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        威海長會口海灣大橋橋區(qū)水域乘潮保證率分析研究

        2007-01-28 08:12:08,,
        船海工程 2007年6期
        關(guān)鍵詞:橋區(qū)過程線保證率

        ,,

        (1.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院,武漢 430063;2.山東省威海市公路管理局,山東 威海 264200)

        威海長會口海灣大橋位于山東省的東部、膠州半島的南部、長會口海灣內(nèi),大橋西接文登市,東連榮成市。大橋所在的張家埠港的進(jìn)港航道總長13.06 km,張家埠港至長會口嘴為天然航道,長約7.7 km,航道水深5 m以上,最大水深達(dá)8 m,寬度200~400 m;長會口嘴至1號燈標(biāo)航道長2.4 km,水深1.4 m,寬約300 m;1號燈標(biāo)以外有攔門沙,航道長2 963 m,最淺處水深1.1 m,千噸級船舶需乘潮進(jìn)出港口。張家埠港灣口門處由于兩股水流均夾帶泥沙在此匯合,易形成攔門沙,嚴(yán)重制約了港口的發(fā)展。為此,在《威海長會口海灣大橋工程通航安全評估研究》的基礎(chǔ)上計(jì)算和分析長會口海灣大橋橋區(qū)水域(長會口嘴天然航道)的乘潮保證率,為確定通過橋區(qū)水域的代表船型提供技術(shù)支撐和計(jì)算依據(jù)。

        1 乘潮保證率計(jì)算

        乘潮潮位是指具有一定時(shí)間間隔且對于某種設(shè)計(jì)代表船型可用以安全通航的某一高潮潮位。航道乘潮通航保證率是指船舶在高潮前后若干時(shí)間內(nèi),可乘某一乘潮潮位Z安全進(jìn)出航道的時(shí)間累積頻率。在乘潮歷時(shí)Δt時(shí)段內(nèi),航道水深不小于這一乘潮潮位Z。確定合適的乘潮潮位及乘潮通航保證率關(guān)系到航道疏浚量的大小,尤其是多淺段航道,往往里程較長、疏浚量大。

        而要計(jì)算代表船型通過橋區(qū)水域的最低乘潮潮位Zmin的乘潮歷時(shí)Δt及乘潮潮位累計(jì)頻率P(乘潮通航保證率)時(shí),首先應(yīng)確定乘潮歷時(shí)Δt,以便在潮位過程線上量取對應(yīng)的潮位值,最后在乘潮潮位累計(jì)頻率P曲線上選取所需的累積頻率潮位值Zmin,上述計(jì)算過程可由式(1)、(2)表示。

        Δt=t2-t1
        Zmin=h(t2)=h(t1)

        (1)

        P(Zmin≥d)=p

        (2)

        式中:t1、t2——高潮前后時(shí)刻;

        h——潮位;

        d——安全通航水深;

        Zmin——最低乘潮潮位;

        P——潮位累積頻率。

        統(tǒng)計(jì)時(shí)乘潮潮位累計(jì)頻率,應(yīng)有完整的1年或多年的實(shí)測潮位資料。

        2 存在的問題與對策

        2.1 潮位資料代表年的選取

        潮位資料代表年的選取在乘潮保證率的計(jì)算中是非常重要的第一步。因?yàn)殚L會口海灣大橋橋區(qū)水域的潮型屬于正規(guī)的半日潮,N2、K2(虛擬天體分潮)分潮作用明顯,且由于白道升交點(diǎn)的影響較大。因此,對于不同年份,根據(jù)同一乘潮通航保證率計(jì)算的乘潮潮位存在差異。所以,觀測資料應(yīng)當(dāng)為1年以上。比較張家埠港2004年與2005年相同乘潮條件下的乘潮潮位計(jì)算值(測站基準(zhǔn)面以上),2005年普遍偏小,其中90%乘潮通航保證率在不同乘潮歷時(shí)所對應(yīng)的乘潮潮位相差2~3 cm(見表1)。為了保證通過橋區(qū)的船舶在一般年份都有足夠的安全通航水深,故取乘潮通航保證率在90%時(shí)的乘潮潮位較小的2005年的潮位資料更為安全合理。

        表1 張家埠港附近2004~2005年乘潮潮位表(乘潮通航保證率為90%)乘潮歷時(shí) h

        2.2 代表年份控制潮位過程線的選取

        在確定潮位資料代表年后,對代表年份控制潮位過程線的選取就成為解決問題的關(guān)鍵所在。理論上對于船舶可以乘一潮進(jìn)港的多淺段航道,淺段之間存在相對距離,因而各淺段高潮時(shí)刻、高潮潮位也會存在較大的差異。為保證計(jì)算結(jié)果的可靠性,計(jì)算乘潮通航保證率時(shí)應(yīng)采用各淺段當(dāng)?shù)赝匠蔽贿^程線。見圖1所示。

        t1-第1、2段間乘潮歷時(shí);t2-第2、3段間乘潮歷時(shí);tn-第n、n+1段間乘潮歷時(shí);n-船舶乘一潮經(jīng)過的淺灘個(gè)數(shù)圖1 多淺段航道潮位過程線示意

