天津港北航道通航标准研究

王 轩，周 峰，刘晓强

(1.天津港(集团)有限公司，天津 300461；
2.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456)

为满足当前水运货运量逐步增加以及船舶大型化的需求，港口和航道逐步向深水化、规模化方向发展[1-2]。天津港船舶到港的吨级增大趋势明显，为满足北港池与日俱增的通航需求，指挥中心提出了 “先进后出”作业模式，开展多次实船测试并逐步推广至通航限制最多的北港池水域，最大限度的加快了船舶周转。但“先进后出”模式是充分利用主航道的双向通航条件，通过计算船舶航程时间，让进出北港池的船舶在水域相对宽阔的主航道末端水域交汇，从而规避北港池内狭小水域的作业方案，可以一定程度改善北港池现有交通组织的弊病，但并不能彻底摒除因北港池水深不足，部分水域狭小等客观条件带来的桎梏，无法充分释放码头生产能力、船舶载运能力和航道通过能力。为改善当前通航条件，减少进出港船舶等待时间，提高通航效率，需要对北航道及其与主航道连接段通航水域这一“咽喉要道”进行拓宽，有效增加进出北港池的可航水域范围，进一步压缩进出北港池船舶的等待时间，同时还将增强船舶航行期间的应急处置能力。此外，天津港船舶到港的吨级增大趋势明显，到达北港池泊位和东疆港区集装箱泊位的通航水域不能满足20万t级集装箱船进出，所以迫切要求将现有北港池通航水域按照20万t级标准进行提升，天津港北航道示意图如图1所示。

图1 天津港北航道位置及走向示意图Fig.1 Location and trend of North Channel of Tianjin Port

1.1 自然条件

天津港是我国北方最大的综合性外贸港、国家主枢纽港之一，位于我国环渤海地区港口群的中心位置，属于华北拗陷中的渤海拗陷中心，构造复杂，主要受NNE向断裂构造控制，呈现出一系列的隆起凹陷。天津港北航道位于天津港北港池，本地区以堆积地貌为基本特征，海床以黏土质粉砂、粉砂质黏土、粉砂等细颗粒物质为主，主要地貌类型具有明显的弧形带分布特点。该海区常风向为NNW向，次常风向为W向，出现频率分别为7.91%、7.44%。强风向为E向，次强风向为ENE向。年平均高潮位3.74 m，年平均低潮位1.34 m。本区常浪向ENE和E，频率分别为9.68%和9.53%，强浪向ENE，各方向H4%≥1.6 m的波高频率为5.06%。每年冬季均有不同程度的海冰出现，通常结冰期从12月下旬至翌年2月下旬，总冰期约60 d。

表1 在建及拟建泊位表Tab.1 List of berths under construction and proposed

1.2 港口设施状况

天津港北港池码头泊位位于北疆港区和东疆港区之间，北港池内现在正在运营的泊位是天津港35-38段、北1-北9段、北13-北14段、北33-北36段以及东1段-东6段共25个泊位，码头岸线长度5 529 m，设计通过能力1.021亿t，其中，集装箱设计通过能力890万TEU，汽车通过能力70万辆[2]，最大泊位可靠泊20万t级集装箱船。为适应港口吞吐量的迅速增长，启动了北港池海嘉汽车滚装码头、北疆港区C段智能化集装箱泊位等工程，在建和拟建的泊位如表1所示。

1.3 航道状况

天津港所属港区现有水陆域面积336 km2，其中陆域面积131 km2，规划港口陆域总面积约200 km2。天津港主航道长47.5 km，为30万t级深水航道，航道水深最深已达-22 m，25 万t级船舶可以随时进港，30万t级船舶可以乘潮进港。北港池通航水域全长约10 km，设计底高程-15.5 m，其中与主航道连接段通航宽度320 m，以北至欧亚国际集装箱码头港池北边线通航宽度390 m，以北至汇盛码头港池通航宽度185 m。仅能够满足10万t级集装箱船进出港航行的需要，已无法适应北港池快速发展的需要，所以迫切要求将现有北港池通航水域按照20万t级标准进行提升[3-8]。

2.1 航道货运量状况

北航道占据天津港航道货运的重要地位，2020年北港池吞吐量为1.672亿t。北航道通航船舶保持在5 000艘次左右，10万t级以上船舶艘次连年有所增加，通航压力逐渐增大，对北航道及其与主航道连接段通航水域这一“咽喉要道”进行拓宽，有效增加进出北航道的可航水域范围，可以保证满载吃水的20万t级大型集装箱船舶在北航道的正常航行、靠离泊、调头等作业，较大提高了天津港船舶航行的级别，充分发挥新建集装箱泊位的装卸效率，大幅度提高集装箱的吞吐量，增强天津港在国内外市场的竞争能力。

