北部湾30万吨级深水航道设计技术分析

黄伟军

摘要：沿海深水航道的建设，不可避免地会遇到基础资料匮乏、技术经验不足等问题，文章结合广西北部湾港建设工程实例，介绍了北部湾深水航道的创新设计技术与亮点。

关键词：北部湾;深水航道;设计技术

中国分类号：U612.32文献标识码：A

0 引言

随着我国经济的高速发展，沿海港口也不断朝着专业化、大型化的方向发展，进港航道不断向外海延伸。因此，既要对深水航道设计技术进行探索，也需要及时对创新点进行分析、总结、推广，确保工程方案的科学合理，更好地服务经济社会发展。本文以北部湾30万吨级航道工程为例，总结了北部湾深水航道的创新设计与亮点。

1 工程概况

1.1 地理位置

北部湾（Beibu Gulf），位于中国南海的西北部，是一个半封闭的海湾，其中，钦州湾位于北部湾的最北面，湾口朝南，东、北、西三面丘陵环抱。北部湾30万吨级航道工程地处钦州湾顶的钦州港三墩外港作业区以南海域。

1.2 建设规模及标准

1.2.1 建设规模及标准

北部湾30万吨级航道工程位于钦州湾湾口-21 m～-10 m水深之间海域，航道全长约34.3 km（不含30万吨级支航道）。按单向乘潮通航30万吨级油轮设计，设计船型尺度为334 m×60 m×22.5 m（总长×型宽×满载吃水），航道的乘潮水位为3.81 m，乘潮保证率为70%。

30万吨级航道主要服务对象为钦州港三墩作业区30万吨级原油码头，以及钦州港各規划作业区内10万吨级及以上泊位。

1.2.2 航道设计通航能力

考虑气象及波浪因素影响，在乘潮保证率分别为70%和90%的情况下，本航道年可通航的天数分别为234 d和301 d。航道的20万～30万吨级油轮通过能力达到6 000万t以上，能满足三墩外港作业区近期1 000 t/年原油运量的需求。

1.3 航道总平面布置

30万吨级航道起自北部湾深水区，由一直线航段组成，船舶以航向为9°～189°进出，在A点与30万吨级支航道相连接，航道长34.3 km。航道设计通航宽度为320 m，设计底高程为-21 m;乘潮时间为3.5 h，乘潮水位为3.81 m，乘潮保证率为70%。

1.4 疏浚工程

1.4.1 疏浚土质

根据地质勘察资料，本工程疏浚土质主要有2级淤泥土、3级黏性土、4级黏性土、7级砂土、8级砂土、9级砂土。一般挖泥船均容易开挖或较易开挖，航道可挖性尚好。航道开挖后回淤量不大，稳定性良好。

1.4.2 挖槽断面

航道开挖边坡为淤泥质土1∶7，其他土层1∶5。

1.5 助导航设施

本航道布置34座灯浮标，其中新增航道侧向浮标26座，通过移位利用钦州港10万吨级航道现有浮标3座;航道口外与新锚地新增浮标1座;新增锚地和倾倒区标志各2座。

另在新锚地与航道进口之间设浮筒直径5.0 m的大型灯浮1座（0#灯浮标），引导大型船舶自锚地通往30万吨级进港航道。

1.6 港外锚地

本工程新增设一个30万吨级锚地，其尺度为4.0 km×4.0 km，并调整4#锚地和3#锚地布置。

2 项目的主要特点

本项目位于北部湾北部，自钦州港10万吨级进港航道起点向南延伸，仅由一段直线段组成，长34.3 km，没有拦门沙。工程区域岩石埋藏较深，航道设计底高程以上均为覆盖层。对航道产生淤积影响较大的是在大风浪作用下沉积在两侧浅滩泥沙被掀动再次搬运与输移，因此，航道选线需重点研究风浪、潮流共同作用对航道淤积的影响。由于工程场地远离规划岸线，疏浚废方综合利用处理较为困难。

