上海洋山深水港区三期岸线走向研究

戚秀莲

（洋山同盛港口建设有限公司，上海201308）

上海国际航运中心洋山深水港区目前已建成一期、二期、三期工程，共形成5.6 km深水集装箱码头岸线、16个大型集装箱泊位，围海成陆近8 km2，集装箱年设计吞吐能力达930万标准箱，使上海口岸接卸远洋干线集装箱班轮的能力发生了质的飞跃，参与国际集装箱运输的竞争能力得到了进一步提升。

近年来，随着洋山深水港的建设，相关的研究成果愈加丰富［1-7］。然而针对港区岸线选线的研究还未见报道。本文通过数学模型［8］、物理模型［9］方法，加上船舶通航安全模拟试验评价［10］，对三期工程码头和驳岸线走向进行了专题研究，使其既不影响已投产的一期港区前沿水流，又能最大限度地满足三期东端泊位的靠离泊安全，确保港区安全高效运行。

1 洋山深水港概况

洋山深水港是上海国际航运中心的主体港区，位于中国浙江舟山嵊泗崎岖列岛海域，东南距大洋山岛约4 km，东北距嵊泗菜园镇约40 km，西北与上海芦潮港相隔约32 km，北距长江口灯船72 km，南至宁波北仑港约90 km，东经黄泽洋直通外海，与国际远洋习惯航线相距约104 km。洋山深水港区通过横跨杭州湾北部海域的东海大桥与上海A2高速公路相连接，集疏运道路畅通。

1.1 港区规划

根据洋山深水港总体规划，港区由大、小洋山南北两岛链组成，北岛链（下称“北港区”）位于小洋山侧，由小乌龟山至小岩礁的13个小岛礁形成，规划岸线长约10 km，可布置3 000～150 000 t等级集装箱泊位近30个（其中水深-16.0 m以上的主力泊位岸线合计5.6 km，大型集装箱专用泊位16个），计划分四期建设，总体约于2015年全面建成，届时集装箱吞吐能力可达到1 500万TEU以上。南岛链位于大洋山侧，根据需要规划集装箱泊位和若干配套泊位。

1.2 建设进展和计划

根据规划和工程建设总体安排，北港区规划岸线由东向西依次布置三期、一期、二期、四期。其中一期港区规划岸线长1 600 m、5个集装箱船舶的泊位（码头结构兼顾8 000标准箱船舶的靠泊要求），陆域面积约153万m2，设计年吞吐能力220万TEU，2002年6月26日正式开工，2005年12月建成并投入运行；二期工程码头岸线长1 400 m、4个集装箱泊位，陆域面积约88万m2，设计年吞吐能力210万TEU，2006年底建成；三期工程码头岸线长2 600 m、7个大型集装箱泊位，设计年吞吐能力500万TEU，2008年底前全部建成；四期工程规划岸线长近4 000 m、可布置十余个大小集装箱泊位，根据航运发展和工程建设实际，规划于2015年前基本建成。

2 港区自然条件［1，7，11］

2.1 风况

海区的潮汐类型受冬、夏季风影响，全年多偏N和偏SE向风，风向季节变化明显，3～8月多偏SE向风，9月～翌年2月多偏N向风。根据金鸡门站1997年9月～2003年8月间实测资料，最大风速出现在NNW向，为29.1 m/s，其次分别为 NNE 向（24.8 m/s）和 N 向（24.4 m/s）。

2.2 潮汐

属非正规浅海半日潮型，潮汐日不等现象较明显，一般表现为从春分至秋分夜潮大于日潮、从秋分至春分日潮大于夜潮。平均涨潮历时为5 h51 min，平均落潮历时为6 h34 min。

2.3 波浪

根据工程前测波资料分析：工程海以风浪为主，常浪向为N、NNE向，次常浪向为NE、E向；强浪向为WNW、NE向，最大波高H1/10=2.7 m，T=4.9 s，次强浪向为SSE向和NNW向，H1/10分别为2.5 m和2.3 m。从周期来看，4 s以上周期占全年2.4%～4.4%；最大周期7.4 s，出现在NW向，其次为6.8 s，出现在SE向。

2.4 潮流

（1）潮流性质。洋山海域潮流属不规则半日浅海潮流性质，潮流作用强劲，潮流运动呈明显的往复流形态。

（2）港区潮流。根据2005年4月实测资料，三期工程码头前沿涨潮最大垂线平均流速1.48 m/s，落潮最大垂线平均流速为1.34 m/s。涨潮平均流向294°，落潮平均流向124°。2005年10月实测资料，调头区最大涨潮垂线平均流速1.81 m/s，平均流向296°，最大落潮平均流速1.61 m/s，平均流向120°。

