南通港通州灣港區(qū)一港池口門(mén)航道整治方案

黃志揚(yáng)，賈雨少，丁琦，侯慷，謝婕

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

蘇北輻射沙洲面積寬廣、灘槽相間、地形和水沙條件復(fù)雜，水道-沙洲的穩(wěn)定性和航道回淤問(wèn)題是港口開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[1-2]。通州灣海域位于輻射沙洲南緣，該海域由腰沙、冷家沙兩處沙體；以及小廟洪水道、三沙洪水道和冷家沙前緣深水區(qū)3處深槽構(gòu)成“兩沙三槽、灘槽相間”的動(dòng)力地貌結(jié)構(gòu)[3-4]。

根據(jù)通州灣海域的特點(diǎn)，通州灣港區(qū)的開(kāi)發(fā)利用腰沙、冷家沙灘涂?jī)?nèi)挖港池；依托潮汐水道進(jìn)行航道建設(shè)，其中腰沙以南港區(qū)利用小廟洪水道進(jìn)出港，腰沙與冷家沙之間港區(qū)利用三沙洪水道和網(wǎng)倉(cāng)洪水道進(jìn)出港。

通州灣一港池位于通州灣港區(qū)南部，其進(jìn)港主航道建設(shè)依托小廟洪水道，該水道水深條件良好，且深槽總體穩(wěn)定[5-6]。但從主航道進(jìn)入一港池的口門(mén)航段邊灘水深較淺、水流條件復(fù)雜，航道回淤?gòu)?qiáng)度相對(duì)較大。為了減小該航段的回淤，有必要在一港池口門(mén)處實(shí)施整治工程[7]。本文在分析小廟洪海域水沙環(huán)境及口門(mén)航道回淤機(jī)理的基礎(chǔ)上，提出口門(mén)航道整治思路和整治方案，為工程的建設(shè)提供科學(xué)參考。

1 工程概況

通州灣港區(qū)一港池位于通州沙南部，港池縱深約4.2 km，寬1 km。港區(qū)進(jìn)港航道依托輻射沙洲小廟洪深槽，航道從呂四港區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)進(jìn)港航道上端點(diǎn)至一港池底部全長(zhǎng)約25.5 km，其中航道外段（D—H’段）利用小廟洪水道深槽，深槽水深條件良好，水深基本在9.7~16.3 m；航道口門(mén)段（H’—Y2段）水深小且橫流較大，最淺僅0 m左右，是全航道回淤相對(duì)較大的區(qū)段；港內(nèi)航道（Y2—Y3段）水深小，位于港池掩護(hù)區(qū)，小廟洪航道及一港池平面布置見(jiàn)圖1。航道通航寬度227~258 m，設(shè)計(jì)底標(biāo)高-11.5 m，滿(mǎn)足5萬(wàn)噸級(jí)散貨船乘潮單向，同時(shí)兼顧18萬(wàn)噸級(jí)開(kāi)普敦船乘潮單向通航要求。

2 水動(dòng)力及泥沙環(huán)境

2.1 水動(dòng)力條件

小廟洪水道所在海域?yàn)檎?guī)半日潮，平均潮差為3.53 m，潮動(dòng)力較強(qiáng)。大潮漲潮平均流速為0.8~1.34 m/s，最大流速2.04 m/s；落潮平均流速為0.7~1.32 m/s，最大流速為2.07 m/s。由于腰沙沙體較高，漲落潮過(guò)程中，越過(guò)腰沙灘脊自由交換的潮流很少，因此小廟洪水道是個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水、沙系統(tǒng)[8]。水道內(nèi)潮流為往復(fù)流、主流向與深槽走向基本一致。

小廟洪水道南側(cè)為陸地岸線，北側(cè)有腰沙、橫沙和烏龍沙等沙體的天然掩護(hù)，全年波浪不大。根據(jù)大唐電廠以西約13 km呂四海洋站資料的統(tǒng)計(jì)，工程海域常浪向在NW與SE之間，強(qiáng)浪向在NW與NE之間，全年波高小于0.5 m的波浪占總量的84%左右，0.5耀0.7 m波高占比8.8豫，大于0.7 m波高占比7.1豫，1 m以上波高占比3.7豫。

2.2 泥沙環(huán)境

工程海域底質(zhì)中值粒徑呈現(xiàn)出“槽細(xì)灘粗”的特征，10 m以深海域底質(zhì)中值粒徑相對(duì)較小，約0.01~0.02 mm；10~0 m等深線之間的區(qū)域底質(zhì)中值粒徑為0.02~0.1 mm，0 m以上淺灘底質(zhì)中值粒徑為0.1~0.2 mm。

