大連港調(diào)查報(bào)告

西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目協(xié)議號(hào)：-328-832-51大連灣近岸工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)問題研究研究匯報(bào)（簡本）承擔(dān)單位：大連理工大學(xué)參與單位：大連港集團(tuán)有限企業(yè)遼寧省交通廳港航管理局大連市港口與口岸局7月

大連灣近岸工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)問題研究研究匯報(bào)（簡本）1、項(xiàng)目研究意義與概況黨中央、國務(wù)院在我國進(jìn)入新的發(fā)展時(shí)期做出了“振興東北老工業(yè)基地”的重大戰(zhàn)略布署，10月又提出了為深入擴(kuò)大開放，要充足運(yùn)用東北地區(qū)既有港口條件和優(yōu)勢，把大連建設(shè)成為東北亞重要的國際航運(yùn)中心。面對(duì)這一歷史發(fā)展機(jī)遇，大連港明確提出了“建設(shè)全方位、多功能、現(xiàn)代化國際大港”的戰(zhàn)略發(fā)展目的。為了實(shí)現(xiàn)這一發(fā)展目的，大連港集團(tuán)在“十五、“十一五”期間總投資規(guī)模將到達(dá)270億元，重點(diǎn)在以大孤山半島、大窯灣、大連灣、鲇魚灣為中心的”一島三灣’”區(qū)域推進(jìn)十個(gè)重要重點(diǎn)工程建設(shè)項(xiàng)目。到，依托大型專業(yè)化深水泊位建設(shè)成油品、集裝箱、糧食、汽車、雜貨、散礦等六大轉(zhuǎn)運(yùn)分撥中心。從大連東北亞重要國際航運(yùn)中心港口工程建設(shè)的技術(shù)角度考慮，伴隨建設(shè)的碼頭泊位噸級(jí)越來越大，掩護(hù)條件較為理想的岸線、海灣資源越來越少。因此絕大部分的大型泊位不可防止地要建設(shè)在開敞和半開敞的深水水域，除投資額十分巨大外，隨之也帶來了在建與擬建的深水大型和超大型泊位工程的安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境保護(hù)等諸多亟需處理的關(guān)鍵技術(shù)難題。為此，交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目中安排了“大連灣近岸工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)問題研究”的課題（協(xié)議編號(hào)：-328-832-51）。10月通過了可行性研究匯報(bào)審查，1月完畢了項(xiàng)目研究工作大綱審查，7月完畢了項(xiàng)目的驗(yàn)收鑒定工作，歷時(shí)二年半。本項(xiàng)目承擔(dān)單位為大連理工大學(xué)，參與單位有大連港集團(tuán)有限企業(yè)、遼寧省交通廳港航管理局和大連市港口與口岸局。本項(xiàng)目的總體目的是為大連東北亞重要國際航運(yùn)中心建設(shè)國際一流的港口基礎(chǔ)設(shè)施提供技術(shù)支持。優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，節(jié)省工程造價(jià)、縮短建設(shè)周期，加速大連灣深水港口的建設(shè)和發(fā)展步伐，增進(jìn)東北老工業(yè)基地的振興。并通過將研究成果推廣應(yīng)用到我國其他大型深水泊位工程的建設(shè)，提高我國深水港口設(shè)計(jì)和施工的技術(shù)水平，適應(yīng)目前我國港口工程建設(shè)向大型化、深水化、專業(yè)化以及與自然相友好的發(fā)展需求。