南通港三夾沙南航道選線探討

尹進(jìn)軍，賈雨少，黃志揚(yáng)

（1.南通港集團(tuán)建設(shè)投資有限公司，江蘇南通 222600；2.中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200120）

引言

南通港是長江三角洲綜合運(yùn)輸體系的重要樞紐和主要港口之一，也是上海國際航運(yùn)中心的組合港。長期以來南通港發(fā)展重心集中在沿江港區(qū)，近年來，隨著長江大保護(hù)、長江三角洲經(jīng)濟(jì)一體化發(fā)展等國家戰(zhàn)略的深入實(shí)施，南通港沿海港區(qū)迎來前所未有的發(fā)展機(jī)遇。憑借“黃金水道”和“黃金海岸”的最佳交匯點(diǎn)之區(qū)位優(yōu)勢，以中天鋼鐵為首的一大批重大臨港產(chǎn)業(yè)已入駐南通港通州灣港區(qū)。

通州灣港區(qū)進(jìn)港航道位于蘇北輻射沙洲最南翼的小廟洪水道，自外海-18 m 等深線至通州灣一港池和東灶一港池，全長約80 km。航道沿程可分為呂四10 萬t 級進(jìn)港航道、小廟洪上延航道、三夾沙南航道三段（圖1）。其中，呂四港區(qū)10 萬t 級進(jìn)港航道已于2019 年3 月通過交工驗(yàn)收，滿足10萬t 級散貨船乘潮單向通航；小廟洪上延航道現(xiàn)狀滿足2 萬t 級雜貨船乘潮雙向通航，正在開展5 萬t 級航道擴(kuò)建工程設(shè)計(jì)[1]；三夾沙南航道現(xiàn)狀僅滿足2 萬t 級雜貨船乘潮單向通航，已不能適應(yīng)港區(qū)發(fā)展的需求，航道升等勢在必行。

基于港區(qū)規(guī)劃、自然條件、海床穩(wěn)定性、通航安全等因素，本文提出了2 個航道選線方案，通過航道條件、回淤情況、通航安全、工程量及投資等多方面比較分析，給出了推薦的航道軸線方案，為南通港三夾沙南航道開發(fā)提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程海域自然條件

1.1 風(fēng)況

根據(jù)呂四海洋站2006～2008 年資料統(tǒng)計(jì)，工程海域常風(fēng)向?yàn)镹 向，出現(xiàn)頻率12.24 %，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹E 向，最大風(fēng)速為25.1 m/s。

據(jù)1949～2005 年的臺風(fēng)資料統(tǒng)計(jì)，影響呂四海域的臺風(fēng)共有124 個，平均每年2.2 個，最多的1989 年達(dá)7 個，臺風(fēng)多發(fā)生在每年的5～11 月份。

1.2 水文

1）潮汐

工程海域潮汐屬正規(guī)半日潮，每日兩漲兩落。平均潮差3.73 m，最大潮差7.31 m。小廟洪水道主要受東海前進(jìn)波控制，漲急流速一般出現(xiàn)在高潮位前2～3 小時，落急流速一般出現(xiàn)在低潮位前2～3 小時。

2）潮流

根據(jù)現(xiàn)場水文觀測資料[2]和相關(guān)研究成果[3-4]，工程海域潮流屬正規(guī)半日淺海潮流類型，潮流的運(yùn)動形式以往復(fù)流為主，大潮流速明顯大于小潮，各垂線的最大流速一般出現(xiàn)在表層或近表層。航道進(jìn)口段所在的小廟洪尾部深槽潮流動力較強(qiáng)，大潮期間急流流速約1.2～1.5 m/s，漲急流速大于落急流速，小潮期間急流流速約0.5～0.8 m/s，落急流速大于漲急流速，總體表現(xiàn)為漲潮優(yōu)勢；蠣蚜山西側(cè)的西南水道動力弱于小廟洪尾部深槽，大潮急流流速約0.8～1.3 m/s，小潮急流流速約0.3～0.6 m/s，均呈落急流速大于漲急流速的特征，落潮流占優(yōu)。

3）波浪

受外圍眾多沙洲的掩護(hù)，呂四海域波浪總體較小。據(jù)呂四海洋站實(shí)測資料統(tǒng)計(jì)，該海域無浪天約占全年43 %，常浪向?yàn)镹W-SE，強(qiáng)浪向?yàn)镹W-NE，各方向的年平均波高約0.48 m（不包括無浪天）。實(shí)測最大波高3.8 m，浪向?yàn)镹E 向，發(fā)生于1982年8 月，出現(xiàn)頻率約五十年一遇。

