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    天津港30萬噸級航道建成后港區(qū)泥沙回淤分析

    2018-05-10 09:16:31劉維利溫春鵬
    水道港口 2018年2期
    關(guān)鍵詞:港口

    劉維利,溫春鵬

    (1.天津港(集團(tuán))有限公司,天津 300456;2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室 工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300456)

    天津港地處渤海灣西端,位于環(huán)渤海地區(qū)港群的中心位置,連接?xùn)|北亞與中西亞,是京津冀的海上門戶,是新亞歐大陸橋重要節(jié)點(diǎn)、21世紀(jì)海上絲綢之路戰(zhàn)略支點(diǎn)。天津港是建立在淤泥質(zhì)淺灘上的港口,在其發(fā)展歷程中,泥沙的淤積問題曾經(jīng)是制約天津港發(fā)展的因素,經(jīng)過幾代人的共同努力,隨著港口深水化、專業(yè)化戰(zhàn)略的實(shí)施,天津港由嚴(yán)重淤積型港口逐漸轉(zhuǎn)變成為了目前的輕淤型港口,港口的吞吐量也從原先的幾百萬噸上升至數(shù)億噸。

    為了配合深水化建設(shè),天津港航道等級也在不斷的提升,相繼完成了10萬t級、15萬t級、25萬t級航道工程的建設(shè),水深由-13.9 m增加到-19.5 m。目前,天津港30萬t級航道工程也已經(jīng)竣工,30萬t級船舶可自由進(jìn)出港口,天津港已成為世界一流的人工深水港。

    天津港以往的泥沙研究[1-8]較多,而30萬t級航道建成后的研究相對較少,泥沙淤積仍然是港口關(guān)心的主要問題,為保證航道的通航要求,天津港每年都要對航道進(jìn)行維護(hù)疏浚,而掌握港口的回淤狀況和規(guī)律,不僅與港口的維護(hù)疏浚費(fèi)用直接相關(guān),而且對港口的建設(shè)與發(fā)展十分重要,由于天津港泥沙淤積問題十分復(fù)雜,與水文特征、泥沙特性、港口邊界等多種因素有關(guān),因此,本文將從以上幾方面展開分析,分析論述天津港30萬t級航道條件下的泥沙淤積規(guī)律,以期為天津港每年度的維護(hù)疏浚計(jì)劃的制定提供依據(jù)。

    1 港口現(xiàn)狀

    天津港是中國最大的人工港,港區(qū)面積近300 km2,其中陸域面積107 km2。港區(qū)共有各類泊位143個(gè),碼頭岸線長31 366 m,設(shè)計(jì)通過能力3.690 8億t泊位。根據(jù)已批復(fù)的《天津港總體規(guī)劃》,天津港將形成“一港八區(qū)”的空間格局,即形成北疆、東疆、南疆、大沽口、高沙嶺、大港、海河和北塘八個(gè)港區(qū)。其中,30萬t級航道所處的北疆港區(qū)以集裝箱干、支線運(yùn)輸為主,兼顧鋼鐵、糧食、商品汽車等貨類運(yùn)輸?shù)拇笮途C合性港區(qū)。依托天津港保稅區(qū)、北疆集裝箱物流中心,發(fā)展現(xiàn)代物流、保稅倉儲、金融商貿(mào)、航運(yùn)服務(wù)等功能。

    天津港主航道于1952年開通,為單向航道,航道底寬60 m,設(shè)計(jì)底標(biāo)高-6.5 m,經(jīng)過多年的發(fā)展,相繼完成了10萬t級、15萬t級、25萬t級航道工程的建設(shè),目前,天津港30萬t級航道也已竣工驗(yàn)收,航道長度47.5 km:航道里程12+200~36+000段,設(shè)計(jì)底標(biāo)高-22.0 m,通航底標(biāo)高-21.4 m,航道有效寬度397 m;航道里程36+000以外段,設(shè)計(jì)底標(biāo)高-22.0 m,通航底標(biāo)高-21.4 m,航道有效寬度為320 m。在主航道兩側(cè)建有萬t級小航道(航道里程15+0~22+5附近),寬度100 m,設(shè)計(jì)底標(biāo)高-9 m,大小船分道航行,互不干擾。

