西部交通建设科技项目合同号：2004-328-832-51大连湾近岸工程建设关键技术问题研究研究报告（简本）承担单位：大连理工大学参加单位：大连港集团有限公司辽宁省交通厅港航管理局大连市港口与口岸局2007年7月大连湾近岸工程建设关键技术问题研究研究报告（简本）1、项目研究意义与概况党中央、国务院在我国进入新的发展时期做出了“振兴东北老工业基地”的重大战略部署，2003年10月又提出了为进一步扩大开放，要充分利用东北地区现有港口条件和优势，把大连建设成为东北亚重要的国际航运中心。

面对这一历史发展机遇，大连港明确提出了“建设全方位、多功能、现代化国际大港”的战略发展目标。

为了实现这一发展目标，大连港集团在“十五、“十一五”期间总投资规模将达到270亿元，重点在以大孤山半岛、大窑湾、大连湾、鲇鱼湾为中心的”一岛三湾’”区域推进十个主要重点工程建设项目。

到2010年，依托大型专业化深水泊位建设成油品、集装箱、粮食、汽车、杂货、散矿等六大转运分拨中心。

从大连东北亚重要国际航运中心港口工程建设的技术角度考虑，随着建设的码头泊位吨级越来越大，掩护条件较为理想的岸线、海湾资源越来越少。

因此绝大部分的大型泊位不可避免地要建设在开敞和半开敞的深水水域，除投资额十分巨大外，随之也带来了在建与拟建的深水大型和超大型泊位工程的安全、经济、环保等诸多亟需解决的关键技术难题。

为此，交通部西部交通建设科技项目中安排了“大连湾近岸工程建设关键技术问题研究”的课题（合同编号：2004-328-832-51）。

2004年10月通过了可行性研究报告审查，2005年1月完成了项目研究工作大纲审查，2007年7月完成了项目的验收鉴定工作，历时二年半。

本项目承担单位为大连理工大学，参加单位有大连港集团有限公司、辽宁省交通厅港航管理局和大连市港口与口岸局。

本项目的总体目标是为大连东北亚重要国际航运中心建设国际一流的港口基础设施提供技术支持。

优化设计方案，节约工程造价、缩短建设周期，加速大连湾深水港口的建设和发展步伐，促进东北老工业基地的振兴。

并通过将研究成果推广应用到我国其他大型深水泊位工程的建设，提升我国深水港口设计和施工的技术水平，适应当前我国港口工程建设向大型化、深水化、专业化以及与自然相和谐的发展需求。

2、项目主要研究内容与成果本项目主要是以当前在大连大孤山半岛、大窑湾、大连湾、鲇鱼湾为中心的“一岛三湾”区域推进的十个主要重点建设工程为背景，提出了如下3个研究专题：（1）深水码头新型结构优化及设计参数研究；（2）大型船舶靠、离泊合理作业方式和断缆防护对策研究；（3）深水港建设对海洋环境和结构物的危害与对策研究。

3个专题的主要研究内容与取得的主要研究成果简述如下。

专题1：深水码头新型结构优化及设计参数研究专题1依托工程大连港15万吨级矿石转水码头位于已建成的30万吨级矿石码头西侧的平行位置，2005年4月正式开工建设。

基于该矿石转水码头工程所在海区的波浪条件和海底地质条件等，以及装卸工艺要求码头面高程不能太高的考虑，提出了中间部分为矩形（8.9m×14.1m）、两端为半圆形（半径7.05m）的准椭圆型沉箱新结构型式，并在实验室的海洋环境水槽（长50m，宽3m，深1.0m）和大港池（长40m，宽24m，深1.0m）中进行了结构单体试验和结构墩群试验研究工作。