钦州湾外水域存在遗弃炸弹区，需考虑安全距离要求。航道边线至炸弹区约3 950 m，略大于3 500 m的安全距离。为避免施工过程中船舶航向偏离或为了相互避让可能进入炸弹区，必须采取必要的安全措施。

3 技术难点与创新

3.1 通过数学模型研究航道影响因素，合理确定航道平面布置方案

航道选线主要考虑天然水深条件、适航性、开挖工程量、航道维护以及与现有外海习惯航路和规划航道的衔接等因素进行综合比选。由于30万吨级航道从现状10万吨级航道起点向外海延伸，工程海域没有明显的天然深槽，航道选线难度较大。

设计阶段提出方案一（西线）和方案二（中线）两个具有明显可比性的方案进行比选，如图1所示。

方案一中，航道平面布置仅有一个直线航段，起于钦州湾外-21.0 m水深的B点，终于钦州港10万吨级航道起点A，航道长34.3 km。该方案在A点转右进入三墩外港作业区支航道，抵达30万吨级原油码头，同时在A点进入钦州港10万吨级航道。

方案二的航道平面布置由两个航段组成（不含支航道）。航道起自钦州湾外-21 m水深的D点，终于钦州港10万吨级航道起点A，船舶由D点向东北航行约22.2 km至C点处，左转15°航行约16 km至A点。该航线方案最浅点水深12.8 m，航道长度约34.6 km。该方案在A点右转21°进入三墩外港作业区支航道，抵达30万吨级原油码头，航道最浅处水深9.8 m，现状水深均<21 m。

为了比较两个方案的航道走向与潮流涨、落潮的夹角，航道内平均横向流速，以及航道走向与常、强浪向SSW向浪的夹角，在设计阶段建立数学模型进行了潮流泥沙数学模型研究，通过数学模拟手段解决了航道选线的难题。

数模研究结果表明，方案一的航道走向与涨、落潮流向的夹角较小，平均横向流速较小，航道回淤量较小，航道维护容易。此外，航道与三墩外港作业区支航道转向角较小，适航性较好，有利于油船进出三墩外港作业区泊位，且工程投资较小。综合比较航道条件和工程投资，推荐方案一。

3.2 建立数学模型研究分析航道的稳定性，科学预测维护疏浚频次

钦州湾30万吨级进港航道走向为南北走向，航线位于钦州湾-10 m等深线以外，其海区滩面物质以粉砂质黏土为主，泥沙中值粒径介于0.003～0.005 mm之间，航道的泥沙淤积主要是悬沙落淤所致，推移质泥沙淤积可不考虑。

为了定量分析30万吨级航道实施后的稳定性以及泥沙淤积情况，为今后的航道维护提供参考依据，本项目委托交通部天津水运工程科学研究所完成了《钦州港30万吨级进港航道工程潮流数学模型及泥沙淤积分析研究》，对涨潮、落潮原型及工程后不同工况的潮流泥沙进行了计算研究。

研究成果表明，钦州外湾的滩、槽处于基本稳定状态之中，30万吨级航道所处海域都在-10 m等深线以外，其泥沙来源少，含量低，一般都<0.01 kg/m3，泥沙淤积主要是悬沙落淤所致。在正常年份下，钦州港30万吨级航道开挖至-21.0 m水深，航道平均年回淤强度为0.13 m/a;在灾害天气情况下，航槽内泥沙骤淤强度约为0.065 m，航道年淤积量约为142万m3。航道建成后可考虑每3年安排一次维护性疏浚，表明所选择航道线路布置方案合理，航道开挖后稳定性较好。本项目根据航道的稳定性分析提出的航道维护疏浚频次，为项目建成后的维护管理提供了科学的参考依据，可供同类项目借鉴。

3.3 选择新锚地，统筹考虑对原有锚地做出合理调整

钦州港原有锚地最大只能锚泊15万吨级船舶，对于进出本30万吨级航道船舶的候潮、待泊、引航和检疫等，原有锚地水深不能满足要求，需要布设新的锚地。根据《海港总平面设计规范》，30万吨级油船要求锚地水深>29 m。

