淤泥質(zhì)海岸復(fù)雜環(huán)境深水航道設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

黃泰坤，季則舟，高云鵬，韓 亮，武慶衛(wèi)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300220）

引言

依托工程所屬天津南港工業(yè)區(qū)是天津市城市空間發(fā)展和京津冀一體化發(fā)展戰(zhàn)略的重要區(qū)域[1-2]，是實(shí)現(xiàn)天津市國土空間規(guī)劃的重要組成部分[3]。

天津港大港港區(qū)主要服務(wù)于南港工業(yè)區(qū)重化產(chǎn)業(yè)發(fā)展，以通用泊位和液體化工泊位起步，重點(diǎn)發(fā)展LNG、油品、液體化工等運(yùn)輸，并承擔(dān)北部港區(qū)干散貨、液體化工品等增量轉(zhuǎn)移功能[4]。但渤西油氣管線橫穿航道，受其埋深限制，本工程建設(shè)前航道船舶通過量較少，多為5 000 t 級(jí)以下的小船，難以滿足入?yún)^(qū)企業(yè)大型船舶進(jìn)出港的需要，亟需建設(shè)深水航道工程。

作為港區(qū)新辟深水通道，閘下泄洪影響、泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律、渤西管線切改前保護(hù)方案、航道合理設(shè)計(jì)是大港港區(qū)航道工程設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的關(guān)鍵技術(shù)問題。另外施工期回淤量對(duì)工程投資的影響不可忽略，但受施工過程、水流波浪條件影響，難以準(zhǔn)確測算。已有研究多開展運(yùn)營期回淤量研究[5-7]，施工期回淤量研究較少。王興博[8]等采用數(shù)學(xué)模型對(duì)施工提前備淤一次成槽可行性進(jìn)行了研究，但施工期設(shè)計(jì)回淤量的簡化計(jì)算方法鮮有報(bào)道。

鑒于此，本文對(duì)淤泥質(zhì)海岸復(fù)雜環(huán)境的新辟航道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析，并首次提出了一種“余時(shí)淤積”施工期回淤量簡化計(jì)算方法，經(jīng)與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了其有效性。研究成果成功應(yīng)用于工程建設(shè)[9]，且通航運(yùn)行良好，希望能對(duì)類似項(xiàng)目設(shè)計(jì)、實(shí)施提供參考。

1 工程概況

依托工程位于天津市濱海新區(qū)所屬獨(dú)流減河入?？谔?，地處天津市東南，東臨渤海灣。工程區(qū)北側(cè)分布有天津港主航道、大沽沙航道、高沙嶺航道，南側(cè)建設(shè)有黃驊港主航道。

工程建設(shè)規(guī)模為10萬t級(jí)單向、5萬t級(jí)雙向乘潮通航，并可滿足26.6萬m3Q-max型LNG船理論最低潮面進(jìn)出港需要。10萬t級(jí)航道起點(diǎn)為46+000，航道終點(diǎn)至西港池中部。目前港區(qū)已形成通用泊位、油品化工品泊位、LNG專用泊位等生產(chǎn)性泊位22個(gè)。

圖1 工程平面布置及周邊航道分布

2 波流作用下航道泥沙回淤

2.1 泥沙運(yùn)動(dòng)特性

本海區(qū)常浪向ENE和E，頻率分別為9.70 %和9.54 %，強(qiáng)浪向ENE，該向H4%≥1.6 m的波高頻率為1.35 %；全年各方向H4%≥1.6 m的波高頻率為5.06 %，H4%≥2.0 m的波高頻率為2.24 %，T ≥7.0 s的頻率僅為0.33 %。近岸淺灘區(qū)漲落潮流流向較為分散，-5 m等深線潮流運(yùn)動(dòng)漲、落潮流基本呈ENE～WSW向的向岸、離岸運(yùn)動(dòng)。到-10 m等深線，漲落潮明顯呈東西向的往復(fù)流運(yùn)動(dòng)。

