航道平面布置方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化

李鳥英 中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司廣州分公司

航道平面布置方案是航道平面布置和施工實(shí)踐的重要參考，所以布置方案是否具有科學(xué)性、合理性，直接影響后續(xù)的航道布置實(shí)踐以及航道利用實(shí)踐。從目前的現(xiàn)實(shí)要求入手對(duì)航道的布置進(jìn)行分析，一方面需要基于基礎(chǔ)環(huán)境對(duì)航道的布置做基本思考，同時(shí)還要基于成本控制以及安全性等對(duì)航道布置方案做細(xì)節(jié)優(yōu)化，這樣，航道平面布置方案的整體設(shè)計(jì)才會(huì)更加合理。當(dāng)然，立足于不同要點(diǎn)設(shè)計(jì)的航道平面布置方案，會(huì)有差異，綜合航道平面布置的相關(guān)原則和標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同方案做對(duì)比分析，并對(duì)方案做優(yōu)化，這樣可以選擇更具科學(xué)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的航道平面布置方案。

1.航道平面布置的原則與設(shè)計(jì)依據(jù)

在航道平面布置方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過(guò)程中，必須要對(duì)航道平面布置的原則進(jìn)行明確。以目前的實(shí)踐為例，航道平面布置和優(yōu)化的具體原則有4個(gè)：1）航道的選線應(yīng)結(jié)合港口現(xiàn)狀及總體規(guī)劃確定，并適當(dāng)留有發(fā)展余地；2）航道選線應(yīng)盡可能利用水深條件，減少工程量；同時(shí)盡量減小航道轉(zhuǎn)彎段夾角，以利于船舶的航行；3）根據(jù)港口建設(shè)現(xiàn)狀和發(fā)展情況，合理確定航道的建設(shè)規(guī)模，在滿足港口發(fā)展要求的同時(shí)合理控制資金投入；4）結(jié)合當(dāng)?shù)夭ɡ?、潮流、風(fēng)、泥沙等自然條件，同時(shí)考慮導(dǎo)助航標(biāo)志的設(shè)置和施工條件等因素綜合確定航道方案。

在航道平面布置的過(guò)程中，不僅要有遵守的原則，更要有參考的依據(jù)，這樣，航道平面布置的實(shí)際效果才會(huì)更加突出。以目前的實(shí)踐為例，在航道平面布置的過(guò)程中，需要以以下規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為主要設(shè)計(jì)依據(jù)，具體為《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》JTS 165-2013、《港口與航道水文規(guī)范》JTS 145-2015、《航道整治工程技術(shù)規(guī)范》JTJ 312-2003、《疏浚與吹填工程設(shè)計(jì)規(guī)范》JTS 181-5-2012、《疏浚與吹填工程施工規(guī)范》JTS 207-2012、《中國(guó)海區(qū)水上助航標(biāo)志》GB 4696-1999。在基礎(chǔ)規(guī)范和技術(shù)原則明確的情況下，航道平面布置還需要對(duì)控制船舶的主尺度進(jìn)行確定。為了滿足航道沿線各企業(yè)的運(yùn)輸需求，工程設(shè)計(jì)船型根據(jù)沿線各企業(yè)運(yùn)輸船型來(lái)確定，本工程設(shè)計(jì)代表船型如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)船型主尺度表

2.航道平面布置方案設(shè)計(jì)

在明確了航道平面設(shè)計(jì)的基本原則和參考依據(jù)之后，接下來(lái)的重要工作便是通過(guò)實(shí)地調(diào)查來(lái)了解航道平面布置方案需要考慮的具體元素，同時(shí)對(duì)各類元素進(jìn)行分析與強(qiáng)調(diào)，從而形成完整的方案。珠海港高欄港區(qū)黃茅海作業(yè)區(qū)現(xiàn)有航道軸線為折線型，本工程是在現(xiàn)有航道的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬浚深。本方案航道根據(jù)沿線各企業(yè)的設(shè)計(jì)船型資料，航道采用分段設(shè)計(jì)，航道起點(diǎn)為現(xiàn)有黃茅海航道與高欄港主航道的交點(diǎn)A點(diǎn)，終點(diǎn)為三一海洋重工碼頭南側(cè)的F點(diǎn)，轉(zhuǎn)向點(diǎn)為A、B、C點(diǎn)，航道起點(diǎn)至中海油深水海洋工程裝備制造基地碼頭段航道滿足中海油深水海洋工程裝備制造基地碼頭最大設(shè)計(jì)船型海洋石油229乘潮單向通航需求，設(shè)計(jì)底高程-9.7m，挖槽寬度211.8m，中海油深水海洋工程裝備制造基地碼頭至三一海洋重工碼頭段航道滿足三一海洋重工碼頭最大設(shè)計(jì)船型20000噸級(jí)甲板駁及烽火科技碼頭最大設(shè)計(jì)船型6500噸級(jí)海纜敷設(shè)船乘潮單向通航的需求，設(shè)計(jì)底高程-9.7m，挖槽寬度111.2m?；诤８鄣膶?shí)際需要，結(jié)合航道拓寬的方式對(duì)航道總平面布置進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終形成了兩個(gè)方案，以下是對(duì)具體方案的闡述。