就含沙量來(lái)看，大潮垂線平均含沙量在0.12~0.35 kg/m3之間，小潮含沙量在0.03~0.08 kg/m3之間，大潮明顯大于小潮。從含沙量的垂向分布來(lái)看，底層含沙量約為表層的1.5~2.5倍。

受波浪掀沙作用，大風(fēng)作用期間含沙量明顯增大。2011年1月呂四進(jìn)港航道試挖監(jiān)測(cè)表明，寒潮7級(jí)風(fēng)期間近底層（距底0.5 m）平均含沙量為1.10 kg/m3，較平常天含沙量增加比較明顯[9]。

3 港池口門(mén)航道整治方案

3.1 回淤原因及整治思路

通州灣港區(qū)一港池進(jìn)港航道回淤峰值出現(xiàn)在一港池口門(mén)航段，該航段回淤相對(duì)較大的主要原因：一是口門(mén)航道兩側(cè)灘面水深較淺，基本在2~-2.5 m（負(fù)數(shù)表示理論最低潮面以上）之間，灘槽高程大；二是灘面底質(zhì)以沙和淤泥質(zhì)粉沙為主，在波浪作用下泥沙容易起動(dòng)；三是口門(mén)段水流主流向與航道走向夾角大，橫跨航槽的漲落潮泥沙容易落淤。一港池口門(mén)附近漲落潮流場(chǎng)如圖2所示。

圖2 一港池口門(mén)附近漲落潮流場(chǎng)Fig.2 Flow pattern of tidal current near the entrance of the first harbor basin

從船舶航行關(guān)注的橫流來(lái)看，航道外段和港內(nèi)段橫流較小，基本在0.5 m/s以?xún)?nèi)；而口門(mén)段水流橫跨航槽，最大橫流可達(dá)1.0 m/s以上，對(duì)船舶進(jìn)出一港池的航行操縱不利。為了解決口門(mén)航道段回淤大、水流條件差的問(wèn)題，對(duì)口門(mén)航道段采取整治措施，以起到“防沙、導(dǎo)流”作用。

3.2 整治工程平面方案

針對(duì)港池口門(mén)水流條件復(fù)雜，航道回淤較大的問(wèn)題，通常采取雙導(dǎo)堤配合航道疏浚。防沙堤平面布置的重點(diǎn)是合理確定堤線走向和堤頭位置（堤長(zhǎng)）。就堤頭位置而言，導(dǎo)堤越長(zhǎng)對(duì)口門(mén)段航道兩側(cè)灘面淺灘的守護(hù)效果越好；但導(dǎo)堤過(guò)長(zhǎng)會(huì)對(duì)工程區(qū)灘槽格局以及附近的東灶港通用碼頭等造成不利影響。結(jié)合通航對(duì)口門(mén)寬度的需要、當(dāng)?shù)氐匦渭八硹l件等，進(jìn)行3個(gè)平面方案的比選（見(jiàn)圖3）。

圖3 一港池口門(mén)防沙堤平面布置圖Fig.3 Layout plan of sand dyke near the entrance of the first harbor basin

平面方案一：雙導(dǎo)堤呈現(xiàn)口門(mén)縮窄的“八”字布置，其中東堤長(zhǎng)410 m（堤頭水深-1.5 m），西堤長(zhǎng)580 m（堤頭水深0 m）。該方案防沙堤垂直于航道方向的口門(mén)寬度為746 m。

平面方案二：雙導(dǎo)堤呈現(xiàn)口門(mén)縮窄的“八”字布置，東堤相對(duì)于方案一增加370 m，即東堤長(zhǎng)780 m（堤頭水深-2.0 m）；但為了保證堤頭與航道有足夠的安全距離，東堤整體向東平移300 m。方案二西堤平面布置同方案一。該方案防沙堤垂直于航道方向的口門(mén)寬度為870 m。

平面方案三：為了減小堤頭灘面沖刷和繞堤流對(duì)通航的影響，堤線總體沿漲落潮主流向布置，堤頭進(jìn)一步延伸至小廟洪深槽陡坡前沿的-1.0 m等深線處。另外，為了減小堤頭的挑流作用，東堤外段沿深槽及潮流主流方向折轉(zhuǎn)45毅，其長(zhǎng)度約304 m。西堤與東堤堤頭連線與主流向平行，西堤長(zhǎng)950 m，堤頭水深2.0 m。

工程海域泥沙以懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)為主，且水體含沙量垂向分布總體較為均勻，為達(dá)到較好的減淤效果，考慮采取高潮位整治，堤頂高程取設(shè)計(jì)高水位+6.0 m。另外，為了使堤頭水流過(guò)渡平順，且減小堤頭沖刷，堤頭100 m區(qū)段設(shè)置高程漸變段，堤頂高程從+6.0 m逐漸降低至+1.5 m。

