防城港深水碼頭建設及航道治理關鍵技術研究

1、防城港深水碼頭建設及航道治理關鍵技術研究研究報告簡本1依托工程概況防城港位于廣西南部，北部灣北岸（圖1.1），是我國大西南地區(qū)最便捷的出 海通道，沿海航運可直達海南、廣州、港澳等我國沿海地區(qū)以及東南亞和世界各 國主要港口，具備形成國際大港的條件。防城港經濟腹地廣闊，覆蓋了廣西、云 南、貴州、重慶等省區(qū)以及四川、湖南、湖北的部分地區(qū)。腹地人口近3億，面積達200多萬平方公里，自然資源豐富，發(fā)展?jié)摿薮?。隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn) 略的實施和中國一東盟自由貿易區(qū)的建立，西南地區(qū)迎來了良好的歷史機遇， 對 外進出口貿易迅速增長。作為聯(lián)結我國大西南地區(qū)與世界各地的主要出?？?，防城港正面臨前所未有的發(fā)展機遇，

2、已具備發(fā)展成為我國一個重要的國際貿易大港2001年底，西南公路出海大通道全線貫通，使防城港與西南地區(qū)的各種交流更加密切，港口吞吐量逐年上升，19952004年以年平均14.8%的速度增長， 近年有加速增長趨勢，2004年吞吐量達到1608萬噸，2006年吞吐量已達2300 多萬噸。然而港口建設嚴重滯后，尤其是深水泊位缺口較大，制約了防城港市及 周邊地區(qū)的經濟發(fā)展。亟需加快港口碼頭建設，提高吞吐能力。防城港三面丘陵環(huán)境，東為企沙半島，西為白龍尾半島，灣口向南敞開，整 個海灣由南北走向的小島漁漫島分割成沿防城江主流深槽的西灣和沿暗埠江深 槽的東灣（圖1.2）o灣內水域寬闊，可開發(fā)利用的深水岸線達3

3、0余公里?，F(xiàn)有碼頭區(qū)主要位于西灣內，2004年原有生產性泊位24個，非生產性泊位4個，碼 頭岸線總長4098m,泊位噸級為5003萬噸級不等。原有航道為3萬噸級，底寬 125m，航道底高程-9.5m。圖1.2防城港附近地形隨著國際貿易運輸船舶日趨大型化，建設深水泊位成為現(xiàn)代化大型港口的發(fā) 展方向，對提升防城港港口經濟的整體水平有重要意義。根據防城港發(fā)展規(guī)劃（圖 1.3），在灣口開工建設20萬噸級深水碼頭，碼頭采用大圓筒重力墩式結構，投 入運營后將形成1000萬噸的年吞吐能力；同時對口門攔門沙航道進行整治，開 挖底寬160m、底高程-16m的15萬噸級深水航道，竣工后20萬噸級船舶可乘潮進港；2

4、008年后續(xù)建20萬噸級深水進港航道。此外，西灣沿牛頭航道陸續(xù)建設13號17號3萬噸級至8.5萬噸級泊位和18號22號5萬噸級至10萬噸級碼 頭泊位，并開工建設10萬噸東灣航道和10萬噸級西賢、牛頭航道。防城港正利 用西部大開發(fā)的有利時機，加快深水碼頭和航道建設，全面提升港口的綜合競爭 力，將防城港整合成為西部出口最便捷、 運營最優(yōu)良的出?？诤椭修D港，更好的 為我國西南部腹地經濟發(fā)展服務。a深水碼頭-t岸E防城港總體規(guī)劃圖攔門沙航道f圖1.3防城港總體規(guī)劃然而防城港在建設深水碼頭和航道時遇到來自多方面的難題，包括灣口萬噸級深水碼頭結構的設計、 施工新技術， 外海大浪對深水碼頭的作用和對船舶 泊

5、穩(wěn)的影響，灣內水域寬廣而陸域不足的矛盾，以及風、浪、流條件下的攔門沙 深水航道淤積預報和減淤措施等。 這些問題急需進行專題研究。 本項目依托防城 港灣口 20萬噸級深水碼頭和攔門沙深水航道工程 （圖 1.3）開展研究， 擬解決碼 頭和航道建設中的關鍵技術。2 關鍵技術問題灣口深水碼頭建設面臨水深、浪大、流急等復雜的自然條件，使碼頭設計、 施工難度加大，急需開展有關深水碼頭建設技術的研究。 防城港岸線覆蓋層較薄， 持力層基巖埋深較淺，根據以往設計、施工經驗和地質特點， 20 萬噸級碼頭采 用薄壁無底大圓筒重力墩式結構型式。 根據防城港總體規(guī)劃， 深水碼頭為開敞式， 直接受到外海大浪作用， 需要通