2.2 吞吐量预测

2.2.1 预测依据和采用的预测方法

以2016年—2020年北航道进出船舶艘次和货物吞吐量作为原始数据，综合类推预测法和专家预测法，采用指数平滑算法对天津港北航道货物吞吐量进行预测。

一次指数平滑法预测模型为

二次指数平滑法预测模型为

其中

由于天津港集装箱吞吐量易受季节影响产生较大的波动，因此取平滑系数α=0.9。将2016年1月的集装箱吞吐量记为t=1，计算预测序列S(1)和S(2)。

2.2.2 全港集装箱吞吐量发展水平预测

吞吐量预测为天津港北港池所用，主要分析天津港主体港区吞吐量。由于北航道特殊的地理位置，经其到达的码头包括东突堤北侧、北港池、反“F”型分港池和东疆港区的码头。根据规划，未来上述码头通过的主要货种为集装箱和其他货类(除煤炭、矿石、石油等以外的货类)，2016年—2020年，北航道进出船舶艘次占天津港总进出船舶艘次比例逐年上升，由24.7%上升至43.5%，北航道集装箱船舶占北港池总船舶艘次比例基本稳定在73%左右，北港池进出船舶艘次趋势见图2。随着更多新码头建成投产，进出北航道的船舶艘次还将进一步增加，在天津港总体规划吞吐量预测结论的基础上，根据2016年—2020年北航道进出船舶艘次和货物吞吐量，采用2.1.1中的指数平滑算法对天津港北航道货物吞吐量进行预测，分别对2025年和2030年北航道货物吞吐量进行预测，结果见表2。目前北航道仅能够满足10万t级集装箱船进出港航行的需要，根据预测结果，已无法适应北航道货物吞吐量快速发展的需要，所以亟需将现有北通航水域按照更高通航标准(如20万t级标准)进行提升。

图2 北航道进出船舶艘次趋势图Fig.2 Trend chart of ships entering and leaving the North Harbor Basin

表2 天津港北航道货物吞吐量预测表Tab.2 Forecast of cargo throughput of North Channel of Tianjin Port

2.3 通航船型分析

对2020年进(或出)北航道船舶进行分吨级船舶艘数和密度统计，天津港北航道有487艘次10万t级以上船舶靠泊作业。根据天津港集装箱吞吐量发展情况、港口发展规划及世界集装箱船舶发展趋势，预测天津港北航道进出港集装箱船船型：远洋航线为5 000～24 000 TEU；
近洋航线为2 000～10 000 TEU；
国内沿海航线为1 000～10 000 TEU；
支线为100～1 200 TEU。

3.1 通航标准及规模

3.1.1 航道通过能力

对航道的通过能力进行计算以验证提升效果[9-11]，航道双线航道的年通过能力按下式计算

M=2×t×V×ρ×Ty/D

(1)

式中：M为双线航道的年通过能力，艘；
V为船舶在航道中航行的平均速度，取8 kn；
Ty为航道年工作天数，取350 d；
ρ为航道利用率，取0.5；
D为平均每艘船航行占用航道的长度，取为7倍平均船长；
t为航道日通航时间，取19 h。

经计算，10万t级集装箱船双线航道的年通过能力为40 679艘次，对比2020年进(出)北航道船舶 4 986艘次，其中10万t级以上船舶721艘次，满足北航道船舶的通航要求。

3.1.2 航道建设规模

根据港口需求和规划、通航船型预测等[3-4]，天津港北航道按照20万t级集装箱船单线航行兼顾10万t级集装箱船双线航行进行设计。航道总长7 116.8 m，20万t级集装箱船单线航道设计底高程为-18.0 m，通航宽度280 m；
10万t级集装箱船双线航道设计底高程为-15.5 m，通航宽度420 m。

3.2 航道尺度

3.2.1 航道轴线

由于本设计属于北航道通航水域的改造提升工程，天津港现有北航道通航水域通航多年、效果良好，从而验证了现有航道通航水域轴线的合理性。同时受港池水域限制，为此航道轴线方位设计与原港池通航水域方位几乎相同，仅在该基础上进行拓宽、加深。

(1)与主航道相接的转弯段：当转向角不大于30°时，加宽方式宜采用切角法[12]。为此20万t级集装箱船单线航道采用切角法进行加宽。而10万t级集装箱船双线航道的西边线离东疆的海监基地码头较近，若采用切角法，则航道开挖会对码头结构稳定产生影响，因此采用折线切割法进行加宽。转弯半径均为3 000 m(为10万t级集装箱船设计船长的8.7倍、20万t级集装箱船的7.5倍)，满足规范(3～5)船体长度的要求。

