通州灣港區(qū)一、二港池口門(mén)布置及減淤措施

黃 磊，劉碧榮

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

通州灣港區(qū)一、二港池口門(mén)布置及減淤措施

黃 磊，劉碧榮

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032）

通州灣港區(qū)起步工程通過(guò)圍填腰沙西側(cè)近岸區(qū)域，開(kāi)挖灘面形成一港池和二港池，呈U形。起步區(qū)支航道沿程具有粉沙質(zhì)海岸特征，在當(dāng)?shù)爻绷骷安ɡ俗饔孟?，海床泥沙活?dòng)性較強(qiáng)，大風(fēng)天航道易形成驟淤，可能影響大風(fēng)浪過(guò)后的船舶進(jìn)出港。通過(guò)對(duì)口門(mén)不同布置方案的研究比選，認(rèn)為八字形方案可以較好地改善航行條件，減少口門(mén)段淤積。

粉沙質(zhì)海岸；防沙導(dǎo)流堤；橫流；減淤措施

0 引言

南通港通州灣港區(qū)位于南通港現(xiàn)有的呂四和洋口兩個(gè)沿海港區(qū)之間，小廟洪水道北側(cè)。根據(jù)港區(qū)總體規(guī)劃[1]，港區(qū)分為南北兩部分，共5個(gè)港池，岸線總長(zhǎng)度 52.7 km，港區(qū)總填筑面積約75.23 km2，其中南部港區(qū)一、二港池主要建設(shè)5萬(wàn)噸級(jí)以下泊位，北部港區(qū)主要用于建設(shè)10萬(wàn)噸級(jí)以上泊位。港區(qū)起步區(qū)為南部港區(qū)，起步區(qū)支航道沿程具有粉沙質(zhì)海岸特征，在當(dāng)?shù)爻绷骷安ɡ俗饔孟?，海床泥沙活?dòng)性較強(qiáng)，鑒于港池口門(mén)處在淺灘附近，在大風(fēng)天波浪掀沙后，破波帶區(qū)域水體泥沙沿圍填線前沿輸移至口門(mén)支航道易形成驟淤，可能影響大風(fēng)浪過(guò)后的船舶進(jìn)出港和增加疏浚維護(hù)量，因此有必要通過(guò)港池口門(mén)防沙導(dǎo)流堤建設(shè)減少泥沙淤積影響。

本文提出了4種口門(mén)防沙導(dǎo)流堤布置形式，并對(duì)其進(jìn)行研究比選，為港池口門(mén)布置提供依據(jù)。

1 工程概況

港區(qū)起步工程平面形態(tài)見(jiàn)圖1。在腰沙西部高程+2.0耀+3.5 m灘面處開(kāi)挖港池及航道，開(kāi)挖底標(biāo)高-11.5 m（理論最低潮面，下同），形成2個(gè)U形港池，港池均呈南北走向，一港池形成水域面積2.83 km2，二港池形成水域面積4.07 km2。

從呂四上延航道開(kāi)挖形成2個(gè)港池的進(jìn)港支航道：一港池支航道、二港池支航道總長(zhǎng)分別為3.6 km、1.7 km，底標(biāo)高均為-11.3 m，寬度為165耀190 m?？陂T(mén)兩側(cè)布置防沙導(dǎo)流堤。

圖1 通州灣港區(qū)總體規(guī)劃圖Fig.1 General planning of Tongzhou Bay Port

2 自然條件

2.1 潮汐

小廟洪水道主要受東海前進(jìn)波控制。潮汐性質(zhì)屬正規(guī)半日潮。工程區(qū)設(shè)計(jì)水位如下：

設(shè)計(jì)高水位：5.86 m（高潮累積頻率10%）；

設(shè)計(jì)低水位：0.47 m（低潮累積頻率90%）；

極端高水位：8.13 m（50 a一遇高水位）；

極端低水位：-0.53 m（50 a一遇低水位）。

2.2 波浪

通州灣海域外海以E—NE向浪較大，但受近岸冷家沙、腰沙—烏龍沙及橫沙等水下沙洲的影響，波浪傳播到起步工程海域后已顯著降低，起步工程區(qū)域設(shè)計(jì)高水位下50 a一遇H4%波高均不超過(guò)2.4 m；受小廟洪尾部深槽走向的影響，工程區(qū) SE向波浪的掩護(hù)較差，可沿深槽向內(nèi)傳播，起步工程支航道及口門(mén)處SE向浪略大于NE向浪；各方向2 a一遇重現(xiàn)期波高均不超過(guò)2 m。因SE向浪相對(duì)較弱，各設(shè)計(jì)水位下港池圍堤前沿各重現(xiàn)期大浪的破波區(qū)局限在0 m以淺的海域，這為港池口門(mén)處布置防沙導(dǎo)流堤，減少泥沙驟淤影響提供了較有利環(huán)境[2-3]。