6、過波浪模型試驗研究波浪對碼頭上部結構的作用 力，以確保碼頭安全。 同時， 系泊船舶在波浪作用下對碼頭的撞擊力也是碼頭結 構主要荷載之一。 有關大圓筒重力墩式碼頭前船舶對碼頭撞擊作用的理論和試驗 研究十分缺乏，需要通過物理模型研究系泊船舶在波浪作用下對碼頭的撞擊能 量，以便設計部門采用合理的系纜方式和碼頭抗沖擊設備， 為船舶泊穩(wěn)和裝卸創(chuàng) 造良好條件。在深水泊位建設中， 由于各方面的原因，大型浮吊無法到達防城港，為解決 施工中沒有大型浮吊的難題， 決定采用帶有臨時底板的預制鋼筋混凝土大圓筒海 上浮運安裝，水上現(xiàn)澆鋼筋混凝土蓋板的方案。由于該結構體積大、重量大，而 且沒有壓載隔倉， 施工單位以前沒有

7、浮運過大圓筒結構， 也沒有調查到相應的國 內外研究資料。 為解決這一新的施工難題， 需要研究在不使用大型浮吊情況下大 圓筒結構浮游、出運和安裝的關鍵技術。灣口深水泊位向外海開敞， 外海波浪可直接傳播至碼頭前沿， 將對船舶泊穩(wěn) 和作業(yè)造成不利影響。 由于深水泊位附近水域缺乏實測波浪資料， 目前對該水域 波浪條件知之甚少， 需采用數學模型研究該水域的波浪特征和空間分布， 分析深 水碼頭的泊穩(wěn)條件。 防城港灣口水域深水航道和大面積淺灘共存， 波浪由外海進 入灣口后受地形影響將發(fā)生比較復雜的折射、 繞射和破碎變形。 大浪在淺灘上破 碎后發(fā)生顯著變形， 再越過深水航道進入碼頭前水域。 這一過程需通過波浪

8、數學 模型和物理模型相結合來研究。防城港西灣和東灣均有廣大的淺灘， 要建深水泊位，必然要圍灘造地，滿足 倉儲堆場等需要。 按照國內外目前的理論， 圍灘造地減少納潮量將減少攔門沙通 道斷面水深。因此， 需要進行潮流泥沙數學模型試驗， 研究合理圍灘同時加深和 維持攔門沙深水航道的可行性。由于多年來投入研究的經費較少，資料不足， 給 研究帶來較大困難。需進一步搜集現(xiàn)場泥沙資料， 與以往的資料和研究成果對比， 進行深入分析。防城港攔門沙水域水深較淺， 通過多年來航道的拓寬增深， 已達到航道底寬 125m、底標高-9.5m，目前正在開挖底寬為160m、底標高-16m的深水航道。灣 口 20萬噸級碼頭前沿

9、水深也由9.5m增加到19.5m。港口航道水深大幅度開挖必 然帶來泥沙淤積問題， 因此，要研究深水碼頭及深水航道開挖后的泥沙回淤計算 并實測檢驗， 建立沙質和粉沙質海岸港口航道泥沙回淤預報的模式。 防城港處于 我國西南邊垂，臺風浪對攔門沙的航道影響較大， 需要計算大風期的航道回淤量， 根據航道淤積計算結果確定合理的治理方案。根據防城港深水碼頭和航道建設存在的上述問題， 本項目主要解決防城港深 水碼頭建設和航道治理的七項關鍵技術問題： （ 1 ）大圓筒重力墩式碼頭系泊船舶 荷載特性；（2）大圓筒結構浮游、出運、安裝設計及施工（不使用大型浮吊）技 術；（3）深水航道和攔門沙水域波浪傳播變形數值模擬

10、方法； （4）波浪在淺灘上 破碎后的傳播變形特性； （5）波流共同作用下泥沙運動特性； （6）波、流共同作 用下沙質海岸灣口水域泥沙數學模型； （7）風、波、流共同作用下沙質海岸深水 航道開挖后泥沙回淤計算方法。3 主要研究內容圍繞防城港深水碼頭和航道建設的關鍵技術問題， 本項目開展了以下三個專 題的研究工作：（ 1 ）專題一 “防城港大圓筒重力墩式深水碼頭建設技術研究 ”通過波浪物理模型試驗研究大圓筒重力墩式碼頭結構的波浪荷載、 系泊船舶荷載和碼頭前波浪反射特性，探索大圓筒重力墩式碼頭的系泊船舶撞擊能量規(guī) 律，為深水碼頭結構設計提供依據。開展理論分析計算和施工經驗總結，研究不使用大型浮吊情況

