浅析海湾型河口出海航道平面布置设计方案——以珠江口矾石水道为例

◎刘浩 中交四航局港湾工程设计院有限公司

矾石水道起于深圳港蛇口作业区，止于东莞沙角，位于珠江出海口中东部位置、粤港澳大湾区的核心区域。其航运畅通，四通八达，北与川鼻航道相连、经珠江水系连接华南，南可经龙鼓水道穿越香港地区出南海，同时可经过深圳港西部出海通道连接外海，与广州港进港航道基本平行。

珠江口沿岸产业布局密集，港区规划建设规模大，作为珠江口未来的水运主通道之一的矾石水道发展规划技术等级评定为10万吨级[1]，航运发展潜力巨大。

随着深圳港、东莞港、南沙港区沿海深水泊位和“西桥东隧”深中通道的建设[2]，以及宝安综合作业区一期工程3个5000吨级通用件杂货泊位的需求，提升矾石水道等级变得十分迫切。

1.自然条件

本工程地处北回归线以南，属亚热带海洋性气候。

1.1 风与热带气旋

工程海域累年风多出现在东～东北向，常风向为东风，频率16.6%，东北东和东北风出现频率分别为15.0%和13.7%；强风向为东北东，实测最大风速27m/s；次强风向为西北风，实测风速21.7m/s。

1949年～2007年期间，共有64个热带气旋（不含热带低气压）登陆或影响工程所在海域，年平均1.1个。

1.2 雾

每年12月至次年5月是珠江口海区雾季，年平均雾日28天。

1.3 径流

伶仃洋是珠江主要出海口和最大的河口湾，汇集了珠江入海八大口门中的虎门、蕉门、洪奇门和横门四个口门的径流。据1985～2000年资料统计，珠江八大口门多年平均径流量为3280亿m3，其中注入伶仃洋东四口门的径流量为2003亿m3，约占珠江河口年径流量的61%。

伶仃洋属于潮优型河口湾，潮汐动力远强于径流动力，特大洪水所增加的径流动力与伶仃洋纳潮量相比仍为小量，潮流才是塑造和控制河口湾滩槽格局的主要动力因素。

1.4 潮汐

伶仃洋的潮汐类型属于不正规半日混合潮，由于喇叭状湾型的收缩作用而形成潮能的沿程积累，珠江口呈由外向内潮差逐渐增大之势。西岸有横门、蕉门、洪奇门等大小口门与河汊分减潮量，再加上受上游径流影响而减弱潮势，西部受河口径流影响而潮势较弱，而虎门处河岔少，东部潮汐作用强，因此，东岸的潮差大于西岸。

经实测[3]，沙角、深圳机场、内伶仃岛平均潮差分别为1.67m、1.53m、1.43m，落潮平均潮差与涨潮基本一致，最大潮差分别为2.65m、2.48m、2.32m。西岸的龙穴岛和东岸深圳机场的涨潮平均潮差分别为1.54m和1.53m，落潮平均潮差分别为1.53m和1.52m。

1.5 潮流

伶仃洋潮流总体为涨潮流小于落潮流，东、西槽涨潮平均流速大致相近，西槽的落潮流速则一般大于东槽的落潮流速。但是无论落潮还是涨潮，湾内纵向流速分布均呈现由湾口向湾顶逐渐增大的趋势。

经实测[3]，工程所在伶仃洋涨落潮流均呈往复流性质，涨潮流主流向为NW～NNW向，基本与矾石水道平行，落潮流主流向为SE～SSE向；大潮涨潮最大流速为0.52～0.94m/s，落潮最大流速为0.25～1.04m/s。

1.6 波浪

珠江口及伶仃洋周边海域的波浪主要由季风和台风引起。工程所在海区内波浪主要是风浪。常浪向为SSE，频率15.3%；次常浪向是SE和S，S～SE向频率合计为35.3%，年平均波高为0.2m；强浪向为SSW、SW和W向，最大波高平均值为0.68m，最大波高为1.98m。