4 方案初步比選

4.1 水動(dòng)力條件分析

采用數(shù)值模擬進(jìn)行工程前后水動(dòng)力變化分析[10]，計(jì)算表明防沙堤建設(shè)前中潮位以上，口門(mén)兩側(cè)水流漫灘，漲潮流自東向西，橫跨航道。防沙堤建設(shè)后，阻擋淺灘區(qū)橫跨航道水流，掩護(hù)區(qū)水流減小、灘面水流一部分沿一港池東側(cè)繼續(xù)向北，一部分繞過(guò)東堤堤頭，匯入小廟洪主槽；落潮時(shí)，水流自西向東橫跨航道，水流沿導(dǎo)堤南偏、匯入深槽，流向外海，平面方案三的漲、落急流速矢量圖如圖4所示。總的來(lái)看，防沙堤的建設(shè)阻擋了漲落潮過(guò)程中灘面潮流橫跨航道，有利于灘面水流匯入主槽。

圖4 平面方案三的漲、落急流速矢量圖Fig.4 The velocity vector of the maximum velocity during flood tide and ebb tide with Plan III

防沙堤外側(cè)灘面受防沙堤掩護(hù)，掩護(hù)區(qū)內(nèi)漲落潮流速均有所減小；受防沙堤導(dǎo)流作用，口門(mén)航道流速略有增加。各方案東灶港碼頭、蠣岈山保護(hù)區(qū)、三夾沙南支航道等區(qū)域流速變化在 依0.02 m/s以?xún)?nèi)，口門(mén)防沙堤的實(shí)施對(duì)上述區(qū)域影響很小。

從橫流變化來(lái)看，無(wú)防沙堤時(shí)潮流主流向與航道軸線接近垂直，最大橫流可達(dá)1.1 m/s。防沙堤方案一、方案二實(shí)施后，口門(mén)段航道橫流略有減小，最大橫流約1.0 m/s。防沙堤方案三實(shí)施后，東堤與水流走向更為平順，口門(mén)段航道最大橫流進(jìn)一步減小，最大橫流約0.8 m/s。

4.2 懸沙回淤分析

本海域航道回淤受懸沙落淤和底沙輸移共同影響，且以懸沙落淤為主。在初步方案比選階段，首先采用潮流泥沙數(shù)模進(jìn)行不同方案正常天氣情況下懸沙回淤?gòu)?qiáng)度的預(yù)測(cè)對(duì)比。潮流泥沙數(shù)模研究表明，無(wú)防沙堤時(shí)正常天氣情況下航道沿程懸沙回淤最大值為2 m/a，位于口門(mén)段；港內(nèi)段回淤?gòu)?qiáng)度由1.7 m/a向底部逐漸遞減至0.12 m/a；港外段回淤?gòu)?qiáng)度較小，在0.3 m/a以?xún)?nèi)，見(jiàn)圖5。防沙堤建設(shè)后，3個(gè)方案口門(mén)段航道懸沙回淤?gòu)?qiáng)度最大值分別為1.95 m/a、1.9 m/a和1.8 m/a，即3個(gè)方案懸沙回淤?gòu)?qiáng)度最大值依次減小。另外，防沙堤建設(shè)后不僅對(duì)航道口門(mén)段有減淤效果，對(duì)港內(nèi)航道也起到一定的減淤效果，也呈現(xiàn)3個(gè)方案回淤?gòu)?qiáng)度依次減小的趨勢(shì)，其中方案三港內(nèi)航道段懸沙回淤?gòu)?qiáng)度由1.5 m/a遞減至0.1 m/a，總的來(lái)看，方案三的防沙效果相對(duì)較優(yōu)。

圖5 口門(mén)段回淤單元?jiǎng)澐旨罢Ｌ鞖庀潞降缿疑郴赜購(gòu)?qiáng)度Fig.5 Division near the entrance of the harbor basin and suspended sedimentation intensity under normal weather

綜上所述，方案三的堤軸線順應(yīng)了潮流主流向，其口門(mén)航段流態(tài)改善相對(duì)明顯、橫流相對(duì)較?。环桨溉Ｌ鞈疑郴赜?gòu)?qiáng)度相對(duì)較小，擋沙效果相對(duì)較優(yōu)，因此推薦防沙堤方案三。

5 推薦方案減淤效果

5.1 常年回淤預(yù)測(cè)

回淤預(yù)測(cè)采用潮流泥沙數(shù)模和經(jīng)驗(yàn)公式兩種手段，考慮到工程海域底質(zhì)呈現(xiàn)粉沙淤泥質(zhì)特征，回淤計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式參考現(xiàn)行規(guī)范粉沙質(zhì)海岸航道淤積計(jì)算方法[11]。

