廈門南部航道自然條件分析及建設(shè)方案研究

林 姍

(福建省港航勘察設(shè)計研究院 福建福州 350002)

0 引言

翔安港區(qū)是廈門港未來發(fā)展的重要港區(qū)之一，其進(jìn)港航道(即劉五店航道)在運營過程中易受政治因素影響，開通廈門南部航道不僅可作為翔安港區(qū)進(jìn)港備用通道，同時能夠起到聯(lián)系廈門東、西港區(qū)的作用，解決港內(nèi)駁運問題，從而推進(jìn)廈門港口結(jié)構(gòu)調(diào)整[1]。

由于水深條件良好的大、小金門水道和廈門東側(cè)水道(南段)均處于臺灣控制水域內(nèi)，若要避開控制水域，進(jìn)出翔安港區(qū)的船舶，只能繞道大擔(dān)島北側(cè)的船路礁淺灘，乘潮通航至煙嶼西側(cè)再接入劉五店航道。船路礁淺灘水淺灘長，開辟深水航道困難較大，工程的關(guān)鍵在于淺灘的可挖性、航槽開挖后的回淤強(qiáng)度，以及灘槽的穩(wěn)定性。因此，開展船路礁淺灘開挖建設(shè)廈門南部航道的研究工作很有必要[2]。

1 海域水動力條件

1.1 淺灘水文

廈門灣海域潮波為正規(guī)半日潮，潮差較大，屬于強(qiáng)潮海域。來自外海的潮流經(jīng)過大、小擔(dān)島后分別進(jìn)入廈門九龍灣、西海域和同安灣海域，船路礁淺灘正好位于兩股水流的交匯處，加上大、小擔(dān)島對波浪的掩護(hù)作用，水動力和波浪動力均較弱，因而形成大范圍的淺灘[3]。

1.2 地形地貌

船路礁淺灘，北臨廈門島白石炮臺海岸，東南為大擔(dān)、二擔(dān)等島嶼群，東北為廈門東側(cè)水道，西南為青嶼水道。船路礁淺灘南北長約4.3km，水深小于5.0m，淺灘東西平均寬約5km，淺灘寬闊平緩，最淺水深僅0.9m。淺灘將大擔(dān)島和白石炮臺海岸連成一片，橫亙于青嶼水道和廈門東側(cè)水道之間。淺灘西側(cè)等深線走向近西北—東南向。淺灘平面形態(tài)近于倒梯形，即北面寬南面窄，橫向上則為中部隆起、兩側(cè)漸深的形態(tài)。底質(zhì)主要為含貝殼的泥質(zhì)沙。除船路礁盤外，未發(fā)現(xiàn)其它礁石出露。

2 船路礁附近海床演變分析

2.1 歷史沖淤演變分析

船路礁淺灘的水下地形資料較少，已收集到的只有1938年海圖(1∶25000)、1959年海圖(1∶50000)、1995年東海域測圖(1∶5000)和2004年7月測圖(1∶10000)。從這4個不同年份的測圖水下地形分析，60多年來，淺灘水下地形沒有格局變化。1938年～1995年的年間，淺灘平均淤積僅15cm，1995年～2004年近10年間淺灘水深僅相差1cm，淤積十分緩慢。

從鉆孔資料揭示地層特征及變化表明，歷史時期船路礁淺灘附近曾有過大流速出現(xiàn)，搬運中粗砂等粗顆粒沉積物沉積，既有海相沉積又有陸相沉積，反映淺灘是在漫長的歷史時期內(nèi)逐漸沉積形成。

2.2 近期沖淤變化

圖1為2004年7月～2015年6月工程海域地形沖淤變化等值線圖(正為淤)。由圖1可以看出，與2004年地形比較，2015年主要變化為：

(1)廈門主航道東側(cè)600m以內(nèi)出現(xiàn)0.2m～1m左右的淤積，且從南向北逐漸減少。

(2)廈金航道兩側(cè)300m～400m范圍略有淤積，西側(cè)淤積0.2m～0.6m，東側(cè)0m～0.2m。

(3)兩航道之間的其它區(qū)域略有沖刷，沖刷幅度0.2m～0.6m。

(4)船路礁～廈金航道東側(cè)為沖刷區(qū)，其中船路礁西側(cè)2km出現(xiàn)與廈金航道走向基本一致的沖刷帶，最大沖刷深度達(dá)3m以上；其次是與擬建航道走向一致的沖刷帶，最大沖刷深度2m，據(jù)了解為航道疏浚所致；測圖其它區(qū)域沖刷0.2m～0.8m。

(5)船路礁以東區(qū)域，沖淤總體處于平衡狀態(tài)。

圖1 擬建南部航道海床2004年7月～2015年6月沖淤變化(正為淤)

3 廈門南部航道建設(shè)方案

3.1 航道平面布置及設(shè)計通航標(biāo)準(zhǔn)