2、項(xiàng)目重要研究內(nèi)容與成果本項(xiàng)目重要是以目前在大連大孤山半島、大窯灣、大連灣、鲇魚灣為中心的“一島三灣”區(qū)域推進(jìn)的十個(gè)重要重點(diǎn)建設(shè)工程為背景，提出了如下3個(gè)研究專題：（1）深水碼頭新型構(gòu)造優(yōu)化及設(shè)計(jì)參數(shù)研究；（2）大型船舶靠、離泊合理作業(yè)方式和斷纜防護(hù)對(duì)策研究；（3）深水港建設(shè)對(duì)海洋環(huán)境和構(gòu)造物的危害與對(duì)策研究。3個(gè)專題的重要研究內(nèi)容與獲得的重要研究成果簡述如下。專題1：深水碼頭新型構(gòu)造優(yōu)化及設(shè)計(jì)參數(shù)研究專題1依托工程大連港15萬噸級(jí)礦石轉(zhuǎn)水碼頭位于已建成的30萬噸級(jí)礦石碼頭西側(cè)的平行位置，4月正式動(dòng)工建設(shè)。基于該礦石轉(zhuǎn)水碼頭工程所在海區(qū)的波浪條件和海底地質(zhì)條件等，以及裝卸工藝規(guī)定碼頭面高程不能太高的考慮，提出了中間部分為矩形（8.9m×14.1m）、兩端為半圓形（半徑7.05m）的準(zhǔn)橢圓型沉箱新構(gòu)造型式，并在試驗(yàn)室的海洋環(huán)境水槽（長50m，寬3m，深1.0m）和大港池（長40m，寬24m，深1.0m）中進(jìn)行了構(gòu)造單體試驗(yàn)和構(gòu)造墩群試驗(yàn)研究工作。給出了準(zhǔn)橢圓型沉箱構(gòu)造波浪力和波浪壅高與波浪周期，波向，墩間距以及開孔狀況等原因之間的關(guān)系。提供了大連港礦石轉(zhuǎn)水碼頭工程的碼頭面高程由原設(shè)計(jì)的+15.0m減少到+12.6m的科學(xué)決策根據(jù)。準(zhǔn)橢圓型沉箱初次在大連港礦石轉(zhuǎn)水碼頭工程中得到很好的應(yīng)用，獲得了減少碼頭面高程2.4m、減小工程投資、縮短施工工期和以便營運(yùn)的明顯效果。大連新30萬噸級(jí)進(jìn)口原油碼頭工程位于大連新港沙坨子附近，目前工程前期填海工程已靠近尾聲，正在研究總平面布置的安全問題。針對(duì)現(xiàn)階段普遍采用的開方孔的沉箱構(gòu)造存在方孔角點(diǎn)處附近由于應(yīng)力集中出現(xiàn)裂縫影響構(gòu)造耐久性的問題，提出了在大連新30萬噸級(jí)原油碼頭工程中采用開圓孔的圓型沉箱新構(gòu)造（工作平臺(tái)群墩構(gòu)造調(diào)整方案為4個(gè)16.75m直徑圓沉箱，每個(gè)圓沉箱上部開3排圓形孔），并在試驗(yàn)室的大波流水槽（長69m，寬2m，深1.8m）中進(jìn)行了系統(tǒng)的模型試驗(yàn)研究工作。獲得了工作平臺(tái)新型開圓孔沉箱群墩構(gòu)造上承受的總波浪力，工作平臺(tái)上部構(gòu)造承受的波浪力以及工作平臺(tái)群墩周圍的波浪壅高狀況等試驗(yàn)成果。假定圓沉箱為彈性薄壁圓柱殼，采用大型有限元分析程序ANSYS中的三維彈性殼單元來計(jì)算孔口附近的薄膜應(yīng)力，在有限元法數(shù)值建模中采用了開孔局部區(qū)域的4級(jí)網(wǎng)格剖分措施。通過網(wǎng)格逐層細(xì)化，處理了矩形孔角點(diǎn)處的應(yīng)力計(jì)算值不收斂，無法得到此處的應(yīng)力精確值的問題。通過系列數(shù)值計(jì)算得到了不一樣開孔形狀、開孔間距下構(gòu)造的應(yīng)力集中系數(shù)，總結(jié)出影響應(yīng)力集中的重要原因及其變化規(guī)律?；谠囼?yàn)研究和有限元數(shù)值計(jì)算成果，大連新30萬噸級(jí)進(jìn)口原油碼頭工程設(shè)計(jì)中初次應(yīng)用了開圓孔沉箱新構(gòu)造。開圓孔的圓型沉箱新構(gòu)造在波浪反射和構(gòu)造物所受的波浪力方面與老式開方孔的圓型沉箱構(gòu)造差異很小，其明顯的特點(diǎn)是可有效地處理以往采用開方孔的沉箱構(gòu)造存在方孔角點(diǎn)處附近由于應(yīng)力集中而輕易產(chǎn)生裂縫的問題。