寶鋼馬跡山礦石碼頭工程潮流問題研究

徐 嘯

(南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

圖1 馬跡山港地理位置Fig.1 Geographical location of Majishan Port

上海寶鋼馬跡山港礦石中轉(zhuǎn)碼頭及堆場位于浙江省嵊泗縣泗礁島西南約1 500 m處的馬跡山島(圖1)。2002年建成的一期工程卸船、裝船泊位布置在馬跡山的南側(cè)，堆場布置在馬跡山南側(cè)海岙內(nèi)(圖2)。一期工程包括25萬t級卸船泊位一個，3.5萬t級裝船泊位一個及15萬m2的堆場，一期卸船碼頭和裝船碼頭基本上沿27 m和16 m等深線布置。

馬跡山海域冬季含沙量為0.5～0.7 kg/m3，夏季含沙量為0.1～0.2 kg/m3。根據(jù)1994年與2004年工程地形圖(1:5 000)比較，已建卸船碼頭和裝船碼頭前沿水深均無變化，即馬跡山港漲、落潮流強勁，水流挾沙能力大，泥沙一般不易沉積。

根據(jù)船舶駕駛?cè)藛T反映，由于水流原因，卸船碼頭靠離泊有時發(fā)生困難。為此在二期擴建工程實施前針對潮流問題專門進行了全面的現(xiàn)場水文測驗工作和數(shù)學(xué)模型研究。為慎重，又安排進行物理模型研究工作。

圖2 礦石碼頭一期及擴建(二期)工程布置圖Fig.2 Layout of ore wharf phase I and expansion (phase II)

1 擴建礦石碼頭海域潮流特性初步分析

1.1 現(xiàn)場資料分析

1.1.1 潮汐特點

年平均潮差263 cm，當(dāng)?shù)乩鄯e頻率10%的大潮潮差約為375 cm，累積頻率90%的小潮潮差約為160 cm。馬跡山港址的潮流性質(zhì)屬非正規(guī)半日淺海潮流，具體表現(xiàn)為漲、落潮流不對稱和漲、落潮流歷時不對稱。

1.1.2 潮流特點

馬跡山港海域近10 a內(nèi)進行的9次水文測驗，經(jīng)分析，2004年6月專門為馬跡山礦石碼頭擴建工程而進行的水文測驗工作最有價值，測點多且測點位置合理、代表性好。圖3為此次水文測驗的大潮期各測點逐時潮流矢圖。據(jù)此分析得馬跡山海域潮流場有以下特性[1-2]：

圖3 2004年6月水文測驗期間馬跡山港海域大潮逐時流矢圖Fig.3 Hourly flow vector of spring tide in Majishan Port area during hydrological survey in June 2004

(1)潮流運動的地域性特點。由圖3可以看出，距岸較遠的N8、N9和S1各測點處潮流的運動形式基本為東東南和西西北向的往復(fù)流，但是離岸較近的測站如：N1～N6站、N7及N10測點，明顯受到島嶼地形邊界條件的影響，潮流運動的不對稱性明顯。

(2)卸船碼頭強勢流為漲潮流。擴建卸船碼頭區(qū)N3站漲潮測點大潮垂線最大250 cm/s，落潮垂線最大為99 cm/s，兩者相差2.5倍。漲潮流在卸船碼頭水域為絕對優(yōu)勢流。

擴建卸船碼頭走向為87°～267°。擴建卸船碼頭前沿N3站，大中潮漲潮最多流向為248°、落潮為89°；即落潮流方向與碼頭走向基本一致，強勢的漲潮主流方向與碼頭走向之間有近20°的夾角。斜向向外強勁的漲潮流直接影響到卸船碼頭靠離泊安全問題。

(3)裝船碼頭的強勢流為落潮流。擴建裝船碼頭前沿N5、N6站，漲潮垂線最大為94 cm/s和113 cm/s，落潮垂線最大分別為124 cm/s、153 cm/s。落潮流是漲潮流的1.3倍左右。

