日照某深水航道改擴(kuò)建工程關(guān)鍵技術(shù)研究

孫玉清

（萊州市港航服務(wù)中心，山東 煙臺 261400）

引言

日照港自然條件優(yōu)越，港區(qū)不凍不淤，適合建設(shè)大型深水碼頭。近年來，隨著日照港的發(fā)展，港口吞吐量連年攀升，2020 年全年完成貨物吞吐量4.32 億噸，日照港已建設(shè)成為我國綜合交通運(yùn)輸體系的重要樞紐和沿海主要港口。目前，嵐山港區(qū)南作業(yè)區(qū)進(jìn)港航道等級為10 萬噸級單向航道，而隨著國際貨運(yùn)船型大型化的發(fā)展趨勢，作業(yè)區(qū)內(nèi)新建了15 ～20 萬噸級泊位，亟需改擴(kuò)建現(xiàn)有進(jìn)港航道以滿足大型船舶進(jìn)出港的要求［1］。

1 工程概況

1.1 氣象條件

氣象資料引用自《日照港海區(qū)海洋環(huán)境動力要素的技術(shù)報(bào)告》，常風(fēng)向?yàn)镹NE，頻率16%；次常風(fēng)向?yàn)镹，頻率12%。全年以ESE—SSE 風(fēng)速較大，平均為5.2 m/s；最大風(fēng)速出現(xiàn)在ESE，風(fēng)速為19.4 m/s。日照地區(qū)每年都有幾次到十幾次≥0.5 m的風(fēng)暴潮發(fā)生，歷史上曾有多次風(fēng)暴潮發(fā)生。日照地區(qū)的臺風(fēng)增水主要出現(xiàn)在7 ～9 月，年均出現(xiàn)1.7次。27 a 期間，日照地區(qū)最大增水值為1.22 m，月最大增水≥1.2 m。

1.2 水文條件

根據(jù)實(shí)測資料，改擴(kuò)建工程所在海區(qū)屬于正規(guī)半日潮海區(qū)，平均潮位3.01 m（以當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵鏋榛鶞?zhǔn)，下同），最高潮位5.88 m，最低潮位-0.093 m。極端高水位6.48 m，設(shè)計(jì)高水位5.34 m，設(shè)計(jì)低水位0.63 m，極端低水位-0.55 m。全年航道乘潮水位和冬季航道乘潮水位見表1。

表1 乘潮水位/m

常浪向是E 向，其頻率為26.32%；次常浪向?yàn)镋NE 向，出現(xiàn)頻率分別為15.41%；強(qiáng)浪向?yàn)镋 向，H1/10 ≥3.0 m 的頻率為0.03%；次強(qiáng)浪向?yàn)镹E 向，2.9 ≥H1/10 ≥2.5 m 的頻率為0.21%。

工程所在海域半日潮流居主導(dǎo)地位，其中M2 分潮流起主導(dǎo)作用。潮流基本為往復(fù)流形式運(yùn)動，岸邊流向平行于海岸。本海域大部分水域的潮流矢量旋轉(zhuǎn)方向是逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。漲潮流平均流速大于落潮流平均流速；漲潮主流向SW—W 向，落潮主流向?yàn)镹E—E 向；實(shí)測最大漲潮流速為1.35 m/s，流向257°，最大落潮流速為1.17 m/s，流向101°。

1.3 工程泥沙

擬建工程區(qū)海域場區(qū)地貌類型為水下淤泥質(zhì)淺灘，水下地形自西向東略微傾斜。日照附近的海岸帶泥沙運(yùn)動的總趨勢是自北向南，繞過嵐山頭岬角向西拐入海州灣。附近河流入海泥沙對港區(qū)影響不大。海岸侵蝕沙源更少，在-15 m 等深線內(nèi)沉積率每年只有0.5 mm。該海域懸沙量很少，對港區(qū)不足以構(gòu)成淤積。

1.4 航道現(xiàn)狀

現(xiàn)有航道為10 萬噸級單向航道，航道通航寬度270 m，設(shè)計(jì)底高程-16.3 m，航道全長11.2 km。其中，內(nèi)河航道長1.335 km，航道走向307°17′—127°17′；外海航道分兩段，與內(nèi)河航道相連段長3.829 km，走向與內(nèi)航道相同；外海航道段走向272°17′—92°17′，長6.036 km［2］。