根据海区测图，将30万吨级锚地设在离航道起点（B点）南侧约5 nmi处，满足锚地边缘距航道边线大于3倍船长的安全距离要求，该处水深为29.1～31.4 m，水下地形平坦，锚地表层底质为0～0.3 m厚的淤泥（混砂），下部为可塑-硬塑黏性土层（含少量粉细砂，局部含少量中粗砂，黏性一般）及中密-密实砂层，锚地地质能够满足20万～30万吨级油轮候潮、待泊等的锚泊需求。30万吨级油轮采用单锚系泊，从保障油轮安全锚泊角度出发，锚地水域半径取值在1 000 m以上。锚地水域以方型布置，边长为4 km，面积为16 km2。

根据30万吨级进港航道布置方案，航道軸线直接穿过现3#锚地东侧，航道左边线距离3#锚地边线的距离不能满足规范要求，因此，需将3#锚地整体向西移动2 495 m，使其东边线与30万吨级航道的左边线最小距离为1 012 m。此外，钦州港10万吨级进港航道扩建工程拟设置的4#锚地与本项目30万吨航道工程拟设外海抛泥区的西侧有重叠，且该抛泥区所抛疏浚土还会随潮流流向西南，也不利于4#锚地水深的维持。因此，根据前期研究成果并征询海事等相关部门的意见，将4#锚地向南偏东方向移动约14 km，以满足10万～15万吨级船舶锚泊的需求。

本工程根据项目需要配套建设了30万吨级外海锚地，同时分析其对现有锚地的影响，进而采取相应的措施，实现了现状与发展的相互协调。

3.4 合理选择疏浚土处理方案

疏浚土处理方案进行了全外抛、部分吹填和全吹填三种方案比选。如果疏浚土吹填区考虑选在距本工程最近的三墩作业区，部分吹填方案和全吹填方案的船舶运距为20～47 km（平均运距为32.3 km），大于全外抛方案的船舶运距4～10 km（平均运距约7 km）。疏浚土处理的单价由全外抛方案的12.85元增加至全吹填方案的27.36元（未含吹填单价、运泥船在水深不足时需开挖临时航道等的费用）。由此可见，采用吹填方案投资费用将大幅增加。经综合比较，选取全外抛方案，利用钦州港10万吨级航道扩建工程设置的湾外抛泥区，同时在外航道西侧新设一处抛泥区，采用大型耙吸式挖泥船挖泥装舱后运至指定的抛泥区抛弃，疏浚土平均运距为7 km。本工程疏浚土处理方案可提高施工效率，缩短工期，降低工程造价，其思路可供同类项目参考。

3.5 通过研究抛泥区的水质点运移轨迹，科学选择抛泥区

为了判断抛泥区对航道的影响，开展了数学模型及泥沙淤积分析研究。研究结果表明，本工程新设抛泥区在涨息、落急、落息、涨急四个时刻，从放置水质点50 h运移轨迹来看，水质点运移轨迹均为顺时针方向旋转，落潮水质点运移方向为SW向，涨潮为NE向，符合该海域潮流运动性质。由于落潮流速大于涨潮流速，两个质点净运移方向为SW向，净输移距离约13～13.5 km，而且不管在什么时候抛泥，泥沙运移轨迹都不穿越航道，表明本项目抛泥区设置合理，用该法选择海上抛泥区，可确保抛泥区的设置科学合理。

4 结语

沿海深水航道的建设，不可避免地会遇到基础资料匮乏、技术经验不足的问题，在收集各种基础资料的基础上，如能充分利用数学模拟技术，就可较好地解决航道选线、抛泥区布置、港外锚地设置等技术难题，达到工程项目技术先进，安全、经济、适用的目标。

参考文献：

[1]JTS165-2013，海港总体设计规范[S].

[2]中交广州水运工程设计研究院有限公司.钦州港30万吨级进港航道工程施工图设计[Z].2012.