián)系橋和補(bǔ)償平臺(tái)等組成，泊位長(zhǎng)度368 m。工程總平面布置見(jiàn)圖2。

圖2 工程總平面布置圖Fig.2 General layout of the project

工作平臺(tái)布置2 組護(hù)舷，護(hù)舷中心距為42 m；每個(gè)靠船墩各布置2 組護(hù)舷，護(hù)舷中心距分別為72 m 和116 m，滿(mǎn)足?？? 萬(wàn)～26.6 萬(wàn)m3LNG船舶?？恳?。各墩（或工作平臺(tái)）之間通過(guò)人行鋼便橋聯(lián)系，端部系纜墩與已建4 號(hào)泊位增設(shè)人行通道。工作平臺(tái)通過(guò)長(zhǎng)201.528 m、寬14 m 的引橋與陸域銜接。

2 泊位長(zhǎng)度分析

2.1 LNG 泊位調(diào)研

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有LNG 碼頭工程調(diào)研，近期完成的LNG 碼頭泊位長(zhǎng)度均有不同程度的優(yōu)化。研究統(tǒng)計(jì)了近年來(lái)國(guó)內(nèi)已建成的大型LNG 接收站碼頭的泊位長(zhǎng)度，見(jiàn)表2，發(fā)現(xiàn)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外大型LNG碼頭泊位長(zhǎng)度總體有縮短的趨勢(shì)。另外，目前國(guó)內(nèi)已建成的可接卸26.6 萬(wàn)m3船舶的LNG 碼頭是福建漳州LNG 碼頭，碼頭采用蝶形布置形式，泊位長(zhǎng)度370 m，其中系纜段356 m。

表2 國(guó)內(nèi)部分大型LNG 碼頭泊位表Table 2 Table of berths for some large LNG terminals in China

2.2 泊位長(zhǎng)度計(jì)算

碼頭采用蝶形布置形式，按照J(rèn)TS 165-5—2021《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，碼頭泊位長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足船舶安全靠泊、離泊和系泊作業(yè)要求，可取1.0~1.3 倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)。必要時(shí)，應(yīng)通過(guò)模型試驗(yàn)優(yōu)化確定，但不應(yīng)小于1 倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)。近年來(lái)大量的工程實(shí)例驗(yàn)證表明，LNG 碼頭長(zhǎng)度為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)的1.0～1.2 倍在使用過(guò)程中較為理想。根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，LNG 泊位之間的船舶凈距不應(yīng)小于0.3 倍最大設(shè)計(jì)船型船長(zhǎng)，且不應(yīng)小于35 m。

式中：L為設(shè)計(jì)代表船型長(zhǎng)度，m，26.6 萬(wàn)m3LNG船L=345 m；Lb為泊位長(zhǎng)度，m。

本項(xiàng)目LNG 碼頭卸船主力船型為8 萬(wàn)～18 萬(wàn)m3的LNG 船，最大兼顧26.6 萬(wàn)m3LNG 船，所需泊位長(zhǎng)度：

針對(duì)主力卸船船型18 萬(wàn)m3的LNG 船，Lb=（1.0~1.2）L=300~360 m；

考慮最大卸船船型26.6 萬(wàn)m3的LNG 船，Lb=（1.0~1.2）L=345~414 m；

考慮到岸線(xiàn)資源緊缺，在有限的建設(shè)條件下，優(yōu)先確保17.5 萬(wàn)m3LNG 主力船型有最優(yōu)的靠泊條件。根據(jù)JTS 165—2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，泊位端部要考慮系纜安全需求，同時(shí)考慮艏艉纜系船設(shè)施外側(cè)的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，首尾系纜墩結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度共14 m。案例工程泊位長(zhǎng)度取368 m，實(shí)際系纜長(zhǎng)度為354 m，滿(mǎn)足主力船型和兼顧最大船型規(guī)范要求的系泊長(zhǎng)度。

2.3 靠船墩間距計(jì)算

案例工程碼頭采用蝶形布置形式，根據(jù)《液化天然氣碼頭設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：墩式液化天然氣碼頭宜布置2 個(gè)靠船墩，兩墩中心間距可為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)的25%～45%。當(dāng)?？看筒顒e較大時(shí)，可設(shè)置輔助靠船墩。根據(jù)OCIMF[4]規(guī)定：墩式液化天然氣碼頭宜布置2 個(gè)靠船墩，兩墩中心間距可為設(shè)計(jì)船長(zhǎng)的25%~40%。各設(shè)計(jì)代表船型所需靠船墩中心間距見(jiàn)表3。

