罗源湾40 万吨航道工程设计

■陈丽阳

（福建省港航勘察设计院有限公司，福州 350002）

罗源湾港区是福州港一个重要的大宗干散货物流集中区，是福建省连通海峡两岸的重要通道和口岸。 港区承接的货种以煤炭、金属矿石为主，是为福建省及内陆省份提供散货运输服务的主要港区，也是福州市经济持续增长特别是罗源湾临港工业发展的重要依托。 随着罗源湾港区的发展，船舶大型化趋势明显，可门作业区现已建4# 泊位（30 万吨级）等多个大型散货泊位，在建的可门1#～3# 泊位（扩能改造为30 万吨级）、7# 泊位 （20 万吨级，结构按40 万吨），可门8# 泊位（30 万吨级，结构按40 万吨）等多个泊位正在开展前期工作，现30 万吨级航道仅到北航道B′点位置，通往可门作业区航道仅为20 万吨级，现可门4# 泊位30 万吨级船舶是从北航道B′点临时通过一段连接水域与船舶回旋水域衔接， 现有航道已无法满足新建码头及船舶大型化的需求，因此有必要开展40 万吨船舶航道的研究工作。

1 通航环境分析

1.1 到港船舶类型

罗源湾港区到港船型主要是运输煤炭和铁矿石的散货船。 随着可门4#泊位的投产运营，目前可门作业区到港靠泊的最大船型为31.5 万吨的“中海荣华”号，装卸货种为南非铁矿石。 罗源湾港区目前已有90 多艘次30 万吨级大型散货船舶到港，可门4# 泊位、10# 泊位共有700 多艘次15 万吨级以上船舶到港， 华东船厂目前已有150 多艘次10万吨级以上船舶到港。

1.2 船舶AIS 流量统计分析

根据流量统计显示(图1)，可门水道平均每天通航20～30 艘次，此外还有大量小型渔船进出，可见罗源湾口门水域船舶通航流量很大，而超大型船舶进出港需采取单向封航的交通管制模式，对其他船舶的通航有一定影响。 随着港区的发展，到港船舶日益增多，并呈现大型化的趋势，将进一步增加航道通航压力。

图1 罗源湾水域船舶交通流示意图

2 水文分析

罗源湾是个半封闭型海湾， 湾内水面宽阔、湾口狭小，形状似个倒葫芦，是个天然深水良港。 罗源湾属潮汐汊道型强潮海湾，平均潮差大于4 m，其水下地形发育受到地形、地质条件限制，在常年波浪潮流动力作用下，形成了岛屿深槽区及局部的浅滩区。 工程区域掩护条件好，受波浪影响较小，航道设计波浪取2.0 m。

罗源湾的潮流为正规半日潮，外海潮波通过可门口经可门水道传入湾内后，分为两支：一支绕过将军帽岬角，沿岗屿水道、北岸梅花、长基一带流向湾西北部迹头附近海域；另一支直达门边、马鼻一带的湾南部广大海区。

海流主要受水道地形的影响， 以往复流为主。涨、落潮流流向因地而异，各站的流向都以较小的幅度偏摆于该水道纵轴方向，垂直于水道纵轴方向的流速较小。可门水道落潮最大流速1.33 m/s，涨潮最大流速1.61 m/s(图2)。

图2 可门水道大潮流矢图

3 航道工程设计

3.1 航道的特点和关键技术问题

（1）罗源湾口门至可门作业区航段水深条件非常好， 外段天然水深可以满足40 万吨散货船不乘潮通航，但可门水道宽度相对较窄、深槽单一，且受小黄礁、担屿、古鼎屿和可门头水下矶头等制约，航线布置要在满足规范条件下尽量利用天然水深，减少工程措施。

（2）南航道A～B～C1～D1 段有连续反向转弯，根据规范要求，“两个反向连续转弯段之间的直线段长度不宜小于5 倍设计船长”[1]，现有航线直线段不能满足40 万吨散货船连续反向转弯要求， 需进行调整，B～C1 航段两端受担屿和可门头水下矶头的限制，航线布置调整余地较小。

（3）航道通航船舶吨级较大，口门处船舶通航密度大，尤其是前往罗源湾北岸，因此航线布置时同时需考虑降低大型船舶对北航道通航船舶的影响。

（4）罗源湾可门水道宽度相对较窄，岛礁较多且离航道距离较近，通航条件较为复杂，大型船舶通航存在一定安全隐患。

3.2 航道平面布置

航道平面布置如图3 所示。

图3 航道平面布置图

3.2.1 A～B～B′～D1 航段

A～B～B′航段利用现有30 万吨级航道，船舶沿现有30 万吨级航道航行约10.70 km 至B′点后，向南转向11.3°航行2.52 km 至可门作业区8# 泊位前方水域D1 点，该航道全长约13.2 km。

3.2.2 南航道B～C1～D1 航段

A～B～C1～D1 航段有连续反向转弯， 根据规范要求，“两个反向连续转弯段之间的直线段长度不宜小于5 倍设计船长”，现有航线直线段不能满足，考虑到航道边线与可门头水下矶头浅礁、担屿浅区的安全距离， 将现航道C1 点向西南方向移动约468 m，B～C1 航道轴线旋转约2.3°，B 点转弯半径取值3 620 m， 采用折线切割法， 航线微调后两侧拓宽，与8# 泊位船舶回旋水域平顺相接，航道全长约