2 通航標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)模的確定

2.1 國內(nèi)外運(yùn)輸船舶發(fā)展?fàn)顩r及趨勢

根據(jù)南作業(yè)區(qū)的功能定位，通過本工程運(yùn)輸?shù)呢浄N主要以煤炭、鐵礦石等散雜貨以及石油及其制品等液體散貨為主。根據(jù)對煤炭、鐵礦石等散雜貨內(nèi)外貿(mào)運(yùn)輸船舶的統(tǒng)計(jì)分析可知，外貿(mào)煤炭進(jìn)口船舶主要來自印尼、印度、泰國和澳大利亞等地區(qū)，以7 ～20 萬噸級船型為代表，內(nèi)貿(mào)煤炭主要來自中國北方港口，流向我國華南港口，船型以0.5 ～7 萬噸級為主；外貿(mào)鐵礦石進(jìn)口船舶主要來自澳大利亞、巴西、印度、南非等國家，近期船型以15 ～20 萬噸級為主，而內(nèi)貿(mào)鐵礦石主要來自環(huán)渤海灣港口，船型以5 ～10 萬噸級為主；其他散雜貨外貿(mào)船以3.5 ～10 萬噸級為主，內(nèi)貿(mào)船以0.3 ～5 萬噸級為主。

通過對石油及其制品等液體散貨內(nèi)外貿(mào)運(yùn)輸船舶的統(tǒng)計(jì)分析，外貿(mào)進(jìn)口原油主要來自中東、西非等地區(qū)，船型以10 萬噸級船舶為主；內(nèi)貿(mào)進(jìn)口的石油及制品主要來自東南沿海、渤海灣沿海，船型以5 ～8 萬噸級船舶為主；外貿(mào)出港石油及制品主要至日韓、新加坡等地區(qū)，船型以5 ～8 萬噸級為主；內(nèi)貿(mào)出港石油及制品主要至我國華南沿海，船型以3 ～5 萬噸級船舶為主。

2.2 航道通航船型預(yù)測

目前，南作業(yè)區(qū)主航道為10 萬噸級單向航道，基本能滿足大部分內(nèi)貿(mào)船的進(jìn)出港需求，但近期乃至較長一段時(shí)期需要服務(wù)到港噸級較大的鐵礦石船舶，并且南作業(yè)區(qū)內(nèi)#11 泊位可靠泊20 萬噸級散貨船，在建#15 泊位為20 萬噸級通用泊位，擬建#12、#16 泊位為15 萬噸級通用泊位，剩余規(guī)劃泊位主要為10 ～20 萬噸級泊位，為了滿足港區(qū)工程的正常運(yùn)營，本航道的設(shè)計(jì)控制船型為20 萬噸級散貨船舶。

此外，由于本航道既要滿足一般散雜貨船舶通航要求，又要滿足油船等危險(xiǎn)品船舶通航要求，且進(jìn)出港船舶密度較大，為保障航道船舶通航安全，保證液體散貨船舶與散雜貨船舶分區(qū)作業(yè)，使船舶維持正常秩序通航，本航道布置了一條主航道和一條輔助通航水域。根據(jù)輔助通航水域的天然水深條件，可用于吃水不超過9.0 m 的10 萬噸級及以下船舶不乘潮出港通航。

3 航道選線

3.1 主航道選線

在綜合考慮本工程所在海域的地形地貌，泥沙條件，風(fēng)、浪和水流等條件基礎(chǔ)上，結(jié)合本工程與錨地的相對位置和現(xiàn)狀航道走向等因素，確定本工程主航道走向與現(xiàn)狀航道一致，即外海段航道軸線走向272°17′—92°17′，長度約14.90 km，口門段航道軸線走向307°17′—127°17′，長度約5.05 km。

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 潮流分析

通過建立變步長矩形網(wǎng)格建立工程海域平面二維潮流數(shù)學(xué)模型研究了本工程建成后漲潮、落潮期口門段航道潮流分布情況。漲潮期，港池口門航段最大橫流出現(xiàn)在距離口門約400 m 處，出現(xiàn)1.5 m/s以上橫流歷時(shí)均約1 h。落潮期，港池口門航段最大橫流出現(xiàn)在距離口門約600 ～800 m 處，約為0.9 m/s，不利航段的最大橫流值，漲潮期明顯大于落潮期［3］。

