西太陽沙和爛沙洋海域深水港開發(fā)涉海關(guān)鍵技術(shù)問題

李孟國，楊樹森

（交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456）

1 概述

江蘇省的射陽河口至長江口北岸近岸淺水區(qū)的地貌形態(tài)為以弶港為中心的輻射沙洲形態(tài)（圖1）。輻射沙洲是一種為世所罕見的獨特的海岸地貌形態(tài)，南北延伸200 km，東西橫跨90 km，共有70多條水下沙脊，各條沙脊高低不等，形態(tài)各異，沙脊之間有深槽相隔，深槽坡陡水深。該輻射沙洲是全世界最特殊的海底沙脊群，被稱為“海上迷宮”，在海岸學(xué)和海洋地質(zhì)學(xué)上均有重大科學(xué)意義。由于自然條件所限，在如此長的海岸線上至今尚沒有一個5萬噸級以上的深水港口[1]。

圖1 輻射沙洲全貌圖

該輻射沙洲處于山東半島南部的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)與自東海進入黃海的前進潮波系統(tǒng)相交匯的地方。由于潮波輻聚，波能集中，使得該區(qū)潮差大、潮流強，為強潮區(qū)。輻射沙洲海域潮汐以正規(guī)半日潮為主，潮流為半日強潮流，且大致以弶港為頂點作輻射狀的輻聚、輻散運動。輻射沙洲海域的強潮汐、潮流，尤其是輻聚、輻散的強潮流構(gòu)成了輻射沙洲形成和發(fā)育的有利的水動力環(huán)境，輻射沙洲在強潮流的持久作用下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

在輻射沙洲中，處于如東海域的爛沙洋水道和黃沙洋水道是兩個主要的潮汐通道深槽，兩條水道槽寬水深，呈垂直于岸線狀，是可能開發(fā)建設(shè)深水港的理想地方（圖2）。大量研究表明黃沙洋—爛沙洋是沿古河谷發(fā)育、晚更新世以來位置基本未發(fā)生變化的深水道，巨大的納潮量使之近百年來沉積速率小，適于建深水航道。

圖2 輻射沙洲中爛沙洋和黃沙洋海區(qū)示意圖

爛沙洋被火星沙、大洪埂子、太陽沙分成了爛沙洋南水道、爛沙洋中水道、爛沙洋北水道；黃沙洋水道被河豚沙分成了黃沙洋南水道和黃沙洋北水道。在爛沙洋南水道的西端、爛沙洋北水道南側(cè)為西太陽沙和小西太陽沙淺灘。

爛沙洋水道和黃沙洋水道具有開發(fā)成10萬噸級以上深水航道的前景和潛力，與黃沙洋水道深槽相比，爛沙洋水道深槽離岸更近些，更便于開發(fā)利用。

爛沙洋水道和黃沙洋水道所在的如東海域岸灘平坦寬闊，其中灘面平均坡度為1∶2 000，寬度可達7～10 km。由于深水區(qū)離岸相對較遠，港池和碼頭需要建設(shè)人工島來實現(xiàn)，而人工島與岸上陸地連接又涉及到建設(shè)陸島通道（實體堤和橋梁）問題。從圖1和圖2可見，爛沙洋北水道南側(cè)的西太陽沙和小西太陽沙淺灘和爛沙洋南水道南側(cè)的岸灘可以考慮建設(shè)人工島，也就是說爛沙洋水道及其附近淺灘是可以建設(shè)深水航道和深水碼頭的地方。

爛沙洋水道開辟成深水航道和其附近淺灘建設(shè)人工島將涉及到與水動力、泥沙和灘槽穩(wěn)定等有關(guān)的若干技術(shù)問題，本文介紹了采用多種先進的研究手段對這些問題進行的較為系統(tǒng)和全面的研究論證，包括要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題、開展的主要科研工作、技術(shù)創(chuàng)新[1-7]和研究結(jié)論。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題

