西部交通建設科技項目協議號：-328-832-51大連灣近岸工程建設關鍵技術問題研究研究匯報（簡本）承擔單位：大連理工大學參與單位：大連港集團有限企業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關鍵技術問題研究研究匯報（簡本）1、項目研究意義與概況黨中央、國務院在我國進入新的發展時期做出了“振興東北老工業基地”的重大戰略布署，10月又提出了為深入擴大開放，要充足運用東北地區既有港口條件和優勢，把大連建設成為東北亞重要的國際航運中心。面對這一歷史發展機遇，大連港明確提出了“建設全方位、多功能、現代化國際大港”的戰略發展目的。為了實現這一發展目的，大連港集團在“十五、“十一五”期間總投資規模將到達270億元，重點在以大孤山半島、大窯灣、大連灣、鲇魚灣為中心的”一島三灣’”區域推進十個重要重點工程建設項目。到，依托大型專業化深水泊位建設成油品、集裝箱、糧食、汽車、雜貨、散礦等六大轉運分撥中心。從大連東北亞重要國際航運中心港口工程建設的技術角度考慮，伴隨建設的碼頭泊位噸級越來越大，掩護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、經濟、環境保護等諸多亟需處理的關鍵技術難題。為此，交通部西部交通建設科技項目中安排了“大連灣近岸工程建設關鍵技術問題研究”的課題（協議編號：-328-832-51）。10月通過了可行性研究匯報審查，1月完畢了項目研究工作大綱審查，7月完畢了項目的驗收鑒定工作，歷時二年半。本項目承擔單位為大連理工大學，參與單位有大連港集團有限企業、遼寧省交通廳港航管理局和大連市港口與口岸局。本項目的總體目的是為大連東北亞重要國際航運中心建設國際一流的港口基礎設施提供技術支持。優化設計方案，節省工程造價、縮短建設周期，加速大連灣深水港口的建設和發展步伐，增進東北老工業基地的振興。并通過將研究成果推廣應用到我國其他大型深水泊位工程的建設，提高我國深水港口設計和施工的技術水平，適應目前我國港口工程建設向大型化、深水化、專業化以及與自然相友好的發展需求。2、項目重要研究內容與成果本項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”區域推進的十個重要重點建設工程為背景，提出了如下3個研究專題：（1）深水碼頭新型構造優化及設計參數研究；（2）大型船舶靠、離泊合理作業方式和斷纜防護對策研究；（3）深水港建設對海洋環境和構造物的危害與對策研究。3個專題的重要研究內容與獲得的重要研究成果簡述如下。專題1：深水碼頭新型構造優化及設計參數研究專題1依托工程大連港15萬噸級礦石轉水碼頭位于已建成的30萬噸級礦石碼頭西側的平行位置，4月正式動工建設?；谠摰V石轉水碼頭工程所在海區的波浪條件和海底地質條件等，以及裝卸工藝規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）的準橢圓型沉箱新構造型式，并在試驗室的海洋環境水槽（長50m，寬3m，深1.0m）和大港池（長40m，寬24m，深1.0m）中進行了構造單體試驗和構造墩群試驗研究工作。給出了準橢圓型沉箱構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系。提供了大連港礦石轉水碼頭工程的碼頭面高程由原設計的+15.0m減少到+12.6m的科學決策根據。準橢圓型沉箱初次在大連港礦石轉水碼頭工程中得到很好的應用，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的明顯效果。大連新30萬噸級進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。針對現階段普遍采用的開方孔的沉箱構造存在方孔角點處附近由于應力集中出現裂縫影響構造耐久性的問題，提出了在大連新30萬噸級原油碼頭工程中采用開圓孔的圓型沉箱新構造（工作平臺群墩構造調整方案為4個16.75m直徑圓沉箱，每個圓沉箱上部開3排圓形孔），并在試驗室的大波流水槽（長69m，寬2m，深1.8m）中進行了系統的模型試驗研究工作。獲得了工作平臺新型開圓孔沉箱群墩構造上承受的總波浪力，工作平臺上部構造承受的波浪力以及工作平臺群墩周圍的波浪壅高狀況等試驗成果。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算孔口附近的薄膜應力，在有限元法數值建模中采用了開孔局部區域的4級網格剖分措施。