含沙量觀測表明，橫向（由岸向海）分布呈由大到小的規(guī)律。如大潮的漲潮平均含沙量，在-2 m等深線約為0.127 kg/m3；向外至-5.0 m 等深線約為0.109 kg/m3，水體含沙量相對(duì)近岸有所降低；到-10 m 水深處，平均含沙量降至0.103 kg/m3。落潮段平均含沙量也有相同變化趨勢。

對(duì)比本港區(qū)與周邊港口底質(zhì)取樣分析，天津港主體港區(qū)粘土含量40.0 %，平均粒徑0.0070 mm；大港港區(qū)粘土含量38.6 %，平均粒徑0.0075 mm；黃驊港粘土含量12.5 %，平均粒徑0.0334 mm。大港港區(qū)海域?yàn)┟婺嗌车钠骄胶驼惩梁勘壤c天津港淤泥質(zhì)海岸更為相似特點(diǎn)，與黃驊港粉砂質(zhì)海岸存在較大差異。大港港區(qū)海域淺灘表層沉積物中值粒徑小于0.01 mm，且粘土含量大于25 %，仍屬于淤泥質(zhì)海岸。

該海域近岸存在河口、淺灘，水深相對(duì)較小，且底質(zhì)泥沙粒徑較細(xì)，在一定的風(fēng)浪條件下易于懸浮，形成較高含沙量，并隨落潮流作用向外海擴(kuò)散，即“波浪掀沙、潮流輸沙”。而在外海水域，水深相對(duì)較大，波浪作用相對(duì)較小，主要以潮流動(dòng)力為主，泥沙主要來自渤海灣近岸淺灘水域，懸沙隨潮流漂移，含量相對(duì)較小。

表1 泥沙含量及平均粒徑對(duì)比

2.2 航道回淤量計(jì)算

基于本海區(qū)海岸特征及泥沙特性，研究泥沙運(yùn)動(dòng)和回淤分布規(guī)律，進(jìn)而有針對(duì)性地防淤減淤是非常必要的。目前航道回淤量計(jì)算方法主要有規(guī)范公式法和數(shù)值模擬方法。

《港口與航道水文規(guī)范》[10]推薦的淤泥質(zhì)海岸航道淤積計(jì)算公式為：

式中：PK為航道底面的淤積強(qiáng)度；ωK為泥沙沉速，對(duì)于淤泥質(zhì)海岸底質(zhì)粒徑D≤0.03 mm的粘性沙，一般采用當(dāng)量粒徑絮凝沉速0.0004～ 0.0005 m/s，對(duì)于D＞0.03 mm的非淤泥質(zhì)泥沙，因其不存在絮凝現(xiàn)象，沉速應(yīng)代之以分散體的單顆粒沉速；γ0K為淤積物的干容量（kg/m3）；t為淤積歷時(shí)（s）；d1和d2分別為淺灘平均水深和航道開挖水深（m）；θ為水流流向與航道軸線夾角（°）；K1和K2為橫流和順流系數(shù)，分別為0.35和0.13。為修正含沙量（kg/m3），其中S1為計(jì)算含沙量。

港區(qū)位于獨(dú)流減河閘下，港池水域由橫向港池和豎向的東、西港池組成，整體呈“П”形。橫向港池北側(cè)為北防波堤。港區(qū)口門位于-6 m水深附近，口門寬約1.8 km。鑒于航道較長水深不一，以1 km間隔劃分回淤計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分區(qū)計(jì)算。

口門至獨(dú)流減河口防潮閘共分為18個(gè)計(jì)算區(qū)；東、西港池分別設(shè)置4個(gè)計(jì)算區(qū)，共計(jì)25個(gè)區(qū)，如圖2所示。外航道回淤計(jì)算中，從口門向外，以1km為間隔劃分計(jì)算區(qū)域。在不考慮河口下泄沖淤影響下，計(jì)算口門內(nèi)航道年回淤量約232萬m3，口門外航道年回淤量約149萬m3，合計(jì)約381萬m3。

圖2 港池航道回淤公式計(jì)算分區(qū)

