煙臺(tái)港西港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)航道工程回淤監(jiān)測(cè)與研究

李娟

摘 要：泥沙淤積是港口航道工程建設(shè)和發(fā)展中的重要問(wèn)題之一，施工期的泥沙淤積與自然條件有關(guān)，更與航道施工工藝有關(guān)。本文通過(guò)對(duì)煙臺(tái)港西港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)航道工程進(jìn)行回淤觀測(cè)與研究，探討航道在大風(fēng)天氣及施工過(guò)程中的回淤規(guī)律，為航道開(kāi)挖施工挖泥船的配備，航道備淤深度設(shè)計(jì)及安排航道維護(hù)性疏浚計(jì)劃等提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：泥沙淤積;航道施工;回淤監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：U616 ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2020）07-0107-03

泥沙淤積是港口航道工程建設(shè)和發(fā)展中的重要問(wèn)題之一。施工期的泥沙淤積與自然條件有關(guān)，更與航道施工工藝即疏浚及拋泥方式有關(guān)。在航道疏浚施工中，為避免挖泥船施工對(duì)正常通航造成影響，大型港口航道的增深拓寬工程多采用自航式耙吸挖泥船進(jìn)行施工。影響航道施工的因素，不僅體現(xiàn)在泥沙回淤的淤積量上，回淤物質(zhì)的可挖性亦相當(dāng)重要。我國(guó)沿海港口航道的底質(zhì)以細(xì)顆粒泥沙為主，在自航式耙吸挖泥船施工過(guò)程中，細(xì)顆粒泥沙很難挖掘，進(jìn)艙濃度較低，泥艙內(nèi)細(xì)顆粒泥沙沉速小，較難沉積。為增大挖泥船的裝艙濃度，提高挖泥效率，降低疏浚費(fèi)用，在可能的情況下需要利用裝艙溢流施工工藝以提高有效裝載量。為此，煙臺(tái)港西港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)航道工程進(jìn)行了回淤觀測(cè)與研究，為航道開(kāi)挖施工挖泥船的配備，航道備淤深度設(shè)計(jì)及安排航道維護(hù)性疏浚計(jì)劃等提供科學(xué)依據(jù)。

1 項(xiàng)目概況

煙臺(tái)港西港區(qū)位于山東半島套子灣西北側(cè)，是煙臺(tái)港總體布局規(guī)劃的深水港區(qū)，港區(qū)地處蘆葦灣北部龍洞咀海灣岬角附近，局部自然水深達(dá)20～27m，有利于大型深水泊位建設(shè)。煙臺(tái)港西港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)航道工程在20萬(wàn)噸級(jí)航道的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬浚深，航道總長(zhǎng)35.752千米，分為東西兩段：東段航道軸線方位角N18°～N198°，長(zhǎng)度32.496千米，通航寬度370米;西段航道軸線方位角N42°～N222°，長(zhǎng)度3.256千米，通航寬度425米～460米，航道設(shè)計(jì)底標(biāo)高為-24.5米。

2 海區(qū)自然條件

（1）工程海域的潮汐性質(zhì)屬于規(guī)則半日潮型，平均潮差為1.49m，為弱潮海區(qū)。海域潮流類型屬不規(guī)則半日潮流性質(zhì)，基本呈往復(fù)運(yùn)動(dòng)，漲潮平均流速在0.19～0.28m/s之間，落潮平均流速在0.27～0.29m/s之間，落潮大于漲潮，水流強(qiáng)度不大，為弱流海域。

（2）工程海域波浪以風(fēng)浪為主，涌浪為輔，常浪向?yàn)镹W向，頻率為7.6%，平均波高1.14m，次常浪向?yàn)镹向，頻率為7.4%，平均波高1.48m;強(qiáng)浪向?yàn)镹向，最大波高為7.0m，次強(qiáng)浪向?yàn)镹W向，最大波高6.9m。

（3）工程海域含沙濃度很低，而且隨潮變化不大，一般在0.02～0.04kg/m3之間;表層略清、底部略渾，其差一般不足0.01kg/m3。在水文測(cè)驗(yàn)期間，曾遇有6～7級(jí)，陣風(fēng)8級(jí)大風(fēng)，測(cè)得最大含沙量為0.06kg/m3。說(shuō)明本海區(qū)泥沙來(lái)源少，泥沙搬運(yùn)、沉積活動(dòng)微弱。

