浅谈大型构件运输船舶进出内河航道选线及疏浚工程设计

徐昕 广东正方圆工程咨询有限公司

1.工程概况

金海大桥位于珠海市横琴镇，所在河段为交杯沙水道，通航1000吨级船舶。金海大桥是目前国内首座公铁两用四塔斜拉桥，也是国内桥面最宽、挑臂最长的桥梁，主桥通航净高为28m，可容纳3000吨海轮通过。为减少钢箱梁、钢塔现场焊接的工作量，保障施工质量，提高施工效率，钢箱梁采用大节段施工，钢塔采用整体吊装施工。大桥的钢箱梁、钢塔等大型构件从制造厂海运至珠海横琴，需采用15000吨级驳船运输至施工现场，然后借助3000吨级浮吊船进行吊装作业。

大型构件运输船舶及浮吊船由外海到达施工现场，共有2条水路可供选择。内河航道等级较低、航道宽度和水深条件较差、弯曲半径较小、跨河桥梁及管线对大型海轮进入存在制约等均是本次航道选线及疏浚工程设计需要考虑的因素。

2.航道选线

本项目共包含14个大型构件的运输和1艘3000吨级浮吊船的进出场，运输线路选取的难点为分析船舶由外海进入内河航道的制约因素以及解决办法。

在选取线路时，结合大型构件运输的特殊性、吊装船舶自身的特点以及所经过内河航道的通航环境情况，对大型构件运输船舶及浮吊船由外海进入内河航道和通过内河航段的决定性条件进行分析研究。分析的重点为沿途的航道水深条件、航道通航宽度、弯曲半径、跨河桥梁和线缆净空尺度、管道埋深情况、水流流速及流态情况、船舶通航密度等的适应性以及是否具备工程改造的可行性。

本项目投入的运输船舶总长115 m，船宽35 m，所需运输的最大构件是主塔（尺寸为107×17.6×14m，单件重2550t），运输时船舶的吃水约为 4.5m；投入的拖轮总长为37.7m，船宽10.4m；投入的浮吊船总长为109.85m，船宽 48m，空载吃水 4.8m。

从外海进入内河航道水域共有两条途径可供选择：线路一是从外海～澳门水道～洪湾水道～交杯沙水道～施工现场；线路二是从外海～磨刀门拦门沙段～交杯沙水道～施工现场。见图1。

图1 运输线路

线路一中澳门水道是西江流域来往港澳的水上交通要道，该水道船舶通航密度大、船舶种类众多，容易对大型构件运输船舶产生交叉影响。本项目投入的浮吊船需借助拖轮航行，占用水域面积大，也会影响航道中其他船舶的正常航行。澳门水道的航道维护水深为4.0m，航道通航宽度为45m，航道现状尺度较难满足本项目大型构件运输船舶及浮吊船的航行需求，需采取疏浚措施。另外，口门区径流与潮流相互顶托，流速甚小，随径流下泄的泥沙大部分在该区域落淤，形成影响泄洪排沙、阻碍船舶顺利通行的关键区段，在一定程度上也增加了船舶可操控难度。目前澳门水道桥梁集中且均为单孔双向通航，途经的桥梁通航孔净高最小为28m、净宽最小为60m，现状桥梁通航净高满足本工程要求，但通航宽度存在一定的制约。

洪湾水道是珠江口西侧的一条重要航道，也是澳门通往珠江三角洲和粤西沿海及海南岛的出入口。该线路沿途临河建筑物较多，沿岸有多个码头，加之近年腹地经济的迅速发展，使洪湾水道的过往船舶数量增加，船舶流量较大，通航环境较复杂。目前洪湾水道按内河Ⅲ级航道，通航 1000吨级港澳线船舶标准建设，航道设计尺度为 4.0×80×500m（水深×宽度×弯曲半径，下同）。航道现状尺度与本项目大型构件运输船舶和浮吊船航行所需的航道尺度不匹配，需采取疏浚措施。线路一需途经洪湾水道现有跨河桥梁 2 座、一处跨河电缆，其中跨河桥梁分别为横琴大桥（双孔单向通航，净宽90m、净高22m）、横琴二桥（单孔双向通航，净宽340m、净高28m）；跨河电缆净高为25m。现有桥梁、电缆净空尺度基本满足运输需求。

交杯沙水道目前维护尺度为4.0×80×500m，通航1000吨级船舶。由洪湾水道进入交杯沙水道，航道的弯曲半径较小，对大型构件运输船舶和浮吊船的航行造成一定的影响，需要对洪湾口裁弯取直方可满足船舶的通航需求，一定程度上削弱了走该线路的优势。

综上所述，线路一途经的内河航道限制因素较多，通航环境较复杂。航道水深、通航宽度、弯曲半径均较难满足本项目大型构件运输船舶和浮吊船所需的航道尺度要求，需采取疏浚、裁弯取直等措施。

线路二，途经的航道暂无已建桥梁和跨河线缆。其中交杯沙水道河面开阔，具备对航道进行拓宽的条件；磨刀门拦门沙段，受径流、潮流、波浪以及伶仃洋涨潮落潮和沿岸流等的影响，浅滩分布广阔，水深较浅，本项目大型构件运输船舶和浮吊船无法通过，需对现状航道进行浚深拓宽。另外，该段有中海石油（中国）有限公司的天然气海底输气管道，船舶由外海进入交杯沙水道需跨越该管道。在运输线路轴线确定时需综合考虑该海底管道的埋深以及本项目大型构件运输船舶和浮吊船航行所需的水深、宽度等要求，选择在合适的位置跨越该管道。