7.0 km。

3.2.3 导助航设施

现该航段航标配布已较为完善，共有5 座灯桩及1 座灯浮，分别为可门角灯桩、可门头灯桩、小黄礁灯桩、担屿灯桩、古鼎屿灯桩和3# 灯浮，能满足航道通航要求，无需新设航标。

3.3 航道尺度计算

3.3.1 航道设计水深

按照JTS181-2016《航道工程设计规范》[2]，航道水深分通航水深和设计水深，分别按下式计算：

D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3；D=D0+Z4。

40 万吨散货船满载吃水T0为23.0 m， 船舶航行时船体下沉量Z0为0.66 m， 龙骨下最小富裕深度Z1取0.7 m，波浪富裕深度Z2取1.04 m，船舶装载纵倾富裕深度Z3取0.15 m，备淤富裕深度Z4取0 m，计算得出航道设计水深D 为25.55 m，取25.6 m。

设计底高程＝ΔH－D

式中：ΔH——设计乘潮水位（m）；

D——设计水深。

A～B～B′航段现航道设计底高程为-26.0 m，可满足40 万吨散货船不乘潮进出港；B′～D1 航段、B～C1～D1 航段按满足40 万吨散货船乘潮单线通航要求， 乘潮水位5.14 m， 乘潮历时4 h， 乘潮保证率90%，航道设计底高程均取-20.5 m，现有天然水深可以满足通航要求，无需采取工程措施。

3.3.2 航道通航宽度

航道通航宽度由设计船型总长、型宽、航速及航道的横风、横流及“风、流压偏角”等因素所决定，按照JTS181-2016《航道工程设计规范》，航道通航宽度按下式计算（表1）：

表1 通航宽度计算

单线航道：W=A+2c；

双线航道：W=2A+b+2c；

式中：

W——航道通航宽度（m）；

A——航迹带宽度（m）；

c——船舶与航道底边线间的富裕宽度（m）；

b——船舶间富裕宽度（m），取设计船宽B（m）；

n——船舶漂移倍数；

γ——风、流压偏角（°）；

L——设计船长（m）；

B——设计船宽（m）。

可门水道航道内最大横流0.39 m/s，航道风、流压偏角取7°，航速按8 kn。考虑到船流密度，该航段需同时满足10 万吨级散货船和5 万吨级散货船交会，根据计算，通航宽度取350 m。现主航道A～B 航段通航宽度为410 m，保持不变。

3.4 船舶仿真模拟试验研究

试验工况包括常态和最不利情况的模拟试验，通过不同工况下的模拟试验， 获得船舶操纵数据，分析40 万吨散货船航行、 靠离泊作业的可行性和安全性，最终确定船舶靠离泊时机[3]。 典型工况下的船舶航行轨迹见图4。

图4 典型工况下的船舶航行轨迹

船舶仿真模拟试验结论如下：（1）航道平面布置合理，在工况设定的风、流条件下，在熟悉水域的操船人员谨慎操纵下，航道的航道宽度和航道转弯半径尺度能满足试验船型安全通航的要求。 （2）根据模拟试验，40 万吨散货船在航道中航行和靠离泊时的限制条件如下：①航道内航行、靠离泊时，流速要＜2 kn，风力≤7 级，靠泊采用直接靠泊方式，离泊采用掉头离泊方式；②靠离泊作业时，配备助操拖轮应≥21 500 hp，根据福州港实际情况，可采用5～6 艘大马力拖轮助操；③风力8 级时，船舶无法正常靠离泊； ④为保障船舶航行安全，40 万吨散货船进出港时要采取单向封航的交通管制模式， 并配置2 艘拖轮护航； ⑤建议40 万吨散货船选择在风小、流缓、高平潮初落时进行靠泊，涨潮顺流向左掉头离泊，落潮顶流向右掉头离泊。 控制好航速是保证船舶安全靠离泊的关键。

4 结语

（1）罗源湾内水域宽阔、湾口狭小，属于天然深水良港， 口门至可门作业区航段水深条件非常好，外段天然水深可以满足40 万吨散货船不乘潮通航， 仅靠近可门作业区8# 泊位附近航段需乘潮通航，无需采取工程措施。

（2）40 万吨航道设计时应综合考虑船舶安全航行和靠泊要求，以平稳靠泊码头为最终目标。 综合考虑水流、风况、周边岛礁和船舶交通流等各方面对船舶航行安全的影响。

（3）鉴于罗源湾港区的自然条件和航道、泊位状况，结合船模分析，为了确保运营期安全，40 万吨散货船在航道内航行时，流速要＜2 kn，风力≤7 级，应选择在风小、流缓、高平潮初落时进行靠泊，采用直接靠泊，调头离泊作业的方式。

（4）超大型船舶惯性大，操作难度大，对航行条件要求较高， 进出港时需安排拖轮全程护航清障，同时加强对小型船舶的管理，采取单向封航的交通管制模式。