常年回淤?gòu)?qiáng)度為正常天氣回淤厚度與年內(nèi)大風(fēng)影響回淤厚度之和，即常年回淤?gòu)?qiáng)度=正常天氣回淤?gòu)?qiáng)度伊正常天氣在常年中發(fā)生頻率+中風(fēng)天回淤?gòu)?qiáng)度伊中風(fēng)天在常年中發(fā)生頻率+大風(fēng)天回淤?gòu)?qiáng)度伊大風(fēng)天在常年中發(fā)生頻率。根據(jù)通州灣海域風(fēng)資料，風(fēng)天考慮7級(jí)（中風(fēng)天）和10級(jí)（大風(fēng)天）兩種典型風(fēng)過(guò)程，不同典型風(fēng)況出現(xiàn)的頻率見(jiàn)表1。

表1 工程海域不同天氣發(fā)生頻率Table 1 Frequency of different weather in engineering sea area

從圖6所示的航道沿程常年回淤?gòu)?qiáng)度預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，沿程回淤呈現(xiàn)“中間高、兩頭低”的特征，無(wú)防沙堤情況下航道最大淤?gòu)?qiáng)出現(xiàn)在口門(mén)附近的P13單元，最大淤?gòu)?qiáng)約3.9 m/a（灘槽高差約13.2 m）；口門(mén)附近淤?gòu)?qiáng)大于3.0 m/a的航段長(zhǎng)度約1.8 km。防沙堤建成后，防沙堤掩護(hù)范圍內(nèi)航段的淤積強(qiáng)度有不同程度的降低，最大淤積強(qiáng)度降至2.2 m/a，最大淤積區(qū)在P11單元附近。

圖6 常年回淤?gòu)?qiáng)度預(yù)測(cè)Fig.6 Prediction of sedimentation intensity for normal year

從回淤總量來(lái)看，建堤前口門(mén)段回淤約176萬(wàn)m3/a，全航道的常年回淤量約為387萬(wàn)m3/a。建堤后，口門(mén)段航道年回淤量下降相對(duì)明顯，下降至99萬(wàn)m3/a左右；全航段的常年回淤量約為274萬(wàn)m3/a，較建堤前減少約29%。

5.2 大風(fēng)天回淤預(yù)測(cè)

不建防沙堤時(shí)，一場(chǎng)中風(fēng)（7級(jí)風(fēng)）作用后最大淤積厚度約0.25 m，全航段回淤總量約27萬(wàn)m3；一場(chǎng)大風(fēng)（10級(jí)風(fēng)）作用后最大淤積厚度約0.75 m，全航段回淤總量約92萬(wàn)m3。建設(shè)防沙堤后，一場(chǎng)中風(fēng)作用最大淤積厚度約0.12 m，航道回淤總量下降至17萬(wàn)m3，較無(wú)防沙堤時(shí)回淤減少約37%。一場(chǎng)大風(fēng)作用后最大淤積厚度約0.35 m，航道回淤總量下降至53萬(wàn)m3，較無(wú)防沙堤時(shí)回淤減少約42%。由此可見(jiàn)，防沙堤的建設(shè)對(duì)大風(fēng)天的減淤效果比較明顯。

6 結(jié)語(yǔ)

通州灣小廟洪航道的建設(shè)依托輻射沙洲南緣的小廟洪深槽，本文圍繞通州灣小廟洪水道、特別是一港池口門(mén)航段的水沙特征，對(duì)一港池口門(mén)防沙堤的建設(shè)方案進(jìn)行了探討，得到的主要結(jié)論如下：

1）一港池口門(mén)航段兩側(cè)灘面水淺，泥沙易起動(dòng)，在漲落潮流橫跨航槽過(guò)程中泥沙容易落淤，口門(mén)航段為小廟洪航道回淤相對(duì)較大區(qū)段。為了減小口門(mén)航段的回淤，通過(guò)建設(shè)雙導(dǎo)堤起到防沙、導(dǎo)流作用是必要的。

2）工程海域水體含沙量垂向分布總體比較均勻，表層含沙量并未明顯小于底部含沙量，為了發(fā)揮較好的擋沙效果，防沙堤采取高潮位整治，即堤頂高程取設(shè)計(jì)高水位+6.0 m；為了減小堤頭沖刷和挑流影響，堤頭100 m范圍考慮從+6.0 m漸變至+1.5 m。

3）從防沙堤平面方案比選來(lái)看，平面方案三堤線總體與漲落潮主流向一致，且堤頭延伸至小廟洪深槽陡坡前沿；西堤與東堤堤頭連線與主流向平行；該方案實(shí)施后正常天回淤減少約29%，大風(fēng)天回淤減少約37%~42%，減淤效果總體比較明顯。