通過網格逐層細化，處理了矩形孔角點處的應力計算值不收斂，無法得到此處的應力精確值的問題。通過系列數值計算得到了不一樣開孔形狀、開孔間距下構造的應力集中系數，總結出影響應力集中的重要原因及其變化規律。基于試驗研究和有限元數值計算成果，大連新30萬噸級進口原油碼頭工程設計中初次應用了開圓孔沉箱新構造。開圓孔的圓型沉箱新構造在波浪反射和構造物所受的波浪力方面與老式開方孔的圓型沉箱構造差異很小，其明顯的特點是可有效地處理以往采用開方孔的沉箱構造存在方孔角點處附近由于應力集中而輕易產生裂縫的問題。專題2：大型船舶靠、離泊合理作業方式和斷纜防護對策研究依托大連港礦石轉水碼頭工程、大連港已建30萬噸級原油碼頭工程和擬建新30萬噸級原油碼頭工程，在試驗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）中進行了15萬噸級和10萬噸級礦石船舶的系靠泊模型試驗研究，45萬噸級油輪和15萬噸級油輪系靠泊模型試驗研究，已建30萬噸級原油碼頭兼靠45萬噸級ULCC油輪系靠泊模型試驗研究。重要研究內容有在波浪、時尚、風等動力要素作用下，碼頭水工構造承受的船舶撞擊力、撞擊能量及其在各個護舷位置的分布；每根纜繩的張力和合理的纜繩布置方式；船舶6個自由度的運動分量。給出了滿足船舶安全?？考跋道|規定的工程設計參數、由船舶運動量控制的作業原則和合理的纜繩布置形式等研究成果。對已建成的大連港30萬噸級礦石碼頭和30萬噸級原油碼頭現場系泊船作業狀況進行了多次實地的考察和調研，綜合考慮現場環境條件、船舶作業安全、測量系統安裝以便等原因，確定了采用振動法進行現場的纜力測量。采購了用于現場測量的儀器和設計了傳感器的安裝方案并付諸實行。應用該系統對大連港30萬噸原油碼頭上的系泊船進行了纜力測試和分析，獲得了實船系纜力的原型測試資料。基于系泊船物理模型試驗纜繩張力測量的試驗成果，結合國內大連30萬噸級礦石碼頭、30萬噸級原油碼頭、上海馬跡山礦石碼頭等的斷纜實際狀況調查和有關資料分析，參照大連30萬噸級原油進口碼頭纜力現場觀測數據，提出了大型開敞式深水泊位防護斷纜的指導性提議：（1）系靠泊時對于纜繩相對長度較小的纜繩應減小其初張力，甚至預留合適賦予長度，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?。ǚ乐故孜怖|斷纜）；（3）在風浪較小而船舶產生較大運動時，預示著涌浪的存在，宜停止作業并放松纜繩，必要時離開泊位；（4）有條件狀況下，應設計迅速脫纜鉤；（5）對于水動力條件惡劣的海域，宜增設纜繩張力檢測系統，及時調整纜繩張力。

專題3：深水港建設對海洋環境和構造物的危害與對策研究依托大窯灣整體工程，在試驗室的多功能綜合水池（長55m，寬34m，深1.0m）中進行了大窯灣港區半整體波浪物理模型試驗研究。重要研究內容有天然狀況（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計波浪要素；不一樣開挖地形方案，對大窯灣口門周圍水域的波浪狀況和防波堤軸線處的設計波浪要素的影響。應用丹麥水力研究所開發的MIKE21軟件中的波浪模型進行了航道和雙突堤條件下波浪變形數值計算。重要計算內容有：航道和雙突堤狀況下港內波浪傳播變形規律；進港航道對防波堤設計波浪要素的影響；大窯灣北航道開挖狀況下，不一樣方向波浪入射時，北防波堤及島堤周圍水域的波浪分布狀況等?；谖锬Ｔ囼灪蛿抵涤嬎愕贸龅谋焙降赖拈_挖對已建南防波堤沒有影響，但對已建島堤和擬建北防波堤影響較為嚴重的結論（島堤和北防波堤設計波高可分別增大概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行了方案優化工作。推薦在北防波堤工程建設階段采用小挖泥消波、在北航道建設階段采用大挖泥消波的方案，有效地指導了大窯灣航道改擴建工程以及配套中、西段圍堰工程建設，獲得了節省工程建設資金和加緊工程建設進度的明顯效果。應用丹麥水力研究所開發的MIKE21軟件中的時尚數學模型、波浪數學模型和泥沙數學模型，對大窯灣規劃方案、規劃方案和北岸取直新規劃方案進行了全場時尚場、波浪場和泥沙沖淤狀況的數值計算。獲得了不一樣工況時全灣水域的時尚場和波浪場；工程各控制點位處的最大流速、流向、設計波浪要素與泊穩狀況；北防波堤建設對流態的影響程度和范圍；各規劃開挖方案實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。通過對數模計算成果的系統分析，推薦大窯灣北岸順直岸線方案在岸線運用、船舶靠離、生產作業、尤其是陸域布置方面有突出的優勢，為大窯灣港區規劃方案優化、控制性詳細規劃編制和工程建設提供了科學根據。