考慮漁船通航的防波堤平面布置研究

倪靖宇，白志剛

（1.天津大學(xué)，天津 300073；2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

引 言

為滿足天津臨港港區(qū)口門段泊位的建設(shè)需要，現(xiàn)擬在大沽沙航道現(xiàn)有防波堤的基礎(chǔ)之上延續(xù)修建東、北防波堤潛堤段工程，該工程共有南北兩條海堤構(gòu)成，全長3 850 m。工程建成后將與已建東、北防波堤銜接并連成一體，會(huì)在大沽沙主航道兩側(cè)形成阻航屏障，切斷了東沽漁船原有的航行路線，漁船必須繞行本工程的南側(cè)水域方可通行。由于增加了航行里程，導(dǎo)致漁船進(jìn)出港的時(shí)間變長，油耗增多。為此，決定設(shè)計(jì)一套減少航行里程，方便漁船通航的防波堤建設(shè)調(diào)整方案。

方案設(shè)計(jì)原則如下：

1）盡量減少對(duì)大沽沙主航道大型運(yùn)輸船舶的正常航行安全的影響；

2）確保已建東、北防波堤及擬建東、北防波堤潛堤段的堤身安全；

3）不對(duì)船舶在港內(nèi)的正常作業(yè)和安全靠泊產(chǎn)生影響；

4）確保漁船通航的安全。

1 工程概況

擬建防波堤共分為兩個(gè)標(biāo)段：一標(biāo)段位于大沽沙主航道南側(cè)，包括一條防波堤和一座燈塔，防波堤起點(diǎn)為現(xiàn)狀東防波堤?hào)|端點(diǎn)，沿與航道平行的方向向海側(cè)延伸1 500 m，堤頂高程5.5 m為出水堤；二標(biāo)段位于大沽沙主航道北側(cè)，包括一條防波堤，一座燈塔，兩座燈浮標(biāo)和一座AIS航標(biāo)，防波堤起點(diǎn)為現(xiàn)狀北防波堤?hào)|端點(diǎn)沿與航道平行的方向向海側(cè)延伸2 350 m，堤頂高程5.5 m為出水堤，堤頂高程2.5 m為潛堤[3]。

2 漁船通道設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)船型及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

為準(zhǔn)確計(jì)算漁船通航尺度要求，筆者對(duì)東沽漁港進(jìn)行了實(shí)地考察，通過漁政管理部門的統(tǒng)計(jì)資料查得，東沽東沽漁港注冊(cè)的漁船共有47艘，選取船型尺度最大的津塘漁02358/02259作為本次方案的設(shè)計(jì)代表船型。根據(jù)漁民要求，方案的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)按照雙向通航，全潮航行的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

2.2 尺度設(shè)計(jì)

1）通航寬度

航道通航寬度計(jì)算根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS-165-2013）[2]6.4.2節(jié)，雙線通航公式計(jì)算：

算得W=58.27 m，取整為W=60 m。

2）通航水深

航道通航水深計(jì)算根據(jù)《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS-165-2013）6.4.6節(jié)公式計(jì)算：

算得D0=4.49 m，取整為D0=4.50 m。

按照全潮通航設(shè)計(jì)時(shí)，水位取該海域設(shè)計(jì)低水位0.5 m，則航道設(shè)計(jì)開挖底高程=0.5-4.5=-4.0 m（新港理論最低潮面作為基準(zhǔn)面，下同）。

根據(jù)工程區(qū)的水深測圖，該區(qū)域現(xiàn)狀水深較大，灘面高程在-4.5～-6.5 m，故水深滿足要求，無需進(jìn)行疏浚和開挖。

2.3 方案設(shè)計(jì)

綜合考慮工程各方面的實(shí)際情況，初步擬定如下兩個(gè)平面布置方案。方案1漁船通道緊鄰已建防波堤堤頭，航線長度最短，但該位置正處在新老防波堤轉(zhuǎn)折銜接處，易出現(xiàn)波浪集中、潮流紊亂的情況，漁船在這里通航安全性最差；方案2為避開新老防波堤轉(zhuǎn)角浪流匯集的問題，特將漁船通道沿?cái)M建防波堤軸線平移了200 m，漁船通道對(duì)稱布置。