2.1 方案一

黃茅海航道目前航道東北側(cè)水域水深較深，原泥面標(biāo)高普遍為-3～-9m，而西南側(cè)水域水深較淺，原泥面標(biāo)高僅為-1～-3m。但黃茅海航道東北側(cè)水域目前已建有珠海海重鋼管有限公司鋼管制造基地碼頭、中鐵武橋碼頭、珠海巨濤海洋石油服務(wù)有限公司碼頭、中海油深水海洋工程裝備制造基地碼頭、番禺珠江鋼管（珠海）基地碼頭、三一海洋重工碼頭等多個(gè)碼頭，若此段航道向東北側(cè)拓寬，會(huì)占用東北側(cè)已建碼頭的部分回旋水域。綜合考慮航道周邊水域水深條件和已建項(xiàng)目的情況，B-F段航道拓寬采用雙側(cè)拓寬的方式。

本方案航道起點(diǎn)為現(xiàn)有黃茅海航道與高欄港主航道的交點(diǎn)A點(diǎn)，終點(diǎn)為三一海洋重工碼頭南側(cè)的F點(diǎn)，轉(zhuǎn)向點(diǎn)為B、C 點(diǎn)，航道全長(zhǎng)為938 3.9 m，其中A B航段方位為313°0′0″～133°0′0″，航道長(zhǎng)度2354.8m，挖槽寬度211.8m，設(shè)計(jì)底高程-9.7 m；B C 航段方位為3 2 9°0′0″～14 9°0′0″，航道長(zhǎng)度1916.5m，挖槽寬度211.8m，設(shè)計(jì)底高程-9.7 m；CF 航段方位為321°23′48″～141°23′48″，其中CD 航段航道長(zhǎng)度2752.5 m，挖槽寬度211.8 m，設(shè)計(jì)底高程-9.7m；DE 航段為航道寬度變化的過(guò)渡段，航道長(zhǎng)度187.7m，挖槽寬度111.2m～211.8m，設(shè)計(jì)底高程-9.7 m；EF 航段航道長(zhǎng)度2172.4m，挖槽寬度111.2m，設(shè)計(jì)底高程-9.7m。

根據(jù)現(xiàn)有測(cè)圖進(jìn)行計(jì)算，總平面布置方案一疏浚量為1170.2萬(wàn)m，疏浚計(jì)算超寬為4m，超深0.5m，邊坡1:7，疏浚土全部為2級(jí)土。疏浚土優(yōu)先回填于三一海洋重工碼頭北側(cè)的吹填區(qū)，剩余的疏浚土外拋處理。

2.2 方案二

平面布置方案二中，航道平面尺度及設(shè)計(jì)底高程與總平面布置方案一相同?？紤]到現(xiàn)有黃茅海航道東北側(cè)水域目前已建有珠海海重鋼管有限公司鋼管制造基地碼頭、中鐵武橋碼頭、珠海巨濤海洋石油服務(wù)有限公司碼頭、中海油深水海洋工程裝備制造基地碼頭、番禺珠江鋼管（珠海）基地碼頭、三一海洋重工碼頭等多個(gè)碼頭，為避免航道占用各碼頭的回旋水域、減小航道疏浚工程對(duì)碼頭的影響，方案二將航道向西南側(cè)進(jìn)行單側(cè)拓寬。拓寬后航道各航段的設(shè)計(jì)尺度與方案一相同。

由于拓寬方式的不同，航道軸線位置相應(yīng)產(chǎn)生變化，故航道長(zhǎng)度與方案一略有不同。本方案航道總長(zhǎng)9411.3m。根據(jù)現(xiàn)有測(cè)圖進(jìn)行計(jì)算，水域疏浚量為1213.7萬(wàn)m，超深、超寬、邊坡、土質(zhì)及疏浚土處理方式同方案一。

