淺析海灣型河口出海航道平面布置設計方案
——以珠江口礬石水道為例

◎劉浩 中交四航局港灣工程設計院有限公司

礬石水道起于深圳港蛇口作業(yè)區(qū)，止于東莞沙角，位于珠江出?？谥袞|部位置、粵港澳大灣區(qū)的核心區(qū)域。其航運暢通，四通八達，北與川鼻航道相連、經(jīng)珠江水系連接華南，南可經(jīng)龍鼓水道穿越香港地區(qū)出南海，同時可經(jīng)過深圳港西部出海通道連接外海，與廣州港進港航道基本平行。

珠江口沿岸產(chǎn)業(yè)布局密集，港區(qū)規(guī)劃建設規(guī)模大，作為珠江口未來的水運主通道之一的礬石水道發(fā)展規(guī)劃技術等級評定為10萬噸級[1]，航運發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

隨著深圳港、東莞港、南沙港區(qū)沿海深水泊位和“西橋東隧”深中通道的建設[2]，以及寶安綜合作業(yè)區(qū)一期工程3個5000噸級通用件雜貨泊位的需求，提升礬石水道等級變得十分迫切。

1.自然條件

本工程地處北回歸線以南，屬亞熱帶海洋性氣候。

1.1 風與熱帶氣旋

工程海域累年風多出現(xiàn)在東～東北向，常風向為東風，頻率16.6%，東北東和東北風出現(xiàn)頻率分別為15.0%和13.7%；強風向為東北東，實測最大風速27m/s；次強風向為西北風，實測風速21.7m/s。

1949年～2007年期間，共有64個熱帶氣旋（不含熱帶低氣壓）登陸或影響工程所在海域，年平均1.1個。

1.2 霧

每年12月至次年5月是珠江口海區(qū)霧季，年平均霧日28天。

1.3 徑流

伶仃洋是珠江主要出?？诤妥畲蟮暮涌跒?，匯集了珠江入海八大口門中的虎門、蕉門、洪奇門和橫門四個口門的徑流。據(jù)1985～2000年資料統(tǒng)計，珠江八大口門多年平均徑流量為3280億m3，其中注入伶仃洋東四口門的徑流量為2003億m3，約占珠江河口年徑流量的61%。

伶仃洋屬于潮優(yōu)型河口灣，潮汐動力遠強于徑流動力，特大洪水所增加的徑流動力與伶仃洋納潮量相比仍為小量，潮流才是塑造和控制河口灣灘槽格局的主要動力因素。

1.4 潮汐

伶仃洋的潮汐類型屬于不正規(guī)半日混合潮，由于喇叭狀灣型的收縮作用而形成潮能的沿程積累，珠江口呈由外向內(nèi)潮差逐漸增大之勢。西岸有橫門、蕉門、洪奇門等大小口門與河汊分減潮量，再加上受上游徑流影響而減弱潮勢，西部受河口徑流影響而潮勢較弱，而虎門處河岔少，東部潮汐作用強，因此，東岸的潮差大于西岸。

經(jīng)實測[3]，沙角、深圳機場、內(nèi)伶仃島平均潮差分別為1.67m、1.53m、1.43m，落潮平均潮差與漲潮基本一致，最大潮差分別為2.65m、2.48m、2.32m。西岸的龍穴島和東岸深圳機場的漲潮平均潮差分別為1.54m和1.53m，落潮平均潮差分別為1.53m和1.52m。

1.5 潮流

伶仃洋潮流總體為漲潮流小于落潮流，東、西槽漲潮平均流速大致相近，西槽的落潮流速則一般大于東槽的落潮流速。但是無論落潮還是漲潮，灣內(nèi)縱向流速分布均呈現(xiàn)由灣口向灣頂逐漸增大的趨勢。

經(jīng)實測[3]，工程所在伶仃洋漲落潮流均呈往復流性質(zhì)，漲潮流主流向為NW～NNW向，基本與礬石水道平行，落潮流主流向為SE～SSE向；大潮漲潮最大流速為0.52～0.94m/s，落潮最大流速為0.25～1.04m/s。

