基于水位時序線安排內(nèi)河碼頭工期的研究

◎ 歐陽天庭 汪國喜 江西省路港工程有限公司

施工水位是碼頭工程施工效率和安全的重要影響因素，合理的施工水位，事關(guān)工程作業(yè)順利實施，同時也緊密關(guān)聯(lián)工程經(jīng)濟效益。在碼頭施工的工期設(shè)計中，很難把握和控制諸多施工條件和工期水位變化的影響，一旦工期設(shè)計不當(dāng)，會給水上操作造成困難，甚至引發(fā)嚴(yán)重質(zhì)量和安全事故。因此合理安排工期是一項實用意義很強的工程設(shè)計和統(tǒng)籌技術(shù)。案例碼頭工程組合應(yīng)用水位時序模型、水位時序線、水位域限、水位保證率計算等分析技術(shù)，合理確定施工水位域限，安排碼頭工期。這里結(jié)合工程應(yīng)用，梳理介紹相關(guān)技術(shù)概念和應(yīng)用技術(shù)要點，希望為內(nèi)河碼頭施工水位分析確定和工期合理安排，提供技術(shù)參考。

1.工程簡介

某擴改建碼頭建筑采用框架直立墩架空結(jié)構(gòu)，高度約30.00m。基礎(chǔ)采用5 根直徑為1 8 0 c m 的嵌巖鋼筋混凝土鉆孔樁。承臺配置1.50×1.50m鋼筋混凝土立柱6根，前方聯(lián)系梁中部裝配系船柱，以方便船舶在不同水位條件下系纜。立柱頂面采用現(xiàn)澆筑鋼筋混凝土面板，形成碼頭面。碼頭前沿線位于170.00～175.00m等高線，與水流和等高線方向保持平順，碼頭前沿與陸域前沿線基本平行。場地位處溶巖丘陵的坡腳，巖層呈陡傾狀態(tài)，巖溶和裂隙節(jié)理發(fā)育充分，淺部強風(fēng)化基巖溶洞和基巖表面的不規(guī)則起伏。流域徑流量2689億m3，平均流量8530m3/s。年內(nèi)徑流分布不均，5～10月汛期徑流量占年度徑流量79.10%，其中7～9月為主汛期，徑流量達(dá)到1411億m3，占年度徑流量52.50%。

2.水位時序模型

使用HEC-RAS軟件模擬計算樞紐蓄水后的碼頭水位時序分布狀態(tài)。

案例碼頭位處回水變動區(qū)的末端，盡管水流會受到壩體的推頂作用，但模擬計算可以適當(dāng)簡化水流條件，可以通過調(diào)整后糙率來反映樞紐托頂后的作用效果。在建立模型時，選擇常規(guī)水深作為邊界條件。

由于樞紐蓄水以后，河流截面的變化不是很大，因此可以直接使用原截面水文資料開展模擬計算。某水文站距離案例碼頭100.30km，處于回水變動區(qū)之外，并且該區(qū)間面積只占1.50%，不存在大型支流匯入。來自該站的流量資料的一致性良好，因此可以直接選用該水文站的流量資料作為案例碼頭的徑流特征參考資料。由于該碼頭位處回水變動區(qū)末端，所以選擇糙率的方法不同于天然河道的糙率選取方法。

本研究參考庫區(qū)最低通航設(shè)計水位所對應(yīng)的河道糙率開展模擬計算。由于下游樞紐蓄水，導(dǎo)致河道流量與水位的關(guān)系已經(jīng)產(chǎn)生變化，因此不能依照單一的流量與水位關(guān)系進(jìn)行水力坡降的計算，需要基于時段劃分分別給予率定。根據(jù)實測水位和率定糙率，利用HEC-RAS水流計算軟件，分別計算高水期、蓄水期、低水期和消落期的原河道水力坡降后，確定河道截面、水力坡降、糙率、流量資料，在此基礎(chǔ)上建立案例碼頭的流量與水位關(guān)系模型，以進(jìn)行所需要的水位時序計算。計算獲得的樞紐蓄水后擴改建碼頭港址區(qū)域20年的水位時序，詳見圖1所示[1]。

圖1 樞紐蓄水后擴改建碼頭旬均水位時序曲線圖

為了驗證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性，將計算得出的水位時序與區(qū)域?qū)嶋H測量水位資料進(jìn)行對比。水文預(yù)報規(guī)范規(guī)定，在定量預(yù)報中，水位誤差維持在±10%范圍內(nèi)是可以接受的。本旬均水位時序計算結(jié)果的誤差均控制在±10%以內(nèi)，符合規(guī)范要求。表明模擬和算法合理適用，能夠準(zhǔn)確揭示和預(yù)測目標(biāo)區(qū)域的水位狀態(tài)。

3.施工水位

3.1 施工水位概念

現(xiàn)有研究和相關(guān)規(guī)范對港口碼頭的施工水位并未給出明確定義。目前較廣泛使用的施工水位概念是能夠保證在規(guī)定工期內(nèi)完成水工工程的水上作業(yè)量的水位即為水工施工水位，該水位借助水位時序線給予確定和體現(xiàn)，低于該水位的時序內(nèi)，利于和支持工程水上施工，能夠保證水上作業(yè)工程量如期完成。水位時曲線與施工水位關(guān)系見圖2。

圖2 水位時曲線與施工水位

施工水位一般不是一個固定數(shù)值，在設(shè)計階段通常選擇水位比較低、歷時過程比較短、涉水作業(yè)量比較大的水位確定為施工水位。施工水位選擇太低，一般對應(yīng)的水位歷時也相對縮短，這會增加施工風(fēng)險和操作難度。施工水位對施工周期、可行性、施工質(zhì)量和工程概預(yù)算等方面影響很大，因此施工水位的確定必須盡可能相對優(yōu)化。

