城陵矶港设计船型参数分析及应用

杨 峰，岳 铭

(1.湖南省交通运输厅规划与项目办公室，湖南 长沙 410116；2.湖南省交通科学研究院有限公司，湖南 长沙 410015 )

设计船型主尺度及吨位参数，是港口工程重要的设计输入内容。内河港口丰、枯水期存在水位变化，加上不同目的港口通航等级不同，到港船舶吨级往往有较大差别。在确定泊位等级时，一般将设计代表船型与港口所在航道的现状等级取一致，但在实际运行中，可能会出现到港船舶吨位超过泊位等级的情况，若设计船型参数选取不合理，将影响港口投资规模及正常运营，并可能对港口作业及水工结构安全产生不利影响。目前湖南内河港口设计船型参数选择主要依据《内河通航标准》(GB50139—2014)[1]、《长江干线通航标准》(JTS 180-4—2020)[2]推荐的代表船型尺度。但是，上述行业标准在指导设计时存在以下问题：① 缺乏集装箱船的推荐船型参数；② 标准推荐船型参数基于长江全航段实船统计样本制定(涵盖三峡枢纽过坝船型)，由此得出的船型参数与湖南内河港口实际到港船型参数有一定出入，主要体现在标准推荐的船型主尺度偏大、吃水偏小；如按标准推荐的设计船型尺度进行码头设计，可能会出现泊位长度偏长而设计水深不足的问题。

城陵矶港(本文泛指纳入《岳阳港总体规划》[3]的城陵矶港区、云溪港区等深水岸线段)是湖南省内河航运主枢纽港，承担着全省集装箱、商品汽车、铁矿石、煤炭、粮食等大宗货物的中转运输功能，岸线资源十分有限、宝贵。为更好地指导“十四五”城陵矶港规划建设，本文根据城陵矶港81艘集装箱船、147艘干散货船实船统计资料，对城陵矶港设计船型参数进行分析，提出建议参数值，并阐述了设计代表船型及兼顾船型参数的不同应用范围。

1 航道及水文概况

长江干线城陵矶至武汉段现状航道等级为Ⅰ-5级，航道维护尺度为 4.2 m×150 m×1 000 m(水深×航宽×弯曲半径)。根据《长江干线航道发展规划(2016～2030年)》(报送稿)[4]，适时将实施城陵矶至武汉段4.5 m水深航道整治等工程，2030年宜昌至武汉段航道规划等级为Ⅰ-5级，目标航道尺度为4.5 m×200 m×1 000 m，可满足5 000 t级内河船和5 000 t级江海船双向通航。

长江干线航道航行基准面于1958年颁布使用，并经过多次修订。目前，长江宜昌至武汉河段使用1982年修订的航行基准面(1985国家高程基准)。城陵矶港所在河段现行航行基准面约16.13 m。从城陵矶莲花塘水位站多年日平均综合历时保证率水位推算结果(见表1)可以看出，三峡工程蓄水后，城陵矶河段98%保证率水位有小幅抬升；2007年～2017年统计98%保证率水位为18.40 m。另外，莲花塘水位站2007年～2017年实测最低水位为17.89 m，出现于2017年12月29日；2002年～2007年最低水位为17.28 m，出现于2004年2月3日。可见，上述98%保证率水位及实测最低水位均高于城陵矶河段航行基准面，这与近年来城陵矶港经常出现“枯水不枯”的实际情况相吻合。

表1 莲花塘站日平均综合历时保证率水位表m 统计年10%20%33%50%75%80%90%95%98%99%最低水位1996～200728.1127.0325.5522.4620.3219.8819.0418.4418.0117.8317.282002～200727.8126.7125.0422.3919.9019.5718.8818.5718.3418.0517.282007～201727.6426.5424.7922.2119.7119.4118.7918.5618.4018.3117.892012～201727.7726.5725.0122.5919.8619.5918.9818.6418.4418.3517.89

2 到港船舶统计

2.1 散货船

城陵矶港务公司提供的2018年148艘到港散货船备案资料显示，最大满载吨位20 000 t，最小满载吨位1 800 t，平均满载吨位11 874.76 t，85%保证率的到港船舶满载吨位约为15 000 t(见图1)。满载吃水为2.9～9 m，平均满载吃水6.22 m，85%保证率的满载吃水约为7.2 m(见图2)。船舶长度为66～139 m，平均长度113.31 m，85%保证率的船舶长度约为125 m(见图3)。船舶宽度为12.5～24 m，平均宽度19.65 m，85%保证率的船舶宽度约为21.6 m(见图4)。

图1 满载吨位分布曲线

图2 满载吃水分布曲线

图3 船舶长度分布曲线

图4 船舶宽度分布曲线

2.2 集装箱船

城陵矶国际港务集团提供的2018年81艘到港集装箱船备案资料显示，最大满载吨位8 684 t，最小满载吨位1 100 t，平均满载吨位4 627.37 t，85%保证率的到港船舶满载吨位约6 700 t(见图5)。最大载箱量分布在72～610 TEU之间，平均最大载箱量291.64 TEU，85%保证率的最大载箱量约为380 TEU(见图6)。重载吃水为2.3～6.25 m，平均满载吃水4.31 m，85%保证率的满载吃水约为5.2 m(见图7)。船舶长度为65～129.98 m，平均长度96.30 m，85%保证率的船舶长度约为110 m(见图8)。船舶宽度为11.4～21 m，平均宽度16.06 m，85%保证率的船舶宽度约为17.9 m(见图9)。

