西太阳沙和烂沙洋海域深水港开发涉海关键技术问题

李孟国，杨树森

（交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

1 概述

江苏省的射阳河口至长江口北岸近岸浅水区的地貌形态为以弶港为中心的辐射沙洲形态（图1）。辐射沙洲是一种为世所罕见的独特的海岸地貌形态，南北延伸200 km，东西横跨90 km，共有70多条水下沙脊，各条沙脊高低不等，形态各异，沙脊之间有深槽相隔，深槽坡陡水深。该辐射沙洲是全世界最特殊的海底沙脊群，被称为“海上迷宫”，在海岸学和海洋地质学上均有重大科学意义。由于自然条件所限，在如此长的海岸线上至今尚没有一个5万吨级以上的深水港口[1]。

图1 辐射沙洲全貌图

该辐射沙洲处于山东半岛南部的旋转潮波系统与自东海进入黄海的前进潮波系统相交汇的地方。由于潮波辐聚，波能集中，使得该区潮差大、潮流强，为强潮区。辐射沙洲海域潮汐以正规半日潮为主，潮流为半日强潮流，且大致以弶港为顶点作辐射状的辐聚、辐散运动。辐射沙洲海域的强潮汐、潮流，尤其是辐聚、辐散的强潮流构成了辐射沙洲形成和发育的有利的水动力环境，辐射沙洲在强潮流的持久作用下处于稳定状态。

在辐射沙洲中，处于如东海域的烂沙洋水道和黄沙洋水道是两个主要的潮汐通道深槽，两条水道槽宽水深，呈垂直于岸线状，是可能开发建设深水港的理想地方（图2）。大量研究表明黄沙洋—烂沙洋是沿古河谷发育、晚更新世以来位置基本未发生变化的深水道，巨大的纳潮量使之近百年来沉积速率小，适于建深水航道。

图2 辐射沙洲中烂沙洋和黄沙洋海区示意图

烂沙洋被火星沙、大洪埂子、太阳沙分成了烂沙洋南水道、烂沙洋中水道、烂沙洋北水道；黄沙洋水道被河豚沙分成了黄沙洋南水道和黄沙洋北水道。在烂沙洋南水道的西端、烂沙洋北水道南侧为西太阳沙和小西太阳沙浅滩。

烂沙洋水道和黄沙洋水道具有开发成10万吨级以上深水航道的前景和潜力，与黄沙洋水道深槽相比，烂沙洋水道深槽离岸更近些，更便于开发利用。

烂沙洋水道和黄沙洋水道所在的如东海域岸滩平坦宽阔，其中滩面平均坡度为1∶2 000，宽度可达7～10 km。由于深水区离岸相对较远，港池和码头需要建设人工岛来实现，而人工岛与岸上陆地连接又涉及到建设陆岛通道（实体堤和桥梁）问题。从图1和图2可见，烂沙洋北水道南侧的西太阳沙和小西太阳沙浅滩和烂沙洋南水道南侧的岸滩可以考虑建设人工岛，也就是说烂沙洋水道及其附近浅滩是可以建设深水航道和深水码头的地方。

烂沙洋水道开辟成深水航道和其附近浅滩建设人工岛将涉及到与水动力、泥沙和滩槽稳定等有关的若干技术问题，本文介绍了采用多种先进的研究手段对这些问题进行的较为系统和全面的研究论证，包括要解决的关键技术问题、开展的主要科研工作、技术创新[1-7]和研究结论。

