自航式双体船拖带沉管航道尺度分析研究——以深中通道沉管隧道为例

冯海暴， 刘俊伟， 苏长玺

(1. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 300072； 2. 天津大学建筑工程学院，天津 300072； 3. 中交第一航务工程局有限公司， 天津 300461； 4. 中交一航局第二工程有限公司， 山东 青岛 266071; 5. 青岛理工大学土木工程学院， 山东 青岛 266033)

0 引言

航道是船舶和构件浮运的水下通道，对于正常的船行航道和构件拖带航道，在国内规范[1-2]中都有相应的计算规定。对于港珠澳大桥沉管隧道工程的沉管受限航道设计，文献[3]给出了详细的计算方法。但是对于增加DP(dynamic positioning)的自航式双体船拖带沉管在受限航道内浮运，目前国内外规范和文献中，都没有可以参照的计算方法。由于船舶带有DP的侧推校正功能，而且船舶的宽度与沉管不一致，因此，在航道计算上如果按照普通的航行船舶取值，则相对保守；但是完全按照定位航迹的功能船舶进行航道设计，则又存在超限的风险。较多的研究者[3-5]认同航道宽度按6倍被拖构件横断面宽度取值，但该取值并没有可参照的类似范例。对于深中通道工程沉管隧道项目，需要从桂山岛拖航8万t沉管至隧址处，距离约50 km，穿越了榕树头航道、伶仃航道、新建航道等，因此，在航道的宽度和深度取值上尤为重要和严谨。为了解决工程中存在的类似问题，首次提出了复式航道的设计理念，在保证沉管浮运安全的基础上，降低对航道的挖泥量，做到节约和环保。

1 工程概况

深中通道岛隧工程共32节管节，其中S09标项目有22节管节，标准管节尺寸为1 650.0 m×460.0 m×10.6 m(长×宽×高)，浮运航道总长约50 km，新建航道浮运约10 km。管节浮运线路： 预制场支航道—榕树头航道—伶仃航道—新建浮运航道—基槽安装航道—系泊区。伶仃航道、矾石水道、横门东水道等是万t级以上船舶进出港的主要通道，施工区小型船舶以及不规范行驶船舶多，管理难度大，通航条件复杂，浮运航道布置见图1。管节浮运采用自航式双体船，如图2所示。

图1 浮运航道布置图

图2 自航式双体船浮运沉管示意图(单位： mm)

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

自航式双体船浮运沉管时的技术参数为： 1)自航浮运双体船宽75 m、长190 m，浮运沉管时吃水7 m； 2)被拖沉管宽46 m、长165 m，浮运状态下吃水10.4 m； 3)通航水域的新建航道水深约为5 m，上部土体为淤泥质土，下部为黏土夹砂。

常规的航道设计通常采用简化计算的方式，即将船舶的宽度作为航道设计的宽度、沉管的宽度作为航道设计的吃水深度，采用单一的航道设计。但对于浅水区受限航道的设计，增大航道尺寸虽然增加了安全性，但经济性和环保都受到一定的影响。因此，对于该项目的浅水区，需要采用复式航道设计。

2 复式航道的深度分析

航道的深度计算需要考虑浅水效应等影响[6]，由于珠江口门处属于内河和外海交界处，因此参照《海港总平面设计规范》[2]、《内河通航标准》[1]2个规范进行核算，并结合现场实测结果进行综合分析，得出航道的实际通航深度。

在复式航道设计时，需要对船和沉管分别进行分析。

2.1 沉管占用的航道深度分析

根据《内河通航标准》，沉管占用的航道深度

H=T+ΔH。

(1)

式中：T为构件吃水，m； ΔH为需要增加的富裕水深，m。

根据该工程的重要性，按Ⅰ级航道进行计算，ΔH=0.7 m，沉管吃水T=10.4 m，则需要的航道深度H=11.1 m。

根据《海港总平面设计规范》,航道设计深度

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

。

(2)

