北部灣30萬噸級深水航道設(shè)計技術(shù)分析

黃偉軍

摘要：沿海深水航道的建設(shè)，不可避免地會遇到基礎(chǔ)資料匱乏、技術(shù)經(jīng)驗不足等問題，文章結(jié)合廣西北部灣港建設(shè)工程實例，介紹了北部灣深水航道的創(chuàng)新設(shè)計技術(shù)與亮點。

關(guān)鍵詞：北部灣;深水航道;設(shè)計技術(shù)

中國分類號：U612.32文獻標識碼：A

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，沿海港口也不斷朝著專業(yè)化、大型化的方向發(fā)展，進港航道不斷向外海延伸。因此，既要對深水航道設(shè)計技術(shù)進行探索，也需要及時對創(chuàng)新點進行分析、總結(jié)、推廣，確保工程方案的科學合理，更好地服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展。本文以北部灣30萬噸級航道工程為例，總結(jié)了北部灣深水航道的創(chuàng)新設(shè)計與亮點。

1 工程概況

1.1 地理位置

北部灣（Beibu Gulf），位于中國南海的西北部，是一個半封閉的海灣，其中，欽州灣位于北部灣的最北面，灣口朝南，東、北、西三面丘陵環(huán)抱。北部灣30萬噸級航道工程地處欽州灣頂?shù)臍J州港三墩外港作業(yè)區(qū)以南海域。

1.2 建設(shè)規(guī)模及標準

1.2.1 建設(shè)規(guī)模及標準

北部灣30萬噸級航道工程位于欽州灣灣口-21 m～-10 m水深之間海域，航道全長約34.3 km（不含30萬噸級支航道）。按單向乘潮通航30萬噸級油輪設(shè)計，設(shè)計船型尺度為334 m×60 m×22.5 m（總長×型寬×滿載吃水），航道的乘潮水位為3.81 m，乘潮保證率為70%。

30萬噸級航道主要服務(wù)對象為欽州港三墩作業(yè)區(qū)30萬噸級原油碼頭，以及欽州港各規(guī)劃作業(yè)區(qū)內(nèi)10萬噸級及以上泊位。

1.2.2 航道設(shè)計通航能力

考慮氣象及波浪因素影響，在乘潮保證率分別為70%和90%的情況下，本航道年可通航的天數(shù)分別為234 d和301 d。航道的20萬～30萬噸級油輪通過能力達到6 000萬t以上，能滿足三墩外港作業(yè)區(qū)近期1 000 t/年原油運量的需求。

1.3 航道總平面布置

30萬噸級航道起自北部灣深水區(qū)，由一直線航段組成，船舶以航向為9°～189°進出，在A點與30萬噸級支航道相連接，航道長34.3 km。航道設(shè)計通航寬度為320 m，設(shè)計底高程為-21 m;乘潮時間為3.5 h，乘潮水位為3.81 m，乘潮保證率為70%。

1.4 疏浚工程

1.4.1 疏浚土質(zhì)

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，本工程疏浚土質(zhì)主要有2級淤泥土、3級黏性土、4級黏性土、7級砂土、8級砂土、9級砂土。一般挖泥船均容易開挖或較易開挖，航道可挖性尚好。航道開挖后回淤量不大，穩(wěn)定性良好。

1.4.2 挖槽斷面

航道開挖邊坡為淤泥質(zhì)土1∶7，其他土層1∶5。

1.5 助導航設(shè)施

本航道布置34座燈浮標，其中新增航道側(cè)向浮標26座，通過移位利用欽州港10萬噸級航道現(xiàn)有浮標3座;航道口外與新錨地新增浮標1座;新增錨地和傾倒區(qū)標志各2座。

另在新錨地與航道進口之間設(shè)浮筒直徑5.0 m的大型燈浮1座（0#燈浮標），引導大型船舶自錨地通往30萬噸級進港航道。

1.6 港外錨地

本工程新增設(shè)一個30萬噸級錨地，其尺度為4.0 km×4.0 km，并調(diào)整4#錨地和3#錨地布置。

2 項目的主要特點

本項目位于北部灣北部，自欽州港10萬噸級進港航道起點向南延伸，僅由一段直線段組成，長34.3 km，沒有攔門沙。工程區(qū)域巖石埋藏較深，航道設(shè)計底高程以上均為覆蓋層。對航道產(chǎn)生淤積影響較大的是在大風浪作用下沉積在兩側(cè)淺灘泥沙被掀動再次搬運與輸移，因此，航道選線需重點研究風浪、潮流共同作用對航道淤積的影響。由于工程場地遠離規(guī)劃岸線，疏浚廢方綜合利用處理較為困難。