2.3 潮流

小廟洪尾部水道中各測(cè)點(diǎn)水流均以往復(fù)流為主，深槽區(qū)大潮垂線平均最大流速基本都在1.2 m/s以上，最大可達(dá)1.5 m/s。靠近深槽北岸擬建港池口門(mén)處淺水區(qū)流速明顯小于深槽區(qū)，大潮最大流速基本不超過(guò)1 m/s。

2.4 底質(zhì)特征

小廟洪尾部深槽南岸略細(xì)，中值粒徑一般在0.1 mm以下，粒徑小于0.004 mm的顆粒含沙量一般在5%耀15%；擬建起步工程附近粒徑整體在0.1 mm以上，黏粒含量一般不超過(guò)5%。高程在4 m以上的腰沙高灘上，底質(zhì)也相對(duì)較細(xì)，中值粒徑一般在0.1 mm以下，但黏粒含量沒(méi)有明顯增多。工程區(qū)域底質(zhì)具有粉沙質(zhì)海岸特征。

2.5 懸沙特征

正常天氣條件，高含沙量均出現(xiàn)在高流速時(shí)刻后1耀3 h，垂線平均最大含沙量可達(dá)0.2耀0.3 kg/m3，靠近小廟洪尾部可達(dá)0.4 kg/m3以上，垂線平均含沙量基本都小于0.2 kg/m3。大潮階段因潮流增強(qiáng)，含沙量和懸沙粒徑相應(yīng)增大，泥沙活動(dòng)較多，是地形塑造的主要時(shí)段。

3 防沙導(dǎo)流堤布置方案

在U形平面布置基礎(chǔ)上，結(jié)合波浪、潮流、地形、進(jìn)港航道邊線等條件，為減小航道口門(mén)段的泥沙淤積，提出了4種防沙導(dǎo)流堤方案[4]，4種方案口門(mén)布置分別見(jiàn)圖2耀圖5。其中方案一口門(mén)東、西兩側(cè)均有防沙導(dǎo)流堤，防沙導(dǎo)流堤與圍填線斜交，伸出圍填線400 m左右，至水深原1耀原2 m處，防沙導(dǎo)流堤初步考慮出水堤布置，堤頂高程+5.5 m。方案二防沙導(dǎo)流堤順圍填線，將口門(mén)寬度束窄。方案三西側(cè)擋沙堤順圍填線，東側(cè)斜向伸出400 m左右，至水深原1耀原2 m處。方案四兩側(cè)均不建防沙導(dǎo)流堤。

圖2 口門(mén)布置方案一Fig.2 The first layout plan of basin entrance

圖3 口門(mén)布置方案二Fig.3 The second layout plan of basin entrance

圖4 口門(mén)布置方案三Fig.4 The third layout plan of basin entrance

圖5 口門(mén)布置方案四Fig.5 The fourth layout plan of basin entrance

4 布置方案比較

本文主要從口門(mén)區(qū)域流態(tài)、橫流大小、泥沙淤積3個(gè)方面對(duì)4個(gè)方案進(jìn)行綜合比選。

4.1 工程區(qū)流態(tài)對(duì)比

工程區(qū)附近水流主要表現(xiàn)為往復(fù)流，水道中流速較大，港池底部流速較??；深槽中流速較大，淺灘處流速較小；漲急時(shí)港內(nèi)均出現(xiàn)明顯的回流區(qū)。潮流數(shù)學(xué)模型研究表明，起步工程建設(shè)所引起的整體流場(chǎng)影響主要集中在中高潮位時(shí)對(duì)腰沙根部南、北側(cè)水流及高潮位時(shí)東西向水流有一定阻水作用，對(duì)南北兩側(cè)的小廟洪水道尾部和三沙洪水道的影響較小。4種方案的防波擋沙堤對(duì)整體流場(chǎng)的影響均較小，各方案所引起的流場(chǎng)變化主要集中在支航道區(qū)域。不建防沙導(dǎo)流堤（方案四）和沿圍填線建防沙堤后，水流相對(duì)較為平順，以近東西走向的往復(fù)流為主；而布置斜向防沙導(dǎo)流堤的方案一和方案三中，防沙堤掩護(hù)段流速減小，而堤頭處受挑流影響則流速有所增大，但總體而言各方案下支航道最大流速基本控制在1.0 m/s以?xún)?nèi)。