    圖1 天津港航道現(xiàn)狀平面圖Fig.1 Sketch of navigational channel in Tianjin Port

    2 港區(qū)水文泥沙條件

    2.1 潮流

    天津港水域在各個(gè)不同階段進(jìn)行過多次的水文觀測,根據(jù)觀測資料也可以發(fā)現(xiàn),各個(gè)階段的潮流特征并未出現(xiàn)明顯的變化:(1)天津港潮波具有明顯的駐波特征,即在高、低平潮時(shí)流向轉(zhuǎn)折,流速最大時(shí)刻出現(xiàn)在中潮位附近。(2)天津港海域潮流運(yùn)動基本呈現(xiàn)往復(fù)流特征,外部漲潮主流向WNW,落潮主流向ESE,近岸時(shí),受港口建筑物的影響,水流呈現(xiàn)沿岸或建筑物邊緣流動,港內(nèi)流速受邊界的控制,形成口門段流速最大,越向港內(nèi)流速越小。整體來看,天津港海域的流速呈現(xiàn)近岸小、外海大的分布趨勢,另外,本海域各個(gè)位置的流速均呈現(xiàn)漲潮流速大于落潮流速的特征,最大流速可達(dá)1 m以上。

    2-a 漲潮情況 2-b 落潮情況圖2 天津港流場模擬情況Fig.2 Simulation of the flow field in Tianjin Port

    2.2 波浪

    圖3 天津港海域風(fēng)浪玫瑰圖Fig.3 Wind and wave rose illustration of Tianjin Port area

    天津港海域波浪由純風(fēng)浪和混合浪組成,且大風(fēng)時(shí)產(chǎn)生大波浪的主要因素,風(fēng)浪為海區(qū)的主導(dǎo)波浪。由于海域波浪以風(fēng)浪為主,變化特征與風(fēng)場變化對應(yīng),因此,波浪特征具有明顯的季節(jié)性變化:春季(3~5月)風(fēng)浪多來自NE—E向,為強(qiáng)浪季;夏季(6~8月)風(fēng)力小、波浪偏小,為弱浪季;秋季(9~11月)為過渡性季節(jié),大浪多來自NW—E向,NW向?yàn)樽顝?qiáng);冬季(12~2月)波浪主要來自NW向。對于天津港地區(qū)而言,NW—NNW向?yàn)轫槹都半x岸向,對港區(qū)影響相對較小,而ENE—E向是產(chǎn)生泥沙運(yùn)動較為強(qiáng)烈的主要浪向,在此影響下天津港的淤積現(xiàn)象也最為嚴(yán)重。

    2.3 水體含沙量

    天津港海域泥沙的運(yùn)動形式主要是以懸沙輸移為主,在波浪和潮流的共同作用下,灘面泥沙被起動懸揚(yáng),在水流的帶動下運(yùn)移到開挖水域,隨著流速的降低,部分泥沙開始逐漸落淤,即通常所說的“波浪掀沙,潮流輸沙”。由此來看,水體中含沙量的大小直接關(guān)系到港區(qū)的淤積情況,因此,了解含沙量的大小和分布情況,對于掌握泥沙淤積規(guī)律至關(guān)重要。

    天津港所處海域的含沙量縱向分布呈現(xiàn)由岸向海逐漸增大的規(guī)律,-2 m等深線含沙量在0.1~0.2 kg/m3之間,-5 m等深線處含沙量在0.1 kg/m3左右,再向外含沙量逐漸降低,整體來看海區(qū)在小風(fēng)天時(shí)的含沙量相對較低,較高的含沙水域主要是集中在破波帶以內(nèi)。

    對于天津港港區(qū)來看,含沙量分布口門外大于港內(nèi),且港內(nèi)以遠(yuǎn)離口門的港池內(nèi)端含沙量最小,口門以外的平均含沙量約為0.1 kg/m3,港內(nèi)的含沙量在0.01~0.06 kg/m3之間,漲、落潮時(shí)的含沙量在平面分布上基本相同,但在數(shù)值上漲潮略大于落潮。

    2.4 底質(zhì)情況

    從實(shí)測資料來看,天津港的底質(zhì)情況有以下特征:

    (1)本海域表層沉積主要是以粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土為主,粘土含量平均為32.9%。

    (2)該海域的沉積物粒徑偏細(xì),中值粒徑在0.005 4~0.007 8 mm之間,平均為0.006 2 mm,粒徑級差小,變化幅度不大:從橫向分布看,天津港的底質(zhì)泥沙基本呈現(xiàn)出港內(nèi)泥沙較細(xì),口門至外海由粗到細(xì)的分布規(guī)律;從縱向分布看,沉積物粒徑最細(xì)的區(qū)域分布在主航道以北,分布面積較大,另外在靠近錨地區(qū)航道以南也有大面積的分布;大于0.007 mm粒徑的區(qū)域南側(cè)多于北側(cè);從時(shí)間分布看,夏季為小風(fēng)浪季節(jié)粒徑較細(xì),冬季為強(qiáng)風(fēng)浪季節(jié)泥沙粒徑較粗,這與含沙量的變化也是相應(yīng)的。

