馮海暴， 劉俊偉， 蘇長璽

(1. 天津大學(xué) 水利工程仿真與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300072； 2. 天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072； 3. 中交第一航務(wù)工程局有限公司， 天津 300461； 4. 中交一航局第二工程有限公司， 山東 青島 266071; 5. 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 山東 青島 266033)

0 引言

航道是船舶和構(gòu)件浮運(yùn)的水下通道，對(duì)于正常的船行航道和構(gòu)件拖帶航道，在國內(nèi)規(guī)范[1-2]中都有相應(yīng)的計(jì)算規(guī)定。對(duì)于港珠澳大橋沉管隧道工程的沉管受限航道設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[3]給出了詳細(xì)的計(jì)算方法。但是對(duì)于增加DP(dynamic positioning)的自航式雙體船拖帶沉管在受限航道內(nèi)浮運(yùn)，目前國內(nèi)外規(guī)范和文獻(xiàn)中，都沒有可以參照的計(jì)算方法。由于船舶帶有DP的側(cè)推校正功能，而且船舶的寬度與沉管不一致，因此，在航道計(jì)算上如果按照普通的航行船舶取值，則相對(duì)保守；但是完全按照定位航跡的功能船舶進(jìn)行航道設(shè)計(jì)，則又存在超限的風(fēng)險(xiǎn)。較多的研究者[3-5]認(rèn)同航道寬度按6倍被拖構(gòu)件橫斷面寬度取值，但該取值并沒有可參照的類似范例。對(duì)于深中通道工程沉管隧道項(xiàng)目，需要從桂山島拖航8萬t沉管至隧址處，距離約50 km，穿越了榕樹頭航道、伶仃航道、新建航道等，因此，在航道的寬度和深度取值上尤為重要和嚴(yán)謹(jǐn)。為了解決工程中存在的類似問題，首次提出了復(fù)式航道的設(shè)計(jì)理念，在保證沉管浮運(yùn)安全的基礎(chǔ)上，降低對(duì)航道的挖泥量，做到節(jié)約和環(huán)保。

1 工程概況

深中通道島隧工程共32節(jié)管節(jié)，其中S09標(biāo)項(xiàng)目有22節(jié)管節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)管節(jié)尺寸為1 650.0 m×460.0 m×10.6 m(長×寬×高)，浮運(yùn)航道總長約50 km，新建航道浮運(yùn)約10 km。管節(jié)浮運(yùn)線路： 預(yù)制場支航道—榕樹頭航道—伶仃航道—新建浮運(yùn)航道—基槽安裝航道—系泊區(qū)。伶仃航道、礬石水道、橫門東水道等是萬t級(jí)以上船舶進(jìn)出港的主要通道，施工區(qū)小型船舶以及不規(guī)范行駛船舶多，管理難度大，通航條件復(fù)雜，浮運(yùn)航道布置見圖1。管節(jié)浮運(yùn)采用自航式雙體船，如圖2所示。

圖1 浮運(yùn)航道布置圖

圖2 自航式雙體船浮運(yùn)沉管示意圖(單位： mm)

Fig. 2 Schematic diagram of floating transportation of immersed tube towed by self-propelled catamaran (unit: mm)

自航式雙體船浮運(yùn)沉管時(shí)的技術(shù)參數(shù)為： 1)自航浮運(yùn)雙體船寬75 m、長190 m，浮運(yùn)沉管時(shí)吃水7 m； 2)被拖沉管寬46 m、長165 m，浮運(yùn)狀態(tài)下吃水10.4 m； 3)通航水域的新建航道水深約為5 m，上部土體為淤泥質(zhì)土，下部為黏土夾砂。

常規(guī)的航道設(shè)計(jì)通常采用簡化計(jì)算的方式，即將船舶的寬度作為航道設(shè)計(jì)的寬度、沉管的寬度作為航道設(shè)計(jì)的吃水深度，采用單一的航道設(shè)計(jì)。但對(duì)于淺水區(qū)受限航道的設(shè)計(jì)，增大航道尺寸雖然增加了安全性，但經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保都受到一定的影響。因此，對(duì)于該項(xiàng)目的淺水區(qū)，需要采用復(fù)式航道設(shè)計(jì)。