專題2：大型船舶靠、離泊合理作業(yè)方式和斷纜防護(hù)對(duì)策研究依托大連港礦石轉(zhuǎn)水碼頭工程、大連港已建30萬噸級(jí)原油碼頭工程和擬建新30萬噸級(jí)原油碼頭工程，在試驗(yàn)室的多功能綜合水池（長55m，寬34m，深1.0m）和大港池（長40m，寬24m，深1.0m）中進(jìn)行了15萬噸級(jí)和10萬噸級(jí)礦石船舶的系靠泊模型試驗(yàn)研究，45萬噸級(jí)油輪和15萬噸級(jí)油輪系靠泊模型試驗(yàn)研究，已建30萬噸級(jí)原油碼頭兼靠45萬噸級(jí)ULCC油輪系靠泊模型試驗(yàn)研究。重要研究內(nèi)容有在波浪、時(shí)尚、風(fēng)等動(dòng)力要素作用下，碼頭水工構(gòu)造承受的船舶撞擊力、撞擊能量及其在各個(gè)護(hù)舷位置的分布；每根纜繩的張力和合理的纜繩布置方式；船舶6個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)分量。給出了滿足船舶安全?？考跋道|規(guī)定的工程設(shè)計(jì)參數(shù)、由船舶運(yùn)動(dòng)量控制的作業(yè)原則和合理的纜繩布置形式等研究成果。對(duì)已建成的大連港30萬噸級(jí)礦石碼頭和30萬噸級(jí)原油碼頭現(xiàn)場系泊船作業(yè)狀況進(jìn)行了多次實(shí)地的考察和調(diào)研，綜合考慮現(xiàn)場環(huán)境條件、船舶作業(yè)安全、測量系統(tǒng)安裝以便等原因，確定了采用振動(dòng)法進(jìn)行現(xiàn)場的纜力測量。采購了用于現(xiàn)場測量的儀器和設(shè)計(jì)了傳感器的安裝方案并付諸實(shí)行。應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)大連港30萬噸原油碼頭上的系泊船進(jìn)行了纜力測試和分析，獲得了實(shí)船系纜力的原型測試資料?；谙挡创锢砟Ｐ驮囼?yàn)纜繩張力測量的試驗(yàn)成果，結(jié)合國內(nèi)大連30萬噸級(jí)礦石碼頭、30萬噸級(jí)原油碼頭、上海馬跡山礦石碼頭等的斷纜實(shí)際狀況調(diào)查和有關(guān)資料分析，參照大連30萬噸級(jí)原油進(jìn)口碼頭纜力現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，提出了大型開敞式深水泊位防護(hù)斷纜的指導(dǎo)性提議：（1）系靠泊時(shí)對(duì)于纜繩相對(duì)長度較小的纜繩應(yīng)減小其初張力，甚至預(yù)留合適賦予長度，使得纜繩受力更為合理（防止橫纜和倒纜斷纜）；（2）對(duì)于工程水域流速較大（不小于1.5m/s）的狀況，碼頭泊位長度不適宜偏小（防止首尾纜斷纜）；（3）在風(fēng)浪較小而船舶產(chǎn)生較大運(yùn)動(dòng)時(shí)，預(yù)示著涌浪的存在，宜停止作業(yè)并放松纜繩，必要時(shí)離開泊位；（4）有條件狀況下，應(yīng)設(shè)計(jì)迅速脫纜鉤；（5）對(duì)于水動(dòng)力條件惡劣的海域，宜增設(shè)纜繩張力檢測系統(tǒng)，及時(shí)調(diào)整纜繩張力。

專題3：深水港建設(shè)對(duì)海洋環(huán)境和構(gòu)造物的危害與對(duì)策研究依托大窯灣整體工程，在試驗(yàn)室的多功能綜合水池（長55m，寬34m，深1.0m）中進(jìn)行了大窯灣港區(qū)半整體波浪物理模型試驗(yàn)研究。重要研究內(nèi)容有天然狀況（無北防波堤和北航道沒有開挖）和北航道開挖后狀況，大窯灣口門周圍水域的波浪狀況和防波堤軸線處的設(shè)計(jì)波浪要素；不一樣開挖地形方案，對(duì)大窯灣口門周圍水域的波浪狀況和防波堤軸線處的設(shè)計(jì)波浪要素的影響。應(yīng)用丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE21軟件中的波浪模型進(jìn)行了航道和雙突堤條件下波浪變形數(shù)值計(jì)算。重要計(jì)算內(nèi)容有：航道和雙突堤狀況下港內(nèi)波浪傳播變形規(guī)律；進(jìn)港航道對(duì)防波堤設(shè)計(jì)波浪要素的影響；大窯灣北航道開挖狀況下，不一樣方向波浪入射時(shí)，北防波堤及島堤周圍水域的波浪分布狀況等?