综合考虑线路一和线路二的限制因素（见表1），线路一存在航道尺度不足、跨河桥梁及跨河线缆受限、水流条件复杂、船舶密度大等问题。从工程的适应性、经济合理性方面考虑，线路一实施难度大，要采取疏浚、裁弯取直、局部改造桥梁等措施。线路二虽暂时不能通航大型船舶，但该河段河面开阔、无已建桥梁及跨河线缆，可通过疏浚措施满足本项目大型构件运输船舶及浮吊船进出场的需求。因此，线路二为本项目的推荐线路。

表1 路线一、二可行性对比分析表

为避免在海底管道范围内进行疏浚，根据临时航道的水深和宽度要求，并考虑临时航道与现有航道的衔接，选择在6m等深线处跨越海底管道。由于本项目大型构件运输船舶及浮吊船进出场次数较少，取临时航道轴线与现状航道轴线相同，以减少疏浚量，节约工程造价。

3.疏浚工程设计要点

临时航道尺度一是要满足运输船舶的通航需求，二是要满足浮吊船在拖轮（一牵一旁）组合下的通航尺度。

3.1 航道宽度的计算

经分析大型构件运输船舶及浮吊船的船舶参数及航行方式，浮吊船+拖轮组合所需的航道尺度较大，作为本项目航道尺度的控制工况。由于目前国内对此类拖带船队的通航航道宽度计算无明确规定，因此，在计算航道通航宽度时选取规范算法和经验算法两种方法进行比较，并经综合考虑选取合适的尺度。

3.1.1 规范算法

当前我国航道通航宽度设计主要遵循的标准是《海港总体设计规范》，考虑到本次开挖航道使用次数少，因此选择单线航道进行设计。单线航道宽度由航迹带宽度、船舶与航道底边间的富裕宽度组成，计算公式如下：

单线航道

W＝A＋2C

A＝n（Lsinγ＋B）

根据磨刀门拦门沙段的自然条件、通航条件，以及船舶航速等的影响，选取相应参数进行计算的航道通航宽度为193m。

3.1.2 经验算法

由于本次浮吊船自身没有动力，类似于海洋平台的拖带，两者运输原理比较接近，具有较好的借鉴意义。因此本次计算航道通航宽度时采用经验算法与规范算法进行对比。

参考国内经验算法，平台拖航所需通航宽度的公式：

W=B+L+2C

经计算，经验算法得出的结果为145m，较规范算法得出的193m小48m。

两种算法的取值有所偏差，根据目前国内多个典型海洋平台拖带通航航道宽度的计算分析，采用《海港总体设计规范》计算结果明显偏于保守，而国内经验算法与美国和加拿大航道设计指南的算法相接近，相差幅度在10%以内。本次临时航道设计时，收集了引航部门、运输船长、海事及航道等部门的意见，在此基础上进行综合分析，同时借鉴类似工程案例，结合工程的安全性、适用性、经济性等因素综合考虑，本工程推荐经验算法，即航道通航宽度取145m。

3.2 航道水深的计算

航道设计水深主要影响因素包括设计船型吃水、船舶航行下沉量、波浪产生的垂直运动、航道底质、水体密度、回淤强度和维护周期等。

本项目临时航道总里程约17.80km，计划使用时间为1.5年。根据《海港总体设计规范》，航道通航水深和设计水深按下式计算：

本次船舶吃水取运输时的吃水4.5m。为确保整个使用期间的航道处于足够水深状态，备淤深度按1.5年进行考虑，该河段理论计算的淤积厚度为0.38m/a，在使用期间不再进行疏浚，因此备淤深度取0.57m。将各参数代入公式计算得本次航道设计水深为5.88m。

由于临时航道开挖工程量较大，在考虑船舶进出的频次、所需时间以及工程实施的经济性后，临时航道的挖槽设计水深取乘潮水位下的水深。利用累积频率90%的高潮位（历时4小时）时，可利用潮差为1.22m，不仅可减少开挖工程量，也能满足在开挖后船舶乘潮通过的要求。因此，本次挖槽设计水深取4.66m。

4.结论

随着建筑材料、设备的更新及施工技术的不断进步，我国大跨径桥梁建设取得了较大的发展，其建设所需构件往往体积大、重量大，需要采用大型船舶运输。但大型构件运输船舶进出内河航道的航行条件受制因素较多，对航道宽度、水深的要求一般比航道现状维护标准高，且受桥梁通航尺度、跨河线缆净空、海底管道埋深等的限制，因此需对其运输线路进行合理性分析，必要时需采取开挖临时航道的措施。本文通过对实际工程在运输线路选择及开挖临时航道尺度选取上进行阐述，目前金海大桥施工已经接近尾声，参与作业的大型构件运输船舶与浮吊船已经顺利离场。根据工程检验，本次临时航道的选线是科学的、临时航道的设计参数也满足使用需求，可为同类型工程提供借鉴和参考。