2 復(fù)式航道的深度分析

航道的深度計(jì)算需要考慮淺水效應(yīng)等影響[6]，由于珠江口門處屬于內(nèi)河和外海交界處，因此參照《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]、《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》[1]2個(gè)規(guī)范進(jìn)行核算，并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行綜合分析，得出航道的實(shí)際通航深度。

在復(fù)式航道設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)船和沉管分別進(jìn)行分析。

2.1 沉管占用的航道深度分析

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，沉管占用的航道深度

H=T+ΔH。

(1)

式中：T為構(gòu)件吃水，m； ΔH為需要增加的富裕水深，m。

根據(jù)該工程的重要性，按Ⅰ級(jí)航道進(jìn)行計(jì)算，ΔH=0.7 m，沉管吃水T=10.4 m，則需要的航道深度H=11.1 m。

根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》,航道設(shè)計(jì)深度

H=T+Z0+Z1+Z2+Z3+Z4

。

(2)

式中：Z0為構(gòu)件航行時(shí)的下沉值，m；Z1為航行時(shí)的最小富裕深度，m；Z2為波浪富裕深度，m；Z3為縱傾富裕深度，m；Z4為備淤深度，m。

結(jié)合管節(jié)的技術(shù)參數(shù)可知，航行速度≤1.542 m/s，Z0取0.2 m，Z1取0.6 m。

項(xiàng)目波高Hs按照0.8 m計(jì)算，則波累計(jì)頻率為4%時(shí)的波高H4%=1.009 m。取最不利工況，與波浪夾角取90°，計(jì)算得Z2/H4%=0.525，則Z2=0.530 m。Z3=0.15 m，Z4取0.6 m，根據(jù)式(2)計(jì)算得H=12.5 m。

根據(jù)上述的分析可知，沉管占用的航道深度分別取為11.1 m和12.5 m。而《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》并沒有考慮波浪條件和回淤的影響，因此，對(duì)沉管占用的航道深度取值應(yīng)按照《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算，即12.5 m。

2.2 雙體船占用的航道深度分析

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，按Ⅰ級(jí)航道進(jìn)行計(jì)算，則ΔH=0.7 m。船舶吃水T=7.0 m，則需要的航道通航水深H=7.7 m。

根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》，航道水深為9.1 m。

根據(jù)上述2種規(guī)范的分析，雙體船占用的航道深度分別為7.7 m和9.1 m。根據(jù)沉管的通航分析結(jié)果，取雙體船的航道占用水深為9.1 m。

3 復(fù)式航道的寬度分析

3.1 沉管占用的航道寬度分析

3.1.1 根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》計(jì)算航道寬度

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》按照單線航道寬度計(jì)算，則:

B1=BS+2d+lsinβ;

(3)

BF=BS+lsinβ。

(4)

式(3)—(4)中：B1為航道寬度，m；BF為航跡帶寬度，m；d為安全距離，m；BS為構(gòu)件或船舶的橫斷面投影寬度，m；l為構(gòu)件或船舶的長度，m；β為航行漂角，(°)。

根據(jù)安全航行的技術(shù)要求按封航進(jìn)行管理，即按單線通航的航道進(jìn)行計(jì)算，BS=46.0 m，l=165.0 m，漂角β取3°，則根據(jù)式(4)，BF=54.6 m。安全距離d取0.4BF，則d=21.8 m，根據(jù)式(3)得B1=98.2 m。

3.1.2 根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算航道設(shè)計(jì)寬度

根據(jù)現(xiàn)場的作業(yè)窗口條件，沉管浮運(yùn)時(shí)，沉管受橫流的速度不大于1.0 m/s，同時(shí)取沉管風(fēng)流壓偏角γ=14°，船舶漂移倍數(shù)n=1.45。

沉管的航跡帶寬度

A=n×(BS+lsinγ)。

(5)

則根據(jù)式(5)可得A=124.6 m。

航道寬度

W=A+2c。

(6)

