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港口设计手册
第四章 停泊需求
4.1 营运条件
4.1.1 综述
评估的操作条件应该始终牢记,操纵一艘船在浅水,接近等船舶在航道或在一个港口,是完全不同于操纵一艘船在海上深水罕见和遥远的交通。营运条件的设计和评估应以下列原则为基础：
- 来自类似港口项目的成熟通用技术
- 国际认可的标准和建议
在规划和评估拟建的海港地点时，收集潮汐、海流、风、浪等资料，以及水文和地形资料，是必不可少的工作。这些因素对船舶在航行和停泊期间的安全以及货物装卸作业都是至关重要的。所有这些因素将共同决定港口或泊位的总可用性。
一般来说，船舶主要是为公海设计的，因此，船舶在浅水区的反应特性可能会发生剧烈的变化。在封闭水域中安全操纵和靠泊需要对引航道和港池进行适当的设计和布置，并对船舶上可能发生的环境影响有适当的了解。
在封闭水域中难以操纵的船只大致可分为两类：
- 大而深吃水的船，如有小底舱间隙的满载油轮
- 上层建筑非常高的船舶，如集装箱船、汽车运输船、客轮和压载的油轮。
环境条件对可容纳巨型油轮（VLCC）的海港码头设计尤其重要。在压载状态下，VLCC上的风力，或在满载状态下，船舶上的电流，都能产生相当大的力。船长超过350-400米的船舶，就像巨型油轮一样，环境影响将在船舶纵向上变化巨大。
对于其中一些参数，需要进行长期测量，以建立统计数据，作为海港初步和详细设计的基础。如果可能，这些测量应至少进行1年，以便描述季节变化。泥沙输移的测量应在恶劣的天气条件下进行，以便提供可靠的信息，因为所关心的过程只发生在极端的水流和波浪条件下。所有这些量度数据应尽量接近建议的海港位置。
适当的计划的所有现场调查需要很好地理解的特点,提出了港口的网站,和应该由一位经验丰富的沿海和港口工程师为了获得最有价值的和最优信息从网站调查。
在规划和评估通往码头的航道时，收集潮汐、海流、风、浪、雾等资料，连同水文和地形条件，起着重要的作用。这些因素对船舶航行和停泊作业的安全至关重要。
4.1.2 潮汐
潮汐由两部分组成:天文效应和气象效应。
天文潮汐变化可在《英版潮汐表》中找到。天文潮汐日是地球相对于月球和行星自转的时间，大约为24小时和50分钟。退潮和涨潮分别为落潮和涨潮。
海港工程的海图基准一般为最低天文潮汐，即在平均气象条件下可预测的最低潮汐水位。对于泊位结构本身和陆地设施，海图基准面通常是指大约平均水位。
海港工程应记录以下水位:
最高观测水位——HOWL
最高天文潮——HAT
平均潮高水位——MHW
平均水位——MW
平均潮低水位——MLW
最低天文潮(海图基准面)——LAT
最低观测水位——LOWL
在观察最高或最低水位时，还应考虑大气压力的变化和强风的影响，无论是吹向岸上、倾向于把水堆积在海岸上，还是把水吹离海岸。
由于大气压力的变化而引起的水位上升或下降大约等于0.9厘米的水位上升或下降等于1毫米的大气压力下降或上升。在挪威，大气压力的升降变化最大可达 50厘米。再加上其他的影响，如强风，以及地理结构的加强，这种影响可能是非常重要的。
由于2010年至2060年之间将发生的温室效应，海平面上升约0.25米至0.3米。
4.1.3 水深
进港航道和港池的水深，以及泊位前方和船边的水深，一般应足以进行安全操纵。潮汐区的海图基准应为最低天文潮汐，而河流的海图基准应为记录的最低水位。
水深应根据最大设计船舶的最大载重吃水确定，可由以下因素确定:
- 船舶满载吃水
- 潮汐变化
- 船因波浪的移动
- 装船的调整
- 船尾下沉
- 大气压力
- 船底特性
- 疏浚误差
- 淤积的可能性
总的龙骨间隙(图4.1)，除了要考虑到底部的富裕水深外，还必须考虑到波浪、纵倾、下蹲、气压等因素。
船尾下沉，或减少下龙骨间隙，是由于吸力效应所引起的较高流速之间的海底和船舶。这导致了船附近水位的下降，因此船整体沉入水中。下蹲随着船的长度增加，随着船的速度增加，随着下龙骨间隙的减少和航道的狭窄而增加。此外，水深还受到水密度的影响，淡水的水深一定大于海水的水深。这可能是重要的河流或河口港口。