一期裝船碼頭走向為94°～274°，擴建裝船碼頭走向為120°～300°。位于擴建碼頭的N6站處大潮落潮最大流流向與碼頭走向之間存在約32°的夾角，需要注意裝船碼頭水域落潮期可能存在的回流問題。

1.1.3 小結(jié)

斜向向外強勁的漲潮流直接影響到卸船碼頭靠離泊安全問題。裝船碼頭水域則需注意落潮期的回流問題。

1.2 利用潮流概化模型進一步分析

通過對多個海島水域潮流資料的綜合分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過海島水域的潮流可以歸納為兩大類型，即：(1)繞流型;(2)環(huán)抱型(圖4)[3-4]。

4-a 海島岬角處繞流流型4-b海島岬角環(huán)抱流型圖4 海島岬角處繞流流型和環(huán)抱流型Fig.4Flowpatternaroundtheislandcapeandsurroundedtheislandcape

馬跡山海域潮流顯然具有繞流型特點(圖4-a)：漲潮期間東向來的漲潮流繞過馬屁股后分為北向及西向兩股水流；而落潮期間馬跡山西側(cè)和南側(cè)兩股水流繞過馬屁股岬角后匯合為一，裝船碼頭水域的回流區(qū)與圖4-a所示規(guī)律一致。

如前所述，裝船碼頭水域需注意落潮期的回流問題。在文獻[3-4]中討論了為改善如圖4-a的回流區(qū)水流條件，建議采用以下整治工程措施：(1)光滑岬角處岸線形態(tài)；(2)在繞流岬角的“上游側(cè)”岸線處布置起挑流作用的導(dǎo)流建筑物(圖5)。

總結(jié)類似海洋工程實踐經(jīng)驗和已進行的試驗研究成果[5]，可歸納得以下幾點規(guī)律：

(1)因岬角處多為深潭，導(dǎo)流建筑物一般不宜放在岬角端部附近，而適宜布置在離岬角一定距離的“上游側(cè)”；

(2)如必須在岬角端部布置導(dǎo)流建筑物，其必須足夠長，否則反而可能增加挑流形成的回流強度和尺度，一般不宜短于回流縱向尺度；

(3)如必須在岬角端部附近布置導(dǎo)流建筑物，其走向也很重要，一般不宜前傾，可適當(dāng)后傾，具體走向須由試驗確定；

(4)如導(dǎo)流堤建筑物布置在岬角“上游側(cè)”，一般不宜太長，否則同樣會使岬角處水流流態(tài)復(fù)雜化，導(dǎo)流堤尺度與當(dāng)?shù)氐匦芜吔鐥l件、水流強度及距岬角距離有關(guān)，需通過模型試驗確定。

圖5 海島岬角處繞流型條件下的整治工程示意圖Fig.5 Schematic diagram for improvement of flow conditions in engineering area under flow around an island headland

1.3 數(shù)學(xué)模型計算結(jié)果[6-8]

以上利用現(xiàn)場資料分析潮流特性。下面簡單介紹數(shù)學(xué)模型一些主要成果[9]。

(1)擴建工程實施后,擬建卸船碼頭前沿的流速略有增大，漲潮流最大時，增加幅度最大值為6 cm/s，而且卸船碼頭前沿的流向基本與碼頭平行，基本滿足船舶的靠泊條件。

(2)在文獻[7]中，建議在馬屁股處建造導(dǎo)流堤，用以使落潮流流向歸順到裝船碼頭的碼頭軸線走向。從流向歸順情況看，偏南的280°軸線方案較優(yōu)，導(dǎo)流堤長度200 m與300 m和400 m長差別不大。

(3)在文獻[7]中指出，擬建裝船碼頭中部在大潮漲急至漲急后3 h，均存在回流區(qū)。

數(shù)學(xué)模型的這些結(jié)論與前面根據(jù)現(xiàn)場資料以及利用概化模型進行的初步分析結(jié)果有較大差別。

2 物理模型成果[10]