1.6 波浪

珠江口及伶仃洋周邊海域的波浪主要由季風和臺風引起。工程所在海區(qū)內(nèi)波浪主要是風浪。常浪向為SSE，頻率15.3%；次常浪向是SE和S，S～SE向頻率合計為35.3%，年平均波高為0.2m；強浪向為SSW、SW和W向，最大波高平均值為0.68m，最大波高為1.98m。

1.7 地質(zhì)

工程區(qū)域自上而下依次是淤泥、中砂混淤泥和粉質(zhì)黏土，疏浚開挖范圍主要是淤泥。

2.航道功能定位

本工程礬石水道提升后的功能定位為：一是引導5000噸級以下“小船”的分道行駛，改善珠江口的航行秩序，以適應珠江口船舶大型化發(fā)展趨勢，滿足增長的特殊種類船舶單向管制和班輪船舶通航的需求，保障珠江口區(qū)域港口安全運營、提升抗風險能力；二是構建互通兩廣、通達港深、輻射珠江水系的江海聯(lián)運過境大通道，滿足珠江水系內(nèi)河港口與深圳港西部港口、香港之間日益增長的3000～5000噸級船舶過境航運需求。

3.建設規(guī)模

在綜合考慮礬石水道現(xiàn)狀、開發(fā)條件[2]的基礎上，結合運量需求、運量預測和船舶流量情況，為滿足深圳港西部港口功能調(diào)整和寶安綜合作業(yè)區(qū)的建設、發(fā)展，礬石水道航道工程按5000噸級船舶全潮雙向通航標準建設，設計最低通航水位根據(jù)規(guī)范[4]，按低潮累積頻率90%取0.51m。航道尺度設計按5000噸級海輪通航代表船型控制，表1為船型尺度一覽表。

表1 設計控制船型參數(shù)表（單位：m）

4.航道軸線布置

4.1 布置原則

基于礬石水道水深條件較好，近年來礬石淺灘、內(nèi)伶仃島周邊大規(guī)模采砂導致中槽、中灘地形出現(xiàn)規(guī)模巨大的、不連續(xù)挖沙坑的實際情況[5]，礬石水道航道總平面布置遵循以下基本原則：

1）航道選線應順落潮流向，減小軸線與強風、強浪、水流主流流向的交角，并充分利用深槽，減少疏浚，降低因航道回淤造成的維護疏浚成本。

2）航道軸線盡量保持順直形態(tài)，避免過多、過大轉角的轉向，力求適航性和安全性良好。

3）航道軸線應與深中通道隧道工程、西氣東輸二期（香港支線）海底管道工程、友聯(lián)修船基地孖洲島至大鏟島海底綜合管線隧道工程等設施相適應，不占用已確權的專用海域，順直通過各工程預留的十萬噸航道通航區(qū)域。

4）軸線應與周邊航道相適應，銜接平順，不占用港池水域和公共候泊錨地。

5）為未來十萬噸級航道擴能升級預留空間。

4.2 軸線方案

礬石水道分為上段航道（東莞沙角至寶安綜合港區(qū)進港航道）和下段航道（寶安綜合港區(qū)進港航道至深圳港蛇口作業(yè)區(qū)），結合航道布置原則，共提出三個航道軸線平面布置方案，見圖1。

圖1 各航道軸線方案示意圖

4.2.1 上段航道軸線平面布置方案

上段航道周邊設有廣州港34SJ～40SJ錨地、No33LD錨地、No32LD錨地，并且航道軸線無法避開錨地，需要對錨地進行調(diào)整?，F(xiàn)狀上段航道軸線走向均基本沿著伶仃洋“三灘兩槽”的東槽深泓線布置，水深基本均在11.0m以上；根據(jù)數(shù)模試驗研究[5]，年回淤強度0.25m/a，亦是目前較大型船舶習慣航路，平順銜接川鼻水道和寶安綜合港區(qū)進港航道，橫流較小，基本均小于0.20m/s。