表3 靠船墩中心間距表Table 3 Center-to-center distance between berth piers

根據(jù)表3 可看出，由于船型尺度跨度較大，靠船墩中心間距范圍也較大。通過(guò)計(jì)算確定8 萬(wàn)~26.6 萬(wàn)m3LNG 船靠泊點(diǎn)位于工作平臺(tái)兩側(cè)的靠船墩，每個(gè)靠船墩布置2 組護(hù)舷，內(nèi)側(cè)護(hù)舷中心距為72 m，滿(mǎn)足8 萬(wàn)m3船型靠泊；外側(cè)護(hù)舷中心距為116 m，滿(mǎn)足14.7 萬(wàn)~26.6 萬(wàn)m3船型靠泊。綜合考慮靠泊船型特點(diǎn)和工藝對(duì)工作平臺(tái)的尺度要求，本工程碼頭工作平臺(tái)尺度確定為46 m×32 m，平臺(tái)兩側(cè)各布置1 個(gè)靠船墩，靠船墩尺度為28 m×16 m，每個(gè)靠船墩各布置2 組護(hù)舷，護(hù)舷中心距分別為72 m 和116 m。

為保證系泊船舶的穩(wěn)定及安全性，通過(guò)物理模型試驗(yàn)，對(duì)泊位長(zhǎng)度和纜繩的布置形式展開(kāi)研究，論證泊位長(zhǎng)度及碼頭平面布置方案的合理性。

3 物理模型試驗(yàn)分析

3.1 開(kāi)展系泊物理模型試驗(yàn)

目前關(guān)于船舶系泊條件的問(wèn)題，主要采用物模試驗(yàn)或數(shù)值分析2 種方法對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬[5]。近年來(lái)隨著外海開(kāi)敞式碼頭的大量建設(shè)，物理模型試驗(yàn)研究可以針對(duì)工程區(qū)域的風(fēng)、浪、流等動(dòng)力因素隨機(jī)性較強(qiáng)的特點(diǎn)，成為優(yōu)化碼頭系纜布置和泊位長(zhǎng)度的重要方法[6]。本研究通過(guò)系泊物理模型，選取368 m 和380 m 兩種都滿(mǎn)足船舶停泊要求的泊位長(zhǎng)度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，比選更優(yōu)方案。

案例項(xiàng)目的主力設(shè)計(jì)船型為艙容17.5 萬(wàn)m3LNG 船舶，最大接卸船型為艙容26.6 萬(wàn)m3LNG船舶。從船型長(zhǎng)度來(lái)看，本項(xiàng)目需要兼容的船長(zhǎng)范圍包括239~345 m。為確保17.5 萬(wàn)m3LNG 主力船型有最優(yōu)的系泊條件，碼頭長(zhǎng)度優(yōu)化主要基于17.5 萬(wàn)m3和26.6 萬(wàn)m3LNG 船型進(jìn)行分析。

3.2 泊位長(zhǎng)度對(duì)纜繩系泊角度的影響

17.5 萬(wàn)m3船舶系纜方式為3 ∶2 ∶2 ∶2 方式，即艏艉纜分別系在1 號(hào)和6 號(hào)系纜墩上，艏、艉橫1 組纜分別系在2 號(hào)和5 號(hào)系纜墩上，艏、艉橫2組纜分別系在3 號(hào)和4 號(hào)系纜墩上，艏、艉倒纜分別系在外側(cè)1 號(hào)和2 號(hào)靠船墩上。26.6 萬(wàn)m3船舶系纜方式為3∶2∶3∶2 方式，即艏艉纜分別系在1號(hào)和6 號(hào)系纜墩上，艏、艉橫1 組纜分別系在2號(hào)和5 號(hào)系纜墩上，艏、艉橫2 組纜分別系在3號(hào)和4 號(hào)系纜墩上，艏、艉倒纜分別系在外側(cè)1號(hào)和2 號(hào)靠船墩上。

圖3 和圖4 分別給出了在368 m 和380 m 兩種泊位長(zhǎng)度下17.5 萬(wàn)m3和26.6 萬(wàn)m3LNG 船舶的系泊狀態(tài)。

圖3 2 種泊位長(zhǎng)度下17.5 萬(wàn)m3LNG 船舶系泊狀態(tài)Fig.3 Moored condition of 175 000 m3 LNG ship with two berth lengths

圖4 2 種泊位長(zhǎng)度下26.6 萬(wàn)m3LNG 船舶系泊狀態(tài)Fig.4 Moored condition of 266 000 m3 LNG ship with two berth lengths

