考虑渔船通航的防波堤平面布置研究

倪靖宇，白志刚

（1.天津大学，天津 300073；2.中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

引 言

为满足天津临港港区口门段泊位的建设需要，现拟在大沽沙航道现有防波堤的基础之上延续修建东、北防波堤潜堤段工程，该工程共有南北两条海堤构成，全长3 850 m。工程建成后将与已建东、北防波堤衔接并连成一体，会在大沽沙主航道两侧形成阻航屏障，切断了东沽渔船原有的航行路线，渔船必须绕行本工程的南侧水域方可通行。由于增加了航行里程，导致渔船进出港的时间变长，油耗增多。为此，决定设计一套减少航行里程，方便渔船通航的防波堤建设调整方案。

方案设计原则如下：

1）尽量减少对大沽沙主航道大型运输船舶的正常航行安全的影响；

2）确保已建东、北防波堤及拟建东、北防波堤潜堤段的堤身安全；

3）不对船舶在港内的正常作业和安全靠泊产生影响；

4）确保渔船通航的安全。

1 工程概况

拟建防波堤共分为两个标段：一标段位于大沽沙主航道南侧，包括一条防波堤和一座灯塔，防波堤起点为现状东防波堤东端点，沿与航道平行的方向向海侧延伸1 500 m，堤顶高程5.5 m为出水堤；二标段位于大沽沙主航道北侧，包括一条防波堤，一座灯塔，两座灯浮标和一座AIS航标，防波堤起点为现状北防波堤东端点沿与航道平行的方向向海侧延伸2 350 m，堤顶高程5.5 m为出水堤，堤顶高程2.5 m为潜堤[3]。

2 渔船通道设计

2.1 设计船型及设计标准

为准确计算渔船通航尺度要求，笔者对东沽渔港进行了实地考察，通过渔政管理部门的统计资料查得，东沽东沽渔港注册的渔船共有47艘，选取船型尺度最大的津塘渔02358/02259作为本次方案的设计代表船型。根据渔民要求，方案的设计标准按照双向通航，全潮航行的标准设计。

2.2 尺度设计

1）通航宽度

航道通航宽度计算根据《海港总体设计规范》（JTS-165-2013）[2]6.4.2节，双线通航公式计算：

算得W=58.27 m，取整为W=60 m。

2）通航水深

航道通航水深计算根据《海港总体设计规范》（JTS-165-2013）6.4.6节公式计算：

算得D0=4.49 m，取整为D0=4.50 m。

按照全潮通航设计时，水位取该海域设计低水位0.5 m，则航道设计开挖底高程=0.5-4.5=-4.0 m（新港理论最低潮面作为基准面，下同）。

根据工程区的水深测图，该区域现状水深较大，滩面高程在-4.5～-6.5 m，故水深满足要求，无需进行疏浚和开挖。

2.3 方案设计

综合考虑工程各方面的实际情况，初步拟定如下两个平面布置方案。方案1渔船通道紧邻已建防波堤堤头，航线长度最短，但该位置正处在新老防波堤转折衔接处，易出现波浪集中、潮流紊乱的情况，渔船在这里通航安全性最差；方案2为避开新老防波堤转角浪流汇集的问题，特将渔船通道沿拟建防波堤轴线平移了200 m，渔船通道对称布置。

方案1：拟在新老防波堤接点处，东堤C点、北堤G点，布置对称通道，宽度均为60 m，平面位置详见图1。

方案2：拟在新建防波堤起点段附近，布置对称通道，宽度均为60 m，平面位置详见图2。

图1 渔港通道方案1平面布置示意

图2 渔港通道方案2平面布置示意

3 潮流数模分析

3.1 模型的构建

潮流计算采用Mike 21软件的三角形网格水动力模块（HD模块），水流运动控制方程是二维浅水方程，在控制方程的求解过程中使用有限体积法进行离散，使用三角形网格；时间积分采用显式欧拉格式；计算中采用干湿网格方法对浅滩进行考虑；模型边界水位由中国近海潮汐软件Chinatide提供并根据潮汐预报表和实测水位进行人为调整以使计算水位与实测水位基本重合。

本工程位于渤海湾内，港口边界复杂，防波堤和航道深入外海较远，为考虑外海地形变化对潮流场及航道的影响，模型范围取为包括整个渤海湾在内的水域，计算水域面积约为1.3万km2，并在工程附近海域进行局部加密来模拟潮流场。模型网格采用三角形网格，模型的最小网格边长为10 m，计算时间步长为0.5 s。方案设计中渔船通道处航道底宽为60 m，两侧为斜坡堤，为此在网格划分中取航道底两侧各约40 m范围为从斜坡顶到航道底部线性变化的地形，方案2与方案1相近不再罗列[4]。