式中：Z0为构件航行时的下沉值，m；Z1为航行时的最小富裕深度，m；Z2为波浪富裕深度，m；Z3为纵倾富裕深度，m；Z4为备淤深度，m。

结合管节的技术参数可知，航行速度≤1.542 m/s，Z0取0.2 m，Z1取0.6 m。

项目波高Hs按照0.8 m计算，则波累计频率为4%时的波高H4%=1.009 m。取最不利工况，与波浪夹角取90°，计算得Z2/H4%=0.525，则Z2=0.530 m。Z3=0.15 m，Z4取0.6 m，根据式(2)计算得H=12.5 m。

根据上述的分析可知，沉管占用的航道深度分别取为11.1 m和12.5 m。而《内河通航标准》并没有考虑波浪条件和回淤的影响，因此，对沉管占用的航道深度取值应按照《海港总平面设计规范》计算，即12.5 m。

2.2 双体船占用的航道深度分析

根据《内河通航标准》，按Ⅰ级航道进行计算，则ΔH=0.7 m。船舶吃水T=7.0 m，则需要的航道通航水深H=7.7 m。

根据《海港总平面设计规范》，航道水深为9.1 m。

根据上述2种规范的分析，双体船占用的航道深度分别为7.7 m和9.1 m。根据沉管的通航分析结果，取双体船的航道占用水深为9.1 m。

3 复式航道的宽度分析

3.1 沉管占用的航道宽度分析

3.1.1 根据《内河通航标准》计算航道宽度

根据《内河通航标准》按照单线航道宽度计算，则:

B1=BS+2d+lsinβ;

(3)

BF=BS+lsinβ。

(4)

式(3)—(4)中：B1为航道宽度，m；BF为航迹带宽度，m；d为安全距离，m；BS为构件或船舶的横断面投影宽度，m；l为构件或船舶的长度，m；β为航行漂角，(°)。

根据安全航行的技术要求按封航进行管理，即按单线通航的航道进行计算，BS=46.0 m，l=165.0 m，漂角β取3°，则根据式(4)，BF=54.6 m。安全距离d取0.4BF，则d=21.8 m，根据式(3)得B1=98.2 m。

3.1.2 根据《海港总平面设计规范》计算航道设计宽度

根据现场的作业窗口条件，沉管浮运时，沉管受横流的速度不大于1.0 m/s，同时取沉管风流压偏角γ=14°，船舶漂移倍数n=1.45。

沉管的航迹带宽度

A=n×(BS+lsinγ)。

(5)

则根据式(5)可得A=124.6 m。

航道宽度

W=A+2c。

(6)

式中c为船舶距离航道边缘的富裕宽度。

根据规范c=0.5BS，即23 m，计算得出W=170.6 m。

3.2 船舶占用的航道宽度分析

根据《内河通航标准》按照单线航道宽度计算，并按照安全航行的技术要求，BS=75.0 m，长度l=190.0 m，漂角β取3°，则根据式(4)可得，BF=84.9 m。安全距离d取0.4BF，则d=34 m，根据式(3)得B1=152.9 m。

根据《海港总平面设计规范》航道设计宽度计算，取风流压偏角γ=14°，n=1.45。船舶的航迹带宽度A=175.4 m，根据规范c=0.5BS，即37.5 m，计算得到航道宽度为250.4 m。

3.3 航道转弯半径取值

根据《内河通航标准》，本工程取最小弯曲半径按船舶长度的3倍取值，即570.0 m。

根据《海港总平面设计规范》，航道转弯半径按5倍船舶长度取值，即950.0 m。

根据港珠澳大桥沉管隧道实测拖航的情况，建议在水流流速较小时，航道转弯半径按570.0 m设置，流速较大时按照950.0 m设置。

4 复式航道设计及取值建议

4.1 取值分析

根据上述分析，复式航道设计取值见表1。

表1 复式航道设计取值

根据表1的分析结果，由于《内河通航标准》并没有考虑浪和流对被作用船舶和构件的影响，并不符合实际工况，且深中通道工程位于珠江口门处，因此应按照《海港总平面设计规范》的计算数值进行取值。结合上述的分析结果，复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。