方案1：擬在新老防波堤接點(diǎn)處，東堤C點(diǎn)、北堤G點(diǎn)，布置對(duì)稱通道，寬度均為60 m，平面位置詳見圖1。

方案2：擬在新建防波堤起點(diǎn)段附近，布置對(duì)稱通道，寬度均為60 m，平面位置詳見圖2。

圖1 漁港通道方案1平面布置示意

圖2 漁港通道方案2平面布置示意

3 潮流數(shù)模分析

3.1 模型的構(gòu)建

潮流計(jì)算采用Mike 21軟件的三角形網(wǎng)格水動(dòng)力模塊（HD模塊），水流運(yùn)動(dòng)控制方程是二維淺水方程，在控制方程的求解過程中使用有限體積法進(jìn)行離散，使用三角形網(wǎng)格；時(shí)間積分采用顯式歐拉格式；計(jì)算中采用干濕網(wǎng)格方法對(duì)淺灘進(jìn)行考慮；模型邊界水位由中國近海潮汐軟件Chinatide提供并根據(jù)潮汐預(yù)報(bào)表和實(shí)測水位進(jìn)行人為調(diào)整以使計(jì)算水位與實(shí)測水位基本重合。

本工程位于渤海灣內(nèi)，港口邊界復(fù)雜，防波堤和航道深入外海較遠(yuǎn)，為考慮外海地形變化對(duì)潮流場及航道的影響，模型范圍取為包括整個(gè)渤海灣在內(nèi)的水域，計(jì)算水域面積約為1.3萬km2，并在工程附近海域進(jìn)行局部加密來模擬潮流場。模型網(wǎng)格采用三角形網(wǎng)格，模型的最小網(wǎng)格邊長為10 m，計(jì)算時(shí)間步長為0.5 s。方案設(shè)計(jì)中漁船通道處航道底寬為60 m，兩側(cè)為斜坡堤，為此在網(wǎng)格劃分中取航道底兩側(cè)各約40 m范圍為從斜坡頂?shù)胶降赖撞烤€性變化的地形，方案2與方案1相近不再羅列[4]。

3.2 流場分析

由大范圍漲落急流場圖可以看出，港區(qū)南部外海漲落潮方向基本為W-E向，港區(qū)東部和北部外海漲落潮方向?yàn)槠玏NW-ESE方向，港區(qū)附近在漲潮期間口門外側(cè)潮流分為向西北、西南和港內(nèi)方向流動(dòng)，落潮期間流向相反，潮流在港區(qū)口門外側(cè)匯合后向東流動(dòng)，防波堤延伸段對(duì)整體流場影響不大。由于大范圍流場圖無法看出漁船通道實(shí)施后的局部流場變化，因此根據(jù)漁船通道處的流速情況作出了不同方案實(shí)施后的漁船通道局部的流場[5]，詳見圖3和圖4。

圖3 漲潮局部流場

圖4 落潮局部流場

從不同方案的局部流場圖來看，港外的潮流沿北防波堤和東防波堤延伸段流動(dòng)到漁船通道附近后從漁船通道位置進(jìn)出港內(nèi)，北防波堤漁船通道處水流在漲潮期間流入港內(nèi)，落潮期間港內(nèi)水體沿漁船通道流向港外，但東防波堤漁船通道處水流方向受外部水體影響大部分時(shí)間港外水流由漁船通道處流向港內(nèi)然后與港內(nèi)水體匯合一起沿航道方向流動(dòng)，只有在漲潮轉(zhuǎn)為落潮期間東防波堤漁船通道處的水流才由港內(nèi)流向港外。