西太陽沙和爛沙洋海域深水港開發(fā)建設(shè)的主要問題和技術(shù)如下。

1）灘槽的穩(wěn)定性問題：即水道改道、灘槽格局明顯變化，等等。

2）人工島建設(shè)問題：即人工島的基礎(chǔ)（底座）穩(wěn)定問題。

3）潮流動力與泥沙條件：人工島工程對周圍環(huán)境（潮流場泥沙場）的影響程度，人工島的建設(shè)對周圍各水道的潮流場產(chǎn)生影響問題。

4）波浪條件：波浪狀況的了解與設(shè)計波浪要素的確定。

5）波流共同作用下人工島周圍的沖刷問題與技術(shù)。

6）陸島通道研究：實體堤與橋梁的合理搭配比例，實體堤的最佳軸線與合理長度的確定。

7）陸島通道中橋梁的橋墩沖刷問題與技術(shù)。

8）爛沙洋水道的開挖：開挖后有無驟淤礙航問題。

3 開展的主要科研工作

針對在西太陽沙建設(shè)人工島、在爛沙洋建設(shè)深水航道問題，本研究做了如下10個方面的工作：

1）自然條件分析。根據(jù)大量的水文泥沙實測資料，詳細分析了工程海區(qū)的水動力泥沙特征。

2）灘槽的穩(wěn)定性分析。根據(jù)工程海區(qū)歷次水深測圖，對工程海區(qū)大范圍海域的灘槽沖淤演變特征進行了分析，對黃沙洋水道、小洋港水道、爛沙洋北水道、中水道、南水道的穩(wěn)定性進行分析，西太陽沙的穩(wěn)定性分析、爛沙洋南水道南側(cè)淺灘的穩(wěn)定性進行了詳細分析，通過波浪作用下西太陽沙斷面水槽試驗研究，對西太陽沙淺灘在波浪作用下的沖刷特點進行了研究和分析。

3）懸沙運動的遙感分析、西太陽沙淺灘和近岸淺灘演變遙感分析。

4）泥沙水力特性試驗。對現(xiàn)場泥沙進行了水槽試驗，包括波、流作用下泥沙起動及推移質(zhì)輸沙、懸沙分布試驗、泥沙靜水沉速試驗、泥沙靜水沉積密實試驗等。

5）人工島及配套碼頭方案的潮流泥沙數(shù)值模擬研究。分析了工程對周圍海區(qū)潮流泥沙場的影響，及各水道潮量的影響，模擬了爛沙洋北水道人工開挖后的潮流場的變化。

6）波浪場數(shù)學(xué)模型研究。使用SWAN模型對本海區(qū)的風浪進行了模擬和分析，復(fù)演了“麥莎”臺風過程；使用拋物型緩坡方程進行了大范圍平均波浪和重現(xiàn)期波浪場計算；使用Boussinesq方程進行了人工島及配套碼頭工程的多向不規(guī)則波計算，分析了人工島周圍的波浪場特征，為人工島及其配套碼頭設(shè)計提供了設(shè)計波要素。

7）人工島周邊波流沖刷物理模型試驗。為工程設(shè)計提供了不同方向大浪作用下人工島周圍的沖刷坑形態(tài)和沖刷坑深度。

8）爛沙洋北水道開挖的可行性分析。由于爛沙洋深槽局部段天然水深還不能完全滿足30萬噸級油輪正常進出的要求，需要人工疏浚。爛沙洋深槽能否進行人工疏浚，疏浚后能否維護得住是需要研究的。本部分內(nèi)容對爛沙洋深槽局部段挖深后的泥沙回淤量進行計算與分析，對驟淤的可能性進行分析。

9）陸島通道研究。西太陽沙人工島建成后，島與陸地有一定的距離，需要建設(shè)陸島通道工程。通過潮流泥沙數(shù)學(xué)模型研究，論證了實體堤的最佳軸線與合理長度。

10）陸島通道中橋梁的橋墩沖刷試驗研究。通過水槽試驗，研究了波浪、潮流在不同組合情況下的橋墩沖刷問題。研究內(nèi)容包括①在正常波流組合及50年一遇波浪作用下深水區(qū)、淺水區(qū)各1個橋墩斷面的沖刷深度與范圍；②應(yīng)用兩個斷面試驗結(jié)果分析各橋墩的沖刷深度；③橋墩的防沖措施。這些研究為工程設(shè)計提供了科學(xué)依據(jù)。

4 技術(shù)創(chuàng)新

1）開發(fā)了使用衛(wèi)星遙感衛(wèi)片定量分析水中淺灘面積變化實用技術(shù)?？梢杂眯l(wèi)星遙感衛(wèi)片分析近岸淺灘的長年演變過程，提出了沙洲或淺灘具有“維護其穩(wěn)定的恢復(fù)周期”的概念[2]。

該項技術(shù)可通過多時像的遙感資料判讀不同潮位下沙洲或岸灘的出露面積，并結(jié)合實測水深地形建立沙洲及岸灘出露面積與潮位的相關(guān)關(guān)系，由此可定量分析同一潮位下各時期沙洲及淺灘的面積變化，以研究其長時期的演變規(guī)律以及臺風前后的變化情況。另外，通過相關(guān)軟件的處理將各時期衛(wèi)片的岸灘邊界復(fù)演至同一基面，以研究其邊界形態(tài)的變化情況。