2 关键技术问题

西太阳沙和烂沙洋海域深水港开发建设的主要问题和技术如下。

1）滩槽的稳定性问题：即水道改道、滩槽格局明显变化，等等。

2）人工岛建设问题：即人工岛的基础（底座）稳定问题。

3）潮流动力与泥沙条件：人工岛工程对周围环境（潮流场泥沙场）的影响程度，人工岛的建设对周围各水道的潮流场产生影响问题。

4）波浪条件：波浪状况的了解与设计波浪要素的确定。

5）波流共同作用下人工岛周围的冲刷问题与技术。

6）陆岛通道研究：实体堤与桥梁的合理搭配比例，实体堤的最佳轴线与合理长度的确定。

7）陆岛通道中桥梁的桥墩冲刷问题与技术。

8）烂沙洋水道的开挖：开挖后有无骤淤碍航问题。

3 开展的主要科研工作

针对在西太阳沙建设人工岛、在烂沙洋建设深水航道问题，本研究做了如下10个方面的工作：

1）自然条件分析。根据大量的水文泥沙实测资料，详细分析了工程海区的水动力泥沙特征。

2）滩槽的稳定性分析。根据工程海区历次水深测图，对工程海区大范围海域的滩槽冲淤演变特征进行了分析，对黄沙洋水道、小洋港水道、烂沙洋北水道、中水道、南水道的稳定性进行分析，西太阳沙的稳定性分析、烂沙洋南水道南侧浅滩的稳定性进行了详细分析，通过波浪作用下西太阳沙断面水槽试验研究，对西太阳沙浅滩在波浪作用下的冲刷特点进行了研究和分析。

3）悬沙运动的遥感分析、西太阳沙浅滩和近岸浅滩演变遥感分析。

4）泥沙水力特性试验。对现场泥沙进行了水槽试验，包括波、流作用下泥沙起动及推移质输沙、悬沙分布试验、泥沙静水沉速试验、泥沙静水沉积密实试验等。

5）人工岛及配套码头方案的潮流泥沙数值模拟研究。分析了工程对周围海区潮流泥沙场的影响，及各水道潮量的影响，模拟了烂沙洋北水道人工开挖后的潮流场的变化。

6）波浪场数学模型研究。使用SWAN模型对本海区的风浪进行了模拟和分析，复演了“麦莎”台风过程；使用抛物型缓坡方程进行了大范围平均波浪和重现期波浪场计算；使用Boussinesq方程进行了人工岛及配套码头工程的多向不规则波计算，分析了人工岛周围的波浪场特征，为人工岛及其配套码头设计提供了设计波要素。

7）人工岛周边波流冲刷物理模型试验。为工程设计提供了不同方向大浪作用下人工岛周围的冲刷坑形态和冲刷坑深度。

8）烂沙洋北水道开挖的可行性分析。由于烂沙洋深槽局部段天然水深还不能完全满足30万吨级油轮正常进出的要求，需要人工疏浚。烂沙洋深槽能否进行人工疏浚，疏浚后能否维护得住是需要研究的。本部分内容对烂沙洋深槽局部段挖深后的泥沙回淤量进行计算与分析，对骤淤的可能性进行分析。

9）陆岛通道研究。西太阳沙人工岛建成后，岛与陆地有一定的距离，需要建设陆岛通道工程。通过潮流泥沙数学模型研究，论证了实体堤的最佳轴线与合理长度。

10）陆岛通道中桥梁的桥墩冲刷试验研究。通过水槽试验，研究了波浪、潮流在不同组合情况下的桥墩冲刷问题。研究内容包括①在正常波流组合及50年一遇波浪作用下深水区、浅水区各1个桥墩断面的冲刷深度与范围；②应用两个断面试验结果分析各桥墩的冲刷深度；③桥墩的防冲措施。这些研究为工程设计提供了科学依据。

4 技术创新

1）开发了使用卫星遥感卫片定量分析水中浅滩面积变化实用技术。可以用卫星遥感卫片分析近岸浅滩的长年演变过程，提出了沙洲或浅滩具有“维护其稳定的恢复周期”的概念[2]。

该项技术可通过多时像的遥感资料判读不同潮位下沙洲或岸滩的出露面积，并结合实测水深地形建立沙洲及岸滩出露面积与潮位的相关关系，由此可定量分析同一潮位下各时期沙洲及浅滩的面积变化，以研究其长时期的演变规律以及台风前后的变化情况。另外，通过相关软件的处理将各时期卫片的岸滩边界复演至同一基面，以研究其边界形态的变化情况。

应用该技术成功地研究分析了西太阳沙及近岸浅滩的长年演变过程，特别是台风前后的演变。提出了沙洲或浅滩具有“维护其稳定的恢复周期”的概念，并得出了西太阳沙的恢复周期以及制约其演变的主要动力因素等结论。为人工岛工程的稳定性分析提供了重要证据。