式中c為船舶距離航道邊緣的富裕寬度。

根據(jù)規(guī)范c=0.5BS，即23 m，計(jì)算得出W=170.6 m。

3.2 船舶占用的航道寬度分析

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》按照單線航道寬度計(jì)算，并按照安全航行的技術(shù)要求，BS=75.0 m，長度l=190.0 m，漂角β取3°，則根據(jù)式(4)可得，BF=84.9 m。安全距離d取0.4BF，則d=34 m，根據(jù)式(3)得B1=152.9 m。

根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》航道設(shè)計(jì)寬度計(jì)算，取風(fēng)流壓偏角γ=14°，n=1.45。船舶的航跡帶寬度A=175.4 m，根據(jù)規(guī)范c=0.5BS，即37.5 m，計(jì)算得到航道寬度為250.4 m。

3.3 航道轉(zhuǎn)彎半徑取值

根據(jù)《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》，本工程取最小彎曲半徑按船舶長度的3倍取值，即570.0 m。

根據(jù)《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》，航道轉(zhuǎn)彎半徑按5倍船舶長度取值，即950.0 m。

根據(jù)港珠澳大橋沉管隧道實(shí)測拖航的情況，建議在水流流速較小時(shí)，航道轉(zhuǎn)彎半徑按570.0 m設(shè)置，流速較大時(shí)按照950.0 m設(shè)置。

4 復(fù)式航道設(shè)計(jì)及取值建議

4.1 取值分析

根據(jù)上述分析，復(fù)式航道設(shè)計(jì)取值見表1。

表1 復(fù)式航道設(shè)計(jì)取值

根據(jù)表1的分析結(jié)果，由于《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》并沒有考慮浪和流對(duì)被作用船舶和構(gòu)件的影響，并不符合實(shí)際工況，且深中通道工程位于珠江口門處，因此應(yīng)按照《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》的計(jì)算數(shù)值進(jìn)行取值。結(jié)合上述的分析結(jié)果，復(fù)式航道的沉管航道深度按照12.5 m取值，船舶的航道深度按照9.1 m取值。

對(duì)于復(fù)式航道寬度的取值，應(yīng)按照船舶和構(gòu)件的邊界效應(yīng)進(jìn)行互相推算，分析如下。

1)以沉管占用的航道寬度推算船舶占用的航道寬度，即在沉管到達(dá)航道邊緣時(shí)船舶的航道寬度能否滿足其通航的要求。當(dāng)沉管航道寬度按照《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》取值(170.6 m)時(shí)，推算得到船舶的航道寬度為170.6+(75.0-46.0)=199.6 m。

2)以船舶占用的航道寬度推算沉管占用的航道寬度，即在船舶到達(dá)航道邊緣時(shí)沉管占用的航道寬度值。當(dāng)船舶航道寬度按照《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》取值(250.4 m)時(shí)，得到沉管的航道寬度為250.4-(75.0-46.0)=221.4 m。

4.2 航道斷面的確定

根據(jù)分析研究結(jié)果，選取沉管航道底寬為221.4 m，航道深度為12.5 m；雙體船的航道底寬為250.4 m，航道深度為9.1 m。航道區(qū)域?qū)儆陴ね翃A砂地質(zhì)，可按照1∶3設(shè)置航道邊坡，也可以根據(jù)試驗(yàn)確定。復(fù)式航道按照該計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)，由港珠澳大橋沉管隧道浮運(yùn)的數(shù)據(jù)顯示，該設(shè)計(jì)方式可以滿足沉管和船舶的浮運(yùn)要求[3]。復(fù)式航道斷面見圖3。

圖3 復(fù)式航道斷面示意圖(單位： m)

結(jié)合上述的復(fù)式航道情況，在上述工況條件下，可以考慮采用該尺度進(jìn)行航道的設(shè)置；存在其他工況條件時(shí)，可以相應(yīng)增加航道寬度。

4.3 復(fù)式航道的斷面系數(shù)復(fù)核

為了保障航道設(shè)置的合理性，通過斷面系數(shù)進(jìn)一步核算航道設(shè)計(jì)尺度[7]。根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)于受限航道，斷面系數(shù)≥6，如果流速較大時(shí)則需要將斷面系數(shù)提升至不小于7[1,8]。

