曹妃甸建港前后深槽穩(wěn)定性及沖淤原因分析

董 陽，孫 輝

(天津水運工程勘察設(shè)計院 天津市水運工程測繪技術(shù)重點實驗室，天津 300456)

曹妃甸地區(qū)地處唐山市南部沿海，位于渤海灣中樞地段。曹妃甸甸頭向前延伸500 m，水深即達25 m，甸前深槽水深36 m，為渤海最低點；“面向大海有深槽，背靠陸地有淺灘”的地質(zhì)條件，使其成為天然建港良址。2003年3月，曹妃甸通島公路開始建設(shè)，標志著曹妃甸大港建設(shè)正式拉開序幕。隨后，2004～2014年間，曹妃甸進行快速建設(shè)期，曹妃甸圍墾造路大部分已經(jīng)完成，礦石碼頭、原油碼頭以及LNG碼頭等相繼建成，且一、二港池疏浚大部分已經(jīng)完成。曹妃甸深槽形成的深水岸線是港區(qū)發(fā)展的核心資源，且深槽的穩(wěn)定性是影響港區(qū)發(fā)展和今后開發(fā)利用的關(guān)鍵問題，因此密切關(guān)注深槽變化，不僅可為曹妃甸深水大港規(guī)劃與建設(shè)提供科學依據(jù)，還對于提高我國深水港建設(shè)及航道治理技術(shù)水平，以及沿海潮汐深槽的保護開發(fā)利用都具有重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 深槽動力形成機制[1]

曹妃甸近岸海區(qū)位于渤海灣與遼東灣交界過渡地帶，海岸與海底地貌類型復(fù)雜。大清河口～南堡岸段內(nèi)側(cè)大陸岸線為沿灤河古三角洲前沿發(fā)育的沖積海積平原，地勢低平，海拔1～3 m，沿岸多荒灘地和鹽場；外側(cè)是曹妃甸、腰坨、蛤坨和東坑坨等沙島構(gòu)成的沙質(zhì)島嶼岸線[2]，與大陸岸線走向基本一致；沙島與陸岸之間則發(fā)育有瀉湖灣和大片潮灘，沙島間還有潮汐通道深槽發(fā)育。該岸段發(fā)育有兩個相對獨立的海岸動力地貌體系，其中大堤南側(cè)的甸南深槽地貌體系主要由曹妃甸沙島及其前沿深槽組成；大堤北側(cè)為老龍溝離岸沙壩-瀉湖海岸體系，主要由蛤坨、東坑坨等離岸沙壩、老龍溝瀉湖灣、通道深槽與攔門沙等地貌單元組成。見圖1所示。

無論是漲潮還是落潮期間，老龍溝海區(qū)均具有通道深槽和潮溝處流速較大，岸灘附近與外海流速稍弱的分布規(guī)律。甸南深槽和老龍溝通道兩個深槽水域均為本海域的潮流動力最強區(qū)，潮流是塑造和維持深槽水深的主要動力[3](圖2)。但引起兩者局部潮流增大的主要原因，即動力形成機制有著明顯的差異。其中曹妃甸岬角地貌引起的局部潮流增大是甸南深槽形成的主要動力條件，而漫灘水流歸槽和狹窄口門束水作用導(dǎo)致流速增大則是維持老龍溝通道深槽水深的主要動力。

圖1 曹妃甸甸南深槽與老龍溝海岸地貌體系示意圖Fig.1 Schematic map of geomorphology system of Dian-south deep groove and Lao-long-gou of Caofeidian圖2 2005年3月14～15日水文全潮流速矢量Fig.2 Flow velocity vector of 14～15 March 2005

2 建港前灘槽大范圍沖淤變化特征

1934～1936年至1983年期間[4]，曹妃甸工程區(qū)水域水深地形多年來呈現(xiàn)為基本平衡、略有沖刷的狀況。該海域20 m等深線深槽范圍普遍擴大，30 m等深線深槽范圍有所擴大，甸頭附近深槽由東向西有所移動，但甸頭附近水深基本保持不變。

1996～2006年間(圖3)，本海區(qū)離岸沙壩外側(cè)海區(qū)整體上以沖刷態(tài)勢為主，等深線不斷向陸蝕退，其蝕退速率有甸西海區(qū)大于甸東海區(qū)的變化規(guī)律，海床平均刷深則多在1～2 m之間。值得注意的是，緊鄰曹妃甸碼頭西側(cè)的局部海區(qū)，有面積約5 km2的水域海床平均刷深可達5～10 m，其主要原因和此處進行港池開挖和碼頭圍填有關(guān)。