2.1 模型簡介

圖6 寶鋼馬跡山擴建工程模型布置圖Fig.6 Model layout of Majishan expansion project of Baosteel

物理模型試驗研究的目的是：通過試驗掌握馬跡山海域各工況條件下水流特點及存在的問題，提出改善或優(yōu)化流態(tài)的技術(shù)措施。根據(jù)研究目的及對馬跡山潮流場的認識，確定整體模型所容納面積為630 km2。大致范圍為東經(jīng)122°14′至122°36′，北緯30°36′至30°47′。模型水平比尺λl=600，垂直比尺λh=140。模型布置如圖6。

2.2 馬跡山港水域潮流宏觀特點

模型試驗成果表明，馬跡山海域潮流具有以馬屁股為岬角的“繞流型”特點，東北向來的漲潮主流區(qū)貼近岸線(圖7)，已影響到一期卸船碼頭東部泊位靠離泊安全，對擴建卸船碼頭的影響將更大。

落潮流則相反，西向和西北向來的落潮主流由于岬角的挑流作用，落潮主流被挑離裝船碼頭水域，最落潮大流速在近海區(qū)(圖8)。且由于馬屁股岬角挑流作用，在落潮初期2 h時段內(nèi)，一期和擴建裝船碼頭水域范圍內(nèi)均存在逆時針回流。此結(jié)果與數(shù)學(xué)模型結(jié)論(3)不一致。

圖7 漲半潮平均流速分布圖Fig.7Averagevelocitydistributionofrisinghalftide圖8 落半潮平均流速分布圖Fig.8Averagevelocitydistributionoffallinghalftide

表1 卸船碼頭各測點最大流速、流向與碼頭夾角及橫向流速Tab.1 Maximum velocity, angle between flow direction and wharf and transverse velocity at each measuring point of unloading wharf

2.3 卸船碼頭水域水流試驗

2.3.1 擴建卸船碼頭水域水流特點

圖9為物理模型中擴建卸船碼頭處漲急流態(tài)圖。表1為模型中卸船碼頭前沿水域測點漲潮最大流速、流向及計算得到的橫向流速，測點位置見圖10。物理模型試驗成果與現(xiàn)場資料完全一致，即強勢的漲潮主流方向與碼頭走向之間有近20°的夾角。導(dǎo)致擴建卸船碼頭東端最大橫向流速達1 m/s左右，將嚴重影響到船舶靠泊的安全。此結(jié)果與數(shù)學(xué)模型的結(jié)論(1)不一致。

由于碼頭走向已由一期工程確定無法更改，解決問題的途徑只能通過整治工程改善水流條件。為此模型中進行了多組利用整治工程改善卸船碼頭水流流態(tài)的優(yōu)化試驗。

圖9 擴建卸船碼頭漲急流態(tài)圖Fig.9Risingandrapidflowpatternofexpandedunloadingdock圖10 馬跡山港港區(qū)前沿測點布置Fig.10LayoutoffrontmeasuringpointsofMajishanPort

2.3.2 擴建卸船碼頭水流整治工程—“東導(dǎo)堤方案”試驗研究

擴建卸船碼頭水流整治工程的基本思路，就是在碼頭東側(cè)合適位置布置“東導(dǎo)流堤”，將漲潮主流挑離碼頭水域。在擴建卸船碼頭東側(cè)300 m左右有兩個暗礁，利用暗礁建導(dǎo)流堤，可大大減少工程量。圖11為物理模型中“東導(dǎo)流堤”堤長為100 m、150 m和200 m時，漲潮主流流路跡線圖。表2為不同堤長度時擴建卸船碼頭水域水流流速流向參數(shù)。導(dǎo)流堤長100 m時, 擴建卸船碼頭東端有100～130 m范圍依然受到斜向漲潮水流的影響；導(dǎo)流堤長150 m時，漲潮流主流基本到達碼頭東端前沿線位置，流向與碼頭夾角基本在10°以內(nèi)；導(dǎo)流堤長200 m時，漲潮流主流線到達擴建卸船碼頭前沿線50 m以外，碼頭停泊區(qū)處于導(dǎo)流堤掩護的緩流區(qū)內(nèi)，水流流向與碼頭前沿線基本平行。

2.3.3 小結(jié)