因此，各方案上段航道平面布置仍采用現(xiàn)狀航道軸線，回淤小，航槽穩(wěn)定。航道在沙角電廠碼頭南側約1.8km處與川鼻水道銜接，至寶安綜合港區(qū)進港航道與礬石水道的交點，軸線方向325°25＇44″～145°25＇44″，總長15.59km。

4.2.2 下段航道軸線布置方案

受限于深中通道隧道沉管、西氣東輸二線廣深支干線求雨嶺—大鏟島、深圳前灣電廠220kV輸電線路和西氣東輸二線香港支線段海底管線，以及孖洲島友聯(lián)修船基地用海范圍等礬石水道附近管線交叉工程等邊界條件，礬石水道下段航道布置、調(diào)整的空間很小。

方案一下段航道為縮短航道里程、盡可能不改變船舶航道習慣、減少疏浚工程量和節(jié)約工程投資的角度出發(fā)，航道軸線從孖洲島與大鏟島之間穿過，即礬石水道現(xiàn)狀主航線；方案二結合大鏟島北航道升級需求、減少對孖洲島友聯(lián)船廠生產(chǎn)的影響，下段航道軸線走大鏟島北航道至深圳港西部港區(qū)公共航道，即大鏟島北航線方案；方案三下段航道結合方案一、二布置，組成礬石水道下段“雙通道”方案。

4.2.2.1 方案一（主航線方案）

方案一下段航道總長21.60km，共分5段。第2、3段與特種海洋平臺專用航道礬石水道段軸線重合，既減小礬石水道疏浚開挖量，又可提供專用航道使用率。

第1段自與寶安綜合港區(qū)進港航道的交點延伸至專用航道礬石水道段，軸線方向325°25＇44″～145°25＇44″，總長1.92km；航道向東微偏1°30＇2″進入第2段、到達細丫島西側約1.2km處，總長5.96k m，總長；航道向東微偏5°18＇3″進入第3段、到達大鏟島西側約720m處，總長4.05km；第4段航道向東微偏2°42＇34″，不占用孖洲島友聯(lián)修船基地的使用海域，經(jīng)大鏟島與孖洲島之間的水域到達深圳港西部港區(qū)公共航道，總長3.17km；第5段航道軸線基本與深圳港西部港區(qū)公共航道重合，沿方向角338°50＇4″～158°50＇14″至深圳港蛇口作業(yè)區(qū)集裝箱貨場西南側約1.1km處，與銅鼓航道起點銜接，總長6.55km。

4.2.2.2 方案二（大鏟島北航線方案）

大鏟島北航道是小型運輸船舶來往珠江三角洲和香港的重要通道，也是小型船舶通過大鏟海關驗放的必經(jīng)水域，目前僅能滿足2000噸級內(nèi)河船單向通航，方案二考慮深圳西部港區(qū)航運企業(yè)和大鏟海關對提升大鏟島北航道通航等級的迫切需求，航道軸線不經(jīng)過孖洲島與大鏟島之間海域，在細丫島南側連接至大鏟島北航道，再經(jīng)深圳西部港區(qū)公共航道至銅鼓航道。

方案二航道總長22.33 km，分為7段，其中第4、5 段結合大鏟島北航道調(diào)整，第6、7 段與深圳西部港區(qū)公共航道基本重合。第1、2 段與方案一一致，第3 段總長1.44km與方案一第3段重合，軸線方向318°37＇39″～138°37＇39″；第4段航道向東偏轉24°9＇進入大鏟島北航道，沿現(xiàn)狀深槽布置，過西氣東輸求大線管道、前灣電廠220kV線路，總長3.02 km；航道向西偏轉20°33＇進入第5 段，繼續(xù)沿大鏟島北航道深槽至深圳西部港區(qū)公共航道。第6、7 段航道軸線方向分別為356°27＇47″～176°27＇47″、338°50＇14″～158°50＇14″，總長分別為5.54km、5.53km。

4.2.2.3 方案三（雙通道方案）

方案三下段航道結合了方案一、二，航道總長29.13km，一線為主航線，穿孖洲島，連接深圳港西部港區(qū)公共航道；二線為大鏟島北航線，走大鏟島北航道至深圳港西部港區(qū)公共航道。