对于复式航道宽度的取值，应按照船舶和构件的边界效应进行互相推算，分析如下。

1)以沉管占用的航道宽度推算船舶占用的航道宽度，即在沉管到达航道边缘时船舶的航道宽度能否满足其通航的要求。当沉管航道宽度按照《海港总平面设计规范》取值(170.6 m)时，推算得到船舶的航道宽度为170.6+(75.0-46.0)=199.6 m。

2)以船舶占用的航道宽度推算沉管占用的航道宽度，即在船舶到达航道边缘时沉管占用的航道宽度值。当船舶航道宽度按照《海港总平面设计规范》取值(250.4 m)时，得到沉管的航道宽度为250.4-(75.0-46.0)=221.4 m。

4.2 航道断面的确定

根据分析研究结果，选取沉管航道底宽为221.4 m，航道深度为12.5 m；双体船的航道底宽为250.4 m，航道深度为9.1 m。航道区域属于黏土夹砂地质，可按照1∶3设置航道边坡，也可以根据试验确定。复式航道按照该计算结果设计，由港珠澳大桥沉管隧道浮运的数据显示，该设计方式可以满足沉管和船舶的浮运要求[3]。复式航道断面见图3。

图3 复式航道断面示意图(单位： m)

结合上述的复式航道情况，在上述工况条件下，可以考虑采用该尺度进行航道的设置；存在其他工况条件时，可以相应增加航道宽度。

4.3 复式航道的断面系数复核

为了保障航道设置的合理性，通过断面系数进一步核算航道设计尺度[7]。根据规范要求，对于受限航道，断面系数≥6，如果流速较大时则需要将断面系数提升至不小于7[1,8]。

由于深中通道工程沉管浮运按照作业窗口施工，故其断面系数取值为6，航道断面系数示意见图4。

H为航道水深；Bb为底宽；m为边坡坡比； DLNWL为设计最低通航水位。

图4航道断面系数示意图

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

根据上述分析，将断面系数按照沉管和双体船分别核算。

4.3.1 沉管航道断面系数

沉管航道底宽Bb取221.4 m，DLNWL取-0.78 m，航道水深H取12.5 m，m取3。航道顶部宽度

By=2Hm+Bb。

(7)

则计算得By=296.4 m。其通水断面积

A′=(By+Bb)H/2。

(8)

计算得A′=3 236.3 m2，沉管浮运时的断面投影面积Ac约为471.3 m2，计算断面系数为A′/Ac=6.87>6，满足通航的断面系数要求。

4.3.2 双体船+沉管时航道断面系数

沉管和双体船叠加的航道宽度Bb取250.4 m，DLNWL取-0.78 m，航道水深H取9.1 m，m取5。计算得航道顶部宽度By=341.4 m；通水断面积A′=2 692.7 m2。双体船片体宽度为9 m，吃水7 m，双体船两侧片体和沉管总的断面投影面积Ac约为597.3 m2，计算断面系数为A′/Ac=4.51<6，不满足通航断面系数要求。因此，需要将顶部边坡系数增加。经过反算得m≥15.76，因此，双体船航道在-9.1～-5 m泥面处，其边坡系数应不小于15.76才可以满足断面系数的要求，调整后的复式航道断面见图5。

图5 调整后的复式航道断面示意图(单位： m)

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

一般在淤泥质地质情况下航道的边坡比为1∶7时,即可满足边坡的稳定。因此，针对双体船航道的边坡设计，航速较低时可以在保障边坡稳定的基础上适当调整边坡系数[9]，建议m取值为7～15。结合港珠澳大桥33节沉管浮运航道的实际运行情况，采用该计算方法得出的航道尺度可以满足工程实际施工的需要。