3 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與分析主要研究項(xiàng)目

3.1 研究?jī)?nèi)容

（1）疏浚挖泥對(duì)航道回淤的影響：①施工過(guò)程中疏浚土的運(yùn)移擴(kuò)散情況;②拋泥過(guò)程中疏浚土的運(yùn)移擴(kuò)散及其對(duì)航道回淤的影響;③拋泥淤積土的去向及在風(fēng)浪作用下對(duì)航道回淤的影響。

（2）風(fēng)浪對(duì)航道回淤的影響：①風(fēng)后追測(cè)含沙量;②大風(fēng)前、后水深測(cè)量，可利用航道施工測(cè)深圖;③風(fēng)后強(qiáng)淤時(shí)的底質(zhì)采樣;④對(duì)重點(diǎn)強(qiáng)淤區(qū)航道和附近灘地以及拋泥區(qū)沖淤情況進(jìn)行觀測(cè)，特別在大風(fēng)后加密對(duì)該兩區(qū)的觀測(cè)。

（3）航道和附近灘地地形測(cè)量（固定斷面）。

3.2 觀測(cè)方法

3.2.1 疏浚挖泥對(duì)航道回淤的影響

（1）在挖泥施工過(guò)程中，在施工下方約2km處垂直航道布設(shè)五個(gè)測(cè)點(diǎn)，航道中心一點(diǎn)，航道南北兩灘各設(shè)二點(diǎn)，距中心點(diǎn)分別為250m和500m（圖1）。

從挖泥開(kāi)始，經(jīng)溢流階段到挖泥結(jié)束，每30分鐘測(cè)一次含沙量，挖泥船與此同步在溢流口和溢流口附近水域觀測(cè)含沙量，觀測(cè)方法采用垂線三點(diǎn)法，即：表層（水面下0.5m）、0.5H和底層（床面上0.5m）（H為水深），每周觀測(cè)一次，并實(shí)時(shí)觀測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向（用手持式FC-16025風(fēng)速風(fēng)向儀）。

（2）拋泥過(guò)程中，在拋泥點(diǎn)與航道之間設(shè)4～5點(diǎn)，觀測(cè)拋泥后的疏浚土運(yùn)移情況及其對(duì)航道回淤的影響。

（3）拋泥淤積土的去向及在大風(fēng)浪作用下對(duì)航道回淤的影響。

定期（每月一次）測(cè)淤積區(qū)水深圖，大風(fēng)后立即補(bǔ)測(cè)該區(qū)水深圖，以便結(jié)合風(fēng)況，分析對(duì)航道回淤的影響。

3.2.2 風(fēng)浪對(duì)航道回淤的影響

（1）大風(fēng)后含沙量追測(cè)，在4月份和11月份風(fēng)季進(jìn)行，沿航道中心及兩側(cè)邊灘（500m），采用垂線三點(diǎn)法觀測(cè)水體含沙量，測(cè)量間距4.0km。

（2）大風(fēng)前、后水深測(cè)圖（可利用航道施工測(cè)圖），利用固定斷面測(cè)圖校核。

（3）大風(fēng)后強(qiáng)淤嚴(yán)重時(shí)，立即在航道及兩灘進(jìn)行底質(zhì)采樣，采樣點(diǎn)約80個(gè)。

（4）大風(fēng)（≥7級(jí)）期間風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)，布設(shè)自記風(fēng)速風(fēng)向固定站，每小時(shí)觀測(cè)一次，提供平均值及最大值。

3.2.3 重點(diǎn)強(qiáng)淤區(qū)的觀測(cè)

在前期測(cè)量的基礎(chǔ)上，在重點(diǎn)強(qiáng)淤區(qū)垂直航道布設(shè)三個(gè)固定斷面，每半月檢測(cè)斷面一次水深，每3個(gè)月取一次底質(zhì)表層樣，大風(fēng)后加測(cè)水深和底質(zhì)。

3.2.4 固定斷面測(cè)量

沿航道軸線每500m布設(shè)一個(gè)固定斷面，進(jìn)行水深測(cè)量，測(cè)圖比例1：2000，定期觀測(cè)（每月一次），大風(fēng)后加密觀測(cè)。

3.2.5 常規(guī)水深測(cè)量

每季度進(jìn)行一次常規(guī)水深測(cè)量，測(cè)量范圍涵蓋航道和兩側(cè)邊灘2km，測(cè)圖比例為1：5000。

4 航道回淤量及淤?gòu)?qiáng)沿程分布研究

4.1 研究?jī)?nèi)容

（1）航道回淤月際及年淤積分布規(guī)律;