船舶的运动，由于波浪可以高达三分之二的重要波的高度较小的船舶。超大型矿砂船和大型矿砂船由于体积庞大，只受10 s以上波浪的影响。较短周期的波浪将导致这些船舶不明显的垂直运动。
图 4.1 水深构成
在底部是由软材料(沙子等)构成的情况下，底龙骨的最小净空应该是0.5米，而岩石底部的净空应该是1.0米。
在海底的底部由淤泥和/或,通常是定义一个航海深度作为从水面到级别底材料的密度等于或大于1200公斤/立方米,由于低密度的材料层不明显妨碍船舶的通过。
例如，表4.1所示为一艘136,000 立方米气体船在陆上零水位以下的气码头前的水深允许值。
在建造疏浚期间，水深必须足够，以避免疏浚过程中可能出现的错误，以及每年因可能淤塞而导致的过度疏浚维护费用。水深还必须考虑到吃水的增加，由于船舶的横摇和纵倾时系泊，如下所示:
- 横摇增加=0.5times;横梁times;sin a，其中a为横摇角度
- 纵倾增大= 0.5times;LOAtimes;sinb，其中b为纵倾角。
作为一种粗略的指引，使用海道的最大船只在标称海床水平面上的下龙骨总间隙，最低应如下:
- 开放海域:对于高航速和强烈的海浪，间隙应该大约是最大吃水的30%。
- 暴露的渠道:暴露在强烈的膨胀，间隙应该大约是最大吃水的25%。
- 暴露的操纵和停泊区:暴露在大浪中，间隙大约为最大吃水的20%。
- 受保护的操纵和停泊区:受保护的膨胀，间隙应约为最大吃水的15%。
4.4 风浪限制
一般情况下，码头经营人和港口船长应了解所有使用码头的船舶和不同泊位的系泊原则。这包括系泊系统设计的基本原则，和在不同的风、浪、流条件下，系泊系统可能承受的载荷，应清楚了解各类船舶的作业极限，以及在泊位可能采用的系泊布置和系统。
图4.19 不同港口作业所需拖轮数
港务局应负责执行船舶靠泊前和船舶离港后的天气政策。在泊位停留期间，码头通常会实施天气政策，暂停货物作业。当船舶靠岸时，如果出现任何不可预测的恶劣天气，码头、港务局和船长应讨论任何可能出现的安全问题。
本章所述的以下风速限值通常用于评估系泊系统、水平力等，用于游轮和油船的靠泊和离泊作业(图4.20-4.22)。
一般认为，在港口和船舶作业中，小于1分钟的阵风持续时间是次要的。然而，在世界各地的一些天然气和石油码头，人们已经观察到，风力持续到20-30秒可能会影响压载状态下的油轮。
因此, 在泊油轮的设计风速应是指在任何时候影响油轮的最短阵风所对应的平均风速 ,有至少100年的循环周期和油轮的高度考虑和风速/高梯度。在油轮在泊的情况下，考虑到油轮的惯性，阵风持续时间也必须足以使系缆或护舷板产生张力。
至于油类及气体类泊位，如第4.2节所示，建议在邻近地区安装连续测量风速的仪器。为营运商所使用的所有较大码头制定了操作风限及系泊安排的指引。
图4.20 挪威国家石油公司蒙德塔德炼油厂的油轮（挪威国家石油公司蒙德塔德Oslash;yvind Hagen摄 ）
对于具有非常高的上层建筑的船舶，例如压载的油轮、集装箱船和汽车运输船，其机动性的一个关键关系似乎是风速与船速的比率。在风速与航速之比约为6-7的情况下，要控制这些轻载船舶或风载面积较大的船舶，难度较大。另一方面，在大约10倍的比率下，即使是满载的船舶，如大型满载油轮，也极有可能无法控制。
图4.21 挪威斯图尔原油码头Norsk Hydro(照片由挪威海德鲁公司提供)
图4.22 Snoslash;hvit液化天然气终端,挪威。(照片由挪威国家石油公司提供)
船舶上的风力会随着船舶的暴露面积而变化。与相对较小的迎风暴露区域相比，波束风将打击船舶的整个暴露侧区。对于给定的风速，例如，一艘大型油轮，最大横向或横向风力大约是最大纵向风力的三到五倍。
下面的数值是基于10分钟平均风速(蒲福风级)。这些数字还将取决于海浪和泊位的当前情况。
所有港口和码头都应提供文件，说明它们能够在拖轮船队驻扎在码头的情况下，在考虑到实际风速的情况下处理船只，这一点极其重要。
根据世界各地的经验，作为一个非常粗略的泊位或码头操作指南，以下操作风速建议作为限制邮轮，渡轮，和石油和天然气油轮在压载条件下，在接下来的操作。
4.4.1 邮轮码头
乘客应尽量减少邮轮在高达18米/秒或35节的风速下的运动，以确保通道的运作安全，方便抵港及离港旅客及货物的转运。图4.23显示挪威卑尔根港的8艘邮轮。