由于深中通道工程沉管浮運(yùn)按照作業(yè)窗口施工，故其斷面系數(shù)取值為6，航道斷面系數(shù)示意見圖4。

H為航道水深；Bb為底寬；m為邊坡坡比； DLNWL為設(shè)計(jì)最低通航水位。

圖4航道斷面系數(shù)示意圖

Fig. 4 Schematic diagram of cross-section coefficient of channel

根據(jù)上述分析，將斷面系數(shù)按照沉管和雙體船分別核算。

4.3.1 沉管航道斷面系數(shù)

沉管航道底寬Bb取221.4 m，DLNWL取-0.78 m，航道水深H取12.5 m，m取3。航道頂部寬度

By=2Hm+Bb。

(7)

則計(jì)算得By=296.4 m。其通水?dāng)嗝娣e

A′=(By+Bb)H/2。

(8)

計(jì)算得A′=3 236.3 m2，沉管浮運(yùn)時(shí)的斷面投影面積Ac約為471.3 m2，計(jì)算斷面系數(shù)為A′/Ac=6.87>6，滿足通航的斷面系數(shù)要求。

4.3.2 雙體船+沉管時(shí)航道斷面系數(shù)

沉管和雙體船疊加的航道寬度Bb取250.4 m，DLNWL取-0.78 m，航道水深H取9.1 m，m取5。計(jì)算得航道頂部寬度By=341.4 m；通水?dāng)嗝娣eA′=2 692.7 m2。雙體船片體寬度為9 m，吃水7 m，雙體船兩側(cè)片體和沉管總的斷面投影面積Ac約為597.3 m2，計(jì)算斷面系數(shù)為A′/Ac=4.51<6，不滿足通航斷面系數(shù)要求。因此，需要將頂部邊坡系數(shù)增加。經(jīng)過反算得m≥15.76，因此，雙體船航道在-9.1～-5 m泥面處，其邊坡系數(shù)應(yīng)不小于15.76才可以滿足斷面系數(shù)的要求，調(diào)整后的復(fù)式航道斷面見圖5。

圖5 調(diào)整后的復(fù)式航道斷面示意圖(單位： m)

Fig. 5 Cross-section diagram of compound channel after optimization (unit: m)

一般在淤泥質(zhì)地質(zhì)情況下航道的邊坡比為1∶7時(shí),即可滿足邊坡的穩(wěn)定。因此，針對(duì)雙體船航道的邊坡設(shè)計(jì)，航速較低時(shí)可以在保障邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整邊坡系數(shù)[9]，建議m取值為7～15。結(jié)合港珠澳大橋33節(jié)沉管浮運(yùn)航道的實(shí)際運(yùn)行情況，采用該計(jì)算方法得出的航道尺度可以滿足工程實(shí)際施工的需要。

5 結(jié)論與建議

1)對(duì)于外海與內(nèi)河相結(jié)合的區(qū)域，采用自航式雙體船拖帶沉管時(shí)，沉管和雙體船在不同吃水條件下，建議采用復(fù)式航道進(jìn)行航道設(shè)計(jì)。

2)通過對(duì)復(fù)式航道的計(jì)算分析，建議將船舶和沉管分別作為對(duì)象進(jìn)行研究，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行綜合比選分析。

3)針對(duì)復(fù)式航道的設(shè)計(jì)，建議采用《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行航道深度和寬度的計(jì)算，航道的邊坡斷面系數(shù)取值建議采用《內(nèi)河通航標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行核算后確定。

4)浮運(yùn)航道轉(zhuǎn)彎半徑通過被拖構(gòu)件和船舶的對(duì)比計(jì)算取較大值。在水流流速較小時(shí)，航道轉(zhuǎn)彎半徑建議按570 m設(shè)置，流速較大時(shí)按950 m設(shè)置。

5)對(duì)于其他復(fù)雜的被拖構(gòu)件和動(dòng)力船舶，長距離受限區(qū)域的航道設(shè)計(jì)需要通過操縱性試驗(yàn)和物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法綜合比選確定試航的方式以及航道的取值技術(shù)參數(shù)。

本文尚存在不同航速、波浪、水流條件下航道尺度選擇的難題，因此需要結(jié)合理論和實(shí)踐進(jìn)一步研究，以為開展后續(xù)工作提供借鑒。

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