防城港深水码头建设及航道治理关键技术研究.docx

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防城港深水码头建设及航道治理关键技术研究

防城港深水码头建设及航道治理关键技术研究

研究报告简本

1依托工程概况

防城港位于广西南部，北部湾北岸（图1.1），是我国大西南地区最便捷的出海通道，沿海航运可直达海南、广州、港澳等我国沿海地区以及东南亚和世界各国主要港口，具备形成国际大港的条件。

防城港经济腹地广阔，覆盖了广西、云南、贵州、重庆等省区以及四川、湖南、湖北的部分地区。

腹地人口近3亿，面积达200多万平方公里，自然资源丰富，发展潜力巨大。

随着国家西部大开发战略的实施和中国―东盟自由贸易区的建立，西南地区迎来了良好的历史机遇，对外进出口贸易迅速增长。

作为联结我国大西南地区与世界各地的主要出海口，防城港正面临前所未有的发展机遇，已具备发展成为我国一个重要的国际贸易大港的条件。

图1.1防城港地理位置

2001年底，西南公路出海大通道全线贯通，使防城港与西南地区的各种交流更加密切，港口吞吐量逐年上升，1995～2004年以年平均14.8%的速度增长，近年有加速增长趋势，2004年吞吐量达到1608万吨，2006年吞吐量已达2300多万吨。

然而港口建设严重滞后，尤其是深水泊位缺口较大，制约了防城港市及周边地区的经济发展。

亟需加快港口码头建设，提高吞吐能力。

防城港三面丘陵环境，东为企沙半岛，西为白龙尾半岛，湾口向南敞开，整个海湾由南北走向的小岛渔漫岛分割成沿防城江主流深槽的西湾和沿暗埠江深槽的东湾（图1.2）。

湾内水域宽阔，可开发利用的深水岸线达30余公里。

现有码头区主要位于西湾内，2004年原有生产性泊位24个，非生产性泊位4个，码头岸线总长4098m，泊位吨级为500~3万吨级不等。

原有航道为3万吨级，底宽125m，航道底高程-9.5m。

图1.2防城港附近地形

随着国际贸易运输船舶日趋大型化，建设深水泊位成为现代化大型港口的发展方向，对提升防城港港口经济的整体水平有重要意义。

根据防城港发展规划（图1.3），在湾口开工建设20万吨级深水码头，码头采用大圆筒重力墩式结构，投入运营后将形成1000万吨的年吞吐能力；同时对口门拦门沙航道进行整治，开挖底宽160m、底高程-16m的15万吨级深水航道，竣工后20万吨级船舶可乘潮进港；2008年后续建20万吨级深水进港航道。

此外，西湾沿牛头航道陆续建设13号～17号3万吨级至8.5万吨级泊位和18号～22号5万吨级至10万吨级码头泊位，并开工建设10万吨东湾航道和10万吨级西贤、牛头航道。

防城港正利用西部大开发的有利时机，加快深水码头和航道建设，全面提升港口的综合竞争力，将防城港整合成为西部出口最便捷、运营最优良的出海口和中转港，更好的为我国西南部腹地经济发展服务。

图1.3防城港总体规划

然而防城港在建设深水码头和航道时遇到来自多方面的难题，包括湾口20万吨级深水码头结构的设计、施工新技术，外海大浪对深水码头的作用和对船舶泊稳的影响，湾内水域宽广而陆域不足的矛盾，以及风、浪、流条件下的拦门沙深水航道淤积预报和减淤措施等。

这些问题急需进行专题研究。

本项目依托防城港湾口20万吨级深水码头和拦门沙深水航道工程（图1.3）开展研究，拟解决码头和航道建设中的关键技术。

2关键技术问题

湾口深水码头建设面临水深、浪大、流急等复杂的自然条件，使码头设计、施工难度加大，急需开展有关深水码头建设技术的研究。

防城港岸线覆盖层较薄，持力层基岩埋深较浅，根据以往设计、施工经验和地质特点，20万吨级码头采用薄壁无底大圆筒重力墩式结构型式。

根据防城港总体规划，深水码头为开敞式，直接受到外海大浪作用，需要通过波浪模型试验研究波浪对码头上部结构的作用力，以确保码头安全。

同时，系泊船舶在波浪作用下对码头的撞击力也是码头结构主要荷载之一。

有关大圆筒重力墩式码头前船舶对码头撞击作用的理论和试验研究十分缺乏，需要通过物理模型研究系泊船舶在波浪作用下对码头的撞击能量，以便设计部门采用合理的系缆方式和码头抗冲击设备，为船舶泊稳和装卸创造良好条件。