采用波、流共同作用下的二維數(shù)值模型計(jì)算代表動(dòng)力下的航道淤積量[11]。計(jì)算結(jié)果表明，本航道沿程淤強(qiáng)呈現(xiàn)出口門區(qū)域較大，口門以里及向外逐漸減少的趨勢。代表動(dòng)力條件下本海區(qū)年均沖淤分布如圖3所示。不考慮泄洪影響下，計(jì)算正常年份內(nèi)、外航道回淤量分別為266萬m3、171萬m3，合計(jì)約437萬m3。

圖3 動(dòng)力條件下海區(qū)年均沖淤分布示意

從表2 可以看出，回淤公式計(jì)算和數(shù)學(xué)模型計(jì)算所得外航道淤積總量相差約14 %。從偏于安全的角度，航道回淤量可采用數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果。

表2 年均回淤量比較

2.3 閘下河口泄洪沖淤影響

目前海河流域和大清河水系上游洪水匯聚經(jīng)過淀洼沉淀，水體含沙量很小。通過獨(dú)流減河防潮閘泄流（洪）水體攜帶的上游泥沙甚微，與海相泥沙淤積相比，可以忽略上游來沙對(duì)港區(qū)泥沙淤積的影響，因此重點(diǎn)對(duì)防潮閘泄流（洪）沖刷閘下河道對(duì)港區(qū)泥沙沖淤的影響進(jìn)行試驗(yàn)。采用物模試驗(yàn)進(jìn)行研究，試驗(yàn)在南京水利科學(xué)院試驗(yàn)廳開展。外海概化大潮過程，不考慮上游河道的來沙，泄洪流量分1 500 m3/s、3 000 m3/s 和4 500 m3/s 三個(gè)等級(jí)。

圖4 為閘下河道在清淤槽、疏浚取泥2 個(gè)布置方案，其中清淤槽長1 900 m，底高程0 m。泄洪沖刷試驗(yàn)水流泄流時(shí)間的原型1 天。近閘河段泥沙沖刷量的情況見表3。

表3 一次泄洪（1 天）閘下河段沖刷量統(tǒng)計(jì)

圖4 閘下疏浚槽方案（清淤槽-紅色虛線，疏浚取泥-青色虛線）

泄洪水流沖刷的試驗(yàn)現(xiàn)象為：防潮閘開閘泄流，沖刷即自閘下向下游河道逐步發(fā)展，沖刷主要發(fā)生在泄洪主流所在的清淤槽區(qū)。下游水位較低時(shí)沖刷深槽，水位較高時(shí)深槽兩側(cè)灘地也出現(xiàn)輕度沖刷。與漲潮過程泄流相比，落潮泄流沖刷作用較強(qiáng)；下泄流量越大，沖刷作用越明顯。經(jīng)歷三級(jí)泄洪流量1 500 m3/s、3 000 m3/s 和4 500 m3/s 泄流過程各1 天（水流時(shí)間），閘下推薦槽工況閘下近閘河段的沖刷量分別約為53 萬m3、72 萬m3和74 萬m3。泄洪水流對(duì)航道泥沙影響輕微，僅限于閘下槽區(qū)范圍。

圖5 可以看出，在地形沖刷到一定程度后，泄洪水流對(duì)閘下近閘河段的沖刷作用后會(huì)漸趨減弱。因此，在保證防潮閘安全的前提下，對(duì)防潮閘閘下近閘河段進(jìn)行適當(dāng)規(guī)模提前疏浚清淤，將明顯減輕泄洪對(duì)港區(qū)的泥沙沖淤影響。

圖5 4 500 m3/s 一次泄洪后閘下及港內(nèi)泥沙沖淤

3 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 通航設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