（3）东口门潮流。东口门断面涨、落潮流均强劲，大潮涨潮最大垂线平均流速1.43～1.95 m/s，落潮最大垂线平均流速1.96～2.11 m/s，最大流速均发生在航道中间及靠小岩礁侧，靠大洋山侧流速相对较小。东口门断面涨、落潮平均流向比较稳定，无论大、中、小潮，涨潮流向均约为279°，落潮流向约为113°。

3 三期工程码头和驳岸线走向研究

三期工程位于洋山深水港北港区的最东端，处于小岩礁山体西侧，临近进港口门，且与对岸大洋山岛链相距不到1 000 m。受小岩礁和大小洋山岛链自然缩窄形成的小口门的影响，三期工程特别是东端泊位前沿的水流条件复杂。在这种情况下，岸线走向关系到一期码头的安全运行，更直接影响到三期港区前沿水流流态的平稳、船舶靠离泊安全，特别是三期东端泊位靠离泊的安全。为确保三期港区安全高效运行，工程建设对三期岸线走向重点进行数学模型和物理模型的试验研究，并辅以船舶通航安全模拟试验分析评价。

3.1 二维潮流数学模型研究［8］

结合工程范围地形地貌，三期码头前沿线走向取一期码头东端连接大小岩礁，按角度（取126°、124°、120°、117°4种方案）、码头结构（分栈桥式、满堂式2种方案）、小岩礁山体处理方式（有局部、全部炸除2种方案），进行了5组13种组合试验。数学模型研究结果表明：

（1）实施三期工程必将封堵镬盖塘—小岩礁汊道，由此小洋山侧两大通道均被封堵（一期工程已先期封堵了小洋山—镬盖塘汊道）。试验表明，汊道封堵后消除了进出主通道的侧向水流，码头前沿与港池、航道段受码头驳岸的导流作用，各方案后流向均贴于岸线走向流动，且整个区域内基本没有出现回流。在小岩礁附近，由于水下礁盘体造成的局部水深地形变化，在涨、落潮时，其下游背流区则有局部回流现象。

（2）从潮流强度和流态来看，小岩礁全炸方案是模拟组合中最理想的方案，但该方案水下炸礁工程量巨大，施工工期长，须进一步综合论证实施可行性。

（3）同一方位的驳岸线，栈桥式码头与满堂式码头方案之间的流速变化，只在距码头前沿50 m以内。距码头前沿10 m，各方案计算后，栈桥式码头方案涨、落潮最大流速较满堂式码头方案分别小5%～8%，7%～9%。距码头前沿30 m，栈桥式码头方案涨、落潮最大流速较满堂式码头方案分别小3%～4%，4%～5%。在距码头岸线50 m以外的港池调头区水域，两种码头结构方案计算后的流速变化量，只在正负1%～2%的范围内。

（4）各方案实施后，涨、落潮量呈东口增加、西口减少。窄口段的流速有所增加，涨潮流速的增加幅度大于落潮，与小岩礁连接方案增加幅度大于大岩礁连接方案，但其流速绝对值仍然保持落潮流速大于涨潮流速的规律。

（5）由表1驳岸线方案码头前沿最大流速变化来看，126°岸线走向流速变化最小，相比之下，此方案稍优。

表1 栈桥式码头与满堂式码头方案比较Tab.1 Comparison of open-type wharf plan and close-type wharf plan

3.2 定床潮流物理模型研究［9］

3.2.1 工程方案组次［9］

结合数模计算，潮位、流速、流向均与原型基本一致，模型通过验证，对码头岸线走向、码头型式、小岩礁治理及小岩礁—中门堂岸线整治等项工程的不同组合，提出了4组方案14种组合，其中码头岸线4种走向：126°、117°与小岩礁相连，120°连至大小岩礁之间，117°与大岩礁相连；码头型式3种：满堂式、栈桥式、长栈桥式；小岩礁治理方案3种：保留现状、削角和全部炸除（后2种均按1：1坡度炸至-18 m）；小岩礁—中门堂分自然形态和建堤2种布置形式。岸线走向126°、小岩礁削角、建堤的2种码头结构方案如图1所示。