欽州灣外水域存在遺棄炸彈區(qū)，需考慮安全距離要求。航道邊線至炸彈區(qū)約3 950 m，略大于3 500 m的安全距離。為避免施工過程中船舶航向偏離或為了相互避讓可能進入炸彈區(qū)，必須采取必要的安全措施。

3 技術(shù)難點與創(chuàng)新

3.1 通過數(shù)學模型研究航道影響因素，合理確定航道平面布置方案

航道選線主要考慮天然水深條件、適航性、開挖工程量、航道維護以及與現(xiàn)有外海習慣航路和規(guī)劃航道的銜接等因素進行綜合比選。由于30萬噸級航道從現(xiàn)狀10萬噸級航道起點向外海延伸，工程海域沒有明顯的天然深槽，航道選線難度較大。

設(shè)計階段提出方案一（西線）和方案二（中線）兩個具有明顯可比性的方案進行比選，如圖1所示。

方案一中，航道平面布置僅有一個直線航段，起于欽州灣外-21.0 m水深的B點，終于欽州港10萬噸級航道起點A，航道長34.3 km。該方案在A點轉(zhuǎn)右進入三墩外港作業(yè)區(qū)支航道，抵達30萬噸級原油碼頭，同時在A點進入欽州港10萬噸級航道。

方案二的航道平面布置由兩個航段組成（不含支航道）。航道起自欽州灣外-21 m水深的D點，終于欽州港10萬噸級航道起點A，船舶由D點向東北航行約22.2 km至C點處，左轉(zhuǎn)15°航行約16 km至A點。該航線方案最淺點水深12.8 m，航道長度約34.6 km。該方案在A點右轉(zhuǎn)21°進入三墩外港作業(yè)區(qū)支航道，抵達30萬噸級原油碼頭，航道最淺處水深9.8 m，現(xiàn)狀水深均<21 m。

為了比較兩個方案的航道走向與潮流漲、落潮的夾角，航道內(nèi)平均橫向流速，以及航道走向與常、強浪向SSW向浪的夾角，在設(shè)計階段建立數(shù)學模型進行了潮流泥沙數(shù)學模型研究，通過數(shù)學模擬手段解決了航道選線的難題。

數(shù)模研究結(jié)果表明，方案一的航道走向與漲、落潮流向的夾角較小，平均橫向流速較小，航道回淤量較小，航道維護容易。此外，航道與三墩外港作業(yè)區(qū)支航道轉(zhuǎn)向角較小，適航性較好，有利于油船進出三墩外港作業(yè)區(qū)泊位，且工程投資較小。綜合比較航道條件和工程投資，推薦方案一。

3.2 建立數(shù)學模型研究分析航道的穩(wěn)定性，科學預(yù)測維護疏浚頻次

欽州灣30萬噸級進港航道走向為南北走向，航線位于欽州灣-10 m等深線以外，其海區(qū)灘面物質(zhì)以粉砂質(zhì)黏土為主，泥沙中值粒徑介于0.003～0.005 mm之間，航道的泥沙淤積主要是懸沙落淤所致，推移質(zhì)泥沙淤積可不考慮。

為了定量分析30萬噸級航道實施后的穩(wěn)定性以及泥沙淤積情況，為今后的航道維護提供參考依據(jù)，本項目委托交通部天津水運工程科學研究所完成了《欽州港30萬噸級進港航道工程潮流數(shù)學模型及泥沙淤積分析研究》，對漲潮、落潮原型及工程后不同工況的潮流泥沙進行了計算研究。

研究成果表明，欽州外灣的灘、槽處于基本穩(wěn)定狀態(tài)之中，30萬噸級航道所處海域都在-10 m等深線以外，其泥沙來源少，含量低，一般都<0.01 kg/m3，泥沙淤積主要是懸沙落淤所致。在正常年份下，欽州港30萬噸級航道開挖至-21.0 m水深，航道平均年回淤強度為0.13 m/a;在災(zāi)害天氣情況下，航槽內(nèi)泥沙驟淤強度約為0.065 m，航道年淤積量約為142萬m3。航道建成后可考慮每3年安排一次維護性疏浚，表明所選擇航道線路布置方案合理，航道開挖后穩(wěn)定性較好。本項目根據(jù)航道的穩(wěn)定性分析提出的航道維護疏浚頻次，為項目建成后的維護管理提供了科學的參考依據(jù)，可供同類項目借鑒。

3.3 選擇新錨地，統(tǒng)籌考慮對原有錨地做出合理調(diào)整

欽州港原有錨地最大只能錨泊15萬噸級船舶，對于進出本30萬噸級航道船舶的候潮、待泊、引航和檢疫等，原有錨地水深不能滿足要求，需要布設(shè)新的錨地。根據(jù)《海港總平面設(shè)計規(guī)范》，30萬噸級油船要求錨地水深>29 m。