给出了准椭圆型沉箱结构波浪力和波浪壅高与波浪周期，波向，墩间距以及开孔情况等因素之间的关系。

提供了大连港矿石转水码头工程的码头面高程由原设计的+15.0m降低到+12.6m的科学决策依据。

准椭圆型沉箱首次在大连港矿石转水码头工程中得到很好的应用，取得了降低码头面高程2.4m、减小工程投资、缩短施工工期和方便营运的显著效果。

大连新30万吨级进口原油码头工程位于大连新港沙坨子附近，目前工程前期填海工程已接近尾声，正在研究总平面布置的安全问题。

针对现阶段普遍采用的开方孔的沉箱结构存在方孔角点处附近由于应力集中出现裂缝影响结构耐久性的问题，提出了在大连新30万吨级原油码头工程中采用开圆孔的圆型沉箱新结构（工作平台群墩结构调整方案为4个16.75m直径圆沉箱，每个圆沉箱上部开3排圆形孔），并在实验室的大波流水槽（长69m，宽2m，深1.8m）中进行了系统的模型试验研究工作。

获得了工作平台新型开圆孔沉箱群墩结构上承受的总波浪力，工作平台上部结构承受的波浪力以及工作平台群墩周围的波浪壅高情况等试验成果。

假定圆沉箱为弹性薄壁圆柱壳，采用大型有限元分析程序ANSYS中的三维弹性壳单元来计算孔口附近的薄膜应力，在有限元法数值建模中采用了开孔局部区域的4级网格剖分方法。

通过网格逐级细化，解决了矩形孔角点处的应力计算值不收敛，无法得到此处的应力精确值的问题。

通过系列数值计算得到了不同开孔形状、开孔间距下结构的应力集中系数，总结出影响应力集中的主要因素及其变化规律。

基于试验研究和有限元数值计算成果，大连新30万吨级进口原油码头工程设计中首次应用了开圆孔沉箱新结构。

开圆孔的圆型沉箱新结构在波浪反射和结构物所受的波浪力方面与传统开方孔的圆型沉箱结构差异很小，其显著的特点是可有效地解决以往采用开方孔的沉箱结构存在方孔角点处附近由于应力集中而容易产生裂缝的问题。

专题2：大型船舶靠、离泊合理作业方式和断缆防护对策研究依托大连港矿石转水码头工程、大连港已建30万吨级原油码头工程和拟建新30万吨级原油码头工程，在实验室的多功能综合水池（长55m，宽34m，深1.0m）和大港池（长40m，宽24m，深1.0m）中进行了15万吨级和10万吨级矿石船舶的系靠泊模型试验研究，45万吨级油轮和15万吨级油轮系靠泊模型试验研究，已建30万吨级原油码头兼靠45万吨级ULCC油轮系靠泊模型试验研究。

主要研究内容有在波浪、潮流、风等动力要素作用下，码头水工结构承受的船舶撞击力、撞击能量及其在各个护舷位置的分布；每根缆绳的张力和合理的缆绳布置方式；船舶6个自由度的运动分量。

给出了满足船舶安全停靠及系缆要求的工程设计参数、由船舶运动量控制的作业标准和合理的缆绳布置形式等研究成果。

对已建成的大连港30万吨级矿石码头和30万吨级原油码头现场系泊船作业情况进行了多次实地的考察和调研，综合考虑现场环境条件、船舶作业安全、测量系统安装方便等因素，确定了采用振动法进行现场的缆力测量。

采购了用于现场测量的仪器和设计了传感器的安装方案并付诸实施。

应用该系统对大连港30万吨原油码头上的系泊船进行了缆力测试和分析，获得了实船系缆力的原型测试资料。

基于系泊船物理模型试验缆绳张力测量的试验结果，结合国内大连30万吨级矿石码头、30万吨级原油码头、上海马迹山矿石码头等的断缆实际情况调查和相关资料分析，参考大连30万吨级原油进口码头缆力现场观测数据，提出了大型开敞式深水泊位防护断缆的指导性建议：（1）系靠泊时对于缆绳相对长度较小的缆绳应减小其初张L力，甚至预留适当赋予长度，使得缆绳受力更为合理（防止横缆和倒缆断缆）；（2）对于工程水域流速较大（大于1.5m/s）的情况，码头泊位长度不宜偏小（防止首尾缆断缆）；（3）在风浪较小而船舶产生较大运动时，预示着涌浪的存在，宜停止作业并放松缆绳，必要时离开泊位；（4）有条件情况下，应设计快速脱缆钩；（5）对于水动力条件恶劣的海域，宜增设缆绳张力检测系统，及时调整缆绳张力。