1.3 泥沙

1）含沙量

小廟洪水道含沙量主要受風(fēng)浪和潮流動力影響，具有風(fēng)浪大、水體含沙量高和流速大、水體含沙量高的特點(diǎn)。水道內(nèi)漲落潮含沙量基本一致，不同季節(jié)含沙量有差異，冬季含沙量大于夏季，其中冬季漲落潮平均含沙量0.41 kg/m3，夏季為0.22 kg/m3。全年大、中、小潮平均含沙量約0.26 kg/m3。

2）懸沙粒徑

根據(jù)2014 年10 月大、小潮含沙量資料，大潮期懸沙垂線平均中值粒徑在0.010～0.019 mm 之間，底層略大于表層；小潮期垂線平均懸沙中值粒徑在0.010～0.012 mm 之間，主要為細(xì)粉砂。

3）底質(zhì)

根據(jù)2014 年10 月小廟洪尾部底質(zhì)取樣結(jié)果，工程區(qū)域海床泥沙中值粒徑約0.03～0.15 mm，總體呈“深槽細(xì)、淺灘粗”的分布特征。小廟洪尾部深槽和西南水道底質(zhì)中值粒徑一般在0.03～0.08 mm，粒徑小于0.004 mm 的粘性顆粒含沙量一般在15～ 20 %，三夾沙淺灘底質(zhì)中值粒徑約0.1 mm，粘粒含量約10 %。

2 海床穩(wěn)定性

本工程航道位于小廟洪水道尾部深槽和蠣蚜山西側(cè)的西南水道。多年地形資料分析表明，小廟洪水道是輻射沙脊群南翼一個相對獨(dú)立的水、沙系統(tǒng)，動力條件單一，水道不與相鄰的潮汐通道串連，且南側(cè)有固定的海堤邊界，水道整體穩(wěn)定性較好。近20 年來工程海域?qū)嵤┝硕囗?xiàng)邊灘匡圍工程，但小廟洪水道尾部的灘槽形態(tài)一直較為穩(wěn)定，-10 m等深線呈“向西延伸，向南拓展”的態(tài)勢[5-6]（圖2）。

圖2 小廟洪尾部深槽10 m 等深線變化Fig.2 Changes of 10 m isobath at the tail parts of Xiaomiaohong channel

在小廟洪尾部深槽南移受蠣岈山礁盤頂托的宏觀背景下，蠣岈山西側(cè)發(fā)育了一定規(guī)模的港汊，即西南水道。西南水道平面位置和形態(tài)長期穩(wěn)定，水深常年維持在0～5 m，0 m 等深線寬度在500 m以上，其中0 m 等深線東側(cè)邊界穩(wěn)定在蠣蚜山礁盤，西側(cè)邊界緩慢向東側(cè)推進(jìn)（圖3）。2010～2020 年間，三夾沙灘面略有淤積，幅度在1 m 以內(nèi)，三夾沙南航道2 萬t 級航道在三夾沙淺灘開挖而成，航道位置水深增深幅度在5～10 m 之間，靠近蠣蚜山的天然汊道水深也有所發(fā)展，增幅在1～2 m 之間（圖4）。

圖3 西南水道0 m 等深線變化Fig.3 Changes of 0 m isobath at Southwest channel

圖4 西南水道地形沖淤變化Fig.4 Erosion and deposition changes of Southwest channel（2010 年11 月～2020 年1 月）

總體而言，小廟洪尾段深槽的槽形單一，平面位置與水深較為穩(wěn)定，西南水道長期以來水深和規(guī)模也較為穩(wěn)定，為本工程航道的擴(kuò)建提供了良好條件。

3 現(xiàn)狀航道概況

3.1 航道軸線

三夾沙南航道一期工程滿足2 萬t 級雜貨船乘潮單向通航要求。航道東起呂四進(jìn)港航道一期上延工程航道終點(diǎn)G′，止于海門作業(yè)區(qū)二港池北側(cè)L 點(diǎn)（圖5），其中G′I 段軸線299 °15 ′17 ″-119 °15 ′17 ″，長2.44 km，IK 段軸線220 °33 ′57 ″-40 °33 ′57 ″，長4.43 km，KL 段軸線264°3′51″～84°3′51″，長 2.37 km，航道全長約9.24 km。航道通航寬度125 m，設(shè)計(jì)底高程-8 m，邊坡1:8。

