镇海港区21～23号码头平面布置方案研究

李志永,郜会彩,王瑞锋

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

近年来,镇海港港口规模与日益增长的运量之间的矛盾越来越突出,为满足经济发展和适应市场变化,根据宁波港总体规划提出了在甬江口北岸,外游山深潭西北侧新建21～23号码头的设想。建设规模:2个5.0万t,1个3.5万t的泊位,设计卸货量1 200万t/a。镇海港区目前航道水深良好,15万t货轮可自由进出港,因此21～23号码头建设的主要限制因素是码头水域的水深条件。

工程海域已建有众多码头,但均采用贴岸布置,目前相关泊位的实际淤积情况很多大于当初的预测值,特别是拟建工程邻近的相关泊位近年来存在不同程度的淤积,部分还需不定期疏浚。拟建工程的部分方案采用了与以往完全不同的布置形式 (通过栈桥连接、跨越深潭、布置在深潭北侧),因此总平面布置方案,除了与码头岸线资源的综合利用、工程造价和营运成本等密切相关外,还直接关系到能否处理好工程与相邻泊位的关系,影响到对镇海港区赖以生存的外游山深潭的海床稳定性等。

2 布置方案

考虑港区整体布局,21～23号码头布置在18号泊位的西侧 (见图1)。由图1可知,方案1和方案2为“F”型布置方案,方案3为顺岸式布置方案。方案1和方案2均按2个5万t级泊位,1个3.5万t级泊位设计,其中方案1将3个泊位连续布置,近栈桥侧布置3.5万t级泊位,方案2则将3.5万t级泊位布置近岸区域;方案3设计只布置2个5.0万t级泊位。设计时码头与引桥面按不被波浪淹没的要求考虑。

图1 平面布置方案示意图

根据设计,码头宽度为32m,引桥宽度为17m。码头长度:方案1为 851m,方案2为641m+250m,方案3为550m;引桥长度分别为:721m,677m+600m,275m。码头采用高桩梁板式结构,排架间距为10m。每榀排架采用9根φ1 200mm的钢管桩。引桥及高架廊道采用大跨度高桩墩式结构,墩台中心距取30m,下部桩基采用10根φ1 200mm的钢管桩。方案1、2的工程规模及投资都将远大于方案3。

3 海床条件对比

3.5 万t级泊位设计泥面高程为-12.50 m,5.0万t级泊位前沿设计泥面高程为-14.0m。对比分析各方案泊位及回旋水域的海床现状与设计泥面高程要求可知,3个方案的海床高程均不完全满足设计条件。其中,泊位水域方案1的海床高程在-11～-15 m,方案2为-8.0～-14.5m,方案3为-7.5～-13.0m;各方案对应的回旋水域水深条件略好于泊位水域。由此可见,实施该工程各方案均需做好疏浚准备;单独从水深条件上看,方案1优于方案2,方案3水深条件相对最差。

4 布置与流态分析

工程区水域的涨、落潮流流路大致如下:涨潮时,东南方向的外海潮波先后从佛渡、虾峙门、清滋门和福利门等水道进入峙头洋,再经螺头水道在大榭岛附近水域分成2股潮流,一股通过册子水道经西堠门和富翅门进入杭州湾,另一股则向西经金塘水道进入杭州湾,21～23号码头前沿水域主要受此股涨潮流的影响;来自杭州湾的落潮流下泄至工程区水域时,受地形影响流势较强,对工程水域有重要影响。

图2 大潮流迹线与码头轴线示意图

图2 为码头前沿大潮期间流迹线与码头轴线的相交情况图。由图2可知,方案1与潮流夹角较大,码头轴线与大潮、中潮和小潮流迹线夹角均达20°左右;方案2码头轴线大致与潮流方向平行;方案3与岸线基本平顺布置。

5 淤积预测与分析

5.1 码头水域自然淤积

此海区含沙量高,垂线平均含沙量1.5 kg/m3左右。悬沙和底质主要为粉砂、黏土,海床易冲易淤。杭州湾泥沙输移途径“北进南出”,工程海域存在来自杭州湾的净输沙。对比金塘海域1928,2002年2次大范围的测图,以甬江口为界,甬江口以西区域一直呈微淤的状况。近20 a来,金塘水域的码头、桥梁及围涂工程等人类活动日益增加,使码头所在深潭水域淤积加剧,1995年以后-30 m等高线消失,至2008年-20m等高线消失,-15m等高线明显向东侧淤缩。关于外游山深潭该时段出现快速淤积的原因作者将另行文研究。但这种淤积趋势近几年有所趋缓,拟建工程海域近几年的年淤积速率为0.5～1.0 m/a,水深越深的位置淤积相对较大,水深较小的区域淤积幅度相对较小。

5.2 泊位疏浚回淤分析及预测

通过调查、分析21～23号码头东侧18号已建泊位的运营情况,可以更科学地预测新泊位开挖的可能回淤强度。18号泊位2003年底投入使用后,对码头前沿水深先后进行了15次观测,由于淤积严重,分别于2007年4月和2008年5月对18号泊位西端进行清淤疏浚。淤积的部位主要在码头前沿西段水深较浅区域,图3为该区域水深淤积过程线图。2次疏浚时码头前沿西段水深较浅区域平均浚深2.5m左右,2次疏浚期间的平均回淤速率为1.8m/a。