3.航道綜合分析

在設(shè)計(jì)好兩個(gè)方案之后，為了進(jìn)一步的確定方案的優(yōu)劣，還需要基于航道以及港口的實(shí)際需要綜合性分析。在綜合性分析的過(guò)程中，需要強(qiáng)調(diào)的內(nèi)容主要如下。

3.1 航道穩(wěn)定性分析

根據(jù)《珠海高欄港黃茅海（電廠至茂盛海洋段）航道工程地質(zhì)勘察報(bào)告》，鉆探區(qū)域-18.0m以上工程地質(zhì)層分別為淤泥、淤泥質(zhì)土、粘土，其中淤泥層平均層底標(biāo)高-14.78m，且鉆孔至-18.0米處仍未發(fā)現(xiàn)風(fēng)化巖分布，易于航道開挖。

經(jīng)過(guò)高欄港區(qū)航道以及多個(gè)項(xiàng)目港池水域多年使用驗(yàn)證，航槽以及港池邊坡基本穩(wěn)定。

根據(jù)《珠海港高欄港區(qū)5萬(wàn)噸黃茅海航道工程回淤分析與數(shù)學(xué)模型計(jì)算研究報(bào)告》（珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院）的分析結(jié)果，本工程區(qū)域年預(yù)計(jì)厚度為0.98m/a。由于受到潮流、波浪以及周邊工程施工的影響，工程水域?qū)?huì)受到一定的影響。但隨著航道的使用，水下地形將逐步穩(wěn)定，但工程水域回淤仍比較明顯，需要定期進(jìn)行維護(hù)疏浚。

3.2 通航能力分析

本工程推薦方案航道長(zhǎng)約9383.9m，主要影響航道通航的因素包括風(fēng)、浪、流、霧等自然因素。結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)，通過(guò)能力按乘潮船舶進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)本工程的實(shí)際情況，船舶運(yùn)行方式按成批上、成批下考慮。

首先是理論通過(guò)能力。乘潮船隊(duì)以1艘“海洋石油229”號(hào)船舶為一組，船舶進(jìn)出航道乘潮選用的是歷時(shí)4小時(shí)90%保證率的乘潮水位（1.36m）。運(yùn)行方式為成批上、成批下航道理論通過(guò)能力按下列公式計(jì)算：C=6n1000KsVTQ/（m+1）Lc?；谠摴胶拖嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，乘潮船隊(duì)的航道理論年通過(guò)能力為228450.8萬(wàn)噸。

其次是設(shè)計(jì)通航能力。運(yùn)行方式為成批上、成批下的乘潮船隊(duì)的航道設(shè)計(jì)通過(guò)能力按下列公式計(jì)算：Cs=PKKKC/K?；谠摴胶拖嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，乘潮船隊(duì)的航道設(shè)計(jì)年通過(guò)能力為23130.6萬(wàn)噸。

4.航道平面布置方案的工程量對(duì)比與方案選擇

在航道平面布置方案設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過(guò)程中，要確定具體的方案，需要將工程量和成本作為重要的參考指標(biāo)。對(duì)兩個(gè)方案實(shí)施過(guò)程中的主要指標(biāo)以及工程量進(jìn)行明確，并對(duì)比方案落實(shí)的優(yōu)勢(shì)和不足，這樣可以最終確定具有科學(xué)性的航道平面布置方案。表2是基于此次工程的主要指標(biāo)和工程量匯總表。

表2 主要指標(biāo)及工程量表

對(duì)兩個(gè)方案的主要指標(biāo)和工程量做對(duì)比，同時(shí)思考其他要素，兩個(gè)方案在具體執(zhí)行中的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)如表3所示。從整體需求方向進(jìn)行分析，兩個(gè)總平面布置方案均能滿足到港船舶通航要求，從合理減少疏浚工程量、節(jié)省工程投資的角度出發(fā)，本階段暫推薦總平面布置方案一。

表3 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較表

5.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，航道平面方案設(shè)計(jì)對(duì)港口航道工程的規(guī)劃和建設(shè)有重要的指導(dǎo)意義，且方案設(shè)計(jì)本身工作具有復(fù)雜性，會(huì)影響后續(xù)的工程實(shí)踐成本，因此在設(shè)計(jì)方案的時(shí)候需要強(qiáng)調(diào)面面俱到。文章以具體的工程為例對(duì)航道平面方案的設(shè)計(jì)和選擇進(jìn)行思考，旨在為目前的實(shí)踐工作提供指導(dǎo)和幫助。