圖5 現(xiàn)狀航道平面布置示意圖Fig.5 Layout of the first phase of Sanjiasha South Channel

圖6 航道統(tǒng)計(jì)分段示意圖Fig.6 Schematic diagram of channel segmentation

一期工程于2015 年1 月開工建設(shè)，2016 年1月通過交工驗(yàn)收。

3.2 航道回淤

一期工程選線時，受東灶港通用碼頭制約，航道未充分利用現(xiàn)狀深槽，部分在三夾沙淺灘上開挖而成，最大開挖深度達(dá)8.0 m。航道回淤是航道維護(hù)和后期擴(kuò)建關(guān)注的重要技術(shù)問題之一。在此采用2018 年4 月與2019 年6 月，歷時14 個月未實(shí)施維護(hù)疏浚的自然淤積資料進(jìn)行航道回淤分析。

從2018 年4 月水深來看，三夾沙南航道一期工程沿程水深呈“兩端深，中部淺”的分布特征，航道尾端的L3～L6 單元及進(jìn)口的C1～C4 單元平均水深約8.0～10.0 m，中段的C5～L2 單元水深相對較淺，平均水深在7～8 m 之間（圖7）。

圖7 一期工程航道水深變化示意圖Fig.7 Changing process of waterway depth

至2019 年6 月，除航道外段的C1～C4 單元略有沖深（平均沖刷幅度約0.2 m/a）外，其余航段有不同程度的淤淺。主要淤積部位有兩處，一是航道末段，越靠近港內(nèi)深處回淤強(qiáng)度越大，其中L6 單元14 個月平均淤淺1.1 m，淤積強(qiáng)度為0.94 m/a；二是航道中段（W1～W3、C5 單元），14 個月平均淤淺0.66～1.02 m，淤積強(qiáng)度為0.57～0.88 m/a。

根據(jù)一期工程交工以來的水深測圖，高灘開挖段淤強(qiáng)在1.0 m/a 以內(nèi)，航道回淤總體不大，航道進(jìn)一步開發(fā)和擴(kuò)建是可行的。

4 航道選線

4.1 選線方案

人工開挖航道選線時已經(jīng)過較充分論證，因而后續(xù)擴(kuò)建時，一般沿用現(xiàn)狀航道軸線以減少工程投資。本工程航道由2 萬t 級擴(kuò)建至5 萬t 級，現(xiàn)狀航道軸線主要存在以下2 方面問題：

1）2 萬t 級航道部分在三夾沙淺灘開挖而成，灘槽高差高達(dá)8 m，擴(kuò)建至5 萬t 級航道后，航道需要進(jìn)一步拓寬浚深，其中增深幅度約4 m，拓寬寬度約120 m，回淤強(qiáng)度和回淤總量進(jìn)一步增大?，F(xiàn)狀航道回淤強(qiáng)度總體不大，考慮航道運(yùn)行時間不長、資料有限，仍需重點(diǎn)研究擴(kuò)建后航道回淤情況。

2）現(xiàn)狀航道進(jìn)口轉(zhuǎn)彎段的轉(zhuǎn)角約79 °，不利 于船舶操縱。海門作業(yè)區(qū)和三夾沙作業(yè)區(qū)起步較晚，現(xiàn)狀航道通航船舶主要為2 萬t 級以下，且船舶流量較小，水上交通事故極少發(fā)生。擴(kuò)建航道設(shè)計(jì)船型為5 萬t 級散貨船，船舶滿載乘潮進(jìn)港時為順流航行，船舶操縱難度較大，現(xiàn)狀航線方案的通航安全也需重點(diǎn)研究。

針對上述現(xiàn)狀航道軸線方案存在的不足，提出了兩個沿天然汊道布置的比線方案——東線方案和西線方案（圖8）。

圖8 航道軸線布置示意圖Fig.8 Layout of channel axis

1）東線方案

蠣蚜山西側(cè)港汊天然水深條件優(yōu)于現(xiàn)狀航道開挖所在的三夾沙淺灘，為了減小航道回淤量，東線方案沿蠣蚜山西側(cè)港汊布置。自呂四進(jìn)港航道一期上延航道終點(diǎn)G′點(diǎn)開始，沿269 °4 ′5 ″-89 °4 ′5 ″的方位角航行約1.55 km 至I 點(diǎn)，左轉(zhuǎn)約30.9 °沿238 °13 ′14 ″-58 °13 ′14 ″的方位角航行約4.07 km至K 點(diǎn)，航道全長5.62 km。東線方案與現(xiàn)狀東灶港2萬t 級通用碼頭和棧橋沖突，需先行拆除碼頭和棧橋構(gòu)筑物。