4.2 支航道橫流對(duì)比

方案一、方案三防沙導(dǎo)流堤與圍墾線斜交布置，由于堤頭挑流，在口門(mén)形成回流，口門(mén)區(qū)段航道橫流相對(duì)方案二、方案四略大一些。各方案支航道最大橫流均發(fā)生在航道折向港池起始段附近。從各方案所引起的流場(chǎng)變化、特征點(diǎn)流速流向及橫流情況看（見(jiàn)表 1），各方案引起的港池口門(mén)流態(tài)影響基本局限于小廟洪尾部深槽北側(cè)-5 m以淺區(qū)域，且各方案引起的流場(chǎng)變化無(wú)本質(zhì)區(qū)別。防沙導(dǎo)流堤伸至水深-1 m后，航道口門(mén)處雖然漲潮時(shí)存在一定回流，但不影響船舶進(jìn)港。

表1 各方案支航道橫流特征值Table 1 Cross flow characteristic value of sub channel of each layout plan m·s-1

4.3 泥沙淤積對(duì)比

各方案支航道-3 m以深區(qū)段的回淤?gòu)?qiáng)度基本一致，隨著水深變淺和挖深加大，航道回淤?gòu)?qiáng)度也逐步增大；各方案航道回淤差異主要集中在-3 m以淺區(qū)段及港池區(qū)域，最大回淤部位各不相同，方案一最大淤積發(fā)生在-1 m水深處的防沙堤口門(mén)附近；方案二發(fā)生在順南圍堤線布置的防沙堤口外側(cè)，受東西兩側(cè)淺灘破波帶泥沙輸運(yùn)的影響；方案三與方案一相比較，東側(cè)防沙堤位置規(guī)模均一致，最大淤積強(qiáng)度較方案一無(wú)明顯變化，但最大淤積區(qū)發(fā)生在-1 m處及港池口門(mén)附近，形成較為明顯的雙峰淤積分布；方案四由于無(wú)任何遮擋，受破波帶高濃度含沙水體的影響更為直接，泥沙在跨越支航道時(shí)形成落淤，還可直接自圍堤拐角處進(jìn)入港池內(nèi)。

潮流波浪泥沙物模實(shí)驗(yàn)[5]結(jié)果表明：建設(shè)突出圍堤線的防沙堤，可明顯減少支航道及港池泥沙淤積，采用方案一，港池及支航道淤積總量最小，正常天氣下支航道強(qiáng)淤積段年平均淤積強(qiáng)度不超過(guò)1.4 m，2 a一遇大浪作用2 d情況下驟淤?gòu)?qiáng)度不超過(guò)1.28 m。方案二采用縮窄港池口門(mén)的方案，正常天氣下支航道強(qiáng)淤積段年平均淤積強(qiáng)度達(dá)2.2 m，2 a一遇大浪作用2 d情況下驟淤?gòu)?qiáng)度達(dá)2.05 m。方案四不建防沙堤，正常天氣下支航道強(qiáng)淤積段年平均淤積強(qiáng)度達(dá)2.30 m，2 a一遇大浪作用2 d情況下驟淤?gòu)?qiáng)度達(dá)2.26 m，各方案口門(mén)淤積峰值分布見(jiàn)圖6耀圖9。

圖6 一港池各方案口門(mén)淤積分布（正常天氣條件）Fig.6 Siltation distribution of sub channel in basin 1（normal weather condition）

圖7 二港池各方案口門(mén)淤積分布（正常天氣條件）Fig.7 Siltation distribution of sub channel in basin 2（normal weather condition）

圖8 一港池各方案口門(mén)淤積分布（2 a一遇大浪作用）Fig.8 Siltation distribution of sub channel in basin 1（wave effection in 2 years）

圖9 二港池各方案口門(mén)淤積分布（2 a一遇大浪作用）Fig.9 Siltation distribution of sub channel in basin 2（wave effection in 2 years）

