淤泥質(zhì)海岸環(huán)抱式港池口門布置方案研究

丁軍華，張金善，高正榮，章衛(wèi)勝，俞竹青

(1. 江蘇省鐵路辦公室，江蘇南京 210024； 2. 南京水利科學(xué)研究院，港口航道工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，江蘇南京 210029； 3. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京 210098)

由于我國漫長的海岸線上適宜建設(shè)深水港的地方較少，因此，沿海港口的深水化和深水港建設(shè)成為“十二五”水運建設(shè)的重大課題，淺灘深挖槽航道建港即“淺水深用”是我國水運建設(shè)需要解決的最迫切問題。連云港港30萬t級航道是我國“十二五”期間建設(shè)的重大水運工程，作為淤泥質(zhì)海岸開敞海域，探討連云港徐圩港區(qū)港口、航道建設(shè)布局具有代表意義。

連云港海域淺灘寬廣，水下地形坡度約1/1 500，-5 m(連云港理論基準面，下同)以淺的淺灘超過8 km；且連云港海域受臺風(fēng)和寒潮大風(fēng)影響顯著，在大風(fēng)條件下，海域波浪破碎區(qū)寬廣，對港池和航道布置提出了較高要求。一些研究者從水流條件、橫流、泥沙回淤角度對港池和航道的布置進行了研究[1-3]。為避免港池產(chǎn)生嚴重回淤，一般要求港池口門布置在破波區(qū)以外[4]。然而對于具體港口，需要根據(jù)實際情況確定合適的口門位置。本文根據(jù)連云港海域的自然條件特點，應(yīng)用平面二維潮流、泥沙數(shù)學(xué)模型結(jié)合現(xiàn)場實測資料，對徐圩海域新建港池口門位置、寬度和布置形式進行簡要分析論證，從水流和泥沙角度提出相應(yīng)的建議和意見，為淤泥質(zhì)海岸等類似港口布置提供參考。

1 自然環(huán)境

連云港海域的潮汐受廢黃河口外海的左旋的旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)控制。連云港附近海域?qū)僬?guī)半日潮，在1個太陰日內(nèi)有2次高(低)潮，由于潮波的淺水變形，漲、落潮歷時不等。漲潮平均歷時5.63 h，落潮平均歷時6.83 h，落潮歷時大于漲潮歷時；平均潮差約3.4 m[5]。受黃海逆時針旋轉(zhuǎn)潮波系統(tǒng)的影響，連云港海域深水區(qū)水流為逆時針方向的旋轉(zhuǎn)流，由于受地形影響，徐圩海域近岸潮流橢圓長軸大致呈NW-SE向，與海岸平行(見圖1)。海域漲潮流方向為SE向，落潮流方向為NW向；漲潮流速大于落潮流速，兩流速之比一般為1:1.3。全潮平均流速一般為0.40～0.60 m/s，灌河口以南流速較強。

圖1 連云港及附近海域潮流實測矢量底質(zhì)分布 (中值粒徑：mm)Fig.1 Sketch of flow vector in the sea near Lianyungang (median particle diameter in mm)

淺鉆分析結(jié)果顯示，連云港徐圩岸段淺海區(qū)海床下2～4 m主要為淤泥質(zhì)黏土或淤泥，中值粒徑一般不超過0.01 mm[5]。港海域沿岸水體的泥沙運動以懸沙運動為主，正常天氣含沙量0.05～0.20 kg/m3，由岸向外海逐漸減小。不同天氣下不同水深含沙量的實測統(tǒng)計值表明，正常天氣下海域平均含沙量不大，-7～-3 m淺海含沙量約0.09～0.18 kg/m3(點位見圖1)。在大風(fēng)天含沙量則明顯增加，2007年“韋帕”臺風(fēng)期間，-3 m等深線附近垂線平均含沙量可達2.1 kg/m3，-5 m位置可達1.7 kg/m3，說明風(fēng)浪對當?shù)啬嗌匙饔梅浅Ｃ黠@[6-7]。懸浮泥沙中值粒徑近岸約為0.006～0.008 mm，-10 m線以深的深水區(qū)多為0.008～0.010 mm。

2 研究方法

2.1 數(shù)學(xué)模型的建立

在笛卡兒直角坐標系下，采用Boussinesq近似、靜壓假定和剛蓋假定，沿垂線平均的平面二維潮流、懸沙數(shù)學(xué)模型基本方程可表述為如下形式：

(1)