3、項目重要技術特性與總體性能指標系統研究了準橢圓型沉箱水工構造的水動力特性，提供了大連港礦石轉水碼頭工程的碼頭面高程由原設計的+15.0m減少到+12.6m的科學決策根據，到達了減少碼頭面高程2.4m并滿足大跨度裝卸設備布置規定，獲得了減少工程投資和提高碼頭裝卸效率的明顯效果。系統研究了開圓孔的圓筒沉箱新構造的水動力特性和圓筒沉箱開孔區域在不一樣條件下的應力分布狀況。研究成果在大連港新30萬噸級原油碼頭工程調整方案設計中被采納，可有效處理老式開方孔的沉箱構造存在方孔角點處附近由于應力集中而輕易產生裂縫的技術難題，對提高碼頭主體構造的耐久性和減少維護費將起到明顯的作用。通過在風、浪、流組合狀況下，對不一樣船型、不一樣載量的系泊船舶動態特性的深入研究，提出了由船舶運動量控制的大型礦石船舶和超大型油輪的作業原則，30萬噸級原油碼頭兼靠45萬噸級ULCC油輪的碼頭使用提議，開敞水域20萬噸級以上船舶的防護斷纜對策提議等成果，對發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意義。大連港30萬噸級礦石碼頭和30萬噸級原油碼頭靠離泊作業時間和作業時的波浪條件的記錄資料反應出，礦石碼頭接卸的船舶中有18艘船泊作業時的波高為，原油碼頭接卸的油輪中有9艘船泊作業時的波高為，到達了橫浪作業原則由放寬到的性能指標。采用數模、物模試驗對大窯灣整體規劃調整方案進行科學論證，推薦大窯灣北岸順直岸線方案在岸線運用、船舶靠離、生產作業、尤其是陸域布置方面有突出的優勢。系統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擬建北防波堤和已建島堤與南防波堤的設計波要素的影響，提出了在北防波堤工程建設階段采用小挖泥消波，在北航道建設階段采用大挖泥消波的方案，可實現將北航道周圍已建構造物實際波浪的增大控制在原設計波浪原則許可范圍內的目的，進而保證了這些建筑物的安全。推薦近期實行的小挖泥消浪方案，有效地指導了大窯灣航道改擴建工程以及配套工程中、西段圍堰建設。綜上所述，該研究項目依托大連港30萬噸級礦石碼頭、30萬噸級進口原油碼頭、大窯灣港區等重點建設工程，處理了建設中的關鍵技術問題，項目研究成果總體上到達國際先進水平。

4.經濟社會效益與推廣應用前景準橢圓型沉箱新型水工構造是初次提出并在大連港礦石轉水碼頭工程中得到很好的應用，碼頭面高程由原設計的+15.0m減少到+12.6m并滿足大跨度裝卸設備布置。準橢圓沉箱適合預制巨型沉箱，使碼頭上部構造坐于一種沉箱基礎上，很好處理了采用兩個圓沉箱輕易產生前后不均勻沉降和碼頭面高程偏高的技術難題。大連港礦石轉水泊位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，轉運到渤海灣內的港口。為此轉水碼頭泊位的建設使大連港的礦石吞吐能力增長900萬噸，到達2400萬噸。對拉動礦石吞吐量的增長，將30萬噸礦石碼頭的分撥功能輻射到環渤海各個港口發揮著重要的作用。目前大連港通過開展礦石轉水業務，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造是初次提出并在大連港新30萬噸級原油碼頭工程調整方案設計中被采納。可有效處理老式開方孔的沉箱構造存在方孔角點處附近由于應力集中而輕易產生裂縫的技術難題，對提高碼頭主體構造的耐久性和減少碼頭運行期間的維護工作費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。這個可以兼靠45萬噸級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。提出了由船舶運動量控制的15萬噸級和10萬噸級礦石船舶、45萬噸級和15萬噸級油輪的作業原則，30萬噸級原油碼頭兼靠45萬噸級ULCC油輪的碼頭使用提議，開敞水域20萬噸級以上船舶的防護斷纜對策提議等成果已應用于依托工程。對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動有關的泊位運行效率的改善兩個重要技術問題有重要借鑒作用。也為制定開敞式大型專用碼頭泊穩作業原則，在保證安全的條件下提高碼頭的作業天數提供了重要的基礎數據。目前正在實行的大窯灣整體工程建設中應用了本項目提出的在北防波堤工程建設階段采用小挖泥消波和北航道建設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大窯灣南