唐山港曹妃甸港区东区主航道设计

唐山港曹妃甸港区东区主航道设计顾俊;崔冠辰【摘要】曹妃甸港区东区地形比较复杂,多年受水流冲刷、泥沙淤积影响,形成特有的深沟地貌.为确保航槽稳定,减少航道开挖工程量及后期回淤,本工程航道结合地形条件,采用了多次转向的折线布置方案.本文重点介绍了在现有条件下,航道主要设计参数选取、主尺度计算、航道总平面布置方案及导助航设施等主要设计内容.【期刊名称】《港工技术》【年(卷),期】2018(055)002【总页数】5页(P7-11)【关键词】曹妃甸港区;航道;开挖;后期回淤;导助航设施【作者】顾俊;崔冠辰【作者单位】中交第一航务工程勘察设计院有限公司,天津 300222;中交第一航务工程勘察设计院有限公司,天津 300222【正文语种】中文【中图分类】U612.32+1引言唐山港曹妃甸港区东区内多项码头工程已建设完成，东区主航道的建设对三港池内泊位能力充分发挥，促进曹妃甸港区吞吐量的进一步增长，保持整个曹妃甸港区可持续发展有着重要而积极的意义。

根据规划，东区主航道最终建设规模为8万t级双向通行航道，本期航道工程拟建设一条3万t级单向航道及相应的导助航设施。

1 工程地理位置唐山港曹妃甸港区位于河北省东北部，唐山市南部沿海。

西距天津港38 n mile；东北距京唐港区33 n mile。

经过近年来的大规模开发建设，曹妃甸港区已初具规模。

本工程位于曹妃甸港区东区。

2 设计自然条件2.1 风雨雾工程区域能见度小于1 km的大雾，平均每年出现天数为 20天。

常风向为 S向，出现频率为9.16%，次常风向为SSW向，出现频率为8.28%。

强风向为NW向，次强风向为ENE向。

全年各方向≥7级风的出现频率为1.48%。

2.2 潮位该海区潮汐性质属于不规则日潮，其（HO1+HK1）/HM2=0.81。

年最高高潮位3.38 m；（本文高程均以当地理论最低潮面起算）年最低低潮位0.14 m；年平均高潮位2.47 m；年平均低潮位1.07 m。

设计高水位2.91 m；设计低水位0.53 m；极端高水位4.46 m；极端低水位-1.27 m。

其保证率80%～90%的乘潮水位见表1。

表1 全年乘潮水位乘潮延时/h 保证率80%的水位/m保证率85%的水位/m保证率90%的水位/m 1 2.19 2.13 2.04 2 2.13 2.07 1.98 3 2.04 1.98 1.89 41.92 1.86 1.762.3 海浪及潮流该海区常浪向为S向，出现频率为10.87%，次常浪向为SW向，出现频率为7.48%。

强浪向ENE向，该向H4%≥1.5 m出现频率为1.63%，次强浪向NE向，H4%≥1.5 m出现频率为0.97%，观测期间未出现平均周期大于7.0 s的波浪。

曹妃甸海域涨潮西流，落潮东流。

老龙沟外深水区潮流基本为东、西向的往复流，主流流向与等深线趋于平行；老龙沟内流向也基本为往复流，涨潮时由口门流向老龙沟，落潮时流出老龙沟，水流流向基本沿深槽方向。

潮波呈驻波特点，流速最大出现在中潮位时，高、低潮位时转流。

涨潮时流速大于落潮流速。

大潮涨潮平均流速为0.40～0.60 m/s，落潮为 0.35～0.50 m/s；小潮涨潮平均流速为 0.25～0.40 m/s，落潮为 0.25～035 m/s。

2.4 泥沙来源条件分析曹妃甸海域为风浪较强区域，其滩槽基本维持长期稳定。

本海域目前以陆域来沙为主，海域来沙为辅。

曹妃甸以东是典型的沙质海岸离岸沙坝—泻湖体系，它是由古滦河废弃三角洲的泥沙在波浪横向作用下改造而成。

该海区海岸的发育与滦河来沙状况密切相关。

曹妃甸以西海域泥沙主要来源于海河、黄河等所输出大量的细颗粒泥沙。

天津港的抛泥区对本海域来沙也有重要影响。

曹妃甸水边线附近底质主要为0.l2～0.25mm的细沙，在 0～5 m 潮滩范围内主要为 0.06～0.125mm的极细沙，北侧大片0 m高程的浅滩主要为0.0l6～0.032mm的中粉沙和极细沙。

在潮沟主槽内泥沙有局部粗化现象，大致为0.2～0.3mm的细沙。

以甸头分界，西侧海区中值粒径为0.008～0.027mm，东侧海区为0.012～0.250mm。

在小浪或无浪气象条件下，曹妃甸海域含沙量并不大，曹妃甸近海深水区大致为0.05～0.10 kg/m3；近岸区大致为0.07～0.15 kg/m3。

考虑波浪作用后，海域年平均含沙量大致为0.21 kg/m3左右。

本海域悬沙主要为细粉砂，中值粒径在0.008～0.02mm之间，从悬沙输移分析可知，在一般气象条件下，曹妃甸海域大潮净输沙方向与涨潮方向基本一致，即近海区自东向西，近岸区由海向岸，老龙沟口门处由外海向潮沟内；小潮期涨落潮输沙基本相对平衡，净输沙量较小。

3 建设规模及设计船型根据曹妃甸港区总体规划并结合三港池内相关工程的建设情况，近期将三港池航道规模确定为3万t级单向航道，满足30 000 DWT杂货船乘潮进出港。