图5 满载吨位分布曲线

图6 最大载箱量分布曲线

图7 重载吃水分布曲线

图8 船舶长度分布曲线

图9 船舶宽度分布曲线

3 设计船型参数分析

3.1 设计船型概念

现行《河港总体设计规范》(JTS 166—2020)[5]未给出设计船型术语解释。《港口工程基本术语标准》(GB/T50186—2013)[6]中，将设计船型概念注释为：设计时所采用的某种尺度和吨位的船型。《海港总体设计规范》(JTS165—2013)[7]中，将设计船型概念注释为：用于确定码头、港池和航道尺度的船型，按其确定的尺度能保证所有使用码头、港池和航道的船舶在给定的条件下均能安全操作。

工程设计时，设计船型分为“设计代表船型”(主力船型)和“兼顾船型”2类。设计代表船型及兼顾船型可以分别取一种船型，也可以分别取多种船型。针对不同设计指标，可以根据控制性设计代表船型或兼顾船型进行分析确定，遵循的原则为“按设计船型确定的尺度能保证所有使用码头、港池和航道的船舶在给定的条件下均能安全操作”。

3.2 设计船型影响因素

城陵矶港设计船型主尺度，主要受以下因素影响。① 航道条件：包括航道维护水深、弯曲半径、航宽、跨河建筑物通航净空等，是影响设计船型主尺度的决定性因素。② 货物流量及流向(航线)：货物种类决定了设计船型的类型，货运量的高低也影响投运船型的大小。对于集装箱、商品汽车等采用班轮运输的货类，航线也是影响设计船型的重要因素。③ 运输经济性：江海直达运输以及长江口中转至城陵矶的干散货，货源充足，采用更大的运输船型更为经济；集装箱船型发展还与燃油经济性、舱位实载率密切相关。

3.3 设计船型吨位参数分析

3.3.1设计代表船型

设计代表船型决定了泊位等级，是确定码头建设规模的主要参数之一。城陵矶港所在河段航道等级为Ⅰ-5级。根据《长江干线通航标准》(JTS 180-4—2020)，Ⅰ-5级航道对应的船舶吨级为5 000 t级；城陵矶港近几年立项建设的码头项目，泊位等级一般按5 000 t级设计。但从统计资料来看，实际到港船型吨位超出航道等级情况普遍存在，特别是干散货船。港口工程设计中，若设计代表船型参数取值偏小，码头泊位计算长度不足，丰水期到港船舶可能无法顺利靠泊。

3.3.1.1 散货泊位

对于干散货泊位，城陵矶港5 000 t级到港保证率约3%，平均满载吨位及85%保证率满载吨位均超过10 000 t，设计代表船型取5 000 t级明显偏低。城陵矶港已建成的散货泊位，泊位等级多在1 000～5 000 t级之间，散货码头超载使用十分普遍，而接卸万吨级以上散货船更多地依赖水上过驳，给水上通航安全保障、污染物治理带来一定压力。与集装箱班轮运输不同，城陵矶港到港散货船基本为上海、南通等长江口中转而来的三程船，点对点航线固定，货源充足，船公司投入的船型越大，运输成本就越低；换言之，航运市场的充分竞争，已经将该航线上的中小吨位散货船完全淘汰。从航道条件、水文条件来看，尽管城陵矶河段最小航道维护水深为4.2 m，但考虑到实际港口设计低水位(98%保证率水位)较航行基准面高出约2.27 m，特别是随着下游界牌河段航道整治效果的逐年显现，枯水期航宽制约影响明显减弱，近年来城陵矶至武汉段航道实际上已经具备了常年通航万吨级内河散货船的能力。因此，建议城陵矶港干散货泊位设计代表船型取10 000 t级散货船。“十四五”期间，城陵矶港区建设一批10 000 t级散货接卸泊位是十分必要的，一方面能够改善岳阳港大宗干散货的接卸能力，另一方面也为推动水上过驳向靠岸中转有序转移创造条件。

3.3.1.2 集装箱泊位

从实船统计数据来看，集装箱泊位85%保证率下的满载吨位约为6 700 t、最大载箱量约为380 TEU。城陵矶港作为湖南湘、资、沅、澧四水支线航线的喂给港，以及上游川渝地区部分集装箱的中转港，到港船型较为复杂。除了从城陵矶始发、目的港为上海港的始发班轮外，大部分到港船型为100～400 TEU的中小型内河支线船。从航道条件、水文条件来看，城陵矶港具备承载更大吨位集装箱班轮运输的条件，但实际上，集装箱班轮投入还受到航线、运量、运输成本等多重因素制约，船舶大型化与船公司利润的平衡点更多地取决于班轮实载率。因此，城陵矶港设计代表船型取400 TEU集装箱船基本反映大部分到港船型实际吨位，是合理的集装箱泊位设计代表船型参数。