4.2.3 方案比選

4.2.3.1 港口發(fā)展的適應性

雖然礬石水道是公共出海航道，但是其上通廣州港內(nèi)河港區(qū)、東莞港，西銜深圳西部港區(qū)，與廣州港出海航道并行，下可至香港港，礬石水道航道布置必須與港區(qū)發(fā)展相適應。方案一、二、三均與川鼻水道平順銜接，基本沿珠江口東槽邊線布置，距離寶安綜合港區(qū)近，港口適應性好。

2019年大鏟島北航道日均通行500多艘次，2018年至2019年內(nèi)連續(xù)發(fā)生了近30起船舶擱淺事故，因此，大鏟島北航道存在較大的船舶航行安全隱患，淺灘問題對船舶航行安全構成了嚴重威脅，航運企業(yè)對此反映強烈。相比方案一，方案二、三疏通了大鏟島北航道，滿足珠江三角洲與香港之間的過境、大鏟海關檢查的需求，并提供了一條便捷的深圳大鏟灣作業(yè)區(qū)與上游珠江三角洲內(nèi)河港口之間水水中轉、集疏運通道。

4.2.3.2 通航條件

方案一航道5段（上段航道與下段航道第1段共線），而方案二航道7段，方案三航道結合了方案一、二共8段。方案一的轉向次數(shù)比方案二、三少，且最大轉向角為22°55＇8″，位于孖洲島東側、礬石水道與深圳西部港區(qū)公共航道交匯處；方案二、三的最大轉向角為41°26＇21″，位于大鏟島北航道與深圳西部港區(qū)公共航道交匯處，其次是位于礬石水道與大鏟島北航道的交匯處轉向角24°8＇58″。因此，方案一轉向次數(shù)少、轉向角度小，有利于船舶操縱，通航條件最好。

4.2.3.3 航道穩(wěn)定性分析

①河床演變。根據(jù)數(shù)模試驗研究[5]，伶仃洋北部水域“三灘兩槽”的基本格局總體保持基本穩(wěn)定，如圖2所示，內(nèi)伶仃周邊挖沙坑和中槽中灘的挖沙坑尚未打通。大量采砂后，礬石水道沿線的水深條件雖然有明顯改善，但巨大的挖沙坑不僅會影響伶仃洋的水流動力分布和灘槽沖淤變換，發(fā)生東槽西部的大規(guī)模挖沙活動還可能會改變東槽自然演變的發(fā)展方向，后續(xù)應對礬石航道沿程挖沙坑地形變化進行追蹤觀測。

圖2 方案一實施后對周圍海域水流動力影響

②水動力條件。根據(jù)數(shù)模試驗研究[5]，各航道軸線方案實施后對周圍水流動力的影響范圍僅局限在航道沿程有開挖浚深里程段，平均流速最大增幅0.08m/s，流速最大減幅0.27m/s，大部分水域流速增減幅度在0.10m/s以內(nèi)，基本不會對港珠澳大橋、深中通道、伶仃航道、銅鼓航道、蛇口作業(yè)區(qū)、赤灣作業(yè)區(qū)、媽灣作業(yè)區(qū)等周邊工程的水流條件產(chǎn)生影響。

各方案航道選線順應了“東槽”天然深槽，對伶仃洋海底地貌改變是有限的。但是方案二、三航道大鏟島北航線的軸線走向與水流主流向夾角較大，且航槽疏浚開挖量大，實施后大鏟水道、大鏟灣港區(qū)、深圳西部港區(qū)公共航道少部分區(qū)域流速會有0.10m/s以內(nèi)的增減變化。