模型試驗表明，在擴建卸船碼頭東側(cè)建導(dǎo)流堤，可以有效地改善擴建卸船碼頭東端水流條件。從水流流態(tài)看，建150 m出水導(dǎo)流堤時，繞堤水流分離線基本在碼頭前沿線位置，流向與碼頭夾角基本在10°以內(nèi)。僅從改善擴建卸船碼頭水流條件考慮，“東導(dǎo)流堤”長度不宜小于150 m。

2.4 裝船碼頭水域水流試驗

2.4.1 擴建裝船碼頭水域初落階段產(chǎn)生回流過程分析

表2 各工況條件下擴建卸船碼頭前漲潮期最大流速及與碼頭夾角Tab.2 Maximum velocity and angle in the front of unloading whart area and in flood stage under various working conditions

在落潮初期，馬跡山南側(cè)潮流主槽內(nèi)東西向主流相對較弱，而馬屁股西側(cè)NW-SE向落潮流為優(yōu)勢流，此優(yōu)勢流在馬屁股岬角處與主槽內(nèi)東西向落潮主流匯合后主流向大致為150°左右，主流向南偏離海岸；以至在馬屁股以南的擴建裝船碼頭水域形成以東西向為主的大尺度回流?；亓鲄^(qū)東西長達500 m以上。

模型試驗表明，大、中潮條件下擴建裝船碼頭前局部回流主要發(fā)生在落潮開始后的2～3 h左右，小潮條件下發(fā)生回流時間為1.5 h左右。隨著杭州灣呈東西向的落潮主流的逐漸加強，并起控制作用后，這一回流區(qū)即逐漸減弱以至消失。參考圖5，裝船碼頭西側(cè)布置“西導(dǎo)流堤”方案情況如圖12。

圖11 東導(dǎo)流堤不同長度時漲潮主流流路圖Fig.11MainflowchartofrisingtidewithdifferentlengthofEastdiversiondike圖12 馬跡山礦石碼頭擴建工程西導(dǎo)流堤優(yōu)化方案布置圖Fig.12LayoutplanofWestdiversiondikeofMajishanOreWharfexpansionproject

2.4.2 “西導(dǎo)流堤”優(yōu)化試驗研究主要成果

(1)西導(dǎo)流堤“南”方案。模型中“南”方案進行了與數(shù)學(xué)模型一樣的280°、300°及340°三種走向及100 m、200 m不同長度的方案試驗。結(jié)果表明，西導(dǎo)流堤各“南”方案走向340°方案稍優(yōu)于其他各方案(此結(jié)果與數(shù)學(xué)模型結(jié)論(2)不一致)(圖13)，但要達到解決回流問題，導(dǎo)流堤長度必須加長到400～500 m。馬屁股端部水深較大，100 m外水深即達30 m左右，200 m外水深達40 m以上，為此，西導(dǎo)流堤“南”方案實施的可行性和可能性均較小。

(2)西導(dǎo)流堤“北”方案。馬屁股以北的馬卵島自然水深僅6～8 m，在此布置300 m、450 m和900 m長的導(dǎo)流堤，試驗表明，堤長300～400 m時即可較好地解決擴建裝船碼頭水域初落潮時段回流問題(圖14)。

(3)西導(dǎo)流堤“中”方案流態(tài)特點。在馬屁股以北350 m附近布置西導(dǎo)流堤，此處水深要稍大于“北”方案，因當(dāng)?shù)匕毒€偏東，堤長也需稍大于北方案，大致堤長450 m左右，即可解決裝船碼頭回流問題(圖14)。

2.4.3 裝船碼頭“西導(dǎo)流堤”水流試驗小結(jié)

擴建裝船碼頭“西導(dǎo)流堤”方案水流試驗表明, 在馬跡山西側(cè)布置適當(dāng)?shù)恼谓ㄖ锟梢圆煌潭鹊販p弱裝船碼頭水域回流尺度和強度。一般講，布置在馬屁股岬角端部的“南方案”隨著導(dǎo)流堤堤身的加長，碼頭前流態(tài)會有所好轉(zhuǎn)，但不能根本解決回流問題；而且由于水深大，造價高、堤頭防沖刷問題亦不易處理，不建議采用此方案。

