淺談大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶進(jìn)出內(nèi)河航道選線及疏浚工程設(shè)計(jì)

徐昕 廣東正方圓工程咨詢有限公司

1.工程概況

金海大橋位于珠海市橫琴鎮(zhèn)，所在河段為交杯沙水道，通航1000噸級船舶。金海大橋是目前國內(nèi)首座公鐵兩用四塔斜拉橋，也是國內(nèi)橋面最寬、挑臂最長的橋梁，主橋通航凈高為28m，可容納3000噸海輪通過。為減少鋼箱梁、鋼塔現(xiàn)場焊接的工作量，保障施工質(zhì)量，提高施工效率，鋼箱梁采用大節(jié)段施工，鋼塔采用整體吊裝施工。大橋的鋼箱梁、鋼塔等大型構(gòu)件從制造廠海運(yùn)至珠海橫琴，需采用15000噸級駁船運(yùn)輸至施工現(xiàn)場，然后借助3000噸級浮吊船進(jìn)行吊裝作業(yè)。

大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶及浮吊船由外海到達(dá)施工現(xiàn)場，共有2條水路可供選擇。內(nèi)河航道等級較低、航道寬度和水深條件較差、彎曲半徑較小、跨河橋梁及管線對大型海輪進(jìn)入存在制約等均是本次航道選線及疏浚工程設(shè)計(jì)需要考慮的因素。

2.航道選線

本項(xiàng)目共包含14個大型構(gòu)件的運(yùn)輸和1艘3000噸級浮吊船的進(jìn)出場，運(yùn)輸線路選取的難點(diǎn)為分析船舶由外海進(jìn)入內(nèi)河航道的制約因素以及解決辦法。

在選取線路時，結(jié)合大型構(gòu)件運(yùn)輸?shù)奶厥庑?、吊裝船舶自身的特點(diǎn)以及所經(jīng)過內(nèi)河航道的通航環(huán)境情況，對大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶及浮吊船由外海進(jìn)入內(nèi)河航道和通過內(nèi)河航段的決定性條件進(jìn)行分析研究。分析的重點(diǎn)為沿途的航道水深條件、航道通航寬度、彎曲半徑、跨河橋梁和線纜凈空尺度、管道埋深情況、水流流速及流態(tài)情況、船舶通航密度等的適應(yīng)性以及是否具備工程改造的可行性。

本項(xiàng)目投入的運(yùn)輸船舶總長115 m，船寬35 m，所需運(yùn)輸?shù)淖畲髽?gòu)件是主塔（尺寸為107×17.6×14m，單件重2550t），運(yùn)輸時船舶的吃水約為 4.5m；投入的拖輪總長為37.7m，船寬10.4m；投入的浮吊船總長為109.85m，船寬 48m，空載吃水 4.8m。

從外海進(jìn)入內(nèi)河航道水域共有兩條途徑可供選擇：線路一是從外?！拈T水道～洪灣水道～交杯沙水道～施工現(xiàn)場；線路二是從外?！サ堕T攔門沙段～交杯沙水道～施工現(xiàn)場。見圖1。

圖1 運(yùn)輸線路

線路一中澳門水道是西江流域來往港澳的水上交通要道，該水道船舶通航密度大、船舶種類眾多，容易對大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶產(chǎn)生交叉影響。本項(xiàng)目投入的浮吊船需借助拖輪航行，占用水域面積大，也會影響航道中其他船舶的正常航行。澳門水道的航道維護(hù)水深為4.0m，航道通航寬度為45m，航道現(xiàn)狀尺度較難滿足本項(xiàng)目大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶及浮吊船的航行需求，需采取疏浚措施。另外，口門區(qū)徑流與潮流相互頂托，流速甚小，隨徑流下泄的泥沙大部分在該區(qū)域落淤，形成影響泄洪排沙、阻礙船舶順利通行的關(guān)鍵區(qū)段，在一定程度上也增加了船舶可操控難度。目前澳門水道橋梁集中且均為單孔雙向通航，途經(jīng)的橋梁通航孔凈高最小為28m、凈寬最小為60m，現(xiàn)狀橋梁通航凈高滿足本工程要求，但通航寬度存在一定的制約。