2）西線方案

此外，為了避免船舶單次轉(zhuǎn)向角度過大，將現(xiàn)狀軸線方案轉(zhuǎn)彎段優(yōu)化為2 次連續(xù)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)彎段間的直線段長度滿足《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 165-2013）中5 倍設(shè)計(jì)船長的要求，以此作為比選方案之二的西線方案。

自呂四進(jìn)港航道一期上延航道終點(diǎn)G′點(diǎn)開始，沿299 °15 ′17 ″-119 °15 ′17 ″的方位角航行約1.66 km 至I 點(diǎn)，左轉(zhuǎn)約39.3 °沿259 °54 ′36 ″-79 °54 ′ 36 ″的方位角航行約1.2 km 至I′點(diǎn)，左轉(zhuǎn)約39.3 °沿220 °33 ′56 ″-40 °33 ′56 ″的方位角航行約3.65 km至K 點(diǎn)，航道全長6.51 km。優(yōu)化后，最大轉(zhuǎn)向角減小一半。

4.2 方案比選

針對提出的東線、西線2 個方案，從水深條件及工程量、航道回淤、通航條件、與港區(qū)適應(yīng)性、對蠣岈山保護(hù)區(qū)的影響、費(fèi)用等多方面因素開展方案比選。

1）水深條件及工程量

東線方案位于蠣蚜山西側(cè)天然港汊，多年來水深維持在0～5 m，2020 年地形下0 m 等深線寬度約400 m，2 m 等深線寬度在250 m 以上。西線方案基本沿用現(xiàn)狀航道軸線，僅轉(zhuǎn)彎段局部優(yōu)化，原航道125 m 寬度內(nèi)水深多維持在8 m 左右，拓寬120 m范圍多為三夾沙淺灘，水深在0 m 左右。從現(xiàn)狀水深情況來看，實(shí)施了一期工程的西線方案相對較優(yōu)。

按照設(shè)計(jì)底高程-11.7 m、挖槽底寬238～255 m、設(shè)計(jì)邊坡1：8，根據(jù)2020 年水下地形測量資料計(jì)算得東線、西線方案基建疏浚工程量分別約1 424萬m3、1 072.3 萬m3，西線方案工程量較小。

2）航道回淤

采用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型和《港口與航道水文規(guī)范（JTS 145-2015（2022 版））》中的粉沙質(zhì)海岸航道淤積計(jì)算公式分別預(yù)測了航道的正常天氣年回淤與大風(fēng)天回淤[2]，西線方案沿程最大回淤強(qiáng)度約2.46 m/a，常年回淤量約194.5 萬m3/a，一場7級風(fēng)過程航道回淤量約15.4 萬m3，一場10 級風(fēng)過程航道回淤量約31.0 萬m3。

東線方案沿程最大回淤強(qiáng)度約1.8 m/a，常年回淤量約150 萬m3，一場7 級風(fēng)過程航道回淤量約10.0 萬m3，一場10 級風(fēng)過程航道回淤量約21.0 萬m3。

可見，東線方案年回淤量較西線方案少23 %左右，但西線方案在大風(fēng)天未出現(xiàn)明顯驟淤，年回淤量也處于可接受范圍。

3）通航安全

三夾沙南航道近期主要服務(wù)于海門作業(yè)區(qū)一港池的中天鋼鐵碼頭，自航道起點(diǎn)至一港池，需經(jīng)過多次轉(zhuǎn)向。航道進(jìn)口大轉(zhuǎn)彎段，東、西線方案最大轉(zhuǎn)向角分別約34.8 °、65.6 °；海門作業(yè)區(qū)一港池口門轉(zhuǎn)彎段，東、西線方案轉(zhuǎn)向角分別為50.1 °、32.4 °，東線方案轉(zhuǎn)向角總體較小。

二維潮流數(shù)模計(jì)算結(jié)果表明[2]，航道擴(kuò)建后，東線方案進(jìn)口轉(zhuǎn)彎段橫流約0.4～0.8 m/s，直線段橫流在0.3 m/s 以下；西線方案轉(zhuǎn)彎段橫流約0.7～ 1.2 m/s，進(jìn)口段和西南水道直線段橫流也在0.3 m/s以下。2 個方案橫流差異主要在轉(zhuǎn)彎段，東線方案小于西線方案，船舶操縱難度也相對較小。