4.4.2 渡轮码头
由于船壳形状、风面积、推进系统、舵布置等不同船型之间存在较大差异，很难对靠泊和离泊时的风速范围提出建议。对于较大的渡轮，靠泊的风力范围可在15至30米/秒之间，而靠泊的风力范围则可在12至35米/秒之间，视乎风向而定。
图4.23 挪威卑尔根港的8艘邮轮（Jan. M. Lilleboslash;摄 挪威 卑尔根）
值得一提的是，渡轮和邮轮码头几乎总是在远离海浪和洋流影响的地方。
4.4.3 油码头及气体码头
以下内容可被视为安全操作的指南，但不妨碍码头运营商/港务局开展基本尽职调查，进行现场和船舶特定的导航模拟、系泊分析、风险评估和获取准确的海上气象数据。
对于油轮和天然气油轮，根据对当地条件和支持基础设施的风险分析，可以推荐以下限制:
- 对于预计风面积大于5000平方米的船舶，大约10米/秒或20节是推荐的安全风限。
- 对于设计面积小于3000平方米的船舶，建议靠泊时的安全风速为15米/秒或30节。
- 大约15米/秒或30节是建议的安全风速限制的货物转移操作。
- 大约20米/秒或40节是建议的安全风的限制，为断开加载武器，须经制造商的确认。
- 大约22米/秒或45节是推荐的安全系泊风极限。如果预报有更高的风速，船只就应该抛锚停泊。如果船已经停靠在泊位时这种情况发生不可预见的,非凡的风险缓解措施,如压舱物,以减少受风区域,使用额外的缆绳,并使用一个或多个备用拖船(推动对泊位的船)等,以减少系泊爆发的风险。请注意，在允许拖轮将LNG船推到泊位边之前，建议先断开装卸臂。
- 当风速为25米/秒或50节时，如有可能，油轮通常应驶离泊位，驶向公海。
- 当风速超过30米/秒时，管线张力可超过60-65%的最小断裂负荷(MBL)，绞盘制动器将开始渲染。油轮将处于潜在的危险境地。
注:这些限制适用于有遮蔽的泊位(显著的浪高小于0.6米)。露天的泊位适用较低的风限制，并可基于动态系泊分析，以提供对系泊完整性更高的保障。
波浪冲击系泊船的横舷、船首或船尾所产生的力，需要根据护舷的能力仔细分析。风浪的周期也会对船舶在泊位上运动而对挡泥板产生的力产生显著的影响。
对这些力的分析将决定波浪高度的条件和为操作提供限制条件的时间周期。
在一些新的大型油码头，由于环境和安全要求，靠泊期间可接受的最大风速为10米/秒，适用于所有大小的油轮。加载臂在装卸过程中的操作极限为15 m/s，装卸臂在20 m/s的风速下断开。
在使用双系泊的油库，一艘较小的油船停泊在一艘较大的油船外面的码头上，作业通常会停止，如果风速超过16米/秒，油船之间就会断开连接。如果预报风速将超过20米/秒，较小的油轮将从终点站驶往公海。图4.24所示为两艘油轮的双系泊情况。
如上所述，油轮的大致操作指南如图4.25所示。
图4.26显示了OCIMF建议的信息类型的一个示例，该类型的信息对于停泊250000 DWT油轮的泊位操作员应该是有价值的。18根尼龙绳的系泊安排显示了这种类型的油轮的最大干舷(或最小吃水)，装卸臂在大约30节的最高阵风风速下断开。随着吃水的增加，允许风速可增加到50节的峰值阵风。在这种情况下，船舶的运动可以控制装卸臂的极限。
还应注意，天然气船通常比油轮有更大的干舷，如图4.27所示的一个液化天然气球形天然气船，因此将更受风的影响。可接受的最大风速对于较小的船舶来说通常也会稍高一些。
对于液化天然气船而言，薄膜式LNG船的尺寸比同等容量的球型LNG船要小，这对于风力效应的确定具有重要意义。在一些装载约13.8万立方米液化天然气的码头，平甲板或膜式油轮的靠泊风速限制为14米/秒，而球形LNG船的靠泊风速限制为12米/秒。
每个泊位的环境操作限度应始终予以规定，并应在船舶/海岸安全检查表中详细列出。应告知油船工作人员由于岸上设备(如装油臂、软管、护舷板压缩极限等)的操作封套对油船运动的任何限制，以及如果达到这些限制，应采取的行动。
图4.24 双油轮系泊（挪威Olav Olsen教授）
4.4.4 件杂货及集装箱码头
作为比较，一般建议货物和集装箱的起吊设备、装料塔等设备不要在20米/秒左右的强风下运行
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