（2）正常天氣下和大風(fēng)作用下，航道淤?gòu)?qiáng)沿程分布。

4.2 研究方法

通過(guò)歷史風(fēng)況月際分布、年淤積分布、現(xiàn)場(chǎng)淤積資料分析、理論研究、數(shù)值模擬等手段，經(jīng)綜合分析，提出航道淤積的月際及年淤積分布規(guī)律和大風(fēng)過(guò)程的淤積沿程分布。

4.3 主要工作

4.3.1 泥沙沉降和起動(dòng)試驗(yàn)

（1）目的：進(jìn)行波、流作用下泥沙運(yùn)動(dòng)形態(tài)及航道回淤物特征試驗(yàn)，為分析波、流作用下航道回淤土土質(zhì)變化提供參數(shù)資料，并為數(shù)學(xué)模型提供泥沙基本動(dòng)力參數(shù)。

（2）研究主要內(nèi)容：①泥沙的靜、動(dòng)水沉降試驗(yàn)和靜水密實(shí)驗(yàn);②泥沙在波浪及波、流聯(lián)合作用下的起動(dòng)試驗(yàn)。

（3）研究方法：①利用沉降筒進(jìn)行沉降試驗(yàn);②利用波浪潮流水槽進(jìn)行泥沙動(dòng)水沉降試驗(yàn)和起動(dòng)試驗(yàn);③對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合分析。

4.3.2 回淤土密實(shí)固結(jié)試驗(yàn)

（1）目的：為分析疏浚土可挖性提供基本參考資料，研究粒徑組成和密實(shí)時(shí)間對(duì)回淤土容重的影響。

（2）內(nèi)容：①不同含沙量對(duì)回淤土密實(shí)過(guò)程的影響;②回淤土密實(shí)過(guò)程中容重變化情況及可挖性分析;③沉積物粒度、厚度及沉積時(shí)間與密實(shí)度的關(guān)系。

（3）研究方法：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，了解航道回淤土實(shí)際可挖性情況，為研究工作打下基礎(chǔ)。

4.3.3 數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)

（1）數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的組成，包括波浪、潮流以及泥沙三個(gè)模型。其中，潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)是整個(gè)數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)，通過(guò)計(jì)算工程海域潮流場(chǎng)，為潮流特征分析和其他相關(guān)分析提供依據(jù)，并為泥沙數(shù)學(xué)模型提供流場(chǎng)動(dòng)力條件;波浪模型主要為泥沙計(jì)算提供波浪動(dòng)力條件;泥沙數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)是在上述兩個(gè)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，計(jì)算分析泥沙運(yùn)動(dòng)及地形沖淤情況。

（2）數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究目的：①通過(guò)潮流數(shù)模模型試驗(yàn)，計(jì)算分析工程海域潮汐、潮流運(yùn)動(dòng)整體規(guī)律，掌握工程海域的水流及潮汐特征，并為泥沙數(shù)學(xué)模型提供動(dòng)力條件;②通過(guò)波浪、潮流、泥沙數(shù)模模型試驗(yàn)，研究預(yù)測(cè)正常天氣條件下和大風(fēng)天氣下的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為提高航道抗風(fēng)險(xiǎn)能力，維護(hù)航道正常水深等提供參考。

（3）數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容：①工程海域水流情況，如航道內(nèi)水流流速、橫流（大小、發(fā)生時(shí)刻、持續(xù)時(shí)間等）情況;港池及碼頭前沿水流流速，分析有無(wú)環(huán)流等不利流態(tài)等;②計(jì)算分析工程海域水流變化，計(jì)算分析工程對(duì)周邊海域的影響范圍及程度;③計(jì)算分析正常天氣條件下和大風(fēng)天氣下的泥沙場(chǎng);④計(jì)算分析正常年（年平均動(dòng)力條件）淤積情況及淤積分布趨勢(shì)，分析正常年維護(hù)量及維護(hù)方式;⑤預(yù)測(cè)分析各風(fēng)況（如某典型臺(tái)風(fēng)、某典型寒潮大風(fēng)）作用下的泥沙淤積情況及淤積分布趨勢(shì)，分析大風(fēng)驟淤的可能性和大風(fēng)作用下的淤積量。

5 結(jié)論

結(jié)合西港區(qū)30萬(wàn)噸級(jí)航道工程監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)及測(cè)量圖紙，通過(guò)實(shí)驗(yàn)儀器分析，具體結(jié)論如下：