由于受水下地形條件以及臺灣控制水域的限制，進(jìn)港航線選擇的余地不大，在航道起點(即主航道4#錨地附近)選擇兩個航線方案進(jìn)行比較，穿越船路礁淺灘段航線唯一，即在海上一日游航線的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬增深。廈門南部航道航線選擇比較如下：

(1)平面布置方案一

航線自主航道四擔(dān)島附近的N1點起，沿NNE方向穿越4#錨地邊角，于N2點接入一日游航道至煙嶼西側(cè)的H點。航線全長約8.8km,如圖2所示。

(2)平面布置方案二

航線自主航道附近的N1′點為起點，沿ENE方向穿越4#錨地，接入一日游航道至煙嶼西側(cè)的H點。航線全長約8.6km，如圖3所示。

根據(jù)翔安港區(qū)貨運量現(xiàn)狀、自然條件、現(xiàn)有航道運營狀況以及業(yè)主的相關(guān)要求，廈門南部航道通航標(biāo)準(zhǔn)為滿足5萬噸級船舶乘潮、單線通航，兼顧5千噸級船舶乘潮、雙線通航。

圖2 方案一平面布置圖

圖3 方案二平面布置圖

3.2 二維潮流數(shù)學(xué)模型計算、泥沙回淤分析研究

根據(jù)初步的設(shè)計方案，通過二維潮流數(shù)學(xué)模型計算，研究廈門南部航道規(guī)劃方案的水動力特性，計算分析航道工程對海岸動力、岸灘的影響及航道回淤情況，從水流和泥沙淤積角度對方案進(jìn)行優(yōu)化并提出建議，為航道工程可行性研究提供依據(jù)。

3.2.1計算工況

(1)工程前(P0)

2015年廈門灣現(xiàn)狀邊界地形，高集海堤開口850m+210m，東西海域清淤完成，雙魚島建成。

(2)方案一

P0基礎(chǔ)上，南部航道方案一形成，航道底標(biāo)高-10.2m，寬度170m，邊坡1∶7，航道東段長5115m，走向59°～239°，航道西段長3639m，走向31°～211°。

(3)方案二

P0基礎(chǔ)上，南部航道方案二形成，航道底標(biāo)高-10.2m，寬度170m，邊坡1∶7，航道長8645m，走向均為59°～239°。

3.2.2數(shù)模研究結(jié)論

(1)該項研究建立了廈門灣、大嶝島和圍頭灣大范圍二維潮流數(shù)學(xué)模型，2008年9月水文測驗大、小潮驗證結(jié)果良好，滿足規(guī)范要求，本模型可以較好地模擬廈門灣海域潮流場。

(2)水流計算分析結(jié)果表明，規(guī)劃南部航道流速分布為兩頭大、中間小，西側(cè)大，東側(cè)小。各方案實施后，需航道段流速均有一定程度減小，挖深越大，流速減小越多。由于航道與水流流向夾角較大，漲、落急時航道內(nèi)橫流相對較大，計算大潮條件下最大橫流1m/s左右。為避免橫流對船舶安全影響，建議根據(jù)船舶性能，選取平潮流速較弱時段通過。

(3)回淤計算結(jié)果表明，正常條件下，不同方案航道年回淤厚度0～0.82m/a，航道年回淤量30～65萬m3。一般情況下，航道開挖越深，回淤越大。10年一遇風(fēng)浪條件下，短期淤積最大0.09m，回淤量3.4～7.5萬m3。

(4)與工程前比較，各方案對廈門灣主要航道錨地流場沒有影響，對航道東段北側(cè)灘面流速和波浪基本沒有影響，因而，南部航道實施對周邊海域及廈門岸灘沒有明顯不利影響。

(5)方案一規(guī)劃航道開挖深度最大超過7m，在潮流和波浪作用下，航道開挖初期航道兩側(cè)床面將出現(xiàn)一定程度沖淤調(diào)整，并將增加航道短期淤積量，航道疏浚時需預(yù)留足夠的超挖水深。

(6)根據(jù)工程經(jīng)驗，一般建設(shè)初期航道回淤量較大，年回淤可能超過1m，建議加強(qiáng)航道開挖后現(xiàn)場監(jiān)測，必要時先開挖一段試挖槽并及時跟蹤航道回淤情況。

3.3 航道設(shè)計優(yōu)化

考慮到航行實際情況，結(jié)合數(shù)模試驗結(jié)論，對航道做進(jìn)一步優(yōu)化。

3.3.1航道通航寬度

根據(jù)數(shù)模試驗結(jié)論，N1～N2航段橫流較大，最大橫流接近1m/s，發(fā)生在落急時段，N2～H航段橫流相對較小，大約在0.2m/s～0.55m/s之間，考慮到本次船舶為乘高潮進(jìn)港方式，高平潮時段流速相對較小，因此，風(fēng)流壓偏角取10°計算。5萬噸級船舶單線通航寬度取185m，同時可滿足5千噸級雜貨船雙線通航要求。航道通航寬度計算如表1所示。