1.7 地质

工程区域自上而下依次是淤泥、中砂混淤泥和粉质黏土，疏浚开挖范围主要是淤泥。

2.航道功能定位

本工程矾石水道提升后的功能定位为：一是引导5000吨级以下“小船”的分道行驶，改善珠江口的航行秩序，以适应珠江口船舶大型化发展趋势，满足增长的特殊种类船舶单向管制和班轮船舶通航的需求，保障珠江口区域港口安全运营、提升抗风险能力；二是构建互通两广、通达港深、辐射珠江水系的江海联运过境大通道，满足珠江水系内河港口与深圳港西部港口、香港之间日益增长的3000～5000吨级船舶过境航运需求。

3.建设规模

在综合考虑矾石水道现状、开发条件[2]的基础上，结合运量需求、运量预测和船舶流量情况，为满足深圳港西部港口功能调整和宝安综合作业区的建设、发展，矾石水道航道工程按5000吨级船舶全潮双向通航标准建设，设计最低通航水位根据规范[4]，按低潮累积频率90%取0.51m。航道尺度设计按5000吨级海轮通航代表船型控制，表1为船型尺度一览表。

表1 设计控制船型参数表（单位：m）

4.航道轴线布置

4.1 布置原则

基于矾石水道水深条件较好，近年来矾石浅滩、内伶仃岛周边大规模采砂导致中槽、中滩地形出现规模巨大的、不连续挖沙坑的实际情况[5]，矾石水道航道总平面布置遵循以下基本原则：

1）航道选线应顺落潮流向，减小轴线与强风、强浪、水流主流流向的交角，并充分利用深槽，减少疏浚，降低因航道回淤造成的维护疏浚成本。

2）航道轴线尽量保持顺直形态，避免过多、过大转角的转向，力求适航性和安全性良好。

3）航道轴线应与深中通道隧道工程、西气东输二期（香港支线）海底管道工程、友联修船基地孖洲岛至大铲岛海底综合管线隧道工程等设施相适应，不占用已确权的专用海域，顺直通过各工程预留的十万吨航道通航区域。

4）轴线应与周边航道相适应，衔接平顺，不占用港池水域和公共候泊锚地。

5）为未来十万吨级航道扩能升级预留空间。

4.2 轴线方案

矾石水道分为上段航道（东莞沙角至宝安综合港区进港航道）和下段航道（宝安综合港区进港航道至深圳港蛇口作业区），结合航道布置原则，共提出三个航道轴线平面布置方案，见图1。

图1 各航道轴线方案示意图

4.2.1 上段航道轴线平面布置方案

上段航道周边设有广州港34SJ～40SJ锚地、No33LD锚地、No32LD锚地，并且航道轴线无法避开锚地，需要对锚地进行调整。现状上段航道轴线走向均基本沿着伶仃洋“三滩两槽”的东槽深泓线布置，水深基本均在11.0m以上；根据数模试验研究[5]，年回淤强度0.25m/a，亦是目前较大型船舶习惯航路，平顺衔接川鼻水道和宝安综合港区进港航道，横流较小，基本均小于0.20m/s。

因此，各方案上段航道平面布置仍采用现状航道轴线，回淤小，航槽稳定。航道在沙角电厂码头南侧约1.8km处与川鼻水道衔接，至宝安综合港区进港航道与矾石水道的交点，轴线方向325°25＇44″～145°25＇44″，总长15.59km。

4.2.2 下段航道轴线布置方案

受限于深中通道隧道沉管、西气东输二线广深支干线求雨岭—大铲岛、深圳前湾电厂220kV输电线路和西气东输二线香港支线段海底管线，以及孖洲岛友联修船基地用海范围等矾石水道附近管线交叉工程等边界条件，矾石水道下段航道布置、调整的空间很小。

方案一下段航道为缩短航道里程、尽可能不改变船舶航道习惯、减少疏浚工程量和节约工程投资的角度出发，航道轴线从孖洲岛与大铲岛之间穿过，即矾石水道现状主航线；方案二结合大铲岛北航道升级需求、减少对孖洲岛友联船厂生产的影响，下段航道轴线走大铲岛北航道至深圳港西部港区公共航道，即大铲岛北航线方案；方案三下段航道结合方案一、二布置，组成矾石水道下段“双通道”方案。