图1 三期港区各方案布置示意图Fig.1 Sketch of different plans of the Phase III Project

3.2.2 模型试验结果分析

物理模型试验结果表明：（1）满堂式、栈桥式、长栈桥式3种码头结构形式对已建一、二期港区和续建的三期港区水流强度基本没有影响，从流态来看，满堂式优于栈桥式。（2）不同的码头岸线走向方案实施后，三期港区有涨潮水流强度增加、落潮水流强度减小的变化，但仍小于一、二期港区。鉴于三期港区紧邻窄口强流区，必须模拟论证船舶航行和靠离泊安全。（3）从流态角度来看，以117°码头岸线，小岩礁炸除方案最为理想，其次是126°走向岸线、小岩礁削角方案，其后是126°走向岸线，小岩礁保留方案。（4）120°方案、小岩礁削角方案实施后，三期港区淤强略大于一期，但小于二期。

综上所述，126°保留小岩礁、小岩礁—中门堂筑堤是可行方案；126°岸线、小岩礁削角（标高－18.0 m、削礁量约50万m3、结合自然条件等情况后工期预计近1 a）、小岩礁—中门堂筑堤方案相对较好；117°岸线、小岩礁炸除、中门堂—西门堂相连方案最为理想，但工期长、投资大且限制了后续发展。从工程投资、建设工期、港区发展、船舶安全航行等条件综合考虑，126°岸线、小岩礁削角、小岩礁—中门堂筑堤为三期港区现实可行的方案。

4 安全模拟试验和实际靠离泊情况［10］

通过数值模拟、物理模型试验研究，三期港区码头岸线走向拟取126°、小岩礁削角方案。为确保港区安全高效运行，研究进一步采用船舶通行和靠离泊模拟试验，评价船舶进出港和靠离泊操纵的安全性。

4.1 模型试验条件

模拟试验采用的港区平面：根据数模、物模研究，结合自然条件、设计船型、实际工艺流程等，安全模拟试验采用设计提出的三期港区平面布置，即泊位长度2 600 m，泊位走向126°～306°，码头前沿停泊水域115 m，码头前沿设计泥面标高-17.5 m；回旋水域沿水流方向为1 400 m（3.5倍设计船长），垂直水流方向为800 m（2.0倍设计船长）。

模拟试验流场选择：鉴于物模、数模获得的流场基本相同，但物模仅反映几个点，而数模反映了工程范围内的流态情况，故船舶航行试验的流场采用数模结果。

模拟试验船型选择：采用10万t级集装箱船，主要技术参数如表2。该类船型主机马力大、航速快、受风面积大、保向性能较好、回转性能相对较差、配有用于低速时保向和调头及靠离泊操纵的船艏侧推器。

模拟试验拖轮配置：设集装箱船在横向靠泊过程中作匀速横向运动，则所需的拖轮力等于风浪流作用力的总和。根据不同风浪流条件计算可知：10万t级集装箱船靠离泊，在6级横风时约需2艘6 000 HP的拖轮；在7级横风时约需3艘6 000 HP的拖轮；在8级横风时约需4艘6 000 HP的拖轮（实际船舶靠离泊时，可根据实际船舶侧推器功率，减少拖轮的配置）。

模拟试验工况：鉴于洋山海域8级风以下可运行的实际，根据风况（7级、8级两种）、潮流（涨急、落急两种）、风向（吹拢、吹开两种）、波浪（波高1 m、波长20 m、横浪）等工况进行16组次试验。

表2 试验船型主要技术参数Tab.2 Main technical parameters of test ship types

4.2 模拟试验结果分析

（1）模拟试验结果显示，三期工程港区的西部与中部水流条件良好，靠泊条件优于三期东端泊位。

（2）在风浪流的影响下，配备足够的拖轮，总体满足三期港区安全靠离泊要求，其中10万t级集装箱船，在7级横风、1.0 m横浪、急涨（急落）时采用3艘6 000 HP拖轮；在8级横风、1.0 m横浪、急涨（急落）时采用4艘6 000 HP拖轮。

（3）三期东部泊位：由于东口门处流速和流向变化均较大，同时东端泊位近小岩礁距东口门较近，船舶急落潮进港时，在大风的影响下，为确保安全，必须抵达小岩礁调顺船位和航向后才能仃车淌航。船舶落潮离泊（涨水靠）时，由于港池落潮流向与码头走向有一定夹角，必须避免吹拢风使船舶离泊后很快向码头一侧压拢的现象，确保船舶安全出港，建议东部泊位应尽量避免船舶在急落流靠泊和急涨流离泊。

