京唐港區(qū)20萬(wàn)t級(jí)航道橫流減控措施研究

肖立敏，于 泳，孫林云，孫 波

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.唐山港口實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063611）

引 言

修建防波擋沙堤是減少航道淤積、改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件的主要措施。隨著航道的深水化發(fā)展，修建較長(zhǎng)的防波擋沙堤，可能引發(fā)堤頭橫流增加等次生危害，影響船舶進(jìn)出。防波擋沙堤的布置如何在達(dá)到合理的擋沙效果的同時(shí)，又有效地控制通航水流條件，是航道深水化建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

張磊[1]和肖立敏[2]等分別通過(guò)物理模型試驗(yàn)研究了欽州灣30萬(wàn)t級(jí)油碼頭航道和東營(yíng)港10萬(wàn)t級(jí)航道的橫流，張瑋[3]、高明[4]、章衛(wèi)勝[4]等分別建立數(shù)學(xué)模型分析了連云港主港區(qū)深水航道、嵐山港南作業(yè)區(qū)及京唐港區(qū)7萬(wàn)t級(jí)航道的橫流特性。

京唐港區(qū)所在海域以往復(fù)流為主，漲落潮方向與航道基本垂直，橫流問(wèn)題較為突出。本文建立京唐港區(qū)平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，結(jié)合該港區(qū)20萬(wàn)t級(jí)深水航道工程，研究不同口門(mén)防波擋沙堤布置下的流速分布，探討航道橫流控制措施。

1 概 述

1.1 工程概況

唐山港京唐港區(qū)采用挖入式形式，其進(jìn)港航道疏浚而成。目前已建成第一、二港池全部和第三、四港池部分泊位，第五港池項(xiàng)目建設(shè)順利推進(jìn)，正在形成五個(gè)港池建設(shè)運(yùn)營(yíng)的整體格局，港區(qū)平面布置見(jiàn)圖1。為滿(mǎn)足港區(qū)第四港池礦石碼頭泊位的需要，需將已有10萬(wàn)t級(jí)航道升級(jí)至20萬(wàn)t級(jí)。20萬(wàn)t級(jí)航道，底寬245 m，設(shè)計(jì)底高程為-20.0 m（理論基面，下同），航道長(zhǎng)度16.7 km。京唐港區(qū)口門(mén)采用東、西平行防波擋沙堤布置型式。10萬(wàn)t級(jí)航道配套的東防波擋沙堤為700 m出水堤（堤頂高程3.0 m）+500 m潛堤（堤頂高程-4.0 m）+900 m潛堤（堤頂高程為-5.0 m），西防波擋沙堤為600 m出水堤（堤頂高程 3.0 m）+800 m潛堤（堤頂高程-5.0 m）。按照港區(qū)規(guī)劃，第四港池外側(cè)還將形成人工島。作為20萬(wàn)t級(jí)航道的配套工程，從防浪、擋沙等角度綜合考慮，防波擋沙堤需作加高、延長(zhǎng)調(diào)整建設(shè)。針對(duì)第四港池南島實(shí)施、防波擋沙堤潛堤加高至出水堤，開(kāi)展橫流分析研究。

圖1 京唐港區(qū)平面布置

1.2 潮汐潮流

京唐港區(qū)潮汐類(lèi)型屬不規(guī)則半日潮，潮差較小，平均海面 1.27 m，平均高、低潮位分別為1.69 m和0.82 m，平均潮差為0.88 m。港區(qū)附近海域潮流具有明顯的往復(fù)流特征，漲潮為西南流，落潮為東北流，流向基本與海岸平行。2009年6月在該海域進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)水文測(cè)驗(yàn)，并對(duì)口門(mén)附近流速予以加強(qiáng)觀(guān)測(cè)，共設(shè)了三個(gè) 11條垂線(xiàn)，測(cè)點(diǎn)位置及實(shí)測(cè)大潮流速矢量見(jiàn)圖2。