洪灣水道是珠江口西側(cè)的一條重要航道，也是澳門通往珠江三角洲和粵西沿海及海南島的出入口。該線路沿途臨河建筑物較多，沿岸有多個碼頭，加之近年腹地經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，使洪灣水道的過往船舶數(shù)量增加，船舶流量較大，通航環(huán)境較復(fù)雜。目前洪灣水道按內(nèi)河Ⅲ級航道，通航 1000噸級港澳線船舶標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，航道設(shè)計(jì)尺度為 4.0×80×500m（水深×寬度×彎曲半徑，下同）。航道現(xiàn)狀尺度與本項(xiàng)目大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶和浮吊船航行所需的航道尺度不匹配，需采取疏浚措施。線路一需途經(jīng)洪灣水道現(xiàn)有跨河橋梁 2 座、一處跨河電纜，其中跨河橋梁分別為橫琴大橋（雙孔單向通航，凈寬90m、凈高22m）、橫琴二橋（單孔雙向通航，凈寬340m、凈高28m）；跨河電纜凈高為25m?，F(xiàn)有橋梁、電纜凈空尺度基本滿足運(yùn)輸需求。

交杯沙水道目前維護(hù)尺度為4.0×80×500m，通航1000噸級船舶。由洪灣水道進(jìn)入交杯沙水道，航道的彎曲半徑較小，對大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶和浮吊船的航行造成一定的影響，需要對洪灣口裁彎取直方可滿足船舶的通航需求，一定程度上削弱了走該線路的優(yōu)勢。

綜上所述，線路一途經(jīng)的內(nèi)河航道限制因素較多，通航環(huán)境較復(fù)雜。航道水深、通航寬度、彎曲半徑均較難滿足本項(xiàng)目大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶和浮吊船所需的航道尺度要求，需采取疏浚、裁彎取直等措施。

線路二，途經(jīng)的航道暫無已建橋梁和跨河線纜。其中交杯沙水道河面開闊，具備對航道進(jìn)行拓寬的條件；磨刀門攔門沙段，受徑流、潮流、波浪以及伶仃洋漲潮落潮和沿岸流等的影響，淺灘分布廣闊，水深較淺，本項(xiàng)目大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶和浮吊船無法通過，需對現(xiàn)狀航道進(jìn)行浚深拓寬。另外，該段有中海石油（中國）有限公司的天然氣海底輸氣管道，船舶由外海進(jìn)入交杯沙水道需跨越該管道。在運(yùn)輸線路軸線確定時需綜合考慮該海底管道的埋深以及本項(xiàng)目大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶和浮吊船航行所需的水深、寬度等要求，選擇在合適的位置跨越該管道。

綜合考慮線路一和線路二的限制因素（見表1），線路一存在航道尺度不足、跨河橋梁及跨河線纜受限、水流條件復(fù)雜、船舶密度大等問題。從工程的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)合理性方面考慮，線路一實(shí)施難度大，要采取疏浚、裁彎取直、局部改造橋梁等措施。線路二雖暫時不能通航大型船舶，但該河段河面開闊、無已建橋梁及跨河線纜，可通過疏浚措施滿足本項(xiàng)目大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶及浮吊船進(jìn)出場的需求。因此，線路二為本項(xiàng)目的推薦線路。

表1 路線一、二可行性對比分析表

為避免在海底管道范圍內(nèi)進(jìn)行疏浚，根據(jù)臨時航道的水深和寬度要求，并考慮臨時航道與現(xiàn)有航道的銜接，選擇在6m等深線處跨越海底管道。由于本項(xiàng)目大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶及浮吊船進(jìn)出場次數(shù)較少，取臨時航道軸線與現(xiàn)狀航道軸線相同，以減少疏浚量，節(jié)約工程造價。

3.疏浚工程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

臨時航道尺度一是要滿足運(yùn)輸船舶的通航需求，二是要滿足浮吊船在拖輪（一牽一旁）組合下的通航尺度。

3.1 航道寬度的計(jì)算

經(jīng)分析大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶及浮吊船的船舶參數(shù)及航行方式，浮吊船+拖輪組合所需的航道尺度較大，作為本項(xiàng)目航道尺度的控制工況。由于目前國內(nèi)對此類拖帶船隊(duì)的通航航道寬度計(jì)算無明確規(guī)定，因此，在計(jì)算航道通航寬度時選取規(guī)范算法和經(jīng)驗(yàn)算法兩種方法進(jìn)行比較，并經(jīng)綜合考慮選取合適的尺度。