2）深入开发了使用系列模型试验法进行建筑物波流冲刷试验技术[3-4]，使该技术工程应用实用化。

系列模型试验是利用几何及水流运动相似而泥沙运动不相似的模型取得试验结果的一种有效方法，利用此方法，模型沙的重率可以较大，粒径可以较粗，可以使用原型沙，而模型不必做得很大。模型和原型沙运动不相似而带来的试验结果的偏差可通过一系列由小到大的模型试验结果外延加以消除。模型的实际应用表明，采用原型沙进行试验是适宜的，系列模型试验只要做两个比尺差距较大的模型就能通过外延得到所需要的试验结果，并能保证一定的精度。

通过试验研究了西太阳沙自身的波浪冲刷问题、人工岛周围的冲刷问题和陆岛通道桥墩冲刷问题。

本研究使系列模型试验技术进一步发展，达到实用化。

3）使用SWAN模型模拟了工程海区的风浪，复演了影响本海区的“麦莎”台风过程，得出了工程海区年均波浪不大，“麦莎”台风产生的浪接近于重现期为10 a的强度的结论。

4）使用缓坡方程对辐射沙洲海区的波浪场进行了模拟研究，得出了工程海域辐射沙洲对波浪的传播变化影响很大，工程浅滩区域地形对外海来浪的衰减作用明显的重要结论。

5）使用多向不规则波波浪模型，模拟了人工岛附近辐射沙洲地形下的波浪场，推荐了人工岛岛壁采用斜坡式护岸。

6）建立了考虑波浪及其破碎作用下的潮流泥沙数学模型模拟辐射沙洲潮流场、正常天气条件下的泥沙场和大风天气下的泥沙场[5-7]，论证了人工岛工程对周围海区环境的影响、陆岛通道实体堤及最佳轴线位置和合理长度。

7）综合使用自然条件分析、泥沙水力特性试验、卫星遥感分析、冲淤演变分析、潮流泥沙数学模型计算、SWAN模型风浪数学模型计算、缓坡方程波浪数学模型计算、Boussinesq方程波浪数学模型计算、波流冲刷物理模型试验、泥沙淤积计算等多种手段研究辐射沙洲深水港开发建设的涉水涉沙问题。

5 研究成果

1）江苏岸外辐射沙洲分布着烂沙洋和黄沙洋两个深槽区，其形态近似喇叭型，并呈滩槽相间分布。本工程海域自然条件具备潮大、浪小、流强、含沙量低、槽深并呈全线贯通的明显优势。变化特点主要体现在以下几个方面：

①本海区潮汐潮流动力强。最大潮差可达8.08m，垂线平均流速涨潮介于0.98～1.03m/s之间，落潮介于0.79～1.07m/s之间，最大流速可达2.43m/s。特别是底层涨潮流速大于落潮流速的分布，是本海区塑造水下地形形态的主要因素。

②常浪向为N向，强浪向为NE向，实测最大有效波高为4.2m，年平均波高只有0.3～0.5m，具有波浪不大的明显特点。特别是在台风期间，不管外海出现多大波浪，向近岸传播过程中，因辐射沙洲消波显著，波高沿程衰减很快，据波浪复演数模推算，台风传至LNG码头前沿波高9711台风为5m，“麦莎”台风为4.35m，继续向西太阳沙传播时，两者波高分别衰减至3.75m和3.30m，充分体现了浅水区波浪不大的明显特点。

③底质泥沙分布，在浅水区以细沙类较粗物质为主，平均d50=0.14mm左右；深槽内以砂质粉砂和粉砂质砂为主，平均d50=0.05mm左右。这种泥沙不仅具有含泥量少（不足5%的含泥量）、松散、起动流速小、沉降速度大、沉积密实快，在波流作用下极易起动，动力减弱时又极易沉降等特点，而且泥沙运移形态既有悬移质也有推移质，但推悬比不会超过1∶3。

④本海区基本不存在外界泥沙的影响，淤积泥沙来源主要以西部广大的岸滩供沙为主，一般情况下水体平均含沙量介于0.10～0.61 kg/m3之间，当出现特大风浪天气时，水体含沙量可增大到1.2 kg/m3以上。