擬建設(shè)10萬t級(jí)單向、5萬t級(jí)雙向乘潮通航，同時(shí)可滿足26.6萬m3Q-max型LNG船理論最低潮面進(jìn)出港需要。通航標(biāo)準(zhǔn)為一般貨船乘潮4 h，乘潮水位冬季乘潮保證率取90 %，乘潮水位2.71 m；LNG船理論最低潮位基準(zhǔn)面滿載通航。LNG船舶在航道內(nèi)的航行條件為風(fēng)速≤20 m/s、波浪H4%≤2.0 m；除LNG船外其他船舶在航道內(nèi)的航行條件為風(fēng)≤7級(jí)、波浪H4%≤2.0 m。設(shè)計(jì)代表船型如表4所示。

表4 設(shè)計(jì)代表船型尺度

3.2 軸線設(shè)計(jì)

航道選線原則：作為區(qū)域內(nèi)后啟動(dòng)建設(shè)項(xiàng)目，總體布置上應(yīng)考慮了渤海灣相鄰港口之間的關(guān)系，盡可能實(shí)現(xiàn)船舶分流，避免航路交叉影響，既有利于船舶交通管理，保證船舶航行安全，也可為港口后續(xù)進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)；合理考慮風(fēng)、浪、流及泥沙回淤等因素確定航道軸線；近、遠(yuǎn)期結(jié)合，在現(xiàn)狀航道基礎(chǔ)上提升至10 萬t 級(jí)航道規(guī)模，并留有發(fā)展余地；與碼頭、港池相結(jié)合，為碼頭港池預(yù)留足夠的操船所需水域。

基于航道選線原則，提出了2個(gè)軸線方案，圖6為航道軸線方案，其中航道軸線方案1航道軸線為直線向東延伸，與本海區(qū)風(fēng)、浪、流夾角較小，有利于主波浪在航道兩側(cè)折射后傳播至航道外。橫流較小，船舶航行條件較好，利于船舶安全航行。軸線基本與等深線垂直，延長線基本位于外海航路深槽中間，航道延伸較短，疏浚方量較小，工程投資也較小。方案2在航道里程20+000處順時(shí)針轉(zhuǎn)向15°后，與風(fēng)、浪、流的夾角加大，船舶航行條件相對(duì)較差，同時(shí)，航道向外海延伸較遠(yuǎn)，疏浚方量較大，工程投資也較大，對(duì)航道規(guī)模等級(jí)的進(jìn)一步提高存在不利因素，且延長線與規(guī)劃錨地、黃驊航道存在交叉。軸線方案工程量比較如表5所示。從自然條件、通航條件、工程投資等多方面綜合比較，推薦軸線方案1。

表5 軸線方案工程量比較

圖6 軸線布置方案

3.3 分段主尺度設(shè)計(jì)

航道淤積計(jì)算成果顯示，航道沿程總體呈“M”型，口門區(qū)高，口門段以內(nèi)、口門段以外逐漸將低的趨勢，同時(shí)口門區(qū)中段由于縮窄，流速較大，淤強(qiáng)有所降低，如圖7 所示。為減少投資，設(shè)計(jì)水深采用分段設(shè)計(jì)方式，其中9+000～24+000 段航道回淤較大，最大淤強(qiáng)1.58 m，備淤深度取為0.8 m，10 萬t 級(jí)航道設(shè)計(jì)底高程為-15.0 m，通航底高程-14.2 m；其余段淤強(qiáng)0.4 m 以下，因此備淤取為0.4 m，根據(jù)規(guī)范計(jì)算10 萬t 級(jí)航道設(shè)計(jì)底高程為-14.6 m，通航底高程為-14.2 m。

圖7 代表動(dòng)力條件下航道淤強(qiáng)沿程分布

對(duì)于航道通航寬度，結(jié)合潮流特征也采用分段設(shè)計(jì)方式。圖8 為口門區(qū)局部流場分布，外海大潮作用下，受堤頭挑流影響影響，在口門以及東港池附近形成一定區(qū)域回流，尤其是口門北側(cè)防波堤在港區(qū)北側(cè)開發(fā)條件下，漲潮流出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致口門段出現(xiàn)橫流。而落潮流在口門外雖有向北偏現(xiàn)象，但回流并不明顯。這也有利于船舶在漲潮流階段以較快速度通過口門，但由于口門寬度束窄，從安全角度，采用航道局部加寬方式。圖9 為不同口門方案橫流沿程分布，可以看出，推薦口門方案橫流介于0.3～0.45 m/s 之間（對(duì)應(yīng)航道里程9+000～17+000）。按照《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]，該段航道γ取7°，航道通航寬度為332 m；其余段橫流基本在0.1 m/s 以下，γ取3°，計(jì)算航道通航寬度為300 m。