3.1.1 規(guī)范算法

當(dāng)前我國航道通航寬度設(shè)計(jì)主要遵循的標(biāo)準(zhǔn)是《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，考慮到本次開挖航道使用次數(shù)少，因此選擇單線航道進(jìn)行設(shè)計(jì)。單線航道寬度由航跡帶寬度、船舶與航道底邊間的富裕寬度組成，計(jì)算公式如下：

單線航道

W＝A＋2C

A＝n（Lsinγ＋B）

根據(jù)磨刀門攔門沙段的自然條件、通航條件，以及船舶航速等的影響，選取相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算的航道通航寬度為193m。

3.1.2 經(jīng)驗(yàn)算法

由于本次浮吊船自身沒有動力，類似于海洋平臺的拖帶，兩者運(yùn)輸原理比較接近，具有較好的借鑒意義。因此本次計(jì)算航道通航寬度時采用經(jīng)驗(yàn)算法與規(guī)范算法進(jìn)行對比。

參考國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)算法，平臺拖航所需通航寬度的公式：

W=B+L+2C

經(jīng)計(jì)算，經(jīng)驗(yàn)算法得出的結(jié)果為145m，較規(guī)范算法得出的193m小48m。

兩種算法的取值有所偏差，根據(jù)目前國內(nèi)多個典型海洋平臺拖帶通航航道寬度的計(jì)算分析，采用《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算結(jié)果明顯偏于保守，而國內(nèi)經(jīng)驗(yàn)算法與美國和加拿大航道設(shè)計(jì)指南的算法相接近，相差幅度在10%以內(nèi)。本次臨時航道設(shè)計(jì)時，收集了引航部門、運(yùn)輸船長、海事及航道等部門的意見，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合分析，同時借鑒類似工程案例，結(jié)合工程的安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性等因素綜合考慮，本工程推薦經(jīng)驗(yàn)算法，即航道通航寬度取145m。

3.2 航道水深的計(jì)算

航道設(shè)計(jì)水深主要影響因素包括設(shè)計(jì)船型吃水、船舶航行下沉量、波浪產(chǎn)生的垂直運(yùn)動、航道底質(zhì)、水體密度、回淤強(qiáng)度和維護(hù)周期等。

本項(xiàng)目臨時航道總里程約17.80km，計(jì)劃使用時間為1.5年。根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》，航道通航水深和設(shè)計(jì)水深按下式計(jì)算：

本次船舶吃水取運(yùn)輸時的吃水4.5m。為確保整個使用期間的航道處于足夠水深狀態(tài)，備淤深度按1.5年進(jìn)行考慮，該河段理論計(jì)算的淤積厚度為0.38m/a，在使用期間不再進(jìn)行疏浚，因此備淤深度取0.57m。將各參數(shù)代入公式計(jì)算得本次航道設(shè)計(jì)水深為5.88m。

由于臨時航道開挖工程量較大，在考慮船舶進(jìn)出的頻次、所需時間以及工程實(shí)施的經(jīng)濟(jì)性后，臨時航道的挖槽設(shè)計(jì)水深取乘潮水位下的水深。利用累積頻率90%的高潮位（歷時4小時）時，可利用潮差為1.22m，不僅可減少開挖工程量，也能滿足在開挖后船舶乘潮通過的要求。因此，本次挖槽設(shè)計(jì)水深取4.66m。

4.結(jié)論

隨著建筑材料、設(shè)備的更新及施工技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國大跨徑橋梁建設(shè)取得了較大的發(fā)展，其建設(shè)所需構(gòu)件往往體積大、重量大，需要采用大型船舶運(yùn)輸。但大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶進(jìn)出內(nèi)河航道的航行條件受制因素較多，對航道寬度、水深的要求一般比航道現(xiàn)狀維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)高，且受橋梁通航尺度、跨河線纜凈空、海底管道埋深等的限制，因此需對其運(yùn)輸線路進(jìn)行合理性分析，必要時需采取開挖臨時航道的措施。本文通過對實(shí)際工程在運(yùn)輸線路選擇及開挖臨時航道尺度選取上進(jìn)行闡述，目前金海大橋施工已經(jīng)接近尾聲，參與作業(yè)的大型構(gòu)件運(yùn)輸船舶與浮吊船已經(jīng)順利離場。根據(jù)工程檢驗(yàn)，本次臨時航道的選線是科學(xué)的、臨時航道的設(shè)計(jì)參數(shù)也滿足使用需求，可為同類型工程提供借鑒和參考。