；谖锬Ｔ囼?yàn)和數(shù)值計(jì)算得出的北航道的開挖對(duì)已建南防波堤沒有影響，但對(duì)已建島堤和擬建北防波堤影響較為嚴(yán)重的結(jié)論（島堤和北防波堤設(shè)計(jì)波高可分別增大概25%和20%），提出了在北航道口門附近采用挖泥消波的方案并進(jìn)行了方案優(yōu)化工作。推薦在北防波堤工程建設(shè)階段采用小挖泥消波、在北航道建設(shè)階段采用大挖泥消波的方案，有效地指導(dǎo)了大窯灣航道改擴(kuò)建工程以及配套中、西段圍堰工程建設(shè)，獲得了節(jié)省工程建設(shè)資金和加緊工程建設(shè)進(jìn)度的明顯效果。應(yīng)用丹麥水力研究所開發(fā)的MIKE21軟件中的時(shí)尚數(shù)學(xué)模型、波浪數(shù)學(xué)模型和泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)大窯灣規(guī)劃方案、規(guī)劃方案和北岸取直新規(guī)劃方案進(jìn)行了全場時(shí)尚場、波浪場和泥沙沖淤狀況的數(shù)值計(jì)算。獲得了不一樣工況時(shí)全灣水域的時(shí)尚場和波浪場；工程各控制點(diǎn)位處的最大流速、流向、設(shè)計(jì)波浪要素與泊穩(wěn)狀況；北防波堤建設(shè)對(duì)流態(tài)的影響程度和范圍；各規(guī)劃開挖方案實(shí)行后第一年至第二十年的全大窯灣沖淤狀況與大窯灣灣底汽車碼頭工程前沿沖淤狀況等成果。通過對(duì)數(shù)模計(jì)算成果的系統(tǒng)分析，推薦大窯灣北岸順直岸線方案在岸線運(yùn)用、船舶靠離、生產(chǎn)作業(yè)、尤其是陸域布置方面有突出的優(yōu)勢，為大窯灣港區(qū)規(guī)劃方案優(yōu)化、控制性詳細(xì)規(guī)劃編制和工程建設(shè)提供了科學(xué)根據(jù)。3、項(xiàng)目重要技術(shù)特性與總體性能指標(biāo)系統(tǒng)研究了準(zhǔn)橢圓型沉箱水工構(gòu)造的水動(dòng)力特性，提供了大連港礦石轉(zhuǎn)水碼頭工程的碼頭面高程由原設(shè)計(jì)的+15.0m減少到+12.6m的科學(xué)決策根據(jù)，到達(dá)了減少碼頭面高程2.4m并滿足大跨度裝卸設(shè)備布置規(guī)定，獲得了減少工程投資和提高碼頭裝卸效率的明顯效果。系統(tǒng)研究了開圓孔的圓筒沉箱新構(gòu)造的水動(dòng)力特性和圓筒沉箱開孔區(qū)域在不一樣條件下的應(yīng)力分布狀況。研究成果在大連港新30萬噸級(jí)原油碼頭工程調(diào)整方案設(shè)計(jì)中被采納，可有效處理老式開方孔的沉箱構(gòu)造存在方孔角點(diǎn)處附近由于應(yīng)力集中而輕易產(chǎn)生裂縫的技術(shù)難題，對(duì)提高碼頭主體構(gòu)造的耐久性和減少維護(hù)費(fèi)將起到明顯的作用。通過在風(fēng)、浪、流組合狀況下，對(duì)不一樣船型、不一樣載量的系泊船舶動(dòng)態(tài)特性的深入研究，提出了由船舶運(yùn)動(dòng)量控制的大型礦石船舶和超大型油輪的作業(yè)原則，30萬噸級(jí)原油碼頭兼靠45萬噸級(jí)ULCC油輪的碼頭使用提議，開敞水域20萬噸級(jí)以上船舶的防護(hù)斷纜對(duì)策提議等成果，對(duì)發(fā)揮大連港礦石碼頭和原油碼頭的潛在效益具有重要的指導(dǎo)意義。大連港30萬噸級(jí)礦石碼頭和30萬噸級(jí)原油碼頭靠離泊作業(yè)時(shí)間和作業(yè)時(shí)的波浪條件的記錄資料反應(yīng)出，礦石碼頭接卸的船舶中有18艘船泊作業(yè)時(shí)的波高為，原油碼頭接卸的油輪中有9艘船泊作業(yè)時(shí)的波高為，到達(dá)了橫浪作業(yè)原則由放寬到的性能指標(biāo)。采用數(shù)模、物模試驗(yàn)對(duì)大窯灣整體規(guī)劃調(diào)整方案進(jìn)行科學(xué)論證，推薦大窯灣北岸順直岸線方案在岸線運(yùn)用、船舶靠離、生產(chǎn)作業(yè)、尤其是陸域布置方面有突出的優(yōu)勢。