應(yīng)用該技術(shù)成功地研究分析了西太陽沙及近岸淺灘的長年演變過程，特別是臺風前后的演變。提出了沙洲或淺灘具有“維護其穩(wěn)定的恢復(fù)周期”的概念，并得出了西太陽沙的恢復(fù)周期以及制約其演變的主要動力因素等結(jié)論。為人工島工程的穩(wěn)定性分析提供了重要證據(jù)。

2）深入開發(fā)了使用系列模型試驗法進行建筑物波流沖刷試驗技術(shù)[3-4]，使該技術(shù)工程應(yīng)用實用化。

系列模型試驗是利用幾何及水流運動相似而泥沙運動不相似的模型取得試驗結(jié)果的一種有效方法，利用此方法，模型沙的重率可以較大，粒徑可以較粗，可以使用原型沙，而模型不必做得很大。模型和原型沙運動不相似而帶來的試驗結(jié)果的偏差可通過一系列由小到大的模型試驗結(jié)果外延加以消除。模型的實際應(yīng)用表明，采用原型沙進行試驗是適宜的，系列模型試驗只要做兩個比尺差距較大的模型就能通過外延得到所需要的試驗結(jié)果，并能保證一定的精度。

通過試驗研究了西太陽沙自身的波浪沖刷問題、人工島周圍的沖刷問題和陸島通道橋墩沖刷問題。

本研究使系列模型試驗技術(shù)進一步發(fā)展，達到實用化。

3）使用SWAN模型模擬了工程海區(qū)的風浪，復(fù)演了影響本海區(qū)的“麥莎”臺風過程，得出了工程海區(qū)年均波浪不大，“麥莎”臺風產(chǎn)生的浪接近于重現(xiàn)期為10 a的強度的結(jié)論。

4）使用緩坡方程對輻射沙洲海區(qū)的波浪場進行了模擬研究，得出了工程海域輻射沙洲對波浪的傳播變化影響很大，工程淺灘區(qū)域地形對外海來浪的衰減作用明顯的重要結(jié)論。

5）使用多向不規(guī)則波波浪模型，模擬了人工島附近輻射沙洲地形下的波浪場，推薦了人工島島壁采用斜坡式護岸。

6）建立了考慮波浪及其破碎作用下的潮流泥沙數(shù)學(xué)模型模擬輻射沙洲潮流場、正常天氣條件下的泥沙場和大風天氣下的泥沙場[5-7]，論證了人工島工程對周圍海區(qū)環(huán)境的影響、陸島通道實體堤及最佳軸線位置和合理長度。

7）綜合使用自然條件分析、泥沙水力特性試驗、衛(wèi)星遙感分析、沖淤演變分析、潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計算、SWAN模型風浪數(shù)學(xué)模型計算、緩坡方程波浪數(shù)學(xué)模型計算、Boussinesq方程波浪數(shù)學(xué)模型計算、波流沖刷物理模型試驗、泥沙淤積計算等多種手段研究輻射沙洲深水港開發(fā)建設(shè)的涉水涉沙問題。

5 研究成果

1）江蘇岸外輻射沙洲分布著爛沙洋和黃沙洋兩個深槽區(qū)，其形態(tài)近似喇叭型，并呈灘槽相間分布。本工程海域自然條件具備潮大、浪小、流強、含沙量低、槽深并呈全線貫通的明顯優(yōu)勢。變化特點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

①本海區(qū)潮汐潮流動力強。最大潮差可達8.08m，垂線平均流速漲潮介于0.98～1.03m/s之間，落潮介于0.79～1.07m/s之間，最大流速可達2.43m/s。特別是底層漲潮流速大于落潮流速的分布，是本海區(qū)塑造水下地形形態(tài)的主要因素。

②常浪向為N向，強浪向為NE向，實測最大有效波高為4.2m，年平均波高只有0.3～0.5m，具有波浪不大的明顯特點。特別是在臺風期間，不管外海出現(xiàn)多大波浪，向近岸傳播過程中，因輻射沙洲消波顯著，波高沿程衰減很快，據(jù)波浪復(fù)演數(shù)模推算，臺風傳至LNG碼頭前沿波高9711臺風為5m，“麥莎”臺風為4.35m，繼續(xù)向西太陽沙傳播時，兩者波高分別衰減至3.75m和3.30m，充分體現(xiàn)了淺水區(qū)波浪不大的明顯特點。