在深水泊位建设中，由于各方面的原因，大型浮吊无法到达防城港，为解决施工中没有大型浮吊的难题，决定采用带有临时底板的预制钢筋混凝土大圆筒海上浮运安装，水上现浇钢筋混凝土盖板的方案。

由于该结构体积大、重量大，而且没有压载隔仓，施工单位以前没有浮运过大圆筒结构，也没有调查到相应的国内外研究资料。

为解决这一新的施工难题，需要研究在不使用大型浮吊情况下大圆筒结构浮游、出运和安装的关键技术。

湾口深水泊位向外海开敞，外海波浪可直接传播至码头前沿，将对船舶泊稳和作业造成不利影响。

由于深水泊位附近水域缺乏实测波浪资料，目前对该水域波浪条件知之甚少，需采用数学模型研究该水域的波浪特征和空间分布，分析深水码头的泊稳条件。

防城港湾口水域深水航道和大面积浅滩共存，波浪由外海进入湾口后受地形影响将发生比较复杂的折射、绕射和破碎变形。

大浪在浅滩上破碎后发生显著变形，再越过深水航道进入码头前水域。

这一过程需通过波浪数学模型和物理模型相结合来研究。

防城港西湾和东湾均有广大的浅滩，要建深水泊位，必然要围滩造地，满足仓储堆场等需要。

按照国内外目前的理论，围滩造地减少纳潮量将减少拦门沙通道断面水深。

因此，需要进行潮流泥沙数学模型试验，研究合理围滩同时加深和维持拦门沙深水航道的可行性。

由于多年来投入研究的经费较少，资料不足，给研究带来较大困难。

需进一步搜集现场泥沙资料，与以往的资料和研究成果对比，进行深入分析。

防城港拦门沙水域水深较浅，通过多年来航道的拓宽增深，已达到航道底宽125m、底标高-9.5m，目前正在开挖底宽为160m、底标高-16m的深水航道。

湾口20万吨级码头前沿水深也由9.5m增加到19.5m。

港口航道水深大幅度开挖必然带来泥沙淤积问题，因此，要研究深水码头及深水航道开挖后的泥沙回淤计算并实测检验，建立沙质和粉沙质海岸港口航道泥沙回淤预报的模式。

防城港处于我国西南边垂，台风浪对拦门沙的航道影响较大，需要计算大风期的航道回淤量，根据航道淤积计算结果确定合理的治理方案。

根据防城港深水码头和航道建设存在的上述问题，本项目主要解决防城港深水码头建设和航道治理的七项关键技术问题：

（1）大圆筒重力墩式码头系泊船舶荷载特性；

（2）大圆筒结构浮游、出运、安装设计及施工（不使用大型浮吊）技术；（3）深水航道和拦门沙水域波浪传播变形数值模拟方法；（4）波浪在浅滩上破碎后的传播变形特性；（5）波流共同作用下泥沙运动特性；（6）波、流共同作用下沙质海岸湾口水域泥沙数学模型；（7）风、波、流共同作用下沙质海岸深水航道开挖后泥沙回淤计算方法。

3主要研究内容

围绕防城港深水码头和航道建设的关键技术问题，本项目开展了以下三个专题的研究工作：

（1）专题一“防城港大圆筒重力墩式深水码头建设技术研究”

通过波浪物理模型试验研究大圆筒重力墩式码头结构的波浪荷载、系泊船舶荷载和码头前波浪反射特性，探索大圆筒重力墩式码头的系泊船舶撞击能量规律，为深水码头结构设计提供依据。

开展理论分析计算和施工经验总结，研究不使用大型浮吊情况下大型圆筒浮游、出运、安装的设计和施工关键技术，分析设临时底板的无隔仓大圆筒的浮游稳定性，为防城港深水码头建设服务并可应用推广于类似工程。

图3.1系泊船舶模型试验

图3.2大圆筒出运、安装施工

（2）专题二“防城港水域波浪数值模拟及深水码头泊稳条件研究”