5 结论与建议

1)对于外海与内河相结合的区域，采用自航式双体船拖带沉管时，沉管和双体船在不同吃水条件下，建议采用复式航道进行航道设计。

2)通过对复式航道的计算分析，建议将船舶和沉管分别作为对象进行研究，并对计算结果进行综合比选分析。

3)针对复式航道的设计，建议采用《海港总平面设计规范》进行航道深度和宽度的计算，航道的边坡断面系数取值建议采用《内河通航标准》进行核算后确定。

4)浮运航道转弯半径通过被拖构件和船舶的对比计算取较大值。在水流流速较小时，航道转弯半径建议按570 m设置，流速较大时按950 m设置。

5)对于其他复杂的被拖构件和动力船舶，长距离受限区域的航道设计需要通过操纵性试验和物理模型试验相结合的方法综合比选确定试航的方式以及航道的取值技术参数。

本文尚存在不同航速、波浪、水流条件下航道尺度选择的难题，因此需要结合理论和实践进一步研究，以为开展后续工作提供借鉴。

参考文献(References)：

[1] 内河通航标准: GB 50139—2014[S]. 北京: 中国计划出版社, 2014.

Navigation standard of inland waterway: GB 50139-2014[S]. Beijing: China Planning Press, 2014.

[2] 海港总平面设计规范: JTS 165—2013[S]. 北京: 人民交通出版社, 2013.

Design code for general layout for sea port: JTS 165-2013[S]. Beijing: China Communications Press, 2013.

[3] 冯海暴, 苏长玺. 沉管受限水域浮运航道设计[J]. 水运工程, 2018(1): 200.

FENG Haibao, SU Changxi. Design of immersed tube floating channel in limited water area [J]. Port & Waterway Engineering, 2018(1): 200.

[4] 丁琦, 谢军, 应铭. 波浪动力对开敞淤泥质海岸深水航道边坡稳定性的影响[J]. 水运工程, 2018(1): 106.

DING Qi, XIE Jun, YING Ming. Impact of wave dynamic on slope stability of muddy deepwater channel in open sea[J]. Port & Waterway Engineering, 2018(1): 106.

[5] 刘艳秋, 李建. 内河航道桥梁防船撞设施配布工程专项设计要点[J]. 公路, 2018, 63(5): 128.

LIU Yanqiu, LI Jian. Special design points for distribution of anti-collision facilities for inland waterway bridges[J]. Highway, 2018, 63(5): 128.

[6] 张巨生, 宁伯伟. 新建安九铁路长江大桥主航道桥设计[J]. 桥梁建设, 2018, 48(2): 77.

ZHANG Jusheng, NING Bowei. Design of main ship channel bridge of Changjiang River Bridge on newly built Anqing-Jiujiang Railway[J]. Bridge Construction, 2018, 48(2): 77.

[7] 黄志扬, 曾建峰. 考虑潮流影响的航道乘潮水位计算方法研究与应用[J]. 海洋工程, 2018, 36(3): 104.

HUANG Zhiyang, ZENG Jianfeng. Research and application of calculation method for water level of waterway tide considering the influence of tidal current[J]. The Ocean Engineering, 2018, 36(3): 104.

[8] 郝瑞林. 曹妃甸第三港池航行方法及风险控制[J]. 航海技术, 2018(4): 7.

HAO Ruilin. Navigation method and risk control of third port pool of Caofeidian[J]. Marine Technology, 2018(4): 7.

[9] 黄志扬, 徐元. 长航道乘潮水位计算新方法研究及应用[J]. 海洋工程, 2017, 35(3): 83.

HUANG Zhiyang, XU Yuan. Research and application of a new method for the calculation of ridable high tide level[J]. The Ocean Engineering, 2017, 35(3): 83.