        各淺段所在地的年表逐時(shí)潮位資料可采用當(dāng)?shù)馗浇L期潮位觀測站資料,但是并非所有淺段附近都有長期潮位測量站。

        《海港水文規(guī)范》規(guī)定若潮位實(shí)測資料不足1年時(shí)可采用“短期同步差法”。但“短期同步差法”是建立長期站與短期站的高低潮位相關(guān)關(guān)系,適用于潮差沿程變化小、潮位變化不大的河口地區(qū),但是對于潮差和潮位沿程變化大的半封閉型海灣地區(qū),因計(jì)算乘潮通航保證率時(shí)所關(guān)心的是高潮位前后某一時(shí)段內(nèi)的潮位,如果潮位沿程變化很大(隨時(shí)間變化大),高低潮位相關(guān)關(guān)系將失去使用價(jià)值;如果采用最為普遍的插值法,即通過兩個(gè)以上長期驗(yàn)潮站資料,內(nèi)插出驗(yàn)潮站之間某一淺灘處的乘潮潮位或潮位累積頻率,又受制于驗(yàn)潮站數(shù)量與淺灘的地理位置分布。

        考慮到以上諸多因素,采用控制潮位過程線法,控制潮位過程線法是選取某一長期潮位站的1年以上潮位過程線作為計(jì)算整條多淺段航道乘潮通航保證率的控制潮位過程線。對于長會口海灣大橋橋區(qū)水域,該法是以張家埠港的潮位過程線為控制潮位過程線,沿程各淺灘的乘潮潮位在此潮位過程線上量取。圖2所示為2005年5月15日基于張家埠港潮汐資料推算出的各淺灘大潮潮位曲線圖。

        圖2 2005年5月15日各淺灘推算潮汐曲

        基于以上的論述,計(jì)算5 000 t級淺吃水經(jīng)濟(jì)型散貨船通過各淺段的乘潮潮位及乘潮通航保證率,取其中最小值作為該段航道的乘潮通航保證率。該段航道的乘潮通航保證率取97%時(shí),船舶通過圖2中各淺段的乘潮參數(shù)值見表2。

        表2 船舶通過橋區(qū)水域各淺段的乘潮參數(shù)值

        2.3 計(jì)算方法的討論和優(yōu)選

        根據(jù)交通部《海港總平面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ211-99),計(jì)算乘潮水(潮)位時(shí),選取“每1個(gè)潮峰上”與乘潮進(jìn)出港所需的持續(xù)時(shí)間相當(dāng)?shù)乃?潮)位,這意味著每次潮汐船舶就有1次進(jìn)港的機(jī)會。在潮汐性質(zhì)為半日潮型的航道,平均1 d有2個(gè)潮汐,存在2個(gè)高潮。

        該算法的實(shí)質(zhì)就是計(jì)算船舶無論利用哪個(gè)高潮都能進(jìn)港的乘潮通航保證率。顯然,這種算法適用于通航密度大的航道。當(dāng)通航密度小于2艘·次/d(即船舶平均每天約有1次進(jìn)港和出港的機(jī)會),至于每天的機(jī)會要等待多長時(shí)間相對而言并不重要時(shí),這種算法則趨于保守,使得乘潮潮位的計(jì)算值偏高,會造成不必要的疏浚投資。

        針對長會口海灣大橋潮汐特征,對于通航密度小于2艘·次/d、候潮時(shí)間相對寬松的航道,可采用船舶乘高高潮進(jìn)港計(jì)算乘潮潮位。

        以張家埠港臨時(shí)潮位站2005年8月潮位過程線為例,當(dāng)乘潮歷時(shí)為1 h、乘潮潮位為3.05 m(黃海高程)時(shí),比較兩種方法計(jì)算的乘潮通航保證率,見表3。

        表3 不同計(jì)算方法的乘潮通航保證率計(jì)算結(jié)果 %

        表3說明采用乘高高潮法計(jì)算的乘潮通航保證率明顯高于采用乘每一高平潮的計(jì)算值。

        3 結(jié)論與建議

        在長會口海灣大橋橋區(qū)乘潮保證率的計(jì)算中,根據(jù)該水域的實(shí)際情況,選取2005年的潮位資料作為理論計(jì)算的基礎(chǔ),同時(shí)由于潮位沿程變化很大、缺少各淺灘的實(shí)地長期潮位資料的現(xiàn)狀,采用了控制潮位過程線法選取潮位過程線,從而保證了計(jì)算的科學(xué)性和可靠性。在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上結(jié)合橋區(qū)水域半封閉型海灣地形和水文條件特征,考慮到橋區(qū)通航密度較小、候潮時(shí)間相對寬松,采用船舶乘高高潮進(jìn)港計(jì)算乘潮通航保證率,在同樣的乘潮保證率可以使疏浚量大大減少。在60%乘潮通航保證率下,橋區(qū)附近水域水深可以滿足2 000 t級船舶的滿載安全通航的要求,橋區(qū)附近水域還需進(jìn)行一定程度的疏浚才能滿足2 000 t級以上船舶滿載安全通航的要求。

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