通过断面物理模型试验研究波浪在浅滩上破碎后的传播变形特性。

依据物理模型试验和理论分析，建立防城港水域波浪传播变形数学模型，解决波浪在浅水区破碎后变形的关键问题，应用于防城港水域波浪传播变形计算和泊稳条件分析。

进行不同重现期、不同水位条件下防城港大范围水域波浪场数值计算，计算中考虑深水航道、拦门沙浅滩对波浪传播的影响。

依据数学模型计算结果并结合专题一的成果分析防城港深水码头前的泊稳条件。

图3.3缓坡上波浪破碎试验研究

（3）专题三“防城港拦门沙深水航道治理研究”

进行水槽试验，研究波流共同作用下泥沙起动和输移特性，建立防城港波流共同作用下泥沙数学模型。

进行数学模型计算、水槽试验和理论分析，研究风、浪、流共同作用下的防城港水域泥沙输移和航道回淤特性，分析计算拦门沙航道和港内航道回淤量。

重点研究陆域围填及深水航道开挖后的动力变化和航道回淤情况，通过研究提出大风天航道骤淤的预报方法，根据航道淤积预报结果确定拦门沙航道的治理措施。

图3.4波浪及波流共同作用下泥沙运动特性研究

4主要创新点

本项目研究成果的主要创新点有：

（1）针对大圆筒重力墩式结构提出了波浪作用下系泊船舶撞击能量计算方法；

（2）建立了快变地形非线性缓坡方程数学模型，提高了深水航道和拦门沙水域波浪传播变形数值模拟的准确性；

（3）提出了波、流共同作用下底层含沙量公式和风、波、流共同作用下沙质和粉沙质海岸深水航道泥沙回淤预报方法；

（4）形成不使用大型浮吊的大圆筒结构浮游、出运、安装设计及施工成套技术。

通过本项目的实施，一方面解决防城港湾口深水码头建设和深水航道治理难题，为防城港20万吨级深水泊位和15万吨级深水航道建设提供技术支撑；另一方面完善和发展开敞式深水码头建设和沙质海岸拦门沙航道治理的理论和技术，为类似的深水港建设提供借鉴。