圖3 曹妃甸海區(qū)1996和2006年等深線對比Fig.3 Comparison of isobaths between 1996 and 2006

除老龍溝潮汐通道東、西口門附近外，本海區(qū)東坑坨、哈坨～腰坨等離岸沙壩外側(cè)海區(qū)在整體上都以沖刷為主，沖刷深度多在0.5～2.0 m之間。東坑坨沙島的東側(cè)和北側(cè)(向海側(cè))都出現(xiàn)較明顯的沖刷趨勢，0 m等深線經(jīng)過蝕退后現(xiàn)已緊貼沙島的主體。與此同時，東坑坨西側(cè)與西南側(cè)(向陸側(cè))出現(xiàn)明顯的大面積淤積區(qū)，其中西側(cè)淤積厚度在0.5～2.0 m之間，0 m等深線已向老龍溝深槽方向推進了800～900 m，平均推進速率約80～90 m/a；東坑坨沙島西南側(cè)的末端也有不斷向老龍溝深槽淤進的趨勢，淤積帶長約2.6 km，平均淤厚在4 m以上。近10 a來，本海區(qū)東坑坨等沙壩外緣近岸淺灘與深水區(qū)總體上呈輕微沖刷態(tài)勢，等深線具有向岸平移的傾向；沙壩內(nèi)側(cè)的大面積淺灘水域則主要表現(xiàn)為淤積態(tài)勢。老龍溝潮汐通道深槽內(nèi)以輕微沖刷為主，沖刷下來的泥沙部分淤積在口門附近，同時西支口門附近的通道深槽具有向西擺動的趨勢。由于年內(nèi)平均沖淤幅度較小，老龍溝附近海區(qū)的灘槽整體穩(wěn)定性較好。

3 建港后灘槽大范圍沖淤變化特征

3.1 甸南深槽沖淤變化

2004～2006年間，隨著曹妃甸港區(qū)的開發(fā)利用，人類活動對該海區(qū)的灘槽沖淤演變起了重要的作用。首先，曹妃甸接岸大堤的建設(shè)和甸頭大面積的灘涂圍填使得岬角效應(yīng)增強，導(dǎo)致甸前局部水域水動力有所加強，加之本海區(qū)泥沙供給不足，因此甸南深槽區(qū)呈輕微沖刷態(tài)勢(圖4)。礦石碼頭工程施工的結(jié)束和港池開挖的基本完成，甸南深槽區(qū)泥沙來源大大減少，施工對海床沖淤產(chǎn)生的影響將逐漸減弱并向平衡狀態(tài)過渡。2009年6月～2010年9月期間甸頭以西-20～-25 m等深線水域發(fā)生了一定程度的淤積，其中淤積厚度在0.5 m以上范圍約為6 km2，最大淤厚可達0.8 m左右，這與附近水域施工、拋泥有關(guān)(圖4)。從2004～2010年期間，工程附近出現(xiàn)了較為明顯的沖淤變化，如礦石碼頭一期至一港池防波堤一帶狀淤積體，淤厚在2 m以上的范圍達1 km左右。2011年以后曹妃甸沒有再進行大的圍墾工程，主要是近岸碼頭的建設(shè)，對大范圍泥沙環(huán)境影響相對較小，甸南深槽等深線走向仍然維持了原有狀態(tài)，絕大部分沖淤幅度在0.1～0.3 m，基本上屬于本海域水深地形的自然調(diào)整，35 m深槽等深線基本保持穩(wěn)定。但也需要注意的是，疏浚等工程也會造成局部小范圍地形的變化。比如2015年1月～2015年6月期間，華能碼頭港池在疏浚，在港池西側(cè)，有明顯的淤積區(qū)出現(xiàn)，最大淤積厚度可達1.5 m，2015年6月～2016年3月期間，礦石碼頭一期、一港池口門附近和華能碼頭港池都有疏浚作業(yè)，在華能港池西側(cè)淤積繼續(xù)增長，最大淤厚可達2.0 m以上，甸頭東西兩側(cè)局部也有少量淤積，最大淤積厚度可以達到0.7 m。

圖4 不同時期曹妃甸海域沖淤分布Fig.4 Distribution of erosion and deposition of Caofeidian sea area