3.2 流场分析

由大范围涨落急流场图可以看出，港区南部外海涨落潮方向基本为W-E向，港区东部和北部外海涨落潮方向为偏WNW-ESE方向，港区附近在涨潮期间口门外侧潮流分为向西北、西南和港内方向流动，落潮期间流向相反，潮流在港区口门外侧汇合后向东流动，防波堤延伸段对整体流场影响不大。由于大范围流场图无法看出渔船通道实施后的局部流场变化，因此根据渔船通道处的流速情况作出了不同方案实施后的渔船通道局部的流场[5]，详见图3和图4。

图3 涨潮局部流场

图4 落潮局部流场

从不同方案的局部流场图来看，港外的潮流沿北防波堤和东防波堤延伸段流动到渔船通道附近后从渔船通道位置进出港内，北防波堤渔船通道处水流在涨潮期间流入港内，落潮期间港内水体沿渔船通道流向港外，但东防波堤渔船通道处水流方向受外部水体影响大部分时间港外水流由渔船通道处流向港内然后与港内水体汇合一起沿航道方向流动，只有在涨潮转为落潮期间东防波堤渔船通道处的水流才由港内流向港外。

3.3 流速分析

为了对渔船通道内流速进行分析，在每个方案的渔船通道处设置了3排每排5个共15个流速采样点，除渔船通道附近布置流速采样点外进行分析，由于船舶航行时受横流影响较大，本次分析统计了不同方案渔船通道中线处的最大横向、顺向流速，详见表1。

表1 渔船通道附近大潮流速计算结果

由计算结果可知，不同方案均在渔船通道靠近港池内侧的采样点横流较大，且东防波堤渔船通道内最大横流流速小于北防波堤，不同方案北防波堤渔船通道最大横流为0.45～0.50 m/s，最大顺流流速为0.59～0.64 m/s。

4 研究结论

4.1 横向流速

根据文献[6]中潮流数学模型试验的研究结论，东、北防波堤潜堤段工程建成后，航道附近回流范围和强度明显减弱，口门航道处水流平顺，横流较小，最大横流在0.14 m/s左右。

根据本次潮流数学模型试验的研究结论，两方案均在开口靠近航道内侧的采样点处横流较大，东防波堤渔船通道内最大横流小于北防波堤渔船通道，北防波堤开口附近最大横流为0.45～0.50 m/s。

根据上述两次潮流数模试验的研究数据可知，渔船通道实施后对大沽沙航道靠近渔船通道开口内侧附近水域的横流流速影响较大。参考《船闸总体设计规范》[7]中5.3.2条款，航道口门区的水面最大流速应符合表2规定。

表2 口门区水面最大流速限值

由数模结论可知，本次研究方案中渔船通道口门处垂直航线的横向流速0.45～0.50 m/s，已超过表2中数值，不满足规范要求，故从横向流速方面判断实施渔船通道两个方案均不可行。

4.2 流 场

渔船通道对大范围涨落急流场的影响不大，但对通道局部水域的影响较为显著，而且通道宽度越窄，流态变化越明显，紊流和扰流多集中在通道口门处，详见图3和图4。由流场分析结果可知，方案2较方案1在潮流梳理方面稍有优势，但无论通道宽度是60 m还是200 m均无法避免在通道口门附近出现较为集中的潮流紊乱现象，涨落潮期间的局部流场紊乱会给渔船通航带来操船困难，对渔船航行安全十分不利，加之通道口门两侧为保护新建防波堤而设置了堤头防护措施，在潮流紊乱的情况下极有可能出现渔船搁浅、碰撞的情况。因此，从工后流场情况分析上看，渔船通道同样不可行。

5 结 语

从潮流数模分析得出的结论可知，在高标准航道防波堤上预留渔船通道是不合理、不科学、不满足通航安全要求的，该结论可以推广应用至其他类似项目当中。另外，在解决现代航运和传统渔业共生矛盾的路径问题上，笔者认为从工程设计阶段着手为时已晚，应该在港口规划论证阶段全面调查、重点分析，对应予保护的渔业设施做好选址迁建，最大限度地保护渔民的生存权利，同时也避免为港口后续的建设和运营留下隐患。