根據(jù)海區(qū)測圖，將30萬噸級錨地設(shè)在離航道起點（B點）南側(cè)約5 nmi處，滿足錨地邊緣距航道邊線大于3倍船長的安全距離要求，該處水深為29.1～31.4 m，水下地形平坦，錨地表層底質(zhì)為0～0.3 m厚的淤泥（混砂），下部為可塑-硬塑黏性土層（含少量粉細砂，局部含少量中粗砂，黏性一般）及中密-密實砂層，錨地地質(zhì)能夠滿足20萬～30萬噸級油輪候潮、待泊等的錨泊需求。30萬噸級油輪采用單錨系泊，從保障油輪安全錨泊角度出發(fā)，錨地水域半徑取值在1 000 m以上。錨地水域以方型布置，邊長為4 km，面積為16 km2。

根據(jù)30萬噸級進港航道布置方案，航道軸線直接穿過現(xiàn)3#錨地東側(cè)，航道左邊線距離3#錨地邊線的距離不能滿足規(guī)范要求，因此，需將3#錨地整體向西移動2 495 m，使其東邊線與30萬噸級航道的左邊線最小距離為1 012 m。此外，欽州港10萬噸級進港航道擴建工程擬設(shè)置的4#錨地與本項目30萬噸航道工程擬設(shè)外海拋泥區(qū)的西側(cè)有重疊，且該拋泥區(qū)所拋疏浚土還會隨潮流流向西南，也不利于4#錨地水深的維持。因此，根據(jù)前期研究成果并征詢海事等相關(guān)部門的意見，將4#錨地向南偏東方向移動約14 km，以滿足10萬～15萬噸級船舶錨泊的需求。

本工程根據(jù)項目需要配套建設(shè)了30萬噸級外海錨地，同時分析其對現(xiàn)有錨地的影響，進而采取相應(yīng)的措施，實現(xiàn)了現(xiàn)狀與發(fā)展的相互協(xié)調(diào)。

3.4 合理選擇疏浚土處理方案

疏浚土處理方案進行了全外拋、部分吹填和全吹填三種方案比選。如果疏浚土吹填區(qū)考慮選在距本工程最近的三墩作業(yè)區(qū)，部分吹填方案和全吹填方案的船舶運距為20～47 km（平均運距為32.3 km），大于全外拋方案的船舶運距4～10 km（平均運距約7 km）。疏浚土處理的單價由全外拋方案的12.85元增加至全吹填方案的27.36元（未含吹填單價、運泥船在水深不足時需開挖臨時航道等的費用）。由此可見，采用吹填方案投資費用將大幅增加。經(jīng)綜合比較，選取全外拋方案，利用欽州港10萬噸級航道擴建工程設(shè)置的灣外拋泥區(qū)，同時在外航道西側(cè)新設(shè)一處拋泥區(qū)，采用大型耙吸式挖泥船挖泥裝艙后運至指定的拋泥區(qū)拋棄，疏浚土平均運距為7 km。本工程疏浚土處理方案可提高施工效率，縮短工期，降低工程造價，其思路可供同類項目參考。

3.5 通過研究拋泥區(qū)的水質(zhì)點運移軌跡，科學選擇拋泥區(qū)

為了判斷拋泥區(qū)對航道的影響，開展了數(shù)學模型及泥沙淤積分析研究。研究結(jié)果表明，本工程新設(shè)拋泥區(qū)在漲息、落急、落息、漲急四個時刻，從放置水質(zhì)點50 h運移軌跡來看，水質(zhì)點運移軌跡均為順時針方向旋轉(zhuǎn)，落潮水質(zhì)點運移方向為SW向，漲潮為NE向，符合該海域潮流運動性質(zhì)。由于落潮流速大于漲潮流速，兩個質(zhì)點凈運移方向為SW向，凈輸移距離約13～13.5 km，而且不管在什么時候拋泥，泥沙運移軌跡都不穿越航道，表明本項目拋泥區(qū)設(shè)置合理，用該法選擇海上拋泥區(qū)，可確保拋泥區(qū)的設(shè)置科學合理。

4 結(jié)語

沿海深水航道的建設(shè)，不可避免地會遇到基礎(chǔ)資料匱乏、技術(shù)經(jīng)驗不足的問題，在收集各種基礎(chǔ)資料的基礎(chǔ)上，如能充分利用數(shù)學模擬技術(shù)，就可較好地解決航道選線、拋泥區(qū)布置、港外錨地設(shè)置等技術(shù)難題，達到工程項目技術(shù)先進，安全、經(jīng)濟、適用的目標。

參考文獻：

[1]JTS165-2013，海港總體設(shè)計規(guī)范[S].

[2]中交廣州水運工程設(shè)計研究院有限公司.欽州港30萬噸級進港航道工程施工圖設(shè)計[Z].2012.