5.1 泥沙淤積

（1）本海域的泥沙來(lái)源較少，造成航道回淤泥沙主要是岸灘掀起的泥沙在潮流和風(fēng)浪的作用下反復(fù)搬運(yùn)，而航道區(qū)域自然水深都在-18m（理論最低潮面）以上，無(wú)風(fēng)天及小風(fēng)天航道附近灘面泥沙難以起動(dòng)，只有風(fēng)浪達(dá)到一定程度，海區(qū)泥沙才可能出現(xiàn)明顯起動(dòng)，然后在潮流作用下運(yùn)移，造成航道回淤。故航道回淤主要發(fā)生在大風(fēng)浪情況下。

（2）從本港疏浚懸沙擴(kuò)散模擬看，疏浚引起的懸沙會(huì)隨水流向兩側(cè)擴(kuò)散，落淤于航道及兩側(cè)灘面，隨后落淤的泥沙會(huì)在風(fēng)浪作用下起動(dòng)，隨水流再次向兩側(cè)運(yùn)移，即使疏浚引起的泥沙50%落淤于航道兩側(cè)，最終影響航道回淤的泥沙也就在10%左右;參考航道年回淤情況，疏浚引起的泥沙淤積應(yīng)在20萬(wàn)m?以內(nèi)。綜合來(lái)看，本海域疏浚施工引起的泥沙回淤影響幅度不大。 施工期間未見(jiàn)含沙量明顯增大，說(shuō)明疏浚施工未對(duì)周邊海域含沙量產(chǎn)生明顯影響。

（3）正常年條件下，全航道均表現(xiàn)為淤積，淤積幅度基本呈自岸向海逐步減小的分布趨勢(shì);正常年份的淤?gòu)?qiáng)0.04～0.32 m/a，平均0.15m/a，總體上屬于輕微淤積。航道附近海域平均水深18m以上，這一水深泥沙運(yùn)動(dòng)不活躍，是造成航道輕微淤積的基本原因。受挖泥船溢流影響，邊灘的淤積強(qiáng)度高于正常年。

5.2 航道備淤深度

（1）航道最大年回淤?gòu)?qiáng)度約0.32m/a，發(fā)生在口門外1km左右，航道平均回淤?gòu)?qiáng)度約0.15m/a，年回淤總量約203萬(wàn)m?。在計(jì)算大風(fēng)情況下，航道最大回淤?gòu)?qiáng)度約0.17m/a，發(fā)生在口門附近，航道平均回淤?gòu)?qiáng)度約0.08m/a，一次計(jì)算風(fēng)浪下回淤總量約107萬(wàn)m?。

（2）從懸沙擴(kuò)散看，船舶施工引起的懸沙擴(kuò)散主要隨潮流擴(kuò)散，懸沙影響范圍在航道兩側(cè)1～3km。從懸沙梯度看，施工引起的懸沙主要在航道兩側(cè)，其中航道內(nèi)含沙量最大，往兩側(cè)逐漸降低。

（3）由于工程區(qū)域水深較大（基本都在18m以上），常規(guī)動(dòng)力下，底沙難以起動(dòng)，回淤較小，總體上屬于輕微淤積。施工備淤深度（滿足設(shè)計(jì)水深驗(yàn)收，按照施工計(jì)劃一次性合理超挖深度）可參考如下：口門附近3～5km范圍內(nèi)，備淤深度可取0.5m，然后向兩側(cè)逐漸減小，備淤深度可參考回淤厚度。

5.3 建議

（1）建議補(bǔ)充測(cè)量航道兩側(cè)邊灘資料，以確定兩側(cè)邊灘是否有泥沙堆積及堆積數(shù)量，便于分析其對(duì)航道回淤的影響。

（2）本工程最大回淤發(fā)生在口門位置，建議加強(qiáng)口門水深監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步確定回淤情況，為數(shù)模研究提供更多現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)支持。

（3）根據(jù)本港泥沙特性、水深及回淤特點(diǎn)，航道淤積主要發(fā)生在大風(fēng)浪季節(jié)，航道最大年淤積厚度0.32m/a，平均年淤積厚度0.15m/a，回淤程度較輕，若按本文推薦備淤，其維護(hù)頻次可一年維護(hù)一次，維護(hù)季節(jié)可選在秋冬季寒潮大風(fēng)之前進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭飛燕等.裝艙溢流施工在航道疏浚工程中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2015（7）.

[2]張忱，洪國(guó)軍.自航耙吸挖泥船裝艙溢流模型試驗(yàn)[C].第十三屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，2007.

[3]TJT/T233-98，《海岸河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[S].