中缅300 000 DWT原油码头工程设计要点简析

吴永强，陈宝泉

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

1 概述

1.1 工程概况

皎漂湾30万t级原油码头工程位于缅甸西海岸马德岛水域，泊位掩护条件良好。

工程建设规模为进口原油2 200万t/a，新建接卸原油泊位1个，设计船型为30万t级，兼顾15万t级。原油码头采用顺岸“蝶”型布置型式，码头长度为482 m，前沿底高程-25.0 m，接岸引桥长97 m。码头由1座卸油平台、2座靠船墩、6座系缆墩组成。航道呈“S”形布置，由 3段组成，自外海至码头依次为：第一段是外航道，第二段是月牙岛航道，第三段是马德岛航道。均利用天然潮沟开挖而成，全长约30 km，设计底高程-23.0 m（见图 1）。

图1 码头及航道布置示意

图2 码头平面布置示意

1.2 自然条件

该区域常风向为SSE向，强风向为NNW向。

工程水域属规则的半日潮，平均潮差约2.26 m。为不规则半日潮型，高、低潮时两站时间差平均约为30分钟（马德岛较外海滞后）。

皎漂通往马德岛有一条天然深水潮沟，走向大至呈西北—东南走向，潮沟两侧星罗棋布的岛屿形成天然屏障，外海较大波浪很难传入码头区域，码头区主要受偏NW至偏SSE向小风区浪的影响，马德岛附近水域波高都很小，最大波高在 0.1～0.3 m之间，码头工程水域泊稳条件较好。常浪向为WSW向，次常浪向为W向，强浪为WSW向，最大波高为3.8 m。

工程水域海流均呈往复流运动，各潮型潮段平均流向变化值均在0°～29°之间。受岛屿边界影响，涨、落潮方向基本与附近岛屿边界平行。

码头前方港池天然水深为-33～-38 m，水下地形平坦，局部地段存在礁石。航道区天然水深在-20 m以下，部分地段受海流强烈侵蚀形成深槽，水深达-45～-73 m，暗礁较多。

外航道表层土质以粉细砂和淤泥质土为主，其他航道段表层土质大多以淤泥、淤泥质土为主。码头区域天然水深0～-35 m，地形起伏较大，表层土质以淤泥、淤泥质土为主，局部直接出露基岩。岩土层自上而下分布为：①粉细砂、粉土、⑥1强风化泥质粉砂岩、⑥2中风化泥质粉砂岩、⑦1强风化泥岩、⑦2中风化泥岩。

2 设计船型选择

2.1 石油进口主要航线分析

波斯湾是世界主要的石油出口地，其出口原油占世界油运量之半，从波斯湾到东亚（中、韩、新加坡等）、日本、西欧、美国，以及加勒比海到美国，是主要的五大航线。这些航线，以VLCC为主力船型，而以15万t级的苏伊士型为辅。

除上述航线外，重要的航线还有西非—美国、北非—南欧、阿拉斯加—美国西海岸、北海油田—西欧美国等，这些航线多用苏伊士型与阿芙拉型船。

本工程原油来源于中东波斯湾地区或西非地区，中东—缅甸皎漂平均运距约3 416 n mile，西非—缅甸皎漂约7 431 n mile。

目前20～32.5万t级的VLCC是油船队的主力，约占船队总载重量的39 %；其次为阿芙拉型和苏伊士型（10～17.5万t级），约占22 %；最少的是40万t以上的ULCC，约占船队运力的0.7 %。

2.2 船舶运输必要费率分析

本工程为专用油品接卸泊位，码头结构可兼顾10～30万t级油轮靠泊作业。为了选择合理的设计船型，根据世界原油船舶运营现状，重点选用 10万t级、15万t级、25万t级和30万t级油轮进行经济船型分析。

不同航线，同一运量规模经济船型方案比较，一般采用单位必要费率进行比较。单位必要费率是在充分考虑不同船型的投资、航运方的基准收益率、年运营费用、运距和运量规模等因素的基础上，计算出来的运输每吨货物所需的费用。计算方法如下：

先计算出单船年费用（AAC），其表达式为：

t=1，再计算单位必要费率，其计算式为：

式中：Q为单船运量；Su为税率。

单位必要费率是一种动态成本计算方法，考虑到风险性和基本折现率因素，本工程所有航线的必要费率是在假定采用新船运输，暂定折现率8 %的条件下，测算的最低收费水平。这个收费水平对船方来说，只考虑费用因素，未考虑营运利润水平。