    (3)本區(qū)沉積物分選系數(shù)在1.06~2.39之間變化,屬于分選程度中常范疇。

    圖4 底質(zhì)情況示意圖Fig.4 Sketch of sediment condition

    2.5 泥沙來源

    建閘前,海河口多年平均入海沙量428萬t,這些泥沙是影響河口沖淤變化的主要來源,但在1958年河口建閘后,隨著上游下泄徑流的日趨銳減,入海泥沙越來越少。據(jù)1958~1995年資料統(tǒng)計(jì)[9],多年平均入海沙量僅為10萬t,呈逐年遞減的趨勢,特別是在1980年以后,河口下泄徑流量和泥沙量幾乎接近于0,因此入海泥沙已不是該海區(qū)泥沙的主要來源。

    海河口淺灘上的細(xì)顆粒泥沙被風(fēng)浪掀起,并在潮流作用下有規(guī)律的沖蝕輸移淺灘的泥沙,使懸揚(yáng)起來的泥沙隨漲落潮在河口區(qū)來回運(yùn)移、沉積或沖刷,這是該海區(qū)泥沙運(yùn)動的主要形式。根據(jù)懸沙遙感分析,含沙量相對較高的區(qū)域主要集中的近岸地區(qū),且懸沙運(yùn)動主要為淺灘水域的局部泥沙搬運(yùn),因此近岸淺灘泥沙的起動與搬運(yùn)成為海域泥沙主要來源。

    3 回淤泥沙的水力特性

    泥沙的物理特性以及水力特性是分析港口泥沙淤積的重要參數(shù),因此,弄清楚天津港淤積泥沙的基本特性可為分析天津港現(xiàn)狀情況下的淤積規(guī)律提供更加可靠、準(zhǔn)確的依據(jù)。

    泥沙水力特性包括泥沙的起動流速、沉降速度和密實(shí)情況等。

    (1)起動流速。泥沙的起動流速是泥沙運(yùn)動的重要參數(shù),泥沙起動流速是反映床面上泥沙由靜止?fàn)顟B(tài)到開始運(yùn)動、懸揚(yáng)的臨界水流條件,對于計(jì)算港池航道的淤積情況具有重要的意義。

    起動流速的測定一般在環(huán)形水槽或者長水槽中進(jìn)行,泥沙的起動與泥沙達(dá)到的濕容重、水深、波浪等諸多因素有關(guān),在測定過程中將綜合考慮這些因素,根據(jù)交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所在波流水槽內(nèi)進(jìn)行的泥沙起動試驗(yàn)結(jié)果(試驗(yàn)中采用的泥沙容重為1 400 kg/m3,水深為0.4 m),當(dāng)流速較小時(shí),水體中的含沙量極小,床面泥沙基本保持靜止?fàn)顟B(tài);隨著流速的不斷增大,床面部分泥沙發(fā)生運(yùn)動,含沙量數(shù)值有所增加;當(dāng)流速達(dá)到0.5 m/s時(shí),水體明顯變渾濁,水體含沙量明顯增大,之后隨著流速的增加,含沙量也持續(xù)加大,因此將0.5 m/s確定為泥沙的起動流速,轉(zhuǎn)換成摩阻流速為2.04 cm/s。

    (2)沉降速度。泥沙沉降是測點(diǎn)泥沙在水中的下沉速度,稱為沉降速度或簡稱沉速。泥沙在水流中的沉降速度受泥沙粒徑、含鹽度、含沙濃度、水體溫度等多種因素影響。為了能確切地反映在工程區(qū)域水流、含鹽度等自然狀態(tài)下的泥沙沉降速度,采用現(xiàn)場實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)的懸浮泥沙含量分析結(jié)果和工程區(qū)多年平均鹽度,在環(huán)形水槽內(nèi)展開泥沙動水沉降試驗(yàn),通過試驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn):泥沙沉速除了受本身特性控制外,還與周圍介質(zhì)條件(含沙量、流速等)有密切的關(guān)系:初始含沙量對沉速的影響較大,在一定范圍內(nèi)沉速與含沙量成正比,含沙量越大,沉降速度越大;另外,沉速也隨水流流速的變化而變化,流速越大,對泥沙沉降的阻力越大,泥沙沉速越小(表1)。

    表1 天津港港池航道回淤物沉降速度Tab.1 Settling velocity of sediment in the basins and channels of Tianjin Port cm/s