懸沙輸運方程為：

模型范圍沿岸方向距離120 km，離岸方向距離82 km。模型網(wǎng)格采用非均勻三角形網(wǎng)格，最大網(wǎng)格1 500 m，最小網(wǎng)格30 m。計算模型采用Fortran語言編寫，計算方法采用《海港水文規(guī)范》(JTS 145-2-2013)推薦的三角單元法[12]。模型中的波浪采用緩坡方程計算，由連云港港30萬t航道設(shè)計方提供。

2.2 模型驗證

為配合航道工程的前期研究，現(xiàn)場進行了若干實測資料調(diào)查，模型也進行了一系列資料的驗證[13-14]。這里以2010年6月18—20日中潮水文測驗資料驗證為例(見圖2，點位布置見圖4)。

(a) 潮 水 (b) 流 速

(c) 流 向 (d) 含沙量圖2 徐圩海洋站潮位及流速、流向驗證Fig.2 Verification of tidal level， velocity and direction given by Xuwei marine station

圖3 5萬t試挖航道回淤過程驗證(269 d)Fig.3 Verification of siltation in 50，000 t waterway (269 d)

從驗證結(jié)果可見，潮位、流速流向和含沙量計算值和實測值吻合較好，潮位誤差在10 cm以內(nèi)；流速平均差在10 cm/s以內(nèi)，流向誤差在15°以內(nèi)。圖3為計算回淤與實測回淤結(jié)果的結(jié)果比較，可見二者也吻合較好。這說明模型能夠?qū)ΜF(xiàn)場潮流動力和泥沙運動進行較好地模擬。

3 口門方案研究

徐圩港區(qū)一期工程基本方案如圖4所示。港池采用大環(huán)抱式布置形式，一港池位于北防波堤內(nèi)側(cè)1 m等深線處，為散貨碼頭，最大噸級為10萬t，港池及航道底標高為-13.3 m，航道寬210 m；二港池位于其對應(yīng)的南側(cè)，布置5萬t級液體散貨，港池及航道底標高為-11.0 m，航道寬170 m；六港池位于口門東防波堤內(nèi)側(cè)，布置30萬t原油泊位，港池及航道底標高為-22.0m，航道寬350～370 m。

3.1 口門位置

口門位置是港池布置的關(guān)鍵因素，關(guān)系到港池風(fēng)浪掩護、港池和航道回淤、港池布置、起步工程、投資等多方面。連云港徐圩海域的新建港池在外航道軸線確定以后(圖4)，口門位置的確定曾進行過激烈的討論，討論的焦點主要集中在-3和-5 m兩種不同的位置。

圖4 徐圩港區(qū)及航道斷面布置Fig.4 Layout of Xuwei port and waterway section

口門位置確定涉及多種因素，港池和航道的回淤量和回淤速率也是重要因素。根據(jù)現(xiàn)場實測含沙量資料，-3 m位置平均含沙量約0.18 kg/m3，-5 m位置約0.13 kg/m3。根據(jù)規(guī)范推薦的劉家駒方法[11]推算可得，相同等級航道(以30萬t為例，航道水深為22.5 m)的年淤強二者相差1.5倍左右。這主要是因為除含沙量差異以外，還有開挖水深與兩側(cè)淺灘之比以及水流的差異。

為更好地確定口門位置，2010年5月在現(xiàn)場進行了試挖槽回淤觀測(見圖3)。經(jīng)過2011年8月3日至2012年4月28日共269 d的回淤觀測(挖槽開挖水深約12.0 m)及現(xiàn)場實測回淤資料分析，發(fā)現(xiàn)航道的回淤隨著邊灘水深加大逐漸減小。3.0 m水深附近航槽淤積約2.5 m，5.0 m水深處淤積僅為1.0 m。這種淤積分布表明，在有波浪的天氣，波浪對3.0 m水深附近泥沙作用強烈，水體含沙量明顯增加，形成高強度的回淤。D6斷面有些偏高是由于受外段(即D7斷面以外)開挖施工影響。同時，還可以發(fā)現(xiàn)-3 m至-5 m處回淤曲線降低趨勢相對較快，而-5 m以外則相對平緩。這表明，由-3 m到-5 m航道回淤隨淺灘水深和離岸距離的加大而減小的趨勢明顯。因此，口門放在-5 m位置較為適宜。