专题3：深水港建设对海洋环境和结构物的危害与对策研究依托大窑湾整体工程，在实验室的多功能综合水池（长55m，宽34m，深1.0m）中进行了大窑湾港区半整体波浪物理模型试验研究。

主要研究内容有天然情况（无北防波堤和北航道没有开挖）和北航道开挖后情况，大窑湾口门周围水域的波浪状况和防波堤轴线处的设计波浪要素；不同开挖地形方案，对大窑湾口门周围水域的波浪状况和防波堤轴线处的设计波浪要素的影响。

应用丹麦水力研究所开发的MIKE 21软件中的波浪模型进行了航道和双突堤条件下波浪变形数值计算。

主要计算内容有：航道和双突堤情况下港内波浪传播变形规律；进港航道对防波堤设计波浪要素的影响；大窑湾北航道开挖情况下，不同方向波浪入射时，北防波堤及岛堤周围水域的波浪分布情况等。

基于物模试验和数值计算得出的北航道的开挖对已建南防波堤没有影响，但对已建岛堤和拟建北防波堤影响较为严重的结论（岛堤和北防波堤设计波高可分别增大约25%和20%），提出了在北航道口门附近采用挖泥消波的方案并进行了方案优化工作。

推荐在北防波堤工程建设阶段采取小挖泥消波、在北航道建设阶段采用大挖泥消波的方案，有效地指导了大窑湾航道改扩建工程以及配套中、西段围堰工程建设，取得了节约工程建设资金和加快工程建设进度的显著效果。

应用丹麦水力研究所开发的MIKE21软件中的潮流数学模型、波浪数学模型和泥沙数学模型，对大窑湾2003年规划方案、2004年规划方案和北岸取直新规划方案进行了全场潮流场、波浪场和泥沙冲淤情况的数值计算。

获得了不同工况时全湾水域的潮流场和波浪场；工程各控制点位处的最大流速、流向、设计波浪要素与泊稳状况；北防波堤建设对流态的影响程度和范围；各规划开挖方案实施后第一年至第二十年的全大窑湾冲淤情况与大窑湾湾底汽车码头工程前沿冲淤情况等成果。

通过对数模计算结果的系统分析，推荐大窑湾北岸顺直岸线方案在岸线利用、船舶靠离、生产作业、特别是陆域布置方面有突出的优势，为大窑湾港区规划方案优化、控制性详细规划编制和工程建设提供了科学依据。

3、项目主要技术特征与总体性能指标系统研究了准椭圆型沉箱水工结构的水动力特性，提供了大连港矿石转水码头工程的码头面高程由原设计的+15.0m降低到+12.6m的科学决策依据，达到了降低码头面高程2.4m并满足大跨度装卸设备布置要求，取得了减少工程投资和提高码头装卸效率的显著效果。

系统研究了开圆孔的圆筒沉箱新结构的水动力特性和圆筒沉箱开孔区域在不同条件下的应力分布情况。

研究成果在大连港新30万吨级原油码头工程调整方案设计中被采纳，可有效解决传统开方孔的沉箱结构存在方孔角点处附近由于应力集中而容易产生裂缝的技术难题，对提高码头主体结构的耐久性和减少维护费将起到显著的作用。

通过在风、浪、流组合情况下，对不同船型、不同载量的系泊船舶动态特性的深入研究，提出了由船舶运动量控制的大型矿石船舶和超大型油轮的作业标准，30万吨级原油码头兼靠45万吨级ULCC 油轮的码头使用建议，开敞水域20万吨级以上船舶的防护断缆对策建议等成果，对发挥大连港矿石码头和原油码头的潜在效益具有重要的指导意义。

大连港30万吨级矿石码头和30万吨级原油码头2006年靠离泊作业时间和作业时的波浪条件的统计资料反映出，矿石码头接卸的船舶中有18艘船泊作业时的波高为m m H 8.1~3.110/1=，原油码头接卸的油轮中有9艘船泊作业时的波高为m m H 7.1~3.110/1=，达到了横浪作业标准由m H 2.1%4≤放宽到m H 5.1%4≤的性能指标。