③底質(zhì)泥沙分布，在淺水區(qū)以細沙類較粗物質(zhì)為主，平均d50=0.14mm左右；深槽內(nèi)以砂質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)砂為主，平均d50=0.05mm左右。這種泥沙不僅具有含泥量少（不足5%的含泥量）、松散、起動流速小、沉降速度大、沉積密實快，在波流作用下極易起動，動力減弱時又極易沉降等特點，而且泥沙運移形態(tài)既有懸移質(zhì)也有推移質(zhì)，但推懸比不會超過1∶3。

④本海區(qū)基本不存在外界泥沙的影響，淤積泥沙來源主要以西部廣大的岸灘供沙為主，一般情況下水體平均含沙量介于0.10～0.61 kg/m3之間，當出現(xiàn)特大風浪天氣時，水體含沙量可增大到1.2 kg/m3以上。

⑤爛沙洋北水道擬建碼頭區(qū)自然水深可達-17m以上，整條深槽內(nèi)除水深小于-13m的長度為6.1 km，最淺點水深為-11.9m以外，其余水深都能達到-13～-20m之間，具有深槽貫通、順直、自然水深大、深泓線基本不變的優(yōu)勢，為開發(fā)深水港口航道提供了良好的條件。南水道擬建碼頭區(qū)自然水深介于-10～-15m之間，深槽內(nèi)自然水深也能達-12m左右，同樣具備建設(shè)深水港的基本條件。

2）從黃沙洋和爛沙洋深槽內(nèi)，維持深槽形態(tài)的水流動力是以漲潮流為主，尤其是底部漲潮流速的作用更為突出，所以，只要不改變西太陽沙以西水域的納潮量和潮流動力條件，灘槽整體穩(wěn)定的格局就不會發(fā)生改變，但局部出現(xiàn)沖淤現(xiàn)象還是存在的，其區(qū)域主要位于爛沙洋各水道的上部和西太陽沙附近，變化規(guī)律如下：

①深槽平面形態(tài)變化，十幾年間，除在2003年以前三條水道-10m等深線的頭部具有向南擺動之勢外，爛沙洋北水道、中水道和南水道-10m等深線變化量很小。而深弘線的變化，爛沙洋南水道多年來一直處于較為穩(wěn)定狀態(tài)；中水道和北水道深弘線上世紀90年代以前有所變化，近期變化也很小。

②爛沙洋南水道，近十幾年以來，深槽下段一直處于沖刷狀態(tài)，年均沖刷深度為0.10m左右。而深槽上段在2005年以前為沖刷，年均沖刷深度介于0.11～0.21m之間；2005年以后變?yōu)橛俜e，年均淤積厚度介于0.06～0.17 m之間。

③爛沙洋中水道，1992—2003年期間，是以沖刷為主，此時沖刷速率較快，沖刷量也較大，其中上段和下段年平均沖刷深度分別為0.27m和0.09m；2005年以后是有沖有淤，但沖淤變化量明顯減弱，平均沖淤厚度分別為0.10m左右。

④爛沙洋北水道，在西太陽沙附近深槽內(nèi)，2003年以前呈淤積變化，年均淤積厚度為0.26m；但這種淤積主要表現(xiàn)在大風期間的變化，大風過后可轉(zhuǎn)為沖刷。在深槽中段，近十幾年來有沖有淤，以沖刷為主，年均沖刷深度介于0.01～0.04m之間。在太陽沙附近深槽內(nèi)，2003年以前為淤積，年均淤積厚度為0.16m；2003年以后轉(zhuǎn)為沖刷，年均沖刷深度在0.01～0.22m之間，深槽水深呈恢復(fù)狀態(tài)。

⑤西太陽沙自1992年至今雖然處于分割→合并→分割的演變過程，但西太陽沙一直在爛沙洋北水道南側(cè)存在，而且-5m等深線以下灘體可維持不變。即使-5m等深線以上灘體出現(xiàn)沖淤變化，但體積減少量僅占3.5%，不會對人工島整體穩(wěn)定構(gòu)成明顯的威脅。