圖5 三港池航道布置Fig.5 Channel arrangement in the 3rd basin

3.2 三港池航道沖淤變化

為充分利用曹妃甸工業(yè)區(qū)與龍島之間老龍溝深槽的水深條件，于2013年8月沿老龍溝深槽建設(shè)完成一條3萬t級航道。航道起點為三港池西端，終點為外海-12 m等深線，航道設(shè)計底標高-12.0 m，航道有效寬度150 m，航道總長26 500 m。為避開老龍溝口門攔門沙，規(guī)劃航道沿老龍溝“西支”西側(cè)深槽布置。航道布置如圖5所示。

2013年8月三港池航道疏浚完工后，于2013年10月、2014年6月、2015年1月、2015年6月和2016年3月，在航道及邊灘水域開展了1:2 000比尺的水深監(jiān)測工作。通過測圖水深對比，對不同時期沖淤情況進行計算和統(tǒng)計。

2013年10月～2014年6月期間曹妃甸三港池航道水域，平均淤積厚度為0.13 m，淤積量為77萬m3。2014年6月～2015年1月期間曹妃甸三港池航道水域地形總體上處于穩(wěn)定的狀態(tài)，地形沖淤不大。在10+910轉(zhuǎn)彎段，略有沖刷，沖刷深度大多在0.30 m以上，整個航道淤積最大的位置位于22+0處，400 m航道長度范圍內(nèi)出現(xiàn)了0.4～1.2 m的淤積；該航道平均淤積厚度為0.06 m，淤積量為28萬m3。2015年1月～2015年6月期間曹妃甸三港池航道水域地形略有沖刷但總體上處于穩(wěn)定的狀態(tài)，在10+000段略有沖刷，沖刷深度主要在0.2～0.5m之間；淤積區(qū)域主要集中在0+000～6+000、10+910～14+000以及24+000左右1 km范圍內(nèi)，淤積厚度不大，大多在0.3 m以下。2013年10月～2015年1月期間，曹妃甸三港池航道內(nèi)大部分里程淤積較輕，航道平均淤積厚度不超過0.20 m，淤積部位主要集中在20+500以外。2015年6月～2016年3月期間曹妃甸老龍溝航道水域地形總體上處于淤積的狀態(tài)，全航道平均淤積厚度0.30 m，淤積量為138萬m3。在10+0～10+910轉(zhuǎn)彎段，淤積強度最大，淤積厚度大多在0.50 m以上，在11+0～13+0航段淤積強度最輕，平均淤積厚度0.07 m。

4 灘槽沖淤變化原因分析

4.1 甸南深槽沖淤原因分析

自然狀態(tài)下，曹妃甸近岸海域地形沖淤變化的原因主要來自兩方面，一是水動力條件的變化，二是海域泥沙環(huán)境的變化。

(1)水動力變化。曹妃甸甸頭水域水深較大，潮流場和潮流動力的維持是該海域深槽穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。隨著曹妃甸港區(qū)陸域不斷圍墾，其并沒有明顯改變甸頭外潮流場及流場動力，這使得水流保持了原有的挾沙能力，即便有短期地形變化，經(jīng)過一定的時期調(diào)整后，潮流動力將逐漸使其恢復(fù)到平衡狀態(tài)。隨著甸頭附近開敞碼頭的建設(shè)，各碼頭樁基結(jié)構(gòu)對水流有一定阻水影響，其背水面會形成弱流區(qū)，使得懸浮泥沙在此落淤，碼頭走向與水流夾角越大，樁群越密，其阻水影響越大，泥沙落淤幾率就越大，因此在甸頭碼頭前均出現(xiàn)了不同程度的淤積，由于這種阻水落淤是長期存在的自然現(xiàn)象，其落淤也是會持續(xù)發(fā)生的，其影響范圍主要在碼頭前100 m范圍內(nèi)。

(2)局部波浪場的變化對地形淤積的影響。波浪在淺水區(qū)是構(gòu)成地形變化的又一重要動力因素。該海域的強風向為偏東向，通港大堤和東護岸的興建在一定程度上使波能在建筑物及其附近水域集中，使泥沙在此懸浮，并在潮流的作用下輸移。這也就是通港大堤和東護岸工程興建后，其附近水域地形有所沖刷的主要原因。