圖2 2009年6月實(shí)測(cè)大潮垂線(xiàn)平均流速矢量

外海一側(cè)的 3#、7#和 11#點(diǎn)實(shí)測(cè)大潮漲潮垂線(xiàn)平均最大流速分別為0.39 m/s、0.48 m/s和0.56 m/s，落潮期間垂線(xiàn)平均最大流速為 0.55 m/s、0.63 m/s和0.66 m/s，漲潮流速均小于落潮流速。口門(mén)附近布設(shè)4個(gè)測(cè)流點(diǎn)，其中4#點(diǎn)距東防波擋沙堤?hào)|側(cè)約2 km，5#點(diǎn)位于口門(mén)擋沙堤潛堤掩護(hù)段內(nèi)，6#和8#點(diǎn)分布位于東、西防波擋沙堤延長(zhǎng)線(xiàn)上，距各自潛堤堤頭約1.5 km。大潮漲潮期間漲潮流越過(guò)潛堤橫跨航道，由于受到東防波擋沙堤挑流作用，5#點(diǎn)處流速較大，最大流速為0.79 m/s，漲潮平均流速為0.37 m/s，流向有朝外海方向偏轉(zhuǎn)趨勢(shì)。8#點(diǎn)漲潮期最大流速和平均流速分別為0.61 m/s和0.28 m/s，均大于6#點(diǎn)相應(yīng)的0.51 m/s和0.24 m/s，表明漲潮期間8#點(diǎn)受到防波堤較為明顯的挑流作用。落潮期間，5#點(diǎn)最大流速為 0.65 m/s，較漲潮期間要??；6#點(diǎn)與8#點(diǎn)最大流速在0.70 m/s左右，平均流速均在0.35 m/s左右，表明落潮期間防波堤堤頭挑流作用漲潮期間要弱；4#點(diǎn)受東防波擋沙堤影響，落潮流速與漲潮流速基本相當(dāng)。

2 模型建立與驗(yàn)證

2.1 模型建立

建立唐山港京唐港區(qū)平面二維潮流數(shù)學(xué)模型。模型采用變步長(zhǎng)網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)域，各變量轉(zhuǎn)換到正交曲線(xiàn)坐標(biāo)系，并對(duì)沿水深積分的連續(xù)方程和動(dòng)量方程經(jīng)差分離散后采用 ADI法進(jìn)行計(jì)算，采用TDMA方法求解。模型閉邊界上取法向流速為0，開(kāi)邊界上采用潮位控制。初始條件給出初始時(shí)刻的流速和潮位。模型計(jì)算區(qū)域沿岸方向長(zhǎng)50 km，離岸方向約25 km。網(wǎng)格尺度在外海為400 m左右，工程區(qū)局部加密至25 m。

2.2 模型驗(yàn)證

采用2009年6月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)大潮水文測(cè)驗(yàn)資料，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖3給出了實(shí)測(cè)大潮時(shí)段模型計(jì)算的臨時(shí)潮位站潮位過(guò)程計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較。由圖可見(jiàn)，計(jì)算的潮位與實(shí)測(cè)吻合較好，高、低潮潮位、相位均比較吻合，表明模型模擬的潮位過(guò)程與實(shí)際情況比較一致。圖4則給出了部分測(cè)點(diǎn)垂線(xiàn)平均流速、流向計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較結(jié)果，從圖中可以看出，流速流向計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。驗(yàn)證結(jié)果表明，模型能較好地反映工程海域潮汐潮流特性。

圖3 2009年6月實(shí)測(cè)大潮潮位過(guò)程驗(yàn)證曲線(xiàn)

圖4 2009年6月實(shí)測(cè)大潮流速流向過(guò)程驗(yàn)證曲線(xiàn)

3 計(jì)算成果分析

3.1 橫流控制措施的必要性

圖5和圖6分別給出了第四港池南島實(shí)施，現(xiàn)有東、西防波擋沙堤潛堤抬高至出水堤漲、落急流場(chǎng)分布。由圖可以看到，漲潮期間，在東防波擋沙堤與南島外堤之間為弱流區(qū)，堤頭挑流明顯：東、西防波擋沙堤堤頭最大流速分別達(dá)到 1.18 m/s和1.11 m/s；航道口門(mén)處最大流速達(dá)到0.85 m/s，且流向與航道垂直。落潮期間，受到西防波擋沙堤挑流作用，堤頭一定范圍內(nèi)為流速增加區(qū)，東、西防波擋沙堤堤頭最大流速分別為0.91 m/s和0.78 m/s；口門(mén)航道處最大流速0.62 m/s，橫流為0.42 m/s。