码头及航道的造价，按使用期 40年折算，对于10万t级航道不需开挖，15万t级以上的航道需要开挖。

假设进口原油来自波斯湾沿岸各港，该航线从波斯湾沿岸各油港开始，出霍尔木兹海峡，经阿拉伯海进入印度洋，沿印度西海岸经斯里兰卡进入孟加拉湾到达皎漂平均运距约3 416 n mile。通过分析，进口原油15万t级油船必要运费率为每吨73.49元，30万t级油船必要运费率为每吨60.77元，采用30万t级油船运输，比15万t级油船每吨可节约必要运费率12.72元，节约幅度达17.31 %（见表1）。单纯从经济运输船型角度分析，25万t级和30万t级船型均比15万t船型经济。

表1 波斯湾—缅甸皎漂油轮运输综合必要费率

2.3 设计船型的确定

根据石油运输航线、油船的现状和发展趋势，结合经济船型分析，设计到港船型主要为15万～30万t级，设计船型为30万t级，兼顾15万t级船型。

3 航道选线

3.1 航道选线

航道选线利用天然潮沟，由外海至码头依次分外航道、月牙岛航道和马德岛三段航道，呈“S”形布置。外航道天然水深测图表明，浅水区呈南北较宽中间较窄的“沙漏”状分布；外航道天然岩面分析表明，其基岩分布呈北侧较少南侧较多的趋势。月牙岛航道天然水深呈东侧深西侧浅的趋势；月牙岛航道天然岩面分布也呈东侧较深西侧较浅的趋势。马德岛航道浅水区呈南北较多中间较少的趋势；马德岛航道天然岩面出露在南侧。因月牙岛航道和马德岛航道两段航道疏浚量共计约为 11万m3，根据各航道段所处潮沟水深地形，同时考虑风、浪、流自然条件，月牙岛航道轴线确定为141°-321°，马德岛航道轴线确定为 102°-282°。

本工程航道的疏浚区域主要位于外航道段。以外航道深槽与月牙岛航道交点为轴点，对外航道轴线方位 96°-276°、99°-279°和 102°-282°三个轴线方位进行比选。由于三个航道轴线方位角度相差较小，受水流的影响基本相同，主要针对疏浚工程量进行比较，结果见表2。

表2 不同轴线对应疏浚量（外航道段）

根据计算结果，外航道轴线方位99°-279°，疏浚、挖岩工程量最少，确定外航道轴线为99°-279°。

3.2 利用长航道特点提高靠泊的安全性

根据外海观测站和马德岛观测站两年同步水位观测资料分析，外海潮时较之马德岛提前 30分钟，而乘潮水位外海较之马德岛低0.2 m。根据《中缅原油管道 30万 t级原油码头操船模拟试验报告》[2]，船舶在航道中航行的时间为 2.5小时，靠泊码头的时间为1小时。大型油轮靠泊码头时一般选用平潮靠泊码头，故油轮进入航道的时间为高潮前 2小时，利用外海潮时和马德岛潮时差（0.5小时），到达港池时正处于马德岛高平潮，船舶靠泊时为落潮流，顶流顺靠码头，此时流速小于0.3 m/s，靠泊操纵较为容易，利用长航道两端的潮时差，抓住平潮靠码头的有利时机，提高操船的安全性。

图3 落潮右舷靠泊示意

4 水工结构对泥岩的处理

根据码头使用要求及水文、地质等方面的条件，30万t级原油码头水工结构可以考虑大直径全断面嵌岩桩结构方案，嵌岩桩的沉桩、稳桩难度较大，在具有遇水软化崩解特性的中风化泥岩中施工嵌岩桩，需对嵌岩效果、桩基承载力值及其长期变化规律等需进行专题研究，可行性的不确定因素较大，另工程区域地震烈度较大（地震加速度为0.28g），采用重力式钢筋混凝土圆沉箱墩式结构方案，基床受力均匀，基床顶应力较小，对软质泥岩的适应性较好，故水工结构采用重力式沉箱墩结构。

该码头区域表层为淤泥或淤泥质土，其下多为中、强风化泥岩。强风化泥岩浸水1小时后即完全崩解，水中表态不稳定，本层不可以作为持力层，所以必须清除，避免给工程留下安全隐患。中风化泥岩水中表态较为稳定，地基承载力较高，可作为持力层。但考虑到在码头使用期内泥岩与水长期作用下的软化和泥化，将对码头的稳定和承载能力产生较大不利影响，特别是基槽炸岩后下部中风化泥岩整体性变差，软化现象更加严重，需要采取有效措施，将码头基础下方的中风化泥岩与水隔离，避免基础下方中风化泥岩长期在水浸泡下泥化对码头稳定的影响。拟采用如下措施：先挖除岩面上的淤泥，挖（炸岩）至中风化泥岩层，用高压水处理表面残渣后，现浇1 000 mm厚混凝土封底，封闭新鲜岩面，阻断中风化泥岩层与水的接触。在混凝土封底的上层抛填10～100 kg块石基床，其厚度根据所在位置处中风化岩的不同出露高程而不同，约为1.5～12.0 m。基床需进行夯实处理（见图4）。