③航道內(nèi)最大橫流對比。根據(jù)數(shù)模試驗研究[5]，方案一航道軸線沿程最大橫流發(fā)生在深圳西部港區(qū)公共航道，以及大鏟島東、孖洲島北、兩島之間水域，最大橫流流速0.29m/s，如圖3所示，分級橫流超過0.25m/s的時間持續(xù)分別為3小時10分、30分鐘。方案二、三與方案一對比，航道沿程最大橫流發(fā)生在大鏟島北航道轉彎段，尤其是大鏟島北航線與礬石主航線的交匯彎段，最大橫流流速0.47m/s，如圖4所示（方案三航道年沿程最大橫流為圖3方案一+圖4方案二中K5+533～K13+066），分級橫流超過0.25m/s的時間持續(xù)約13小時。

圖3 方案一航道年沿程最大橫流

圖4 方案二航道年沿程最大橫流

④正常年份航道回淤分析。根據(jù)數(shù)模試驗研究[5]，一般來水來沙及風浪天氣條件下，方案一、方案二、方案三疏浚段年淤厚區(qū)間分別為0.13～0.46m、0.13～0.65m、0.13～0.65m，平均回淤強度分別為0.24m/a、0.41m/a、0.39m/a，年總回淤量分別為23萬m3、52萬m3、69萬m3，具體如圖5、圖6所示（方案三航道沿程回淤強度為圖5方案一+圖6方案二中K5+533～K13+066）。方案一回淤量最小，方案二次之，方案三最大。

圖5 方案一航道沿程回淤強度

圖6 方案二航道沿程回淤強度

這主要是因為大鏟島北航線與主流方向交角大，部分段達30°以上，且現(xiàn)狀河床較淺，淺灘疏浚開挖深度大。雖然此處海域深槽略有沖刷，但是疏浚工程將對深槽拓寬，因此，方案二、三工程后此段短期回淤強度略大，在0.21～0.65m/a之間。但伶仃洋本是少沙海域，且深槽潮流動力明顯，隨自然演變發(fā)展，工程河段將逐步趨于新的穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 各軸線方案疏浚量以及回淤量

⑤極端天氣回淤分析。根據(jù)數(shù)模試驗研究[5]，在百年一遇洪水作用30天內(nèi)，方案一航道回淤強度約0.09～0.23m，回淤量約15萬m3；方案二、三航道回淤強度約0.09～0.34m，方案二回淤量約23萬m3，方案三回淤量約27萬m3。方案一洪水期回淤量最小，方案二次之，方案三最大。

臺風回淤預測分析，臺風過后礬石航槽內(nèi)水深變化有沖有淤，方案一航道最大回淤強度0.21m，最大沖刷深度0.11m，航道回淤量11萬m3；方案二航道最大回淤強度0.24m，最大沖刷深度0.15m，回淤量14萬m3；方案三航道最大回淤強度0.25m，最大沖刷深度0.16m，回淤量16萬m3。方案一臺風期回淤量最小，方案二次之，方案三最大。

⑥工程周邊海域沖淤影響分析。各方案實施后引起的海床沖淤變化影響范圍僅局限在航道線沿程區(qū)域，并集中在大鏟島附近。其中，大鏟水道、深圳西部公用航道地形會有0.10m以內(nèi)的地形沖淤變化；方案二、方案三實施后大鏟灣集裝箱碼頭會有0.1～0.2m的淤積。

綜上，由于航道軸線沿大鏟島北航道布置，且大鏟島北航線淺灘較多導致疏浚開挖范圍和深度增加，方案二、三實施后航道穩(wěn)定性、航道內(nèi)橫流情況均劣于方案一。

4.2.3.4 疏浚工程量和投資

大量采砂后，礬石水道借助伶仃洋海域“東槽”、“多處不連續(xù)挖砂坑”的“深水”有利條件，基本沿現(xiàn)狀航道布置的方案一疏浚量最小，建成后的回淤量最小，投資最小。

4.2.3.5 未來升級的適應性

各航道方案下段航道軸線均經(jīng)深中通道隧道預留的通航水域，此處沉管埋深滿足礬石水道通航10萬噸集裝箱船的要求；借鑒廣州港主航道10萬噸級集裝箱船乘潮單向通航所需寬度為230m，孖洲島、大鏟島之間海域?qū)挾燃s為500m，方案一、三的主航線可滿足十萬噸級集裝箱通航尺度的要求。