當(dāng)南島形成且口門(mén)防波擋沙堤出水后，堤頭挑流作用加劇，堤頭及口門(mén)航道處流速增幅較為明顯，對(duì)口門(mén)防波擋沙堤進(jìn)行優(yōu)化是必要的。

圖5 防波擋沙堤潛堤出水后漲急流場(chǎng)分布

圖6 防波擋沙堤潛堤出水后落急流場(chǎng)分布

3.2 潛堤高程對(duì)橫流影響分析

在現(xiàn)有東、西防波擋沙堤潛堤抬高至出水堤基礎(chǔ)上，進(jìn)一步延長(zhǎng)東、西防波擋沙堤潛堤各1 km，潛堤高程分別為-5 m、-3 m和0 m。圖7和圖8為潛堤高程為-5 m時(shí)的流場(chǎng)分布，圖9則給出了航道中心軸線(xiàn)流速沿程分布。

圖7 潛堤延伸方案漲急流場(chǎng)分布

圖8 潛堤延伸方案落急流場(chǎng)分布

圖9 不同方案航道中心軸線(xiàn)最大流速沿程分布

由圖可見(jiàn)，隨著潛堤堤頂高程的增加，口門(mén)附近受潛堤掩護(hù)范圍段流速逐漸減小，而潛堤堤頭附近流速有所增加。漲潮期間，上述3個(gè)方案口門(mén)航道處最大橫流依次為 0.67 m/s、0.745 m/s和0.91 m/s。落潮期間，最大橫流分別為 0.47 m/s、0.48 m/s和0.50 m/s?？梢钥吹剑?dāng)潛堤高程在-5 m時(shí)，口門(mén)航道附近橫流顯著降低；當(dāng)潛堤高程為-3 m時(shí)，對(duì)減少口門(mén)橫流也有一定的作用；當(dāng)潛堤高程為0 m時(shí)，高程較高，接近于出水堤，口門(mén)航道附近流速有所增加。上述計(jì)算表明，延長(zhǎng)口門(mén)潛堤長(zhǎng)度，選擇合理的堤頂高程，能有效改善口門(mén)航道水流條件。

表1 不同方案最大橫流

3.3 潛堤長(zhǎng)度對(duì)橫流影響分析

進(jìn)一步延長(zhǎng)潛堤至長(zhǎng)度為 2 km，與潛堤長(zhǎng)度1 km相比，漲、落潮期間在受潛堤掩護(hù)段流速均進(jìn)一步降低，而潛堤的挑流作用也相應(yīng)外移，最大橫流出現(xiàn)在東防波擋沙堤2 km潛堤堤頭處，其中口門(mén)航道處最大橫流速別為0.67 m/s和0.47 m/s，量值與潛堤長(zhǎng)度1 km方案基本相同。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)建立京唐港區(qū)平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，研究不同口門(mén)防波擋沙堤布置條件下 20萬(wàn) t級(jí)航道橫流分布，探討航道橫流減控措施，結(jié)論如下：

1）京唐港區(qū)第四港池南島形成，現(xiàn)狀口門(mén)東、西防波擋沙堤潛堤出水后，堤頭挑流增強(qiáng)，口門(mén)航道處橫流較大，需要采取措施改善口門(mén)通航水流條件。

2）延長(zhǎng)潛堤1 km，當(dāng)潛堤高程在-5 m時(shí)，能有效減小口門(mén)航道處橫流；隨著堤頂高程抬高，堤頭挑流作用會(huì)增強(qiáng)，口門(mén)航道附近橫流也會(huì)有一定程度增加；當(dāng)潛堤高程為0 m時(shí)，口門(mén)附近流速增加較為顯著，橫流也較大。延長(zhǎng)口門(mén)潛堤長(zhǎng)度，選擇合理的堤頂高程，能有效改善口門(mén)航道水流條件。

3）保持潛堤高程不變，延長(zhǎng)潛堤2 km，在受潛堤掩護(hù)段流速均進(jìn)一步降低，挑流作用也相應(yīng)外移，但最大橫流流速基本與延長(zhǎng)1 km相比基本相同。

4）從改善京唐港區(qū)航道水流條件來(lái)看，選擇合理的潛堤長(zhǎng)度和堤頂高程，對(duì)減少口門(mén)航道橫流是有效的。