圖8 外海大潮作用口門區(qū)局部流場分布示意

圖9 航道沿程橫流分布曲線

3.4 海底管線與航道交叉段施工預(yù)留方案

工程前存在渤海西部鉆井平臺(tái)至天津陸上終端的兩條海底管線，穿越天津港多條航道，其中與本航道的交叉部分位于航道的25+000里程處，管線處泥面高程約-7～-8 m。管線掩埋較淺，埋深0.3～0.5 m。施工船舶在渤西管線附近施工時(shí)，存在施工船舶起拋錨作業(yè)對(duì)渤西管線造成破壞的風(fēng)險(xiǎn)。為確保管線運(yùn)營期間的安全，可暫不開挖該管線兩側(cè)灘地，由此需進(jìn)行航道疏浚對(duì)渤西管線的影響研究，并提出合理的預(yù)留方案。

設(shè)計(jì)階段提出了在渤西管線與航道交叉處設(shè)置拋石護(hù)底方案、管線兩側(cè)各預(yù)留500 m方案和管線兩側(cè)各預(yù)留1 km保護(hù)方案。設(shè)計(jì)邊坡分別考慮1:5和1:10兩種條件。拋石護(hù)底方案優(yōu)點(diǎn)在于可形成管線保護(hù)層，減少水流作用，但工程投資較大，且對(duì)現(xiàn)有船舶通航安全帶來影響。因此本文重點(diǎn)對(duì)管線局部預(yù)留方案在兩側(cè)航道開挖及水動(dòng)力作用下穩(wěn)定性進(jìn)行研究。局部物理模型試驗(yàn)表明，兩種坡度的影響不大，從安全角度采用了1:10的邊坡方案。圖10為渤西管線與航道交叉位置，管線預(yù)留處縱向與航道底1:10邊坡進(jìn)行銜接，保護(hù)范圍外正常疏浚至設(shè)計(jì)底高程-14.6 m。待后續(xù)管線切改后，再將此局部區(qū)域進(jìn)行疏浚。

圖10 渤西管線與航道交叉位置示意

圖11為管線兩側(cè)各保留500 m，大風(fēng)條件下局部物理模型試驗(yàn)[13]沖淤變化，可以看出，整個(gè)灘面沖淤變化的范圍較大，且灘面整體表現(xiàn)為沖刷。管線附近的輕度沖刷雖然沒有使管線出露，但管線上下游兩側(cè)邊坡坡頂?shù)臎_刷有連接貫通的趨勢，如持續(xù)發(fā)展勢必會(huì)危及管線的安全。圖12為管線兩側(cè)各保留1 000 m，大風(fēng)條件下局部物理模型試驗(yàn)沖淤變化，可以看出波浪、水流只對(duì)航道的邊坡及附近邊灘產(chǎn)生了一些沖刷，因此是安全的。因此推薦采用保留1 000 m、縱向邊坡1:10的設(shè)計(jì)保護(hù)方案。最終在管線切改后，僅用1個(gè)多月即完成了該預(yù)留區(qū)域疏浚工作。

圖11 管線兩側(cè)預(yù)留500m 地形沖淤變化

圖12 管線兩側(cè)預(yù)留1000m 地形沖淤變化

4 施工期回淤量簡化計(jì)算方法

施工期回淤量對(duì)投資影響顯著，但受施工過程、季節(jié)因素、水流波浪條件變化較大，準(zhǔn)確測算十分復(fù)雜，施工期回淤量的簡化估算方法鮮有報(bào)道。