泊位長(zhǎng)度不同時(shí)，系泊船舶的艏艉纜及艏艉橫纜系纜點(diǎn)位置發(fā)生變化，主要改變的是各纜繩的長(zhǎng)度和系泊角度，但圖中可以看出2 個(gè)方案下，纜繩的長(zhǎng)度和角度未有明顯改變。

3.3 泊位長(zhǎng)度對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)量和系纜力影響

試驗(yàn)對(duì)比了368 m 和380 m 兩種泊位長(zhǎng)度下船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和纜繩張力，分析不同長(zhǎng)度的碼頭泊位對(duì)船舶運(yùn)動(dòng)量和系纜力大小的影響。由于船舶在壓載時(shí)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)整體大于滿(mǎn)載狀態(tài)，本節(jié)對(duì)比2 種泊位長(zhǎng)度在波浪、水流和風(fēng)聯(lián)合作用下，壓載工況下主力船型17.5 萬(wàn)m3LNG 船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和系纜力的部分試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4—表7。

表4 90°橫浪作用時(shí)系纜力試驗(yàn)結(jié)果Table 4 Test result of mooring force under 90°transverse-sea action

表5 90°橫浪+順流+吹開(kāi)風(fēng)作用時(shí)系纜力試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Test result of mooring force under combined action of 90°transverse-sea,downstream,offshore-wind

表6 0°順浪+順流+45°吹開(kāi)風(fēng)作用系纜力試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Test result of mooring force under combined action of 0°transverse-sea,downstream,45°offshore-wind

試驗(yàn)結(jié)果表明：

1） 整體而言，368 m 泊位長(zhǎng)度下，90°橫浪及90°橫浪+順流+吹開(kāi)風(fēng)作用時(shí)，船舶橫移運(yùn)動(dòng)略小于380 m 泊位長(zhǎng)度下的結(jié)果，艏艉纜纜力略微增大。

2） 368 m 泊位長(zhǎng)度下，0°順浪+順流+45°吹開(kāi)風(fēng)作用時(shí)，船舶縱移運(yùn)動(dòng)略大于380 m 泊位長(zhǎng)度下的結(jié)果，且倒纜纜力略大，但增大程度不大，兩者具備幾乎相同的抵抗縱向運(yùn)動(dòng)的能力。

3） 2 種泊位長(zhǎng)度下，盡管船舶橫移、縱移和纜繩張力等動(dòng)力響應(yīng)有一定的差別，但試驗(yàn)結(jié)果量級(jí)上是一致的。

綜合2 個(gè)泊位長(zhǎng)度船舶運(yùn)動(dòng)量和纜繩張力數(shù)據(jù)分析，總體上2 個(gè)泊位長(zhǎng)度方案均能滿(mǎn)足船舶使用要求，短泊位在限制船舶橫移運(yùn)動(dòng)方面略占優(yōu)。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

泊位長(zhǎng)度對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果顯示，90°橫浪作用時(shí)，368 m 泊位長(zhǎng)度下，船舶橫移運(yùn)動(dòng)小于380 m泊位長(zhǎng)度下的結(jié)果，艏艉纜纜力略微增大。0°順浪運(yùn)動(dòng)作用時(shí)，2 個(gè)方案下縱移運(yùn)動(dòng)相當(dāng)。泊位長(zhǎng)度采用368 m 時(shí)，對(duì)船舶的橫向約束效果更好?？梢?jiàn)，在滿(mǎn)足系纜力規(guī)范要求的情況下，適當(dāng)縮短泊位長(zhǎng)度，可以更好地限制船舶的橫移運(yùn)動(dòng)，更有利于提高船舶系泊的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

1） 通過(guò)物理模型試驗(yàn)驗(yàn)證，碼頭采用368 m方案時(shí)，可以滿(mǎn)足主力船型和最大船型的靠泊。并且采用短泊位方案，對(duì)船舶的橫向約束效果更好。

2） 在滿(mǎn)足系纜力規(guī)范要求的情況下，適當(dāng)縮短泊位長(zhǎng)度，可以更好地限制船舶的橫移運(yùn)動(dòng)，更有利于提高船舶系泊的安全性。

3） 短泊位為后續(xù)泊位建設(shè)提供了更加富裕的岸線(xiàn)尺度。在LNG 碼頭的建設(shè)中，為節(jié)約岸線(xiàn)資源，有效利用深水岸線(xiàn)，可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)量，在滿(mǎn)足最大船型靠泊的情況下，針對(duì)主力船型對(duì)碼頭泊位進(jìn)行設(shè)計(jì)，以提高項(xiàng)目效益。

4） 為保證泊位長(zhǎng)度優(yōu)化的合理性，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)一步利用數(shù)學(xué)模型對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行驗(yàn)證，從而獲得更準(zhǔn)確的結(jié)論。