大風(fēng)浪天氣條件下，港池口門(mén)不建（方案四）或僅建設(shè)與沿圍填線的防沙堤（方案二）無(wú)法阻止破波帶內(nèi)泥沙輸運(yùn)至港池口門(mén)附近支航道，該工況下一次大浪過(guò)程引起的航道淤積強(qiáng)度和淤積量是建設(shè)伸至破波帶以外防沙導(dǎo)流堤（方案一）的2倍。因此，有必要在港池口門(mén)布置防沙導(dǎo)流堤，且堤頭位置應(yīng)處于破波帶以外。

4.4 推薦方案

綜上所述，4種方案在港池流態(tài)、支航道橫流、防沙效果上各有優(yōu)缺點(diǎn)。從流態(tài)上看，方案二和方案四相對(duì)較優(yōu)；從防沙效果來(lái)看，方案一最好。由于各方案支航道最大橫流在0.50耀0.66 m/s之間，且出現(xiàn)在漲急時(shí)刻，持續(xù)時(shí)間較短，設(shè)計(jì)上通過(guò)加寬航道，營(yíng)運(yùn)上加強(qiáng)管理，船舶正常航行基本不受影響，綜合各方案比較結(jié)果，推薦方案一。

5 防淤減淤措施

根據(jù)水動(dòng)力泥沙環(huán)境特征，本工程防淤減淤措施主要為布設(shè)防沙導(dǎo)流堤、支航道預(yù)留備淤深度、擴(kuò)大疏浚范圍減少支航道兩側(cè)淺灘供沙。

根據(jù)試驗(yàn)反映堤頭布置位置對(duì)支航道淤積分布較為關(guān)鍵，防沙導(dǎo)流堤堤頭口門(mén)附近淤積強(qiáng)度較大。結(jié)合工程海域周邊類(lèi)似工程建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[6-7]，在口門(mén)布置方案一基礎(chǔ)上，采用潛堤與出水堤相結(jié)合的方式布置，即將原出水堤方案0~-1 m段高程由+5 m降低至+2 m，潛堤高出原始海床2耀3 m，并將東側(cè)防沙導(dǎo)流堤堤頭位置東移，使之與二港池東側(cè)共線。

對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果表明，采用出水堤與潛堤結(jié)合布置的防沙導(dǎo)流堤形式后，有利于改善堤頭位置局部水流條件，減輕堤頭的局部沖刷狀況，雖對(duì)減小淤積量的作用并不顯著，但使口門(mén)附近的泥沙分布更為均勻，更有利于航道的維護(hù)與運(yùn)營(yíng)；口門(mén)東側(cè)防沙導(dǎo)流堤堤頭東移后，將減輕堤頭挑流對(duì)支航道的影響，局部沖刷對(duì)航道邊坡的影響也會(huì)有所減弱。

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)水文泥沙觀測(cè)和前期研究表明，潮流是工程海域?yàn)┎鄹窬值闹鲗?dǎo)動(dòng)力，口門(mén)外深槽潮流以順岸往復(fù)流為主，與規(guī)劃的支航道（港池至主航道段）近于垂直，且該區(qū)域底質(zhì)為活動(dòng)性較強(qiáng)的粉沙和細(xì)沙，因此，支航道橫流對(duì)通航的影響及支航道泥沙回淤是航道開(kāi)發(fā)中值得重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

本文針對(duì)起步工程區(qū)的水流、波浪、泥沙特征提出了4種口門(mén)布置方案，通過(guò)數(shù)模、物模手段對(duì)各方案的橫流條件、防淤減淤效果進(jìn)行分析比較，提出科學(xué)合理的方案，為類(lèi)似工程的實(shí)施提供借鑒。

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Entrance layout and sedimentation reduction measures of the first and second basin in Tongzhou Bay Port

HUANG Lei,LIU Bi-rong
（CCCC Third Harbor Consultants Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China）

Through reclamation of the offshore area at the west side of Yaosha,the beach was excavated to form the first and second basins as U-shape in Tongzhou Bay Port's initial project.Initial area branch of the channel along the way with fine sand coast features,under local currents and waves,seabed sediment activity strong,channel easy to form sudden siltation in windy days,may influence the ship in and out after the storm.Through the research and comparison of different entrance layout schemes,we considered that the splayed layout plan can improve the navigation conditions,reduce entrance siltation.

fine sandy coast;sand diversion dike;cross flow;sedimentation reduction measures

U617.6

A

2095-7874（2017）04-0029-06

10.7640/zggwjs201704008

2017-02-27

2017-03-20

黃磊（1982— ），男，浙江嵊泗人，碩士，高級(jí)工程師，從事港口規(guī)劃及設(shè)計(jì)工作。E-mail：huangl@theidi.com