⑥在爛沙洋海域，臺風、潮流和中小風浪共同作用并重新恢復(fù)地形，是維持爛沙洋灘槽穩(wěn)定的根本原因。

⑦爛沙洋各水道及沙洲是一個統(tǒng)一體，處于相互影響的變化之中。在上世紀90年代后期，中水道在大洪埂子上游向北水道匯流，此時爛沙洋北水道漲落潮量最大，維持上段水深也最大，中水道次之，南水道最小。進入21世紀以后，西太陽沙北坡被逐漸沖刷，中水道與北水道匯流位置也發(fā)生了上移，分流量也逐漸增加，增強了向南分流的動力，火星沙上部開始出現(xiàn)沖刷。至2003年4月，三個水道漲潮量已演變成中水道最大、北水道次之、南水道最小的格局，這種水流動力和匯流位置的變化，必將會引起爛沙洋各水道沖淤規(guī)律的改變。但北水道分潮量減少后，并非全線淤積，其中深槽中段就出現(xiàn)了一直沖刷的局面，這種沖刷就是中水道匯流位置發(fā)生改變后動力增強所產(chǎn)生的必然結(jié)果。

⑧2003年以前，在太陽沙附近的深槽內(nèi)，南水道、中水道為沖刷，北水道為淤積。自2005年以后，在水流與地形相互調(diào)整下，南水道和中水道已轉(zhuǎn)為淤積，北水道上段為大風時淤積，大風后恢復(fù)，北水道中段和下段以沖刷為主。但就目前變化特點來看，由于沖淤變化量較小，沖淤規(guī)律也發(fā)生了改變，灘槽沖淤基本趨于平衡，整個爛沙洋主體是穩(wěn)定的。

3）在人工島和棧橋式碼頭規(guī)劃方案實施后，造成的影響僅限于工程區(qū)附近，不會造成大范圍流場和含沙場的變化，不會影響灘槽的穩(wěn)定。

4）爛沙洋北水道可以開挖，開挖后能維持得住，無驟淤之害[8]。

5）陸島通道實體堤的合理長度應(yīng)不超過6 km，從岸邊圍墾區(qū)東北角點向東北與岸線法向成10°夾角的軸線為最佳軸線方案。

6）陸島通道沿程橋墩沖刷的基本規(guī)律是：自岸灘邊緣向外，橋墩周圍沖刷量逐漸加大，在爛沙洋南水道-2m等深線附近達到最大；在南水道深水區(qū)，橋墩周圍沖刷量又有所減少。在波浪、潮流共同作用且遇50 a一遇波浪情況下，沿程橋墩局部沖刷深度一般都介于3～4m之間，最大值可達5.6m。這種量值變化是屬正常沖刷范疇，因此，只要在打樁時預(yù)留一定的防沖深度（增加樁高6m），即可保證橋梁的安全，不需要采用特殊工程措施進行防護。

7）在不同方向波浪及水流作用下，在人工島迎浪面均會形成與該面相平行的沙波，對人工島前約半倍波長范圍內(nèi)會形成沖刷帶。因此為避免人工島岸坡受波浪的淘刷，在人工島前約半倍波長范圍內(nèi)，采取防護工程措施是非常必要的。

8）人工島島壁前沿沖刷帶的深度與波浪及水流強度有關(guān)；人工島前沿沖刷范圍基本是處于半倍波長以內(nèi)；護底工程對減輕人工島周圍的沖刷具有明顯的效果，護底范圍是以不超過人工島前沿沖刷帶至第一個沙波波頂?shù)膶挾葹橐?。采取護底工程措施后，還可以避免島壁前沿灘地的淘刷，對保護人工島島壁的安全是有益的。

綜上，在對穩(wěn)定性及水動力泥沙若干技術(shù)問題分析論證后，通過采取必要的工程措施，在輻射沙洲中進行深水港開發(fā)建設(shè)是可行的。

6 結(jié)語

本文介紹了綜合使用自然條件分析、泥沙水力特性試驗、衛(wèi)星遙感分析、沖淤演變分析、潮流泥沙數(shù)學(xué)模型計算、SWAN模型風浪數(shù)學(xué)模型計算、緩坡方程波浪數(shù)學(xué)模型計算、Boussinesq方程波浪數(shù)學(xué)模型計算、波流沖刷物理模型試驗、泥沙淤積計算等多種手段對西太陽沙和爛沙洋深水港開發(fā)建設(shè)的涉水涉沙問題進行的研究成果，在對穩(wěn)定性及水動力泥沙若干技術(shù)問題分析論證后，通過采取必要的工程措施，在輻射沙洲中進行深水港開發(fā)建設(shè)是可行的。研究結(jié)論為在西太陽沙和爛沙洋的深水港開發(fā)建設(shè)提供了科學(xué)依據(jù)。

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