4.2.2.1 方案一（主航线方案）

方案一下段航道总长21.60km，共分5段。第2、3段与特种海洋平台专用航道矾石水道段轴线重合，既减小矾石水道疏浚开挖量，又可提供专用航道使用率。

第1段自与宝安综合港区进港航道的交点延伸至专用航道矾石水道段，轴线方向325°25＇44″～145°25＇44″，总长1.92km；航道向东微偏1°30＇2″进入第2段、到达细丫岛西侧约1.2km处，总长5.96k m，总长；航道向东微偏5°18＇3″进入第3段、到达大铲岛西侧约720m处，总长4.05km；第4段航道向东微偏2°42＇34″，不占用孖洲岛友联修船基地的使用海域，经大铲岛与孖洲岛之间的水域到达深圳港西部港区公共航道，总长3.17km；第5段航道轴线基本与深圳港西部港区公共航道重合，沿方向角338°50＇4″～158°50＇14″至深圳港蛇口作业区集装箱货场西南侧约1.1km处，与铜鼓航道起点衔接，总长6.55km。

4.2.2.2 方案二（大铲岛北航线方案）

大铲岛北航道是小型运输船舶来往珠江三角洲和香港的重要通道，也是小型船舶通过大铲海关验放的必经水域，目前仅能满足2000吨级内河船单向通航，方案二考虑深圳西部港区航运企业和大铲海关对提升大铲岛北航道通航等级的迫切需求，航道轴线不经过孖洲岛与大铲岛之间海域，在细丫岛南侧连接至大铲岛北航道，再经深圳西部港区公共航道至铜鼓航道。

方案二航道总长22.33 km，分为7段，其中第4、5 段结合大铲岛北航道调整，第6、7 段与深圳西部港区公共航道基本重合。第1、2 段与方案一一致，第3 段总长1.44km与方案一第3段重合，轴线方向318°37＇39″～138°37＇39″；第4段航道向东偏转24°9＇进入大铲岛北航道，沿现状深槽布置，过西气东输求大线管道、前湾电厂220kV线路，总长3.02 km；航道向西偏转20°33＇进入第5 段，继续沿大铲岛北航道深槽至深圳西部港区公共航道。第6、7 段航道轴线方向分别为356°27＇47″～176°27＇47″、338°50＇14″～158°50＇14″，总长分别为5.54km、5.53km。

4.2.2.3 方案三（双通道方案）

方案三下段航道结合了方案一、二，航道总长29.13km，一线为主航线，穿孖洲岛，连接深圳港西部港区公共航道；二线为大铲岛北航线，走大铲岛北航道至深圳港西部港区公共航道。

4.2.3 方案比选

4.2.3.1 港口发展的适应性

虽然矾石水道是公共出海航道，但是其上通广州港内河港区、东莞港，西衔深圳西部港区，与广州港出海航道并行，下可至香港港，矾石水道航道布置必须与港区发展相适应。方案一、二、三均与川鼻水道平顺衔接，基本沿珠江口东槽边线布置，距离宝安综合港区近，港口适应性好。

2019年大铲岛北航道日均通行500多艘次，2018年至2019年内连续发生了近30起船舶搁浅事故，因此，大铲岛北航道存在较大的船舶航行安全隐患，浅滩问题对船舶航行安全构成了严重威胁，航运企业对此反映强烈。相比方案一，方案二、三疏通了大铲岛北航道，满足珠江三角洲与香港之间的过境、大铲海关检查的需求，并提供了一条便捷的深圳大铲湾作业区与上游珠江三角洲内河港口之间水水中转、集疏运通道。

4.2.3.2 通航条件

方案一航道5段（上段航道与下段航道第1段共线），而方案二航道7段，方案三航道结合了方案一、二共8段。方案一的转向次数比方案二、三少，且最大转向角为22°55＇8″，位于孖洲岛东侧、矾石水道与深圳西部港区公共航道交汇处；方案二、三的最大转向角为41°26＇21″，位于大铲岛北航道与深圳西部港区公共航道交汇处，其次是位于矾石水道与大铲岛北航道的交汇处转向角24°8＇58″。因此，方案一转向次数少、转向角度小，有利于船舶操纵，通航条件最好。

4.2.3.3 航道稳定性分析

①河床演变。根据数模试验研究[5]，伶仃洋北部水域“三滩两槽”的基本格局总体保持基本稳定，如图2所示，内伶仃周边挖沙坑和中槽中滩的挖沙坑尚未打通。大量采砂后，矾石水道沿线的水深条件虽然有明显改善，但巨大的挖沙坑不仅会影响伶仃洋的水流动力分布和滩槽冲淤变换，发生东槽西部的大规模挖沙活动还可能会改变东槽自然演变的发展方向，后续应对矾石航道沿程挖沙坑地形变化进行追踪观测。