⑤烂沙洋北水道拟建码头区自然水深可达-17m以上，整条深槽内除水深小于-13m的长度为6.1 km，最浅点水深为-11.9m以外，其余水深都能达到-13～-20m之间，具有深槽贯通、顺直、自然水深大、深泓线基本不变的优势，为开发深水港口航道提供了良好的条件。南水道拟建码头区自然水深介于-10～-15m之间，深槽内自然水深也能达-12m左右，同样具备建设深水港的基本条件。

2）从黄沙洋和烂沙洋深槽内，维持深槽形态的水流动力是以涨潮流为主，尤其是底部涨潮流速的作用更为突出，所以，只要不改变西太阳沙以西水域的纳潮量和潮流动力条件，滩槽整体稳定的格局就不会发生改变，但局部出现冲淤现象还是存在的，其区域主要位于烂沙洋各水道的上部和西太阳沙附近，变化规律如下：

①深槽平面形态变化，十几年间，除在2003年以前三条水道-10m等深线的头部具有向南摆动之势外，烂沙洋北水道、中水道和南水道-10m等深线变化量很小。而深弘线的变化，烂沙洋南水道多年来一直处于较为稳定状态；中水道和北水道深弘线上世纪90年代以前有所变化，近期变化也很小。

②烂沙洋南水道，近十几年以来，深槽下段一直处于冲刷状态，年均冲刷深度为0.10m左右。而深槽上段在2005年以前为冲刷，年均冲刷深度介于0.11～0.21m之间；2005年以后变为淤积，年均淤积厚度介于0.06～0.17 m之间。

③烂沙洋中水道，1992—2003年期间，是以冲刷为主，此时冲刷速率较快，冲刷量也较大，其中上段和下段年平均冲刷深度分别为0.27m和0.09m；2005年以后是有冲有淤，但冲淤变化量明显减弱，平均冲淤厚度分别为0.10m左右。

④烂沙洋北水道，在西太阳沙附近深槽内，2003年以前呈淤积变化，年均淤积厚度为0.26m；但这种淤积主要表现在大风期间的变化，大风过后可转为冲刷。在深槽中段，近十几年来有冲有淤，以冲刷为主，年均冲刷深度介于0.01～0.04m之间。在太阳沙附近深槽内，2003年以前为淤积，年均淤积厚度为0.16m；2003年以后转为冲刷，年均冲刷深度在0.01～0.22m之间，深槽水深呈恢复状态。

⑤西太阳沙自1992年至今虽然处于分割→合并→分割的演变过程，但西太阳沙一直在烂沙洋北水道南侧存在，而且-5m等深线以下滩体可维持不变。即使-5m等深线以上滩体出现冲淤变化，但体积减少量仅占3.5%，不会对人工岛整体稳定构成明显的威胁。

⑥在烂沙洋海域，台风、潮流和中小风浪共同作用并重新恢复地形，是维持烂沙洋滩槽稳定的根本原因。

⑦烂沙洋各水道及沙洲是一个统一体，处于相互影响的变化之中。在上世纪90年代后期，中水道在大洪埂子上游向北水道汇流，此时烂沙洋北水道涨落潮量最大，维持上段水深也最大，中水道次之，南水道最小。进入21世纪以后，西太阳沙北坡被逐渐冲刷，中水道与北水道汇流位置也发生了上移，分流量也逐渐增加，增强了向南分流的动力，火星沙上部开始出现冲刷。至2003年4月，三个水道涨潮量已演变成中水道最大、北水道次之、南水道最小的格局，这种水流动力和汇流位置的变化，必将会引起烂沙洋各水道冲淤规律的改变。但北水道分潮量减少后，并非全线淤积，其中深槽中段就出现了一直冲刷的局面，这种冲刷就是中水道汇流位置发生改变后动力增强所产生的必然结果。

⑧2003年以前，在太阳沙附近的深槽内，南水道、中水道为冲刷，北水道为淤积。自2005年以后，在水流与地形相互调整下，南水道和中水道已转为淤积，北水道上段为大风时淤积，大风后恢复，北水道中段和下段以冲刷为主。但就目前变化特点来看，由于冲淤变化量较小，冲淤规律也发生了改变，滩槽冲淤基本趋于平衡，整个烂沙洋主体是稳定的。