為了合理評估2 個軸線方案的通航安全，開展了船舶操縱仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，模擬試驗(yàn)的航跡帶寬度小于設(shè)計(jì)的通航寬度，且航跡均能保持在航道內(nèi)，東線、西線方案均能滿足5 萬t 級散貨船單向通航和2 萬t 級船舶會遇的安全要求。在進(jìn)口大轉(zhuǎn)彎段，東線方案船舶航跡線與航道邊界的平均距離為56 m，最小距離約30 m，西線方案船舶航跡線與航道邊界的平均距離為30 m，最小距離約9 m，東線方案較西線方案有更大的安全余量。

4）與港區(qū)適應(yīng)性

根據(jù)《南通港總體規(guī)劃（2018～2035 年）》，三夾沙作業(yè)區(qū)北側(cè)、東側(cè)及內(nèi)港池均規(guī)劃布置多個碼頭泊位（圖9）。西線方案與三夾沙作業(yè)區(qū)及海門作業(yè)區(qū)適應(yīng)性均較好，船舶由西線航道進(jìn)港靠泊和離港后進(jìn)入航道出海均十分便捷。東線方案與海門作業(yè)區(qū)適應(yīng)性較好，但與三夾沙作業(yè)區(qū)北側(cè)、東側(cè)規(guī)劃的泊位適應(yīng)性較差，船舶進(jìn)港時需要沿航道航行至港內(nèi)回旋水域掉頭后再航行至相應(yīng)碼頭前沿靠泊，或同時維護(hù)一條進(jìn)港主航道和一條支航道，維護(hù)成本較高。

圖9 三夾沙、海門作業(yè)區(qū)規(guī)劃示意圖Fig.9 Planning schematic diagram of Sanjiasha and Haimen port area

5）對蠣岈山保護(hù)區(qū)影響

西線方案與蠣岈山保護(hù)區(qū)最小距離約417 m，東線方案與保護(hù)區(qū)最小距離約140 m。由于東線方案距離保護(hù)區(qū)更近，基建疏浚與維護(hù)疏浚對蠣岈山保護(hù)區(qū)不利影響相對較大。

6）工程費(fèi)用

西線方案基本在現(xiàn)狀航道軸線上擴(kuò)建，為減小疏浚施工對現(xiàn)狀航道通航船舶的影響，可選擇耙吸船艏吹工藝，基建疏浚工程費(fèi)用約3.97 億元。東線方案位于蠣蚜山西側(cè)港汊，航道疏浚施工不影響現(xiàn)狀航道通航，可采用絞吸船直吹工藝，基建疏浚工程費(fèi)用約4.25 億元。維護(hù)疏浚一般采用耙吸船挖運(yùn)拋工藝，西線、東線方案維護(hù)疏浚費(fèi)用分別約0.65億元、0.50 億元。2 個方案導(dǎo)助航等其他工程費(fèi)用占比較小，東線、西線方案工程費(fèi)用總體相差不大，西線方案略小0.15 億元。需指出的是，東線方案還需先行拆除現(xiàn)狀通航碼頭和棧橋，拆除與相關(guān)補(bǔ)償費(fèi)用達(dá)數(shù)億元以上。在考慮碼頭與棧橋拆除與補(bǔ)償?shù)那闆r下，東線方案工程投資大于西線方案。

綜上，與東線方案相比，西線方案在航道回淤量和通航安全2 項(xiàng)指標(biāo)方面存在不足，但航道回淤量處于可接受量級，船舶操縱模擬試驗(yàn)也表明船舶航跡也能保持在航道內(nèi)，且水深條件和工程量、港區(qū)適應(yīng)性、環(huán)保與工程費(fèi)用方面均占優(yōu)，推薦西線方案作為擴(kuò)建航道軸線方案。

為了進(jìn)一步提高西線方案通航安全度，可采取轉(zhuǎn)彎段局部加寬的措施。如當(dāng)轉(zhuǎn)彎段航道軸線兩側(cè)各加寬1 倍設(shè)計(jì)船寬后（通航寬度由263 m 增加至327 m），基建疏浚工程量和航道回淤量增加有限，但通航條件得到較大改善。

5 結(jié)語

為了適應(yīng)港區(qū)發(fā)展和臨港產(chǎn)業(yè)落戶需要，三夾沙南航道擴(kuò)建已迫在眉睫。工程海域風(fēng)浪總體較小，含沙量不大，海床穩(wěn)定性較好，2 萬t 級航道回淤量可控，擴(kuò)建至5 萬t 級航道是可行的。

基于現(xiàn)狀航道軸線，提出了東線方案和西線方案。綜合水深條件、航道回淤量、通航安全、與港區(qū)適應(yīng)性性、工程量及費(fèi)用等因素，以西線方案作為擴(kuò)建航道的推薦軸線。