3.3 流速分析

為了對(duì)漁船通道內(nèi)流速進(jìn)行分析，在每個(gè)方案的漁船通道處設(shè)置了3排每排5個(gè)共15個(gè)流速采樣點(diǎn)，除漁船通道附近布置流速采樣點(diǎn)外進(jìn)行分析，由于船舶航行時(shí)受橫流影響較大，本次分析統(tǒng)計(jì)了不同方案漁船通道中線處的最大橫向、順向流速，詳見表1。

表1 漁船通道附近大潮流速計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可知，不同方案均在漁船通道靠近港池內(nèi)側(cè)的采樣點(diǎn)橫流較大，且東防波堤漁船通道內(nèi)最大橫流流速小于北防波堤，不同方案北防波堤漁船通道最大橫流為0.45～0.50 m/s，最大順流流速為0.59～0.64 m/s。

4 研究結(jié)論

4.1 橫向流速

根據(jù)文獻(xiàn)[6]中潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的研究結(jié)論，東、北防波堤潛堤段工程建成后，航道附近回流范圍和強(qiáng)度明顯減弱，口門航道處水流平順，橫流較小，最大橫流在0.14 m/s左右。

根據(jù)本次潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的研究結(jié)論，兩方案均在開口靠近航道內(nèi)側(cè)的采樣點(diǎn)處橫流較大，東防波堤漁船通道內(nèi)最大橫流小于北防波堤漁船通道，北防波堤開口附近最大橫流為0.45～0.50 m/s。

根據(jù)上述兩次潮流數(shù)模試驗(yàn)的研究數(shù)據(jù)可知，漁船通道實(shí)施后對(duì)大沽沙航道靠近漁船通道開口內(nèi)側(cè)附近水域的橫流流速影響較大。參考《船閘總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中5.3.2條款，航道口門區(qū)的水面最大流速應(yīng)符合表2規(guī)定。

表2 口門區(qū)水面最大流速限值

由數(shù)模結(jié)論可知，本次研究方案中漁船通道口門處垂直航線的橫向流速0.45～0.50 m/s，已超過表2中數(shù)值，不滿足規(guī)范要求，故從橫向流速方面判斷實(shí)施漁船通道兩個(gè)方案均不可行。

4.2 流 場

漁船通道對(duì)大范圍漲落急流場的影響不大，但對(duì)通道局部水域的影響較為顯著，而且通道寬度越窄，流態(tài)變化越明顯，紊流和擾流多集中在通道口門處，詳見圖3和圖4。由流場分析結(jié)果可知，方案2較方案1在潮流梳理方面稍有優(yōu)勢(shì)，但無論通道寬度是60 m還是200 m均無法避免在通道口門附近出現(xiàn)較為集中的潮流紊亂現(xiàn)象，漲落潮期間的局部流場紊亂會(huì)給漁船通航帶來操船困難，對(duì)漁船航行安全十分不利，加之通道口門兩側(cè)為保護(hù)新建防波堤而設(shè)置了堤頭防護(hù)措施，在潮流紊亂的情況下極有可能出現(xiàn)漁船擱淺、碰撞的情況。因此，從工后流場情況分析上看，漁船通道同樣不可行。

5 結(jié) 語

從潮流數(shù)模分析得出的結(jié)論可知，在高標(biāo)準(zhǔn)航道防波堤上預(yù)留漁船通道是不合理、不科學(xué)、不滿足通航安全要求的，該結(jié)論可以推廣應(yīng)用至其他類似項(xiàng)目當(dāng)中。另外，在解決現(xiàn)代航運(yùn)和傳統(tǒng)漁業(yè)共生矛盾的路徑問題上，筆者認(rèn)為從工程設(shè)計(jì)階段著手為時(shí)已晚，應(yīng)該在港口規(guī)劃論證階段全面調(diào)查、重點(diǎn)分析，對(duì)應(yīng)予保護(hù)的漁業(yè)設(shè)施做好選址遷建，最大限度地保護(hù)漁民的生存權(quán)利，同時(shí)也避免為港口后續(xù)的建設(shè)和運(yùn)營留下隱患。