    注:初始條件為含鹽度30‰、溫度20℃

    圖5 航道回淤物密度變化情況Fig.5 Density variation of sediment in channel

    以往研究表明,細(xì)顆粒泥沙在靜水中沉降有兩種形式,一是泥沙屬于分散體系,每個(gè)顆粒在沉降過程中各自的沉速;另一種則是在含沙量達(dá)到一定程度后,呈現(xiàn)出一個(gè)明顯的清渾水交界面,清渾水交界面的沉降速度可分為3個(gè)階段:一是均勻沉降段、二是過渡沉降段、三是壓縮沉降段。均勻沉降段的沉降速度在航道回淤計(jì)算和疏浚挖泥中具有重要意義。一般來說,泥沙粒徑是影響密實(shí)速度的重要因素,粒徑越細(xì)密實(shí)越為緩慢,根據(jù)密實(shí)試驗(yàn)結(jié)果(密實(shí)筒高度3 m、含鹽度30‰、溫度20℃),利用天津港航道回淤物配置的初始容重為1 050 kg/m3的泥樣在密實(shí)60 d后平均容重可達(dá)到1 410 kg/m3。

    4 港區(qū)淤積情況分析

    目前天津港口門位置位于-5 m等深線,至此含沙量比較低,口門處年均含沙量約0.1 kg/m3。30萬t級航道工程實(shí)施后,根據(jù)實(shí)測水深數(shù)據(jù)以及數(shù)學(xué)模型對港池航道的淤積情況進(jìn)行了模擬和統(tǒng)計(jì)。

    圖6 30萬t級航道(12+0~47+5)沿程淤積強(qiáng)度分布情況Fig.6 Distribution of sediment thickness in 300,000 dwt waterway(12+0~47+5)

    首先,利用2016~2017年天津港實(shí)測水深圖提取出固定斷面的實(shí)測水深數(shù)據(jù),并計(jì)算各斷面的平均水深和各月份的水深變化情況,以此來統(tǒng)計(jì)分析港池、航道的淤積強(qiáng)度和淤積量,之后利用波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型對30萬t級航道條件下港區(qū)的淤積情況進(jìn)行了模擬,并與基于實(shí)測水深圖分析的淤積分布進(jìn)行對比,從而提高結(jié)果的準(zhǔn)確度。

    4.1 航道淤積情況

    (1)口門以里由于回流的存在,流速相比口門(位于航道里程16+0處)有所降低,30萬t級航道內(nèi)的落淤泥沙略有增多,該段最大年淤強(qiáng)位于航道里程15+0附近,約為0.72 m/a;港內(nèi)落淤的泥沙主要是外海漲潮流挾帶進(jìn)港,從口門向里,含沙量沿程落淤,隨流速和含沙量的逐漸減小,航道內(nèi)淤強(qiáng)呈遞減趨勢。

    (2)口門以外航道的主要淤積部位在16+0~25+0段,最大淤強(qiáng)位于航道里程18+0,約為0.75 m/a,沿航道里程向外,流速增加,含沙量減小,淤強(qiáng)分布也呈減小趨勢。

    總體來說,天津港航道主要淤積部位在12+0~25+0段;淤積分布呈雙峰型,口門內(nèi)外兩側(cè)淤強(qiáng)較大,然后沿航道向兩側(cè),淤強(qiáng)呈減小趨勢;航道12+0~47+5段最大淤強(qiáng)約為0.75 m/a,位于航道里程18+0處,總淤積量約433萬m3。

    (3)北側(cè)復(fù)式航道年平均淤強(qiáng)為0.35 m/a,淤積量為100萬m3;南側(cè)復(fù)式航道年平均淤強(qiáng)為0.30 m/a,淤積量為22萬m3;主航道0+0~12+2段,淤積量為96萬m3,北航道平均淤強(qiáng)為0.20 m/a,淤積量為69萬m3。

    表2 航道淤積情況匯總表Tab.2 Summary of the channel siltation

    4.2 港內(nèi)淤積情況

    (1)泥沙隨漲潮潮流進(jìn)入口門后,由于口門段回流的存在,流速降低,水中懸浮的部分泥沙開始落淤沉積,較細(xì)顆粒隨水流向港內(nèi)繼續(xù)運(yùn)動并不斷落淤;距離口門越遠(yuǎn),水體中剩余的泥沙含量就會越低,因此,離口門越遠(yuǎn)的區(qū)域淤強(qiáng)越小。

    式中:u為負(fù)荷轉(zhuǎn)移路徑需要的聯(lián)絡(luò)開關(guān)數(shù)量;k為此條轉(zhuǎn)移路徑的每一個(gè)聯(lián)絡(luò)開關(guān);Ck為此聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合所花費(fèi)的時(shí)間,Ck可以取標(biāo)幺值,其基礎(chǔ)量綱可根據(jù)實(shí)際設(shè)置。