3.3.2兼顾船型

为保证所有使用码头、港池和航道的船舶在给定的条件下均能安全操作，设计兼顾船型宜重点考虑最大兼顾船型。

3.3.2.1 散货泊位

受下游跨河桥梁通航净空尺度限制，目前城陵矶港最大到港船型基本为20 000 t级散货船。随着长江中游645航道工程的实施，城陵矶以下河段航道条件将逐年改善，预计“十四五”期间2 000 t级到港散货船频次将持续提高。新建散货泊位建议最大兼顾船型按20 000 t级散货船设计。

3.3.2.2 集装箱泊位

城陵矶港集装箱船舶存在一定大型化趋势，目前最大到港船型为新进投入运营的特定航线江海直达“湘水运26”轮，是国内首艘双燃料集装箱船，总长118.9 m，型宽21.6 m，型深9.2 m，满载吃水6 m，装箱量653 TEU,载重吨10 289 t，代表了未来岳阳港集装箱班轮发展方向。此外，作为长江中游一类水运开放口岸，城陵矶港将于近期开通海外直航航线，预计600 TEU集装箱船将稳定在一定投运比例。城陵矶港新建集装箱泊位，建议最大兼顾船型按10 000 t级或600 TEU集装箱船设计。

3.4 设计船型主尺度参数分析

关于设计船型尺度保证率取值标准，采用过高或过低的保证率都是不适宜的。由于泊位长度和泊位水深都存在可调节因素，规范[7]和标准[2]均采用85%保证率的设计船型尺度，较为经济合理。根据实际到港船型尺度，采用85%保证率对城陵矶港10 000 t级散货船(8 501～12 000 t、65艘)及400 TEU集装箱船(350～450 TEU、25艘)进行主尺度分析。由于兼顾船型统计样本数量相对较少，按统计平均值对城陵矶港20 000 t级散货船及600 TEU集装箱船进行主尺度分析。主要结果见表2。

表2 城陵矶港设计船型主尺度推荐值m 设计船型总长总宽设计吃水10 000 t级散货船118206.820 000 t级散货船135248.0400 TEU集装箱船11018.65.7600 TEU集装箱船11720.46.0

4 设计船型参数应用

1)泊位长度：对于单泊位码头，泊位长度计算时，设计船长L应取最大兼顾船型长度。对于多个泊位连续布置的码头，泊位总长度计算时，设计船长L可取设计代表船型长度，也可根据到港船型实际预测结果，采取不同船型组合靠泊的方式，合理确定泊位总长度。

2)停泊水域宽度、回旋水域尺度：停泊水域宽度、回旋水域尺度计算时，设计船长L、设计船宽B应按最大兼顾船型尺度确定。

3)码头前沿设计水深：应按设计代表船型满载吃水深度进行计算。码头前沿设计水深还应注意与航道实际维护水深相协调。

4)船舶荷载：船舶荷载应按最大兼顾船型满载靠泊进行计算。需要指出的是，设计船型吨级为一个范围值，船舶荷载计算应取载重吨位(DWT)上限值。在进行靠泊船舶管理时，只要不超过此上限值，就可以允许靠泊[9]。

5)装卸设备外伸距：装卸设备外伸距应按最大兼顾船型宽度进行设计。对于干散货泊位某些类型的设备，尚应考虑对最小兼顾船型的作业面覆盖。对于集装箱泊位，装卸设备外伸距宜考虑可能出现的多艘小型船只并靠作业需求。

5 结论

1)城陵矶港所在河段现行航行基准面16.13 m；三峡工程蓄水后，城陵矶河段枯水位有小幅抬升，2007年～2017年莲花塘站98%保证率水位为18.40 m。随着下游界牌河段航道整治效果的逐年显现，枯水期航宽制约影响明显减弱，近年来城陵矶至武汉段航道基本具备了常年通航万吨级内河散货船的能力。建议加快开展对长江中游航道航行基准面的研究及修订，在实施“645”工程的基础上，研究将6 m水深航道进一步上延至城陵矶，此举对城陵矶港提升中转服务水平、稳定外贸直航航线具有深远现实意义。

2)对于城陵矶港集装箱码头泊位，建议设计代表船型取400 TEU集装箱船，设计兼顾船型取600 TEU集装箱船。

3)对于城陵矶港干散货码头泊位，建议设计代表船型取10 000 t级内河散货船，设计兼顾船型取20 000 t级内河散货船。

4)以10 000 t级散货船为例，本文推荐设计船型长度118 m，较标准[2]提出的10 000 t级内河散货船代表船型总长130 m少12 m。根据实际到港船型得出的设计船型尺度参数，有利于城陵矶港岸线资源节约利用。

5)泊位等级、多个泊位连续布置码头泊位总长度、码头前沿设计水深等参数，应按设计代表船型相关尺度确定；单泊位码头泊位长度、停泊水域宽度、回旋水域尺度、船舶荷载、装卸设备外伸距等参数，应按最大兼顾船型尺度确定。