對于礦石碼頭引堤兩側(cè)水域，在南護岸的引堤類似于突堤式建筑，根據(jù)現(xiàn)場踏勘，該水域潮間帶粒徑相對較粗、物質(zhì)多為砂質(zhì)，該種物質(zhì)在斜向入射波浪作用下易沿岸運動。曹妃甸甸頭水域波浪作用相對較強，分析可知，若為偏東南向浪，則使引堤以東的近岸泥沙在波浪沿岸分量作用下向引堤附近運移，長此以往便可在該水域形成凹弧形的淤積灘面。同理，在偏西南向浪作用下，引堤西側(cè)亦如此。

(3)泥沙環(huán)境的變化。泥沙來源是地形沖淤變化的重要因素，沙源的多少以及沙源泥沙的性質(zhì)往往決定著地形的沖淤演變趨勢。從長期來看，通港大堤興建和曹妃甸淺灘的大面積圍墾，在一定程度上減小了淺灘水域的面積，造成該海域泥沙環(huán)境的改善，這使得進入深槽的泥沙有所減少。這也是該海域深槽能夠長時期穩(wěn)定并呈略有沖刷狀態(tài)的一個重要原因。

4.2 三港池航道沖淤原因分析

三港池航道于2013年10月開挖完成，2014年度三港池航道年平均淤積厚度為0.15 m，2015年度航道年平均淤積厚度為0.30 m，可見三港池航道開挖后，淤積不大，顯然2015年淤積大于2014年。

三港池航道的這種淤積分布一方面和水動力有關(guān)，另一方面和整個海區(qū)的泥沙分布有關(guān)。(1)曹妃甸海區(qū)潮流較強，水體含沙量與潮流具有較好的關(guān)系。曹妃甸海區(qū)以東、西向水流為主，且水動力最強，因此懸沙也以東、西向主流方向濃度較高。從地形來看，三港池充分利用老龍溝航道開挖而成，航道后面里程開挖大，水流與航道夾角也相對較大，因此回淤相對稍大；(2)2015監(jiān)測期間，出現(xiàn)了較大的風過程，尤其是2015年11月5日～2015年11月7日間，出現(xiàn)了NE向8級大風過程，最大風速可達到20.51 m/s，這次大風過程造成黃驊港出現(xiàn)了25 a一遇的驟淤，而2015年11月曹妃甸第二次水深監(jiān)測也顯示與上一次相比，礦石碼頭、原油碼頭等出現(xiàn)了明顯的淤積，三港池航道2015年度年淤積厚度也高于去年。2014年沒有實測風資料，但據(jù)現(xiàn)場人反應(yīng)，沒有明顯的大風過程，可見大風浪期間會造成曹妃甸港區(qū)淤積增加。

5 結(jié)語

(1)甸南深槽區(qū)受甸頭岬角效應(yīng)影響明顯，成為本海區(qū)的潮流最強區(qū)，這也成為深槽水深能夠維持的主要動力因素。圍海造陸之前以及建設(shè)之初，甸頭深槽呈輕微沖刷態(tài)勢。但隨著礦石高樁碼頭建設(shè)完成，樁基對水流起到阻水作用，導(dǎo)致碼頭泊位呈現(xiàn)一定的淤積，對碼頭結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到了積極的作用；(2)在曹妃甸圍墾等工程建設(shè)初期，由于工程造成水動力的突然變化以及施工影響，使工程附近出現(xiàn)了較為明顯的沖淤變化，但近年由于大量工程完工，曹妃甸深槽總體保持了穩(wěn)定狀態(tài)，但也需要注意的是，疏浚等工程也會造成局部小范圍地形的變化；(3)自然狀態(tài)下，曹妃甸近岸海域地形沖淤變化的原因主要來自兩方面，一是水動力條件的變化，二是海域泥沙環(huán)境的變化。從長期來看，曹妃甸港區(qū)的大面積圍墾，減小了淺灘水域的面積，泥沙來源相對減少，這使得進入深槽的泥沙也有所減少。這也是該海域深槽能夠長時期穩(wěn)定并呈略有沖刷狀態(tài)的重要原因。但港池、碼頭局部水域由于結(jié)構(gòu)物的阻水等影響，水動力減弱，造成懸浮泥沙落淤，而且這種阻水落淤是長期存在的自然現(xiàn)象，其落淤也是會持續(xù)發(fā)生的，碼頭方需要密切關(guān)注并及時采取清淤措施，保證泊位滿足設(shè)計水深要求。