筆者提出了一種“余時(shí)淤積”施工期回淤量簡化計(jì)算法。以工程施工計(jì)劃為基礎(chǔ)，將全航道進(jìn)行合理分段，計(jì)算每段施工后至全航道完工的剩余回淤時(shí)間，結(jié)合沿里程淤強(qiáng)分布，進(jìn)而估算整個(gè)施工期回淤量，即：

當(dāng)采用航道整體平均剩余回淤時(shí)間，可寫為：

式中:Qs為施工期回淤量，萬m3；Ks為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取1.0～1.15；Tsi為每段剩余回淤時(shí)間，可按線性遞減方式計(jì)算，月；Pi為每段航道淤強(qiáng)；Si為每段航道回淤面積，m2；Q為采用公式計(jì)算或模型試驗(yàn)的年回淤量，萬m3；為平均剩余回淤時(shí)間，月；N為年歷時(shí)，12月。

按照施工計(jì)劃，總工期約24 個(gè)月。將整個(gè)航道劃分5 個(gè)部分。圖13 為各分段剩余回淤期和回淤量。6+000 以西段，采用絞吸式挖泥船施工，工期11 個(gè)月，本段線性遞減，則剩余回淤時(shí)間為18.5個(gè)月；6+000～9+000 段，采用絞吸式挖泥船施工，工期9 個(gè)月，剩余回淤時(shí)間為19.5 個(gè)月；9+000～16+000 段，采用絞吸式挖泥船施工，工期18 月，剩余回淤時(shí)間為15 個(gè)月；16+000～24+000 段，采用大型耙吸式挖泥船施工，工期18 月，剩余回淤時(shí)間為15 個(gè)月；24+0～46+000 段，采用大型耙吸式挖泥船施工，工期16 個(gè)月，剩余回淤時(shí)間為16個(gè)月。

圖13 航道分段剩余回淤期及淤積量

基于上述簡化方法，計(jì)算平均回淤周期16.8 個(gè)月，非24 個(gè)月的總工期。結(jié)合數(shù)模航道沿程泥沙淤強(qiáng)分布規(guī)律，分別按照式（2）、（3）計(jì)算，可得整個(gè)施工期間的泥沙回淤量分別約為647.1萬m3、611萬m3。

實(shí)際測量分析，施工期回淤量約670 萬m3，簡化計(jì)算回淤量與實(shí)測回淤量較為接近，表明計(jì)算方法是有效的。

5 結(jié)語

1）本港區(qū)海域?yàn)┟婺嗌称骄胶驼惩梁恳约澳嗌尺\(yùn)動(dòng)規(guī)律與南部黃驊港區(qū)差異明顯，與北部港區(qū)淤泥質(zhì)海岸更為相似的特點(diǎn)。本工程淤泥質(zhì)海岸回淤公式計(jì)算和數(shù)學(xué)模型淤積總量相差約14 %，在前期研究階段可以采用回淤公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行方案比選，設(shè)計(jì)階段從偏于安全的角度采用模型試驗(yàn)結(jié)果。

2）在保證河口閘泄流安全的前提下，對(duì)閘下近閘河段進(jìn)行適當(dāng)規(guī)模提前疏浚清淤，可明顯減輕泄洪對(duì)港區(qū)的泥沙沖淤影響。

3）航道軸線的選擇從海區(qū)自然條件、通航條件、近遠(yuǎn)期結(jié)合、工程投資及延長線與周邊大型航道關(guān)系等多方面比較，順直型方案1 更優(yōu)，可作為推薦方案。

4）航道沿程淤強(qiáng)總體呈“M”型，即口門區(qū)高，兩側(cè)逐漸將低的趨勢，口門區(qū)中段受縮窄效應(yīng)，流速較大，淤強(qiáng)反而有所降低。結(jié)合淤積、橫流沿程分布特點(diǎn)的分段航道主尺度設(shè)計(jì)既能保證通航安全，也可最大限度減少工程投資。

本文提出的“余時(shí)淤積”施工期回淤量簡化計(jì)算法與實(shí)測回淤量較為接近，表明計(jì)算方法是有效的，可作為類似項(xiàng)目的參考。