系統(tǒng)研究了大連大窯灣整體工程北航道口門附近采用不一樣挖泥消波方案對(duì)擬建北防波堤和已建島堤與南防波堤的設(shè)計(jì)波要素的影響，提出了在北防波堤工程建設(shè)階段采用小挖泥消波，在北航道建設(shè)階段采用大挖泥消波的方案，可實(shí)現(xiàn)將北航道周圍已建構(gòu)造物實(shí)際波浪的增大控制在原設(shè)計(jì)波浪原則許可范圍內(nèi)的目的，進(jìn)而保證了這些建筑物的安全。推薦近期實(shí)行的小挖泥消浪方案，有效地指導(dǎo)了大窯灣航道改擴(kuò)建工程以及配套工程中、西段圍堰建設(shè)。綜上所述，該研究項(xiàng)目依托大連港30萬噸級(jí)礦石碼頭、30萬噸級(jí)進(jìn)口原油碼頭、大窯灣港區(qū)等重點(diǎn)建設(shè)工程，處理了建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，項(xiàng)目研究成果總體上到達(dá)國際先進(jìn)水平。

4.經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益與推廣應(yīng)用前景準(zhǔn)橢圓型沉箱新型水工構(gòu)造是初次提出并在大連港礦石轉(zhuǎn)水碼頭工程中得到很好的應(yīng)用，碼頭面高程由原設(shè)計(jì)的+15.0m減少到+12.6m并滿足大跨度裝卸設(shè)備布置。準(zhǔn)橢圓沉箱適合預(yù)制巨型沉箱，使碼頭上部構(gòu)造坐于一種沉箱基礎(chǔ)上，很好處理了采用兩個(gè)圓沉箱輕易產(chǎn)生前后不均勻沉降和碼頭面高程偏高的技術(shù)難題。大連港礦石轉(zhuǎn)水泊位9月建成后，停靠在30萬噸礦石碼頭的大型礦石船舶可以將鐵礦石裝載到15萬噸如下的小船上，轉(zhuǎn)運(yùn)到渤海灣內(nèi)的港口。為此轉(zhuǎn)水碼頭泊位的建設(shè)使大連港的礦石吞吐能力增長900萬噸，到達(dá)2400萬噸。對(duì)拉動(dòng)礦石吞吐量的增長，將30萬噸礦石碼頭的分撥功能輻射到環(huán)渤海各個(gè)港口發(fā)揮著重要的作用。目前大連港通過開展礦石轉(zhuǎn)水業(yè)務(wù)，深入奠定了其北方重要礦石分撥港的地位。開圓孔的圓筒沉箱新構(gòu)造是初次提出并在大連港新30萬噸級(jí)原油碼頭工程調(diào)整方案設(shè)計(jì)中被采納?？捎行幚砝鲜介_方孔的沉箱構(gòu)造存在方孔角點(diǎn)處附近由于應(yīng)力集中而輕易產(chǎn)生裂縫的技術(shù)難題，對(duì)提高碼頭主體構(gòu)造的耐久性和減少碼頭運(yùn)行期間的維護(hù)工作費(fèi)用將起到明顯的作用。目前前期填海工程已靠近尾聲，600多米長的引橋陸基基本形成。這個(gè)可以兼靠45萬噸級(jí)超大型油輪的大碼頭工程目前正在研究總平面布置的安全問題。提出了由船舶運(yùn)動(dòng)量控制的15萬噸級(jí)和10萬噸級(jí)礦石船舶、45萬噸級(jí)和15萬噸級(jí)油輪的作業(yè)原則，30萬噸級(jí)原油碼頭兼靠45萬噸級(jí)ULCC油輪的碼頭使用提議，開敞水域20萬噸級(jí)以上船舶的防護(hù)斷纜對(duì)策提議等成果已應(yīng)用于依托工程。對(duì)處理開敞式碼頭面臨的在惡劣天氣狀況下系泊船的安全以及與船舶運(yùn)動(dòng)有關(guān)的泊位運(yùn)行效率的改善兩個(gè)重要技術(shù)問題有重要借鑒作用。也為制定開敞式大型專用碼頭泊穩(wěn)作業(yè)原則，在保證安全的條件下提高碼頭的作業(yè)天數(shù)提供了重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。目前正在實(shí)行的大窯灣整體工程建設(shè)中應(yīng)用了本項(xiàng)目提出的在北防波堤工程建設(shè)階段采用小挖泥消波和北航道建設(shè)階段采用大挖泥消波的研究成果。大窯灣北航道建成后，將與既有南航道連通，形成南北互通航道。建成后的北防波堤與已建成的南防波堤將對(duì)大窯灣南