3.2 口門寬度

港池口門最小寬度一般由口門航道航行安全和防波堤穩(wěn)定性要求等確定。對于徐圩港區(qū)而言，防波堤提前建設(shè)而港內(nèi)泊位后續(xù)發(fā)展建設(shè)，港內(nèi)納潮面積較大，導(dǎo)致口門進出潮量和潮流速則較大。圖5為數(shù)學(xué)模型模擬得到的口門寬度1 000 m時口門附近最大流速分布(時間為2005年9月大潮，潮差約3.70 m)。可見，口門附近最大流速在2.0 m/s以上。較強的集中水流對船舶航行和防波堤堤頭安全帶來威脅。因此，從安全角度認為初期方案口門寬度應(yīng)適當加大。張瑋等[1]曾對口門最大流速與港內(nèi)納潮面積和口門寬度(過水斷面)之間的關(guān)系進行了研究，認為它們之間存在良好的線性關(guān)系。通過數(shù)學(xué)模型試驗，發(fā)現(xiàn)口門寬度在1 200 m時，相同條件下口門附近最大流速在2.0 m/s以下，減小約20%[13]。經(jīng)過武漢理工大學(xué)船模航行試驗，證明能夠滿足安全航行要求。

圖5 港池口門最大流速分布(寬1 000 m)Fig.5 The maximum velocity distribution around the entrance (1，000 meters in width)

因此，對于初期的大環(huán)抱式港池方案，口門水流條件也是其需要考慮的因素。徐圩港區(qū)初期方案口門寬度建議不宜小于1 200 m。

3.3 口門布置形式

在港池口門位置和寬度大致確定的情況下，口門的布置形式對口門附近流態(tài)會產(chǎn)生影響，進而對口門附近航道船舶航行和碼頭靠泊產(chǎn)生影響。徐圩港區(qū)擬在口門附近六港池建設(shè)30萬t油碼頭，由于距離口門近，需要考慮船舶進出港和靠離泊安全。針對該問題，設(shè)計院在“平口”的基本方案基礎(chǔ)上提出了“八字型”口門布置的比較方案?，F(xiàn)采用數(shù)學(xué)模型對二者的流場進行了比較分析。

根據(jù)數(shù)學(xué)模型對流場的模擬(圖6)，港區(qū)附近漲落急流向與外航道貼合較好。漲急時，港內(nèi)口門附近水流強，港內(nèi)航道兩側(cè)存在對稱回流。西側(cè)回流相對較強，影響范圍較大；東側(cè)回流位于30萬t原油碼頭港池內(nèi)，港池底端水流較弱。落潮時，口門外側(cè)水流較強，西防波堤外側(cè)出現(xiàn)回流。與“平口”方案相比， “八字型”口門方案口內(nèi)漲潮回流強度稍弱，口門航道流態(tài)較好。因此，從口門航道船舶航行安全角度認為，“八字型”口門方案較優(yōu)。

(a) 漲 急

(b) 落 急圖6 “平口”與“八字型”口門方案漲落急流場Fig.6 Flow field of flood and ebb tides near the parallel-line-shaped and V-shaped entrances

4 港池、航道回淤預(yù)測

利用懸沙數(shù)學(xué)模型對港口工程實施后的港池、航道泥沙回淤進行了預(yù)測，結(jié)果見表1。徐圩港區(qū)30萬t航道外航道最大淤強為2.10～2.20 m/a，最大回淤區(qū)位于徐1-2段，往外回淤明顯減小?？陂T附近由于進出流影響，回淤不大。港內(nèi)原油碼頭泊位由于回流影響(圖6(a))，淤強約2.78～2.95 m/a，其他港池航道回淤均不大。從計算結(jié)果對比來看，“八字型”口門方案原油碼頭港池回淤相對較小，這也從另一方面說明“八字型”口門方案相對較優(yōu)。從流態(tài)圖可見，港池口門附近存在較強的漲潮回流，容易產(chǎn)生較大的泥沙回淤，口門附近也是港池內(nèi)含沙量相對較大的區(qū)域。因此，原油碼頭位置可以進行適當調(diào)整。

表1 徐圩港區(qū)港池、航道平均淤強Tab.1 Average siltation rate in basin and waterway of Xuwei port (m·a-1)

5 結(jié) 語

連云港徐圩港區(qū)30萬t航道和碼頭工程是典型淤泥質(zhì)海岸大型港口、航道工程。從水流泥沙角度，通過平面二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型結(jié)合現(xiàn)場實測資料對環(huán)抱式港池口門位置、寬度和布置形式進行了研究。結(jié)論認為，從減小泥沙回淤角度，港池口門應(yīng)布置在-5 m(破波區(qū))以外；為減小口門水流強度，初期方案口門不宜過窄；同時考慮到口門航道船舶航行和近口門泊位靠離泊安全，建議采用“八字型”口門方案。同時為避免受口門附近回流和泥沙回淤影響，大噸位泊位可盡量遠離口門，在開挖量和維護量之間找到平衡。

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