11、下大型圓筒浮 游、出運、安裝的設計和施工關鍵技術， 分析設臨時底板的無隔倉大圓筒的浮游 穩(wěn)定性，為防城港深水碼頭建設服務并可應用推廣于類似工程。圖3.1系泊船舶模型試驗圖3.2大圓筒出運、安裝施工（2）專題二防城港水域波浪數值模擬及深水碼頭泊穩(wěn)條件研究 ”通過斷面物理模型試驗研究波浪在淺灘上破碎后的傳播變形特性。 依據物理 模型試驗和理論分析，建立防城港水域波浪傳播變形數學模型， 解決波浪在淺水 區(qū)破碎后變形的關鍵問題，應用于防城港水域波浪傳播變形計算和泊穩(wěn)條件分析。進行不同重現(xiàn)期、不同水位條件下防城港大范圍水域波浪場數值計算，計算中考慮深水航道、攔門沙淺灘對波浪傳播的影響。依據數學模型計算結

12、果并結合 專題一的成果分析防城港深水碼頭前的泊穩(wěn)條件。圖3.3緩坡上波浪破碎試驗研究（3）專題三防城港攔門沙深水航道治理研究”進行水槽試驗，研究波流共同作用下泥沙起動和輸移特性， 建立防城港波流 共同作用下泥沙數學模型。進行數學模型計算、水槽試驗和理論分析，研究風、浪、流共同作用下的防 城港水域泥沙輸移和航道回淤特性，分析計算攔門沙航道和港內航道回淤量。重 點研究陸域圍填及深水航道開挖后的動力變化和航道回淤情況，通過研究提出大風天航道驟淤的預報方法，根據航道淤積預報結果確定攔門沙航道的治理措施。圖3.4波浪及波流共同作用下泥沙運動特性研究4 主要創(chuàng)新點本項目研究成果的主要創(chuàng)新點有：（1）針對大

13、圓筒重力墩式結構提出了波浪作用下系泊船舶撞擊能量計算方法；（2）建立了快變地形非線性緩坡方程數學模型，提高了深水航道和攔門沙水域 波浪傳播變形數值模擬的準確性；（3）提出了波、流共同作用下底層含沙量公式和風、波、流共同作用下沙質和 粉沙質海岸深水航道泥沙回淤預報方法；（ 4）形成不使用大型浮吊的大圓筒結構浮游、出運、 安裝設計及施工成套技術。 通過本項目的實施， 一方面解決防城港灣口深水碼頭建設和深水航道治理難題，為防城港 20 萬噸級深水泊位和 15萬噸級深水航道建設提供技術支撐； 另一 方面完善和發(fā)展開敞式深水碼頭建設和沙質海岸攔門沙航道治理的理論和技術， 為類似的深水港建設提供借鑒。5

14、主要結論沿海港口是我國交通運輸業(yè)的重要基礎設施，承擔了大部分對外貿易貨運 量，對我國經貿和社會發(fā)展至關重要。目前，我國港口建設仍存在東、西部發(fā)展 嚴重不平衡的現(xiàn)象。 受當地經濟條件的制約， 廣西等西部沿海地區(qū)水運設施相對 落后，尤其缺乏深水碼頭和深水航道。 在國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略實施后， 我國西南 地區(qū)經濟發(fā)展迅速， 現(xiàn)有港口設施難以適應經濟和外貿增長的需要， 加快西部地 區(qū)港口建設刻不容緩。為適應國際船舶大型化的趨勢，防城港開工建設了 20 萬 噸深水碼頭和欄門沙深水航道， 大大提高了碼頭靠泊能力和船舶通過能力， 為其 成為西南地區(qū)重要國際貿易大港奠定了基礎。防城港深水碼頭和航道建設面臨外海大