图2 方案一实施后对周围海域水流动力影响

②水动力条件。根据数模试验研究[5]，各航道轴线方案实施后对周围水流动力的影响范围仅局限在航道沿程有开挖浚深里程段，平均流速最大增幅0.08m/s，流速最大减幅0.27m/s，大部分水域流速增减幅度在0.10m/s以内，基本不会对港珠澳大桥、深中通道、伶仃航道、铜鼓航道、蛇口作业区、赤湾作业区、妈湾作业区等周边工程的水流条件产生影响。

各方案航道选线顺应了“东槽”天然深槽，对伶仃洋海底地貌改变是有限的。但是方案二、三航道大铲岛北航线的轴线走向与水流主流向夹角较大，且航槽疏浚开挖量大，实施后大铲水道、大铲湾港区、深圳西部港区公共航道少部分区域流速会有0.10m/s以内的增减变化。

③航道内最大横流对比。根据数模试验研究[5]，方案一航道轴线沿程最大横流发生在深圳西部港区公共航道，以及大铲岛东、孖洲岛北、两岛之间水域，最大横流流速0.29m/s，如图3所示，分级横流超过0.25m/s的时间持续分别为3小时10分、30分钟。方案二、三与方案一对比，航道沿程最大横流发生在大铲岛北航道转弯段，尤其是大铲岛北航线与矾石主航线的交汇弯段，最大横流流速0.47m/s，如图4所示（方案三航道年沿程最大横流为图3方案一+图4方案二中K5+533～K13+066），分级横流超过0.25m/s的时间持续约13小时。

图3 方案一航道年沿程最大横流

图4 方案二航道年沿程最大横流

④正常年份航道回淤分析。根据数模试验研究[5]，一般来水来沙及风浪天气条件下，方案一、方案二、方案三疏浚段年淤厚区间分别为0.13～0.46m、0.13～0.65m、0.13～0.65m，平均回淤强度分别为0.24m/a、0.41m/a、0.39m/a，年总回淤量分别为23万m3、52万m3、69万m3，具体如图5、图6所示（方案三航道沿程回淤强度为图5方案一+图6方案二中K5+533～K13+066）。方案一回淤量最小，方案二次之，方案三最大。

图5 方案一航道沿程回淤强度

图6 方案二航道沿程回淤强度

这主要是因为大铲岛北航线与主流方向交角大，部分段达30°以上，且现状河床较浅，浅滩疏浚开挖深度大。虽然此处海域深槽略有冲刷，但是疏浚工程将对深槽拓宽，因此，方案二、三工程后此段短期回淤强度略大，在0.21～0.65m/a之间。但伶仃洋本是少沙海域，且深槽潮流动力明显，随自然演变发展，工程河段将逐步趋于新的稳定状态。

表2 各轴线方案疏浚量以及回淤量

⑤极端天气回淤分析。根据数模试验研究[5]，在百年一遇洪水作用30天内，方案一航道回淤强度约0.09～0.23m，回淤量约15万m3；方案二、三航道回淤强度约0.09～0.34m，方案二回淤量约23万m3，方案三回淤量约27万m3。方案一洪水期回淤量最小，方案二次之，方案三最大。

台风回淤预测分析，台风过后矾石航槽内水深变化有冲有淤，方案一航道最大回淤强度0.21m，最大冲刷深度0.11m，航道回淤量11万m3；方案二航道最大回淤强度0.24m，最大冲刷深度0.15m，回淤量14万m3；方案三航道最大回淤强度0.25m，最大冲刷深度0.16m，回淤量16万m3。方案一台风期回淤量最小，方案二次之，方案三最大。

⑥工程周边海域冲淤影响分析。各方案实施后引起的海床冲淤变化影响范围仅局限在航道线沿程区域，并集中在大铲岛附近。其中，大铲水道、深圳西部公用航道地形会有0.10m以内的地形冲淤变化；方案二、方案三实施后大铲湾集装箱码头会有0.1～0.2m的淤积。

