基于水位时序线安排内河码头工期的研究

◎ 欧阳天庭 汪国喜 江西省路港工程有限公司

施工水位是码头工程施工效率和安全的重要影响因素，合理的施工水位，事关工程作业顺利实施，同时也紧密关联工程经济效益。在码头施工的工期设计中，很难把握和控制诸多施工条件和工期水位变化的影响，一旦工期设计不当，会给水上操作造成困难，甚至引发严重质量和安全事故。因此合理安排工期是一项实用意义很强的工程设计和统筹技术。案例码头工程组合应用水位时序模型、水位时序线、水位域限、水位保证率计算等分析技术，合理确定施工水位域限，安排码头工期。这里结合工程应用，梳理介绍相关技术概念和应用技术要点，希望为内河码头施工水位分析确定和工期合理安排，提供技术参考。

1.工程简介

某扩改建码头建筑采用框架直立墩架空结构，高度约30.00m。基础采用5 根直径为1 8 0 c m 的嵌岩钢筋混凝土钻孔桩。承台配置1.50×1.50m钢筋混凝土立柱6根，前方联系梁中部装配系船柱，以方便船舶在不同水位条件下系缆。立柱顶面采用现浇筑钢筋混凝土面板，形成码头面。码头前沿线位于170.00～175.00m等高线，与水流和等高线方向保持平顺，码头前沿与陆域前沿线基本平行。场地位处溶岩丘陵的坡脚，岩层呈陡倾状态，岩溶和裂隙节理发育充分，浅部强风化基岩溶洞和基岩表面的不规则起伏。流域径流量2689亿m3，平均流量8530m3/s。年内径流分布不均，5～10月汛期径流量占年度径流量79.10%，其中7～9月为主汛期，径流量达到1411亿m3，占年度径流量52.50%。

2.水位时序模型

使用HEC-RAS软件模拟计算枢纽蓄水后的码头水位时序分布状态。

案例码头位处回水变动区的末端，尽管水流会受到坝体的推顶作用，但模拟计算可以适当简化水流条件，可以通过调整后糙率来反映枢纽托顶后的作用效果。在建立模型时，选择常规水深作为边界条件。

由于枢纽蓄水以后，河流截面的变化不是很大，因此可以直接使用原截面水文资料开展模拟计算。某水文站距离案例码头100.30km，处于回水变动区之外，并且该区间面积只占1.50%，不存在大型支流汇入。来自该站的流量资料的一致性良好，因此可以直接选用该水文站的流量资料作为案例码头的径流特征参考资料。由于该码头位处回水变动区末端，所以选择糙率的方法不同于天然河道的糙率选取方法。

本研究参考库区最低通航设计水位所对应的河道糙率开展模拟计算。由于下游枢纽蓄水，导致河道流量与水位的关系已经产生变化，因此不能依照单一的流量与水位关系进行水力坡降的计算，需要基于时段划分分别给予率定。根据实测水位和率定糙率，利用HEC-RAS水流计算软件，分别计算高水期、蓄水期、低水期和消落期的原河道水力坡降后，确定河道截面、水力坡降、糙率、流量资料，在此基础上建立案例码头的流量与水位关系模型，以进行所需要的水位时序计算。计算获得的枢纽蓄水后扩改建码头港址区域20年的水位时序，详见图1所示[1]。

图1 枢纽蓄水后扩改建码头旬均水位时序曲线图

为了验证数学模型的准确性，将计算得出的水位时序与区域实际测量水位资料进行对比。水文预报规范规定，在定量预报中，水位误差维持在±10%范围内是可以接受的。本旬均水位时序计算结果的误差均控制在±10%以内，符合规范要求。表明模拟和算法合理适用，能够准确揭示和预测目标区域的水位状态。

3.施工水位

3.1 施工水位概念

现有研究和相关规范对港口码头的施工水位并未给出明确定义。目前较广泛使用的施工水位概念是能够保证在规定工期内完成水工工程的水上作业量的水位即为水工施工水位，该水位借助水位时序线给予确定和体现，低于该水位的时序内，利于和支持工程水上施工，能够保证水上作业工程量如期完成。水位时曲线与施工水位关系见图2。

图2 水位时曲线与施工水位

施工水位一般不是一个固定数值，在设计阶段通常选择水位比较低、历时过程比较短、涉水作业量比较大的水位确定为施工水位。施工水位选择太低，一般对应的水位历时也相对缩短，这会增加施工风险和操作难度。施工水位对施工周期、可行性、施工质量和工程概预算等方面影响很大，因此施工水位的确定必须尽可能相对优化。