建議采用300～400 m長的“北方案”，或堤長450 m左右的“中方案”。

由于西側(cè)裝船碼頭附近落潮水流強度遠小于東側(cè)卸船碼頭附近的漲潮水流，且回流現(xiàn)象主要發(fā)生在落潮初期，此時潮流強度尚未達到最大流速，回流尺度雖大但強度不大，對港區(qū)船舶航運安全的影響也是有限的，為此建議在裝船碼頭建成后，根據(jù)現(xiàn)場水流條件情況，參考本試驗成果確定西導(dǎo)流堤的具體整治方案。

13-a西導(dǎo)流堤南方案(340°,200m)13-b西導(dǎo)流堤南方案(280°,200m)圖13 “西導(dǎo)流堤”南方案導(dǎo)流堤走向的影響Fig.13InfluenceofdiversiondiketrendinSouthcaseofWestdiversiondike

14-a西導(dǎo)流堤北方案(300m)14-b西導(dǎo)流堤中方案(450m)圖14 部分“西導(dǎo)流堤”方案條件下落潮流流態(tài)Fig.14FallingcurrentflowpatternofpartofWestdiversiondikeschemeconditions

3 實測資料與模型試驗成果比較

模型試驗推薦的東導(dǎo)流堤150 m方案最終被建設(shè)單位采用。在東導(dǎo)流堤建成后，2006年11月5～6日，在馬跡山港卸船碼頭水域又進行了一次水文測驗[11]。根據(jù)現(xiàn)場實測資料分析，擴建卸船碼頭前沿的水流條件確實得到了明顯的改善，漲潮時水流與碼頭前沿夾角平均為5°～10°左右，基本上歸順了碼頭前沿水流，模型試驗預(yù)測與現(xiàn)場實測結(jié)果是一致的，推薦的東導(dǎo)流堤方案較好地解決了擴建碼頭前水流問題[12]。

4 物理模型與數(shù)學(xué)模型結(jié)論不同的原因分析

在研究過程中，多次發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的一些基本結(jié)論不僅與物理模型結(jié)果不一致，與現(xiàn)場實測資料也相矛盾。經(jīng)分析產(chǎn)生矛盾的原因為：

(1)數(shù)學(xué)模型在模擬碼頭樁柱時的概化處理有一定難度，在樁柱附近水流易產(chǎn)生較大偏差；(2)二維數(shù)學(xué)模型反映回流等復(fù)雜水流現(xiàn)象時，直觀性不如物理模型，影響研究人員的判斷；(3)研究人員的工程經(jīng)驗會直接影響到對計算成果的分析和判斷；(4)對現(xiàn)場實測資料分析深度也會影響到試驗的分析和判斷。

5 結(jié)語

(1)在對現(xiàn)場資料深入分析后，將馬跡山港域潮流特征進行歸納分類，在較好掌握工程海域潮流特點基礎(chǔ)上，借鑒類似工程實踐經(jīng)驗，用以指導(dǎo)物理模型試驗和分析試驗成果；(2)影響馬跡山港礦石碼頭擴建工程的關(guān)鍵水流問題有兩個：一是東部強勁的漲潮流對擴建卸船碼頭處船舶靠泊安全的影響；一是擴建裝船碼頭水域在落潮初期的大尺度回流問題；(3)通過物理模型試驗，建議在擴建卸船碼頭東側(cè)建150 m導(dǎo)流堤，以改善擴建卸船碼頭東端水流條件。此建議已付諸工程實踐，結(jié)果證明模型試驗的預(yù)測與現(xiàn)場實測結(jié)果一致；(4)擴建裝船碼頭水域落潮初期回流問題進行的優(yōu)化試驗表明，擴建裝船碼頭西側(cè)導(dǎo)流堤方案如采用300～400 m長的“北”方案，或堤長450 m左右的“中”方案，可基本解決擴建裝船碼頭水域初落時段回流問題；(5)本文還對物理模型成果與數(shù)學(xué)模型成果之間的不一致問題進行了探討和分析，以便為以后進行類似工作積累經(jīng)驗。