综上，由于航道轴线沿大铲岛北航道布置，且大铲岛北航线浅滩较多导致疏浚开挖范围和深度增加，方案二、三实施后航道稳定性、航道内横流情况均劣于方案一。

4.2.3.4 疏浚工程量和投资

大量采砂后，矾石水道借助伶仃洋海域“东槽”、“多处不连续挖砂坑”的“深水”有利条件，基本沿现状航道布置的方案一疏浚量最小，建成后的回淤量最小，投资最小。

4.2.3.5 未来升级的适应性

各航道方案下段航道轴线均经深中通道隧道预留的通航水域，此处沉管埋深满足矾石水道通航10万吨集装箱船的要求；借鉴广州港主航道10万吨级集装箱船乘潮单向通航所需宽度为230m，孖洲岛、大铲岛之间海域宽度约为500m，方案一、三的主航线可满足十万吨级集装箱通航尺度的要求。

方案二、三航道轴线沿大铲岛北航道穿越的深圳前湾电厂220kV输电线、西气东输二线“求大线”，其电线净空高度、管线埋深满足5000吨级船舶通航需求，但是限制10万吨集装箱通行。因此，方案一、三航道未来升级的成本低、制约少；大铲岛北航线提升至十万吨级需改造交叉线路，建设成本高。

4.2.4 航道轴线推荐方案

各方案综合比选如表3所示，相比方案二，方案一沿主航线布置，通航条件好、航槽稳定，避开了大铲湾作业区口门，且不受西气东输管道的埋设深度和前湾电厂架空缆线的净空高度制约，满足未来矾石航道等级提升至十万吨级的需要；而方案二沿大铲岛北航道布置，满足深圳西部运输船舶大型化发展及安全航行的需要，但是提升至十万吨级的建设成本高；方案三则结合了方案一主航线和方案二大铲岛北航线。

表3 各轴线方案综合比选指标

综合考虑大铲岛北航道扩能升级的必要性、西气东输二线管道埋深和深圳前湾电厂220kV输电线路净空高度对未来航道升级的制约，最终推荐方案三。

5.航道设计

5.1 设计低高程

本工程参考深圳西部港区出海航道的波浪资料，H4%取1.0m，船浪夹角为10°；按照5000吨级海轮全潮双向通航设计，航速按8kn考虑；推荐方案三平均回淤强度为0.39m/a，Z4取0.4m。根据规范[4]计算，矾石水道通航底标高-7.8m，设计底标高-8.2m。

5.2 通航宽度

推荐方案三航道轴线沿程横流除大铲岛北航线转弯段在0.3m/s以上，其余均小于0.25m/s，通过转弯半径加大和转弯段加宽设计，可减小横流对操纵船只的不利影响。因此，从船舶航行安全和经济合理角度，根据规范[4]，航道通航宽度按照横流0.25m/s设计，通航宽度154m。

6.结论

（1）在航道平面方案选择上，在投资经济性、短期功能满足、航道稳定性角度，方案一优于方案二、三。但是公共出海航道建设必须符合水运需求和远期发展，因此，为满足港区发展和避免未来升级的轴线重新，最终推荐了航道最长、适应性最好的方案三。

（2）多年来，伶仃深水航道没有发生因台风或大洪水而导致“骤淤”碍航，结合本次回淤预测分析，伶仃洋“三滩两槽”分布格局稳定，没有受极端天气影响而发生明显的破坏。矾石水道是借用了“东槽”的天然有利深水条件，顺水顺沙，泥沙不易在此沉积落淤，滩槽长期保持稳定格局，地理条件优越，具有较好的开发优势。

（3）横流数值是航迹带宽度计算的重要参数，较大的航道横流将会增大船舶进港时的操纵风险。因此，对航道内横流量级的合理评估十分重要。在本工程中，超过0.25m/s且历时长的横流发生于航道转弯段，通过加宽设计，可以减小横流对船舶航行的影响。

（4）本次二三维耦合的潮流泥沙数学模型试验中，预测分析的回淤强度和回淤量是航道边坡达到稳定后，开挖航段的年淤积强度和年维护疏浚量。在施工阶段，悬浮泥沙由于海床受施工船扰动的影响而比正常情况下有明显增大；另外在施工和建成初期，航道边坡尚未稳定，施工期和试运营期内航道年回淤量要大于预测值，根据以往工程经验是预测值的1.5～3.0倍。