3）在人工岛和栈桥式码头规划方案实施后，造成的影响仅限于工程区附近，不会造成大范围流场和含沙场的变化，不会影响滩槽的稳定。

4）烂沙洋北水道可以开挖，开挖后能维持得住，无骤淤之害[8]。

5）陆岛通道实体堤的合理长度应不超过6 km，从岸边围垦区东北角点向东北与岸线法向成10°夹角的轴线为最佳轴线方案。

6）陆岛通道沿程桥墩冲刷的基本规律是：自岸滩边缘向外，桥墩周围冲刷量逐渐加大，在烂沙洋南水道-2m等深线附近达到最大；在南水道深水区，桥墩周围冲刷量又有所减少。在波浪、潮流共同作用且遇50 a一遇波浪情况下，沿程桥墩局部冲刷深度一般都介于3～4m之间，最大值可达5.6m。这种量值变化是属正常冲刷范畴，因此，只要在打桩时预留一定的防冲深度（增加桩高6m），即可保证桥梁的安全，不需要采用特殊工程措施进行防护。

7）在不同方向波浪及水流作用下，在人工岛迎浪面均会形成与该面相平行的沙波，对人工岛前约半倍波长范围内会形成冲刷带。因此为避免人工岛岸坡受波浪的淘刷，在人工岛前约半倍波长范围内，采取防护工程措施是非常必要的。

8）人工岛岛壁前沿冲刷带的深度与波浪及水流强度有关；人工岛前沿冲刷范围基本是处于半倍波长以内；护底工程对减轻人工岛周围的冲刷具有明显的效果，护底范围是以不超过人工岛前沿冲刷带至第一个沙波波顶的宽度为宜。采取护底工程措施后，还可以避免岛壁前沿滩地的淘刷，对保护人工岛岛壁的安全是有益的。

综上，在对稳定性及水动力泥沙若干技术问题分析论证后，通过采取必要的工程措施，在辐射沙洲中进行深水港开发建设是可行的。

6 结语

本文介绍了综合使用自然条件分析、泥沙水力特性试验、卫星遥感分析、冲淤演变分析、潮流泥沙数学模型计算、SWAN模型风浪数学模型计算、缓坡方程波浪数学模型计算、Boussinesq方程波浪数学模型计算、波流冲刷物理模型试验、泥沙淤积计算等多种手段对西太阳沙和烂沙洋深水港开发建设的涉水涉沙问题进行的研究成果，在对稳定性及水动力泥沙若干技术问题分析论证后，通过采取必要的工程措施，在辐射沙洲中进行深水港开发建设是可行的。研究结论为在西太阳沙和烂沙洋的深水港开发建设提供了科学依据。

[1] 杨树森，李孟国，陈汉宝，等.辐射沙洲海岸深水港开发建设涉海关键技术研究[R].天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2007.

[2] 赵洪波，钱敏.江苏如东附近海域泥沙运动遥感分析[J].水道港口，2004，25（1）：34-37.

[3] 韩西军，杨树森，陈汉宝，等.粉沙质海岸上栈桥桩基的波流冲刷试验[J].水运工程，2006，（4）：14-22.

[4] 韩西军，曹祖德，杨树森.粉砂质海床上建筑物周围局部冲刷的系列模型延伸法研究[J].海洋学报，2007，29（1）：150-154.

[5] 李孟国，时钟.江苏如东西太阳沙及烂沙洋海域潮流泥沙数值模拟[J].海洋通报，2005，24（6）：9-16.

[6] 李孟国，时钟.江苏如东海域西太阳沙人工岛工程潮流数学模型研究[J].中国港湾建设，2006，（3）：1-4.

[7] 李孟国，时钟.如东海域西太阳沙人工岛陆岛通道实体堤合理长度潮流数模研究[J].水运工程，2006，（9）：5-9.

[8] 曹祖德，杨树森.洋口港航道骤淤的可能性分析[J].水道港口，2006，27（1）：9-13.