5主要结论

沿海港口是我国交通运输业的重要基础设施，承担了大部分对外贸易货运量，对我国经贸和社会发展至关重要。

目前，我国港口建设仍存在东、西部发展严重不平衡的现象。

受当地经济条件的制约，广西等西部沿海地区水运设施相对落后，尤其缺乏深水码头和深水航道。

在国家西部大开发战略实施后，我国西南地区经济发展迅速，现有港口设施难以适应经济和外贸增长的需要，加快西部地区港口建设刻不容缓。

为适应国际船舶大型化的趋势，防城港开工建设了20万吨深水码头和栏门沙深水航道，大大提高了码头靠泊能力和船舶通过能力，为其成为西南地区重要国际贸易大港奠定了基础。

防城港深水码头和航道建设面临外海大浪和湾口拦门沙浅滩等不利的自然条件以及大型码头结构设计和施工的难题。

为解决这些关键技术问题，本项目开展了深水码头结构荷载和建设技术、防城港水域波浪动力条件和拦门沙深水航道泥沙回淤等方面的研究。

项目参加人员经过艰苦努力，历时两年完成了现场调查、资料收集、理论分析、物理模型试验研究、数学模型研发、设计施工技术总结等各项工作。

各专题取得了下列主要研究成果：

专题一防城港大圆筒重力墩式深水码头建设技术研究

（1）通过波浪物理模型试验研究了作用于大圆筒码头上部结构的波浪荷载和系泊船舶荷载。

得出了作用于码头上部结构的波浪水平力、上托力以及波压力分布，为码头结构设计提供了重要参数。

（2）对20万吨级散货船进行了不同水深、装载度、及动力条件的船舶泊稳系列模型试验，分析了系泊船舶的撞击能量、运动量和系缆力的变化规律。

在试验中还测量了码头前波浪场，分析了波浪反射特性，为码头泊稳条件分析提供了依据。

（3）建立了适合波浪作用下大圆筒重力墩式码头的撞击能量计算的经验公式，可供类似码头设计参考。

（4）通过大圆筒结构浮游、出运、安装设计方案研究，形成大圆筒结构浮运安装计算方法。

通过计算得出在规定的压载条件下大圆筒结构定倾半径和浮游动稳定满足要求、可以进行浮运安装的结论。

通过设置临时底板，解决了施工期结构受力与使用期结构受力不一致的问题，避免了码头结构的重大变更，可保证工程正常施工、按期投产。

采用浮运安装方案，不仅解决了大型浮吊无法安排调遣，工期无法落实的问题，还可节约工程费用约300万元。

（5）通过对大圆筒结构出运、安装的施工方案和施工工艺的研究，形成了不使用大型浮吊的大圆筒码头成套施工技术。

该技术的运用具备效率高、成本低、技术易掌握、易于推广的特点，不仅为防城港深水泊位大型构件施工提供了有力的技术保证，也为将来建设更大规模的深水码头提供了技术储备。

专题二防城港水域波浪数值模拟及深水码头泊稳条件研究

（1）利用波浪水槽试验研究了波浪在不同坡度斜坡地形上的破碎，分析了波浪破碎指标及波浪破碎后的传播过程；通过对实验数据分析，得出规则波和不规则波作用下的破波指标公式，并提出了波浪破碎后达到平稳时的波高计算公式。

（2）通过理论推导和实验验证建立了快变地形上的非线性缓坡方程数学模型，模型中考虑了风能输入、波浪破碎后的能量衰减等因素，可适用于大范围复杂地形水域波浪折射绕射联合计算。

利用实验数据对该模型进行了验证。

（3）对防城港水域附近波浪、气象观测资料进行详细分析，依据白龙尾海洋站和涠洲岛海洋站多年风、浪实测资料分析，得出防城港水域的深水波浪要素。

利用考虑风能输入、波浪破碎的折射绕射传播变形数值计算模式和深水处的波浪要素，推算波浪自深水向防城港水域的传播变形，得出防城港深水码头的设计波浪要素。

（4）依据白龙尾海洋站多年的波浪月报资料、波浪传播数学模型计算结果和深水码头波浪试验结果分析了深水码头的泊稳条件。

专题三防城港拦门沙深水航道治理研究

（1）进行了两种细颗粒泥沙的波浪和波流共同作用下的泥沙起动和输移水槽系列动力试验，得出波浪和波流共同作用下的泥沙起动公式。

通过试验分析了含沙量的垂线分布，提出波流共同作用下含沙量计算公式。

（2）建立了防城港海域波流共同作用下平面二维泥沙数学模型，计算分析表明，按防城港工程方案围填较大面积海域后，外海域流场基本不受影响，拦门沙航道落潮流速大于涨潮流速的特性依然不变；工程建成后规划港区及拦门沙航道泥沙常年回淤强度不大，具备建设深水航道条件。

（3）研究开发了一整套风、浪、流共同作用下泥沙输移和航道淤积计算方法，可用于砂质和粉砂质航道回淤预报。

该方法后报的台风期航道平均淤集厚度与实测值相符。

（4）研究了50年、20年重现期台风的淤积，结果表明50年重现期台风全航道平均淤厚0.42m，局部地区最大淤厚1.12m，及时进行局部疏浚，也不致碍航，航道两侧不需建设拦沙堤。

（5）防城港拦门沙深水航道常年淤积小，大风浪骤淤轻，开发建设成为国际深水大港的前景乐观。

通过本项目的研究工作，解决了防城港深水码头建设和航道治理的三个关键技术问题：

（1）大圆筒重力墩式码头系泊船舶荷载特性和大圆筒结构浮游、出运、安装设计及施工技术；

（2）深水航道和拦门沙水域波浪传播变形数值模拟和波浪在浅滩上破碎后的传播变形特性；（3）风、波、流共同作用下防城港深水航道开挖后泥沙回淤计算方法及减淤措施。

研究成果在多方面取得显著创新，主要创新点有：

（1）针对大圆筒重力墩式结构提出了码头系泊船舶在波浪作用下撞击能量计算方法；

（2）建立了大范围快变地形水域非线性缓坡方程数学模型；

（3）提出了波、流共同作用下底层含沙量计算公式和风、浪、流共同作用下泥沙输移和航道骤淤计算方法；

（4）提出了在缺乏大型浮吊的情况下，大圆筒出运、拖浮、安装的设计及施工成套技术。

上述研究成果已应用于防城港湾口20万吨级矿石码头工程和深水航道工程，为依托工程建设提供了技术支撑，社会效益和经济效益显著。

本项目取得的创新成果丰富和发展了开敞式深水码头建设和拦门沙航道治理的有关理论和技术，可为类似深水码头和航道工程的科研、设计和施工提供借鉴与参考，具有良好的推广应用前景。