    (2)北航道附近港池的淤積分布與主航道基本一致,但由于北航道處港池挖深較小、落淤率較低,漲潮時(shí)水流先進(jìn)入主航道再流入北航道,水體中挾帶的泥沙較主航道有所減少,因此,北航道處港池的淤積強(qiáng)度要略小于主航道處港池。

    (3)30萬t原油港池設(shè)計(jì)水深21 m,與航道水深相近,位置處于航道里程14+0南側(cè),最為靠近口門,因此,在所有港池中淤積最重,年平均淤強(qiáng)為0.81 m/a,沿口門向里淤強(qiáng)逐漸降低,到達(dá)一港池處淤強(qiáng)降為0.10 m/a。

    天津港港池泊位總面積756.3萬m2,淤積量為259萬m3。

    4.3 影響淤積的主要因素

    天津港是建立在淤泥質(zhì)淺灘上的港口,懸沙落淤是港口淤積的主要形式,一般來說,以懸沙落淤為主的港口,回淤強(qiáng)度與進(jìn)港水體的含沙量、港池航道的開挖水深、港內(nèi)未開發(fā)利用的淺灘水域面積以及一些工程建設(shè)有關(guān)。目前,天津港未有大規(guī)模的工程建設(shè),防波堤及碼頭岸線已基本固定,水動力和泥沙環(huán)境也基本穩(wěn)定,因此,造成直接影響的主要因素如下:

    (1)進(jìn)港水體含沙量。天津港整體上屬于雙堤環(huán)抱式港區(qū),對于這種港區(qū)來說,進(jìn)港水體的含沙量越大港內(nèi)的淤積情況就越為嚴(yán)重,而水體的含沙量數(shù)值又與風(fēng)浪的強(qiáng)弱、時(shí)長成正比關(guān)系,因此在大風(fēng)期間,水體含沙量明顯升高,港內(nèi)的淤積也明顯增大。另外,含沙量的平面分布特征也直接決定了港內(nèi)泥沙的淤積分布特征,港內(nèi)泥沙主要是漲潮流帶入的,隨著泥沙的不斷落淤,水體含沙量沿程逐漸減小,距離口門越遠(yuǎn)的區(qū)域淤積就越小。

    (2)疏浚工程。天津港每年都會對港區(qū)進(jìn)行維護(hù)疏浚施工,挖泥船在施工過程中,由于機(jī)械的擾動等因素,導(dǎo)致底床大量泥沙被起動懸揚(yáng),使得施工區(qū)附近的水體含沙量明顯增高,當(dāng)這部分泥沙運(yùn)移到掩護(hù)區(qū)域時(shí)會逐漸落淤,直接影響其他區(qū)域的淤積情況,另外航道維護(hù)中采用的耙吸挖泥船在施工過程中有一道溢流工序,盡管溢出的是含泥沙濃度稍低的泥漿,但因溢流流量大,也會對四周水域造成二次回淤。

    5 結(jié)論

    通過對天津港海域水文泥沙環(huán)境以及港區(qū)回淤泥沙水力特性的分析,并結(jié)合實(shí)測水深數(shù)據(jù)以及數(shù)學(xué)模型計(jì)算,對天津港30萬t級航道條件下的港區(qū)淤積情況進(jìn)行了綜合分析,得到以下結(jié)論:(1)天津港海域泥沙的運(yùn)動形式主要是以懸沙輸移為主,在波浪和潮流的共同作用下,灘面泥沙被起動懸揚(yáng),運(yùn)移到開挖水域時(shí),隨著流速的降低,部分泥沙開始逐漸落淤,這是造成港區(qū)淤積的主要泥沙來源和原因。(2)港池航道回淤物的整體規(guī)律表現(xiàn)為港內(nèi)泥沙較細(xì),口門至外海由粗到細(xì)的分布規(guī)律,且回淤物主要是以粘土質(zhì)粉砂和粉砂質(zhì)粘土為主。(3)天津港航道主要淤積部位在12+0~25+0段;淤積分布呈雙峰型,口門內(nèi)外兩側(cè)淤強(qiáng)較大,然后沿航道向兩側(cè),淤強(qiáng)呈減小趨勢。(4)泥沙隨漲潮潮流進(jìn)入口門后,隨著流速的降低開始落淤沉積,因此港內(nèi)的淤積分布表現(xiàn)為距離口門越遠(yuǎn)的區(qū)域淤強(qiáng)越小。(5)進(jìn)港含沙量的大小以及疏浚工程將會對天津港港池航道的淤積產(chǎn)生直接影響。

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