(2)与北航道相接的转弯段：当转向角大于30°时，加宽方式可采用折线切割法[12]。10万t级双线航道与20万t级单线航道均采用该方法。转弯半径均取为3 000 m(10万t级集装箱船设计船长的8.7倍、20万t级集装箱船的7.5倍)，满足规范(5～10)船体长度的要求。

3.2.2 航道设计水深

航道设计最高通航水位是航道规划建设和跨河建筑物设计的重要参考依据，航道条件、设计船型尺寸及泥沙等都会对其产生影响[13-15]，航道水深按照下式计算

D0=T+Z0+Z1+Z2+Z3

(2)

D=D0+Z4

(3)

表3 航道水深计算表Tab.3 Channel depth calculation

式中：D为航道设计水深；
D0为航道通航水深；
T为设计船型满载吃水；
Z0为船舶航行时船体下沉值；
Z1为航行时龙骨下最小富裕深度；
Z2为波浪富裕深度，由于船舶进港允许横风风速小于等于7级，港池内掩护较好，波浪基本为港区内小风区生成的风浪，根据推算的波浪情况，H4%取1.3 m，Z2=0.5×1.3=0.65 m；
Z3为船舶装载纵倾富裕深度；
Z4为备淤深度，港池内掩护条件好，无泥沙来源，取0.4 m。计算结果见表3。

根据表3，10万t级航道设计底高程取-15.5 m，20万t级航道设计底高程取-18.0 m。则10万t级航道通航底面高程为-15.1 m，20万t级航道通航底面高程为-17.6 m。

3.2.3 航道有效宽度

航道宽度按照下式计算[6]

W=2A+b+2c(双线航道)

(4)

W=A+2c(单线航道)

(5)

A=n(Lsinγ+B)

(6)

式中：W为航道通航宽度；
A为航迹带宽度；
n为船舶漂移倍数；
γ为风、流压偏角；
c为船舶与航道底边线间的富裕宽度。

计算得到10万t级双线航道通航宽度取为420 m，20万t级单线航道通航宽度取为280 m。

3.2.4 航道历时

航道长度 7 116.8 m，按平均航速 8 节计，航行时间约为 0.48 h，则每潮次船舶进出港所需时间按下式计算。

ts=Ks(t1+t2+t3)

(7)

式中：ts为每潮次船舶乘潮进出港所需持续时间；
Ks为时间富裕系数；
t1为每潮次船舶通过航道时间；
t2为船舶在港内调头时间；
t3为靠离泊码头和解系缆时间；
计算得到ts=1.63 h。

随着天津港深水航道和大型泊位建设的需求，近年来天津港北航道船舶大型化趋势明显，本文综合分析北港池港口现状及通航需求，提出了北航道设计通航标准，主要结论包括：

(1)北航道建设标准为：按照 20万t级集装箱船单线航行兼顾 10万t级集装箱船双线航行进行设计。航道总长 7 116.8 m，20万t级集装箱船单线航道通航宽度 280 m；
10万t级集装箱船双线航道通航宽度 420 m。

(2)北航道区域疏浚提升完成后，满足20万t级集装箱船全天候进出港要求，共耗时1.6 h左右。

(3)北航道经过疏浚提升后，10万t级集装箱船双线航道的年通过能力为40 679艘次，可以满足北航道船舶的通航要求。

猜你喜欢 港池天津港双线 中老铁路双线区段送电成功云南画报(2021年11期)2022-01-18拼搏开拓创业路 志在万里再登攀——蓬勃发展的天津港轮驳有限公司水上消防(2021年4期)2021-11-05基于Boussinesq波浪模型的港池波浪数值模拟与泊稳分析海洋通报(2021年3期)2021-08-14双线并行，交相辉映——2021年遵义市中考作文《灯火背后》升格举隅读写月报（初中版）(2021年12期)2021-05-25基于数值水槽的半封闭港池水体交换能力研究水道港口(2020年3期)2020-07-28一种双线半自动闭塞信号过渡设计的研究铁道通信信号(2020年10期)2020-02-07宁波民生e点通：网友与政府部门沟通的“双线桥梁”传媒评论(2019年3期)2019-06-18游艇码头水质保障数值模拟浙江水利科技(2018年3期)2018-05-25天津港“8?12”事故抢险救援对武警部队的启示灾害医学与救援(电子版)(2016年1期)2016-03-11“8?12”天津港特大爆炸救援部队卫生防疫实施灾害医学与救援(电子版)(2016年1期)2016-03-11

推荐访问:通航 北航 天津