图4 水下混凝土封底示意

5 抛泥区的选划

工程区域自然水深条件较好，水深均在 19 m以深，30 km的长航道疏浚约1 000万m3，大部分疏浚集中在外航道段，本工程没有吹填造陆需求，疏浚土方全部弃入抛泥区。抛泥区的选化应尽可能地减少抛泥船运移距离，更重要的是避免抛泥后的泥沙受水动力影响重新回淤到航道。本工程利用数学模型对抛泥区倾倒后的泥沙运动及对航道回淤影响进行数值模拟计算分析。

5.1 MIKE 21 Hydrodynamic Model

该模型采用垂向平均的二维浅水方程，包括连续方程和动量方程，即

5.2 悬沙输移扩散方程

式中：S为垂线平均含沙量；Dx、Dy分别为x、y方向的泥沙扩散系数；FS为泥沙冲淤函数。

5.3 床面冲淤变化方程

式中：dγ为床沙干容重；bη为海底床面的竖向位移（即冲淤变化量）。

5.4 计算结果

三个抛泥区（西部、中部、东部）抛泥后悬沙扩散的范围都呈狭长的椭圆形，主要是抛泥区附近水流以往复流为主，而抛泥后悬沙主要随涨落潮扩散，因此悬沙扩散的主要方向基本与水流方向一致，而垂直于水流方向的扩散面积相对小很多。在西部抛泥区抛泥后，悬浮泥沙随涨潮流扩散的最长距离是4.35 km（50 mg/L的外边线），随落潮流扩散的最长距离是3.0 km；在中部抛泥区抛泥后，悬浮泥沙随涨潮流扩散的最长距离是 4.13 km，随落潮流扩散的最长距离是3.1 km；在东部抛泥区抛泥后，悬浮泥沙随涨潮流主要向皎漂岛与马德岛之间水域扩散，远离航道，因此对航道不会造成影响，落潮时水流运动方向与航道有一定夹角，因此落潮时抛泥影响不利，悬浮泥沙随落潮流扩散的最长距离是3.03 km。

西部、中部两抛泥区抛泥后，悬浮泥沙都没有扩散至航道内，因此对航道没有影响；东区抛泥后，落潮期间会有少量泥沙漂至转弯航道处，但这部分泥沙含沙量较低（小于100 mg/L），而且该区域疏浚量少，港池和航道水深又大（大于30 m），因此即使抛泥扩散到港池和航道也不会构成太大影响。

图5 抛泥区选化位置

6 拖轮配备

6.1 拖轮布置

30万t级船舶满载靠泊、压载离泊出港拖轮布置见图6。

当船舶进入外航道前，应将船尾限速拖轮带妥，船舶驶入马得岛航道时应将所有拖轮带妥。

图6 靠、离泊拖轮布置

6.2 拖轮的功率

表3 试验船型所需拖轮马力推算

可利用的拖轮类型见表4所示，试验者可以根据不同情况采用各种拖轮进行组合。

表4 拖轮配备

本工程码头位于开敞水域，受周围各岛屿的掩护，波浪较小，但码头前沿海域流速较大，结合类似30万t级油轮操船经验，30万t船舶的拖轮总马力配备不宜小于20 000 HP。

根据上述拖轮的布置，报告[2]各种操作情况下建议使用的拖轮数量和功率：

30万t船舶满载靠泊时，拖轮5艘：2×5 000 HP+3×4 000 HP=22 000 HP；

30万t船舶压载离泊时，拖轮4艘：2×5 000+2×4 000 HP=18 000 HP。

结合当地水文条件和操船模拟研究，本工程拟配备5 000 HP的拖轮5艘，拖轮总马力为25 000 HP，能够满足本工程30万t级船舶靠离泊操纵的要求。

7 结语

本工程是“一带一路”走出去实施的大型原油码头，为我国提供稳定、安全的能源保障。根据石油运输航线、油船的现状和发展趋势，结合综合必要费率分析本工程的经济船型。利用天然潮沟，进行30 km长航道的选线。充分利用皎漂湾内外水位差和潮时差的特点，高潮前2小时进入航道，抓住停潮靠码头的有利时机，提高靠泊的安全性。采用混凝土封底，封闭新鲜岩面，阻断中风化泥岩层与水的接触，破解了泥岩遇水崩解的难题，保证水工结构稳定。结合二维潮流和泥沙数学模型，对工程前后潮流场以及抛泥后悬浮泥沙的输移扩散进行研究，进而确定满足该航道疏浚所需的抛泥区位置；根据操船模拟研究，确定了大型油轮靠、离泊拖轮的配备。码头自 2016年投入使用来，运营良好。现对该工程的设计要点进行总结，可为类似工程设计提供借鉴。