3.2 確定施工水位的方法

確定施工水位時，通常應(yīng)先計算目標(biāo)工程量，根據(jù)工程經(jīng)驗、場地水文地質(zhì)資料，測算目標(biāo)工程的所需工期，確定作業(yè)季節(jié)，再基于場地水文特征，采取平均水位歷時線確定施工水位。然而現(xiàn)實工程中，設(shè)計人員通常無法窮盡考慮各種影響因素，因此多采用經(jīng)驗取值法進(jìn)行施工水位分析確定。施工水位一般基于工程設(shè)計、所在水域水文資料、參考同類工程施工經(jīng)驗，來確定施工水位實施方案。幾種常用取值：

（1）山區(qū)內(nèi)河碼頭工程，潮汐影響水域的碼頭工程，施工水位一般要比設(shè)計低水位大于約1.50～2.00m。

（2）對于河網(wǎng)地區(qū)或人工運河場地條件的碼頭工程，施工水位多取年度枯水位、年度水位偏低的水位或者水位歷時曲線50%頻率所對應(yīng)的水位。

（3）平原河流的水工工程，結(jié)合同類工程經(jīng)驗或取設(shè)計中水位至低水位之間作為施工水位，一般以高于設(shè)計低水位2.00～3.00m為宜。

（4）冰凍區(qū)河流，則多選擇高于設(shè)計低水位1.00～2.00m為宜[2]。

4.基于合適水位安排施工工期

4.1 施工水位域限的確定

基于特定流域水工類型和計算獲得的樞紐蓄水后擴改建碼頭港址區(qū)域20年的水位時序曲線，確定案例施工水位閾限范圍，見圖3。

圖3 施工水位閾限范圍的確定

案例碼頭樁基和鋼平臺搭建，標(biāo)高相對較低，水上作業(yè)的工程量比較大。兩業(yè)務(wù)項需要工期2個月，整個工程的工期設(shè)計為10個月。在選擇施工水位時，應(yīng)盡可能選擇在枯水期進(jìn)行。水位時序曲線顯示，水位較低的區(qū)域在1～5月，因此有3種施工計劃可供選擇。方案一，是2月份啟動施工，在3～4月完成水上工程量；方案二，是3月份啟動施工，在4～5月完成水上工程量；方案三，是4月份啟動施工，在5～6月完成水上工程量。工程河底高程169.06m，設(shè)計水位200.00m，低水位172.56m。本研究選擇了3個不同的施工水位閾限，分別為174.06m、177.00m、182.00m，據(jù)此進(jìn)行保證率分析，以確定更為適合的施工工期。

4.2 施工水位保證率計算

案例需要在T+0和T+1月連續(xù)開展水上作業(yè)。由于選用不同的施工水位會導(dǎo)致不同的情形，因此每個方案都存在以下兩種情況：

（1）T+0、T+1月份均可進(jìn)行連續(xù)的水上施工，保證率計算公式：

公式中P1為施工保證率，M1為月份旬均水位的總個數(shù)，N1為月份旬均低于給定水位域限值的個數(shù)。

（2）T+0、T+1月份均不可進(jìn)行連續(xù)的水上施工，保證率計算公式：

公式中P2為施工保證率，M2為月份旬均水位的總個數(shù)，N2為月份旬均低于給定水位域限值的個數(shù)[3]。

通過表1數(shù)據(jù)可以看到，因為水位選取范圍較廣，不同閾限所對應(yīng)的保證率其變化較大，而枯水期持續(xù)時間長，水位變化幅度相對較小，更利于水上作業(yè)量施工。連續(xù)施工兩個月的保證率隨著水位閾限的提高而增大，施工風(fēng)險相對降低。對應(yīng)工程量分析，這時的水上作業(yè)量有所增加。

表1 各方案和施工條件下的保證率計算結(jié)果

4.3 基于合適水位的工期確定

通過保證率計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，同相水位和可持續(xù)施工條件下，方案一的保證率最高，說明案例工程水位在3～4月較低，更適合進(jìn)行水上作業(yè)。但整個項目必須在2月份啟動，考慮到這是農(nóng)歷新年時段，勞動力供應(yīng)會比較緊張。方案二是3月啟動施工，只要水位適當(dāng)，也能滿足水上作業(yè)量的施工要求。而且這時所在水域還未進(jìn)入高水位期。方案三則在4月份啟動施工，可持續(xù)施工的保證率最低。雖然可以通過提高水位來獲得符合保證率的水位，但后續(xù)施工重合高水位期，將增加水上作業(yè)難度。從以上分析可以得知，方案二相對最優(yōu)，即3月啟動施工，4～5月搭建鋼平臺和水下樁基施工，然后進(jìn)行其他上部工程結(jié)構(gòu)的施工。

5.結(jié)語

開展了基于水位時序線安排內(nèi)河碼頭工期的分析技術(shù)研究。文中介紹了水位時序模型及水位時序曲線計算技術(shù)、施工水位及其域限的確定方法、水位保證率計算方法、基于合適水位的工期確定方法。合理的施工水位，事關(guān)工程作業(yè)順利實施，同時也緊密關(guān)聯(lián)工程經(jīng)濟效益。基于水位時序線安排內(nèi)河碼頭工期的方法，模型化、數(shù)字化、可視化、多因素集成分析化，具有分析應(yīng)用操作性強，分析成果工程適用的特點，對內(nèi)河碼頭工期安排工程實用有技術(shù)參考意義。