方案二、三航道軸線沿大鏟島北航道穿越的深圳前灣電廠220kV輸電線、西氣東輸二線“求大線”，其電線凈空高度、管線埋深滿足5000噸級船舶通航需求，但是限制10萬噸集裝箱通行。因此，方案一、三航道未來升級的成本低、制約少；大鏟島北航線提升至十萬噸級需改造交叉線路，建設成本高。

4.2.4 航道軸線推薦方案

各方案綜合比選如表3所示，相比方案二，方案一沿主航線布置，通航條件好、航槽穩(wěn)定，避開了大鏟灣作業(yè)區(qū)口門，且不受西氣東輸管道的埋設深度和前灣電廠架空纜線的凈空高度制約，滿足未來礬石航道等級提升至十萬噸級的需要；而方案二沿大鏟島北航道布置，滿足深圳西部運輸船舶大型化發(fā)展及安全航行的需要，但是提升至十萬噸級的建設成本高；方案三則結合了方案一主航線和方案二大鏟島北航線。

表3 各軸線方案綜合比選指標

綜合考慮大鏟島北航道擴能升級的必要性、西氣東輸二線管道埋深和深圳前灣電廠220kV輸電線路凈空高度對未來航道升級的制約，最終推薦方案三。

5.航道設計

5.1 設計低高程

本工程參考深圳西部港區(qū)出海航道的波浪資料，H4%取1.0m，船浪夾角為10°；按照5000噸級海輪全潮雙向通航設計，航速按8kn考慮；推薦方案三平均回淤強度為0.39m/a，Z4取0.4m。根據(jù)規(guī)范[4]計算，礬石水道通航底標高-7.8m，設計底標高-8.2m。

5.2 通航寬度

推薦方案三航道軸線沿程橫流除大鏟島北航線轉彎段在0.3m/s以上，其余均小于0.25m/s，通過轉彎半徑加大和轉彎段加寬設計，可減小橫流對操縱船只的不利影響。因此，從船舶航行安全和經(jīng)濟合理角度，根據(jù)規(guī)范[4]，航道通航寬度按照橫流0.25m/s設計，通航寬度154m。

6.結論

（1）在航道平面方案選擇上，在投資經(jīng)濟性、短期功能滿足、航道穩(wěn)定性角度，方案一優(yōu)于方案二、三。但是公共出海航道建設必須符合水運需求和遠期發(fā)展，因此，為滿足港區(qū)發(fā)展和避免未來升級的軸線重新，最終推薦了航道最長、適應性最好的方案三。

（2）多年來，伶仃深水航道沒有發(fā)生因臺風或大洪水而導致“驟淤”礙航，結合本次回淤預測分析，伶仃洋“三灘兩槽”分布格局穩(wěn)定，沒有受極端天氣影響而發(fā)生明顯的破壞。礬石水道是借用了“東槽”的天然有利深水條件，順水順沙，泥沙不易在此沉積落淤，灘槽長期保持穩(wěn)定格局，地理條件優(yōu)越，具有較好的開發(fā)優(yōu)勢。

（3）橫流數(shù)值是航跡帶寬度計算的重要參數(shù)，較大的航道橫流將會增大船舶進港時的操縱風險。因此，對航道內(nèi)橫流量級的合理評估十分重要。在本工程中，超過0.25m/s且歷時長的橫流發(fā)生于航道轉彎段，通過加寬設計，可以減小橫流對船舶航行的影響。

（4）本次二三維耦合的潮流泥沙數(shù)學模型試驗中，預測分析的回淤強度和回淤量是航道邊坡達到穩(wěn)定后，開挖航段的年淤積強度和年維護疏浚量。在施工階段，懸浮泥沙由于海床受施工船擾動的影響而比正常情況下有明顯增大；另外在施工和建成初期，航道邊坡尚未穩(wěn)定，施工期和試運營期內(nèi)航道年回淤量要大于預測值，根據(jù)以往工程經(jīng)驗是預測值的1.5～3.0倍。