3.2 确定施工水位的方法

确定施工水位时，通常应先计算目标工程量，根据工程经验、场地水文地质资料，测算目标工程的所需工期，确定作业季节，再基于场地水文特征，采取平均水位历时线确定施工水位。然而现实工程中，设计人员通常无法穷尽考虑各种影响因素，因此多采用经验取值法进行施工水位分析确定。施工水位一般基于工程设计、所在水域水文资料、参考同类工程施工经验，来确定施工水位实施方案。几种常用取值：

（1）山区内河码头工程，潮汐影响水域的码头工程，施工水位一般要比设计低水位大于约1.50～2.00m。

（2）对于河网地区或人工运河场地条件的码头工程，施工水位多取年度枯水位、年度水位偏低的水位或者水位历时曲线50%频率所对应的水位。

（3）平原河流的水工工程，结合同类工程经验或取设计中水位至低水位之间作为施工水位，一般以高于设计低水位2.00～3.00m为宜。

（4）冰冻区河流，则多选择高于设计低水位1.00～2.00m为宜[2]。

4.基于合适水位安排施工工期

4.1 施工水位域限的确定

基于特定流域水工类型和计算获得的枢纽蓄水后扩改建码头港址区域20年的水位时序曲线，确定案例施工水位阈限范围，见图3。

图3 施工水位阈限范围的确定

案例码头桩基和钢平台搭建，标高相对较低，水上作业的工程量比较大。两业务项需要工期2个月，整个工程的工期设计为10个月。在选择施工水位时，应尽可能选择在枯水期进行。水位时序曲线显示，水位较低的区域在1～5月，因此有3种施工计划可供选择。方案一，是2月份启动施工，在3～4月完成水上工程量；方案二，是3月份启动施工，在4～5月完成水上工程量；方案三，是4月份启动施工，在5～6月完成水上工程量。工程河底高程169.06m，设计水位200.00m，低水位172.56m。本研究选择了3个不同的施工水位阈限，分别为174.06m、177.00m、182.00m，据此进行保证率分析，以确定更为适合的施工工期。

4.2 施工水位保证率计算

案例需要在T+0和T+1月连续开展水上作业。由于选用不同的施工水位会导致不同的情形，因此每个方案都存在以下两种情况：

（1）T+0、T+1月份均可进行连续的水上施工，保证率计算公式：

公式中P1为施工保证率，M1为月份旬均水位的总个数，N1为月份旬均低于给定水位域限值的个数。

（2）T+0、T+1月份均不可进行连续的水上施工，保证率计算公式：

公式中P2为施工保证率，M2为月份旬均水位的总个数，N2为月份旬均低于给定水位域限值的个数[3]。

通过表1数据可以看到，因为水位选取范围较广，不同阈限所对应的保证率其变化较大，而枯水期持续时间长，水位变化幅度相对较小，更利于水上作业量施工。连续施工两个月的保证率随着水位阈限的提高而增大，施工风险相对降低。对应工程量分析，这时的水上作业量有所增加。

表1 各方案和施工条件下的保证率计算结果

4.3 基于合适水位的工期确定

通过保证率计算结果可以发现，同相水位和可持续施工条件下，方案一的保证率最高，说明案例工程水位在3～4月较低，更适合进行水上作业。但整个项目必须在2月份启动，考虑到这是农历新年时段，劳动力供应会比较紧张。方案二是3月启动施工，只要水位适当，也能满足水上作业量的施工要求。而且这时所在水域还未进入高水位期。方案三则在4月份启动施工，可持续施工的保证率最低。虽然可以通过提高水位来获得符合保证率的水位，但后续施工重合高水位期，将增加水上作业难度。从以上分析可以得知，方案二相对最优，即3月启动施工，4～5月搭建钢平台和水下桩基施工，然后进行其他上部工程结构的施工。

5.结语

开展了基于水位时序线安排内河码头工期的分析技术研究。文中介绍了水位时序模型及水位时序曲线计算技术、施工水位及其域限的确定方法、水位保证率计算方法、基于合适水位的工期确定方法。合理的施工水位，事关工程作业顺利实施，同时也紧密关联工程经济效益。基于水位时序线安排内河码头工期的方法，模型化、数字化、可视化、多因素集成分析化，具有分析应用操作性强，分析成果工程适用的特点，对内河码头工期安排工程实用有技术参考意义。