3.2.2 泥沙回淤分析

工程海域懸沙含沙量相對較小，近岸水域一般在0.04 kg/m3，外海區(qū)則更?。缓４脖韺幽嗌骋苑凵盀橹?，局部水域有細(xì)砂，較容易受波浪擾動而懸揚(yáng)；工程水域水深相對較大，小風(fēng)浪不一定作用到底部海床面。港池和航道泥沙回淤組成包括懸沙回淤和近底層受波浪擾動而懸浮輸運(yùn)的底沙回淤。經(jīng)分析，航道年回淤強(qiáng)度較小，平均為0.064 m/a，年均泥沙回淤量約30 萬m3［3］。

4 航道尺度的確定

4.1 通航歷時(shí)及乘潮水位

航道外海直線段長度14.9 km，航速按照平均8 節(jié)考慮，航行時(shí)間約1.0 h；轉(zhuǎn)彎段與口門段總長5.05 km，航速按照平均4 節(jié)考慮，航行時(shí)間約0.7 h。船舶在港內(nèi)調(diào)頭時(shí)間取0.5 h，靠離泊碼頭和解系纜時(shí)間取0.5 h，時(shí)間富裕系數(shù)取1.1。經(jīng)計(jì)算每潮次船舶進(jìn)出港所需時(shí)間為2.96 h，對照表1 取通航歷時(shí)3 h 全年保證率90%的水位3.54 m。

4.2 通航寬度

根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 165—2013）推薦公式計(jì)算得出本工程航道通航寬度為280 m，但現(xiàn)行中國規(guī)范中計(jì)算航道寬度時(shí)考慮的最大橫流流速為1 m/s，為此借鑒了部分國際上通用的設(shè)計(jì)方法。

國際航運(yùn)協(xié)會（PIANC）主編的《進(jìn)港航道設(shè)計(jì)指南》對航道寬度提出了參考計(jì)算方法，將航道寬度的影響因素分為船舶操縱性、風(fēng)、流、波浪、航道底面、水深/吃水關(guān)系、貨物危險(xiǎn)程度等要素，計(jì)算得出外海直線段通航寬度280 m，口門段及轉(zhuǎn)彎段通航寬度為295 m。

英國土木工程師協(xié)會出版社（ICE Publishing）出版的PLANING AND DESIGN OF PORTS AND MARINE TERMINALS, 2nd edition 對應(yīng)不同航速分別就風(fēng)、流、浪、導(dǎo)助航、底質(zhì)、水深和載貨量等因素，給出相應(yīng)的航行寬度，再分別考慮船舶間距和船舶和航道間距，綜合給出所需航道寬度。根據(jù)該公式計(jì)算單向20 萬噸級散貨航道寬度為280 m。

美國土木工程師學(xué)會出版社（ASCE Press）出版的PORT DESIGNER' S HANDBOOK: RECOMMENDATIONS AND GUIDELINES 給出單向航道的寬度在3.6 ～6 m之間，即但向航道寬度約180 ～300 m，具體會根據(jù)潮汐、海流、航行等情況確定。

綜合國內(nèi)外設(shè)計(jì)規(guī)范或設(shè)計(jì)手冊的規(guī)定，航道寬度計(jì)算的最大值在300 m 左右，為保證船舶通航安全，考慮到口門處橫流流速較大的情況，在規(guī)范計(jì)算的最大航道通航寬度的基礎(chǔ)上，將口門附近向南側(cè)布置一個寬度約40 m 的拓寬區(qū)，航道在口門附近的通航寬度達(dá)到320 m。

5 結(jié)語

（1）本工程在現(xiàn)狀10萬噸級主航道基礎(chǔ)上擴(kuò)建，根據(jù)南作業(yè)區(qū)功能定位，在建、擬建泊位的需求及各貨種船型的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，確定本工程主航道建設(shè)規(guī)模為20 萬噸級單向航道。（2）通過數(shù)值模擬分析結(jié)論可知，除口門段橫流較大外，其他航段潮流和泥沙回淤情況良好，需對口門段航道做局部加寬。（3）根據(jù)國內(nèi)外不同規(guī)范綜合確定本航道寬度為280 m，口門段寬320 m。