表1 航道通航寬度計算表

根據(jù)航道平面布置方案，由主航道進(jìn)入南部航道需大角度轉(zhuǎn)彎，方案一N1點轉(zhuǎn)向角為72°，轉(zhuǎn)彎半徑取2500m；方案二N1′點轉(zhuǎn)向角為100°，轉(zhuǎn)彎半徑R取3000m；各方案與廈金航道相交段轉(zhuǎn)彎半徑R取1240m。加寬方式均采用折線切割法。

3.3.2航道設(shè)計底高程及乘潮方式

廈門港主航道可滿足5萬噸級船舶不乘潮通航要求，自南部航道起點N1～翔安港區(qū)全程長約20km均需乘潮通航，按平均航速8kn計，船舶進(jìn)港、靠泊約需3h。

由于目前已建成的劉五店航道L3～L6航段長約12km，底高程為-12.0m，5萬噸級船舶需乘2.82m的潮位通航，根據(jù)廈門乘潮水位表，該潮位保證率90%，歷時可達(dá)6h；劉五店航道L3～L6航段可滿足萬噸級船舶不乘潮通航。

N1～N2～H段長約8.8km為新建航道，水深條件較差，需大范圍開挖方可滿足通航要求，為盡量減少開挖工程量，同時避開落急時段靠泊作業(yè)，設(shè)計安排5萬噸級船舶于高平潮前1h自N1點進(jìn)入南部航道，高平潮后2h到達(dá)碼頭完成靠泊。因此，對于N1～N2～H段，取乘潮保證率90%，乘潮歷時2h的乘潮水位4.62m，可滿足5萬噸級船舶乘潮通航要求；高平潮后2h乘潮水位為4.02m，劉五店航道底高程-12.0m，也可滿足5萬噸級船舶乘潮通航要求和萬噸級船舶不乘潮通航要求。因此，N1(N1')～N2～H段設(shè)計底高程4.62-14.82=-10.2m，取-10.2m。

5千噸級雜貨船在東、西港區(qū)之間航行，需要利用劉五店航道、廈門南部航道和廈金航道，廈金航道設(shè)計底高程5.5m，5千噸級雜貨船在廈金航道段航行需乘潮通航，乘潮水位為9.05-5.50=3.55m，取3.6m，保證率取90%，乘潮歷時可達(dá)5h。因此，將與廈金航道相交段連接水域浚深至-5.5m，即可滿足5千噸級雜貨船在東、西部港區(qū)之間乘潮通航(劉五店航道段不乘潮通航，廈門南部航道設(shè)計底高程在-5.5m以下)的航行要求，如表2所示。

表2 航道設(shè)計水深計算表 m

3.3.3推薦建設(shè)方案及分期實施計劃

鑒于方案一航線轉(zhuǎn)向角度小、疏浚工程量小、占用4#錨地水域少等優(yōu)點，推薦平面布置方案一作為實施方案。

考慮到5萬噸級航道淺灘開挖基建工程量較大，投資較高，可先按滿足萬噸級船舶乘潮、單線通航規(guī)模建設(shè)，兼顧5千噸級船舶乘潮、雙線通航，視航道回淤情況以及岸灘穩(wěn)定性、港區(qū)發(fā)展需求及兩岸政治因素，再適時擴(kuò)建至5萬噸級航道。

考慮到與今后擴(kuò)建工程的較好銜接，近期航道通航寬度取185m，與廈金航道相交段連接水域設(shè)計底高程取-5.5m，N1～N2～H段設(shè)計底高程取-5.8m。

4 結(jié)論

(1)工程海域為強(qiáng)潮海域，含沙量較低，泥沙來源較少，岸灘演變分析表明，除航道開挖等人工因素外，工程區(qū)所在灘槽總體穩(wěn)定。

(2)根據(jù)二維潮流數(shù)學(xué)模型研究，南部航道實施對周邊海域及廈門岸灘沒有明顯不利影響。回淤計算結(jié)果表明，正常條件下，不同方案航道年回淤厚度0～0.82m/a，航道年回淤量30～65萬方。一般情況下，航道開挖越深，回淤越大。10年一遇風(fēng)浪條件下短期淤積最大0.09m，回淤量(3.4～7.5)萬方。

(3)考慮到航行實際情況，結(jié)合數(shù)模試驗結(jié)論，對航道平面、尺度進(jìn)一步優(yōu)化，改善了船舶的通航條件，保障船舶通航安全。

(4)考慮到5萬噸級航道淺灘開挖基建工程量較大，投資較高，提出先按滿足萬噸級船舶乘潮單線通航規(guī)模建設(shè)，兼顧5千噸級船舶乘潮、雙線通航，視航道回淤情況以及岸灘穩(wěn)定性、港區(qū)的發(fā)展需求狀況以及兩岸政治因素，再適時擴(kuò)建至5萬噸級航道。