15、浪和灣口攔門沙淺灘等不利的自然 條件以及大型碼頭結構設計和施工的難題。 為解決這些關鍵技術問題， 本項目開 展了深水碼頭結構荷載和建設技術、 防城港水域波浪動力條件和攔門沙深水航道 泥沙回淤等方面的研究。 項目參加人員經過艱苦努力， 歷時兩年完成了現(xiàn)場調查、 資料收集、理論分析、物理模型試驗研究、數學模型研發(fā)、設計施工技術總結等 各項工作。各專題取得了下列主要研究成果：專題一 防城港大圓筒重力墩式深水碼頭建設技術研究（1）通過波浪物理模型試驗研究了作用于大圓筒碼頭上部結構的波浪荷載和系 泊船舶荷載。得出了作用于碼頭上部結構的波浪水平力、 上托力以及波壓力分布， 為碼頭結構設計提供了重要參數。（

16、 2） 對 20 萬噸級散貨船進行了不同水深、裝載度、及動力條件的船舶泊穩(wěn)系 列模型試驗，分析了系泊船舶的撞擊能量、 運動量和系纜力的變化規(guī)律。 在試驗 中還測量了碼頭前波浪場， 分析了波浪反射特性， 為碼頭泊穩(wěn)條件分析提供了依 據。（ 3） 建立了適合波浪作用下大圓筒重力墩式碼頭的撞擊能量計算的經驗公式， 可供類似碼頭設計參考。（4）通過大圓筒結構浮游、出運、安裝設計方案研究，形成大圓筒結構浮運安 裝計算方法。通過計算得出在規(guī)定的壓載條件下大圓筒結構定傾半徑和浮游動穩(wěn) 定滿足要求、可以進行浮運安裝的結論。 通過設置臨時底板， 解決了施工期結構 受力與使用期結構受力不一致的問題， 避免了碼頭結

17、構的重大變更， 可保證工程 正常施工、按期投產。采用浮運安裝方案，不僅解決了大型浮吊無法安排調遣， 工期無法落實的問題，還可節(jié)約工程費用約 300 萬元。（5）通過對大圓筒結構出運、安裝的施工方案和施工工藝的研究，形成了不使 用大型浮吊的大圓筒碼頭成套施工技術。該技術的運用具備效率高、成本低、 技 術易掌握、易于推廣的特點， 不僅為防城港深水泊位大型構件施工提供了有力的 技術保證，也為將來建設更大規(guī)模的深水碼頭提供了技術儲備。專題二 防城港水域波浪數值模擬及深水碼頭泊穩(wěn)條件研究（1）利用波浪水槽試驗研究了波浪在不同坡度斜坡地形上的破碎，分析了波浪 破碎指標及波浪破碎后的傳播過程； 通過對實驗數

18、據分析， 得出規(guī)則波和不規(guī)則 波作用下的破波指標公式，并提出了波浪破碎后達到平穩(wěn)時的波高計算公式。（2）通過理論推導和實驗驗證建立了快變地形上的非線性緩坡方程數學模型， 模型中考慮了風能輸入、 波浪破碎后的能量衰減等因素， 可適用于大范圍復雜地 形水域波浪折射繞射聯(lián)合計算。利用實驗數據對該模型進行了驗證。（3）對防城港水域附近波浪、氣象觀測資料進行詳細分析，依據白龍尾海洋站 和潿洲島海洋站多年風、浪實測資料分析， 得出防城港水域的深水波浪要素。 利 用考慮風能輸入、 波浪破碎的折射繞射傳播變形數值計算模式和深水處的波浪要 素，推算波浪自深水向防城港水域的傳播變形， 得出防城港深水碼頭的設計波浪

19、 要素。（4）依據白龍尾海洋站多年的波浪月報資料、波浪傳播數學模型計算結果和深 水碼頭波浪試驗結果分析了深水碼頭的泊穩(wěn)條件。專題三 防城港攔門沙深水航道治理研究 （1）進行了兩種細顆粒泥沙的波浪和波流共同作用下的泥沙起動和輸移水槽 系列動力試驗， 得出波浪和波流共同作用下的泥沙起動公式。 通過試驗分析了含 沙量的垂線分布，提出波流共同作用下含沙量計算公式。（2）建立了防城港海域波流共同作用下平面二維泥沙數學模型，計算分析表 明，按防城港工程方案圍填較大面積海域后， 外海域流場基本不受影響， 攔門沙 航道落潮流速大于漲潮流速的特性依然不變； 工程建成后規(guī)劃港區(qū)及攔門沙航道 泥沙常年回淤強度不大，具備建設深水航道條件。（3）研究開發(fā)了一整套風、浪、流共同作用下泥沙輸移和航道淤積計算方法， 可用于砂質和粉砂質航道回淤預報。 該方法后報的臺風期航道平均淤集厚度與實 測值相符。