设计船型主尺度见表2。

表2 设计船型主尺度设计船型总长L/m型宽B/m型深H/m设计吃水T/m 30 000 DWT杂货船 192 27.6 15.5 11.04 航道选线4.1 航道轴线方位拟建工程区域涨、落潮流动力强劲，在三港池外侧离岸沙坝间形成老龙沟大型潮汐通道深槽，其以东坑坨为界又可分为“东支”和“西支”。

“西支”为老龙沟潮汐通道深槽的主体部分，由蛤坨北侧的泻湖发源后，近南北向延伸入海，长达17.5 km，宽2～12 km；其5 m深槽全线贯通，宽0.4～1.5 km，最大水深可达22 m。

“西支”口门区水域宽阔，又发育有东、西两个深槽，其中西槽为主槽，东槽为副槽。

三港池进港航道起点为三港池西端，终点为外海-12 m等深线。

航道选线原则为：尽量减少对当地水流动力条件的影响，避免对深槽的稳定产生负面效应，并综合考虑风、浪、流对船舶航行的影响以及充分利用深槽以尽量减少航道疏浚工程量。

根据模型试验，“西支”东槽不稳定，因此，利用老龙沟“西支”西侧深槽布置航线。

航道在三港池内部分位于4 km宽的港池内，与南侧预留岸线平行，距两侧岸线距离分别为1 900 m和2 100 m，该段长度为 7 339 m，航道轴线为243°15′00″-063°15′00″；在三港池东端转向接入蛤坨北侧的深槽，该段长度为 3 571 m，航道轴线为286°00′00″-106°00′00″；向南为充分利用老龙沟西侧深槽，航道再进行两次转向，航道轴线分别为334°00′00″-154°00′00″和001°00′00″-181°00′00″，长度分别为3 071 m和6 341 m；通过蛤坨南侧的拦门沙段后航道轴线转为333°00′00″-153°00′00″，直至到达-12 m等深线，该段长度为6 177 m。

见图1。

图1 总平面布置示意4.2 自然条件对船舶通航安全的影响1）风的影响影响本海区的强风向为 NE，次强风向为NNE；常风向为SSW，次常风向为WSW。

其与航道各段夹角见表3。

表3 航道分段与强风向和常风向交角航道分段与强风向交角与常风向交角0+000～7+339 18.25° 40.75°7+339～10+910 61° 83.5°10+910～13+981 71° 48.5°13+981～20+322 44° 21.5°20+322～26+499 72° 49.5°根据通航安全评估报告中的相关分析，风力限制在6级以下，基本可以保证船舶航行安全。

2）流的影响老龙沟附近海域的水流特点是：外海深水区基本为东西向往复流，而老龙沟内基本为南北向的水流。

涨潮时外海水流自东向西，在老龙沟口门外水域逐渐转向北流入老龙沟；落潮时水流自北向南流出老龙沟，过东坑坨后逐渐转向东。

根据模型试验，航道开挖后老龙沟海域大面积流场基本没有变化，只是在航槽附近有一定的归槽水流，水流流向向航槽方向偏转。

涨急时水流与航道夹角大于30°的航道长约2 km，折算出横流分别为0.35 m/s和0.48 m/s；落急时夹角大于30°航道长约 1 km 左右，折算出横流为 0.29～0.42 m/s。

图2 涨急流矢示意图3 落急流矢示意航道中段流速最大，落急最大流速为0.80 m/s左右，向两端流速渐小；航道中段平均流速为0.5 m/s左右，拦门沙段平均流速为0.4 m/s左右；由航道开挖前后比较，航道开挖后拦门沙段航道流速稍有增大，哈坨附近航道流速稍有增大，流速变化基本在0.05 m/s以内。

3）波浪的影响表4 航道轴向与强浪向和常浪向交角航道分段与强浪向交角与常浪向交角0+000～7+339 4.25° 63.25°7+339～10+910 38.5° 74°10+910～13+981 86.5° 26°13+981～20+322 66.5° 1°20+322～26+499 85.5° 27°海区常浪向S向，次常浪向SW向，强浪向ENE向，次强浪向NE向。

由于波浪受到航道周围地形的阻扰而衰减，因此，航道内航行的船舶受波浪影响相对较小；航道外及航道入海端口附近航行的船舶受波浪影响较大，尤其是ENE方向的强浪向。

5 航道设计主尺度5.1 航道通航标准及可通航天数5.1.1 航道通航标准风≤6级；雨＜大雨；雾：能见度≥1 km；流速：航道外海端部横流≤1.5 kn；波浪：H4%≤1.5 m。

5.1.2 航道可通航天数经综合分析计算，曹妃甸港区东区航道的年可通航天数约为314天。

5.2 航道设计通航水位与通航历时为减少航道的疏浚工程量，降低工程投资，3万t级杂货船需乘潮进港，航道长度26.499 km（约合14.3 n mile），按平均航速8 kn计，航行时间约为 1.79 h，则每潮次船舶进出港所需时间按下式计算。

式中：ts为每潮次船舶乘潮进出港所需持续时间（h）；Ks为时间富裕系数，取1.1；t1为每潮次船舶通过航道时间，取1.79 h；t2为船舶在港内调头时间，取0.5 h；t3为靠离泊码头和解系缆时间，取0.5 h。

则ts=1.1×（1.79+0.5+0.5）=3.07 h，取 3.1 h。

设计乘潮水位取1.92 m（乘潮4 h、保证率80%）。

5.3 航道设计水深按照规范，船舶回旋水域的设计水深可取航道设计水深，航道设计水深（D）按下式计算：式中：D0为航道通航水深（m）；T为设计船型满载吃水（m）；Z0为船舶航行时船体下沉值（船舶在航道内航速按8 kn计算）；Z1为航行时龙骨下最小富裕深度（m）；Z2为波浪富裕深度（m）；Z3为船舶装载纵倾富裕深度（m）；Z4为备淤富裕深度（m）。