4.3 实际靠离泊情况

三期工程码头岸线长2 600 m、7个大型集装箱泊位，其中1 350 m、4个集装箱泊位先期于2007年建成投产，2008年底三期工程全线建成，由此标志着洋山深水港主体港区全面建成。实际运行表明：

（1）10万t级集装箱船，在8级风以下，急涨（急落）流离泊出港，需3艘6 000 HP拖轮协助，在风向不好或船舶载箱量少时，需4艘6 000 HP拖轮协助。

（2）鉴于东端泊位水流复杂，运行过程中船舶尽量避免了在急落流靠泊和急涨流离泊，确保安全。

（3）船舶在码头前沿急流时掉头，整个掉头过程中船身向下游漂移的距离为800～900 m，与试验结果3倍船长相吻合。

先后近两年的运行情况与模拟试验情况吻合，表明三期码头岸线走向合理。

5 结论

上海洋山深水港区三期工程码头和驳岸线走向的数学模型、物理模型研究结果显示，综合考虑工程投资、建设工期、港区发展、船舶安全航行等条件，126°岸线、小岩礁削角、小岩礁—中门堂筑堤为三期港区现实可行的方案。船舶航行安全论证和近两年来的实际运行情况表明，模型研究确定的三期码头岸线走向合理，在拖轮的配合下能够满足船舶安全靠离泊的需要。

［1］阎新兴.上海洋山港区的自然条件及泥沙来源分析［J］.水道港口，2000（3）：33-36.YAN X X.Analysis of natural conditions and sediment source of Shanghai Yangshan harbor area［J］.Journal of Waterway and Harbor，2000（3）：33-36.

［2］杨华，冯学英.上海洋山港区和进港航道水域泥沙特性及回淤分析研究［J］.水道港口，2000（3）：17-22.YANG H，FENG X Y.Sediment characteristics and siltation analyses of Shanghai Yangshan harbor and its approach channel waters［J］.Journal of Waterway and Harbor，2000（3）：17-22.

［3］徐元.高含沙量岛屿海域冲刷槽的成因及其建港意义［J］.海洋工程，2001，19（l）：88-93.XU Y.Formation of scoured troughs in multi-island waters of high suspended sediment concentration and its significance on port construction［J］.Ocean Engineering，2001，19（1）：88-93.

［4］杨华，侯志强，许家帅.洋山港区悬浮泥沙运动遥感分析［J］.水道港口，2003，24（3）：126-129.YANG H，HOU Z Q，XU J S.Remote sensing analysis on suspended sediment movement in the sea area of Yangshan harbor［J］.Journal of Waterway and Harbor，2003，24（3）：126-129.

［5］左书华，张宁川，李蓓，等.洋山深水港海域悬沙浓度时空变化及其动力原因［J］.华东师范大学学报：自然科学版，2009（3）：72-82.ZUO S H，ZHANG N C，LI B，et al.Dynamics reasons and temporal-spatial variations of suspended sediment condition in the sea area of Yangshan deep-water harbor［J］.Journal of East China Normal University：Natural Science，2009（3）：72-82.

［6］左书华，李蓓，杨华.上海洋山深水港区海域悬沙分布特征及运动规律分析［J］.海洋通报，2009，28（3）：62-69.ZUO S H，LI B，YANG H.Analysis on the distribution and movement of suspended sediment at Yangshan deep-water Harbor in Shanghai［J］.Marine Science Bulletin，2009，28（3）：62-69.

［7］左书华，李蓓，张征，等.多岛屿、多汊道环境下大型深水港建设中的水沙问题研究［J］.水运工程，2009（3）：70-75.ZUO S H，LI B，ZHANG Z，et al.Hydrodynamic and sedimentation problems in construction of large-scale deepwater harbor located at the area with many islands and branch channels［J］.Port&Waterway Engineering，2009（3）：70-75.

［8］交通部天津水运工程科学研究所.上海国际航运中心洋山深水港区后续工程（东侧）建设方案潮流数值模拟研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2004.

［9］交通部天津水运工程科学研究所.上海国际航运中心洋山深水港区后续工程（东侧）建设方案潮流物理模型研究［R］.天津：交通部天津水运工程科学研究所，2004.

［10］上海船舶运输科学研究所.洋山深水港三期工程船舶通航安全模拟试验论证报告［R］.上海：上海船舶运输科学研究所，2007.

［11］交通部天津水运工程科学研究所.上海洋山深水港区泥沙观测分析报告［R］.上海：上海船舶运输科学研究所，2005.