图3 18#泊位区域水深淤积过程线图

由于该泊位与进港航道为一体,因此该泊位的挖槽回淤可参照文献[1].航道开挖回淤公式予以估算,该航道开挖回淤公式为[1].:

式中:θ为水流向与航道轴线的交角(°),取垂线平均含沙量1.5 kg/m3,根据水流计算取θ=5°;K1,K2为系数,复演得到平均回淤速率为1.9m/a,与实际回淤情况较为接近。

如前所述,各方案泊位区域海床的高程均不完全满足设计要求,需进行不同程度的开挖。考虑到即使没有码头的建设,单独进行泊位的开挖(即不考虑桩群影响),浚深水域也会存在一定的淤积幅度。采用18#泊位挖槽回淤复演得到的参数,并根据21～23#泊位的开挖深度,利用式(1)预测表明,由于方案3泊位水域平均需浚深4.5m左右,其回淤强度也最大,为3m/a左右。

5.3 码头桩群的淤积影响分析

桩群的淤积影响分析时假定泊位及回旋水域已按照设计要求开挖到设计泥面高程。利用垂线平均的平面二维数学模型预测码头桩群对水流及海床冲淤的影响[2].。方程包括2个浅水潮波运动方程与1个连续方程,具体如下[2-3].:

式(2)为水流连续方程,式(3)、(4)为x,y方向的动量守恒方程。式中:z0为床面高程(m);u,v分别为x,y方向上的垂线平均流速分量(m/s);h为水深(m);g=9.81m/s2为重力加速度;f为柯氏力参数(f=2ωsinφ,ω为地球自转速度,φ为纬度);Cz为谢才系数,取;n为糙率系数;εx,εy分别为x,y方向的涡动扩散系数;Wx,Wy为x,y方向的风应力分量;x,y为直角坐标;t为时间(d)。

建立数学模型,西北边界设在海王山至大渔山一线,南边界为穿山半岛峙头至定海一线。计算域内平均宽度约35 km,南北长约54 km。考虑到三角形网格对工程及边界拟合等的优越性,计算域采用无结构三角形网格进行剖分。计算选用基于三角形网格的有限体积法离散,变量取在三角形形心,控制体采用三角形网格。

为方便离散将式(2)～(4)写成统一的计算表达式:

对式(5)进行积分可得离散方程组:

式中:Ai为控制体三角形的面积(m2);Fnij为三角形各边的计算通量,△lij为三角形边长(m);Si为方程源项。

上述离散方程的关键是通量Fnij的计算,采用近似黎曼解的 Roe格式离散对流通量,具体计算格式(略)。

利用上述水流模型计算得到各方案实施前后的水动力条件变化,进而利用半经验半理论的回淤强度公式进行冲淤估算,算式如下:

为泥沙沉速;α为泥沙落淤几率;γS′为泥沙干容重(N/m3);H1、H2为工程实施前后计算水深(m);V1、V2为工程实施前后计算流速(m/s);S1、S2为工程实施前后水流含沙量(kg/m3);S*1为工程实施前水流挟沙力(N/m3)。

计算表明,码头工程对工程海域的潮位影响较小,工程对水流的影响主要表现在附近水域流速的变化。影响以方案1最为显著,主要与方案1码头轴线与水流夹角大、阻流严重有关。图4、5分别为方案1实施后的涨、落潮平均流速变化等值线图,由图4、5可见,在码头的西北、东南2侧分别形成了范围较大的涨潮流、落潮流隐区。方案2在码头轴线的布置已较方案1合理,码头轴线与水流也基本平顺,但是方案2两段栈桥近码头的部分与水流有较大的夹角,因此对水流也产生了较大影响;方案3与已建的17、18#码头类似,采用贴岸布置的方式,从其对流场的影响来看,是3个方案中影响相对较小的方案。

根据各方案前后的水动力条件变化及回淤强度估算得到码头桩群对各敏感区域的影响。与水流变化对应,工程各方案实施后,除码头前沿略有冲刷外,码头附近海床总体上都有一定幅度的淤积。无论是淤积影响范围及影响强度,方案1、2均明显大于方案3。以工程对外游山深潭的淤积影响为例,方案1实施后,外游山深潭年淤积幅度达1.5～2.0 m,方案2为0.5～1.0m,方案3对深潭影响很小;此外,3个方案均会给邻近的17～19号泊位带来一定的淤积影响,方案1约有1.0～1.5m的淤积,方案2、3的影响小于方案1;3个方案对自身泊位的影响也有较大差异,方案1实施后,自身泊位年淤积幅度为2.0～3.0m, 方案2、3则为1.5～2.0m。

图4 方案1实施后的涨潮平均流速变化等值线图 (%)

图5 方案1实施后的落潮平均流速变化等值线图 (%)

对比各方案实施后的水动力条件和海床冲淤的变化情况,尽管3个方案自身泊位区域的淤积幅度差异不大,但方案3无论是对港区前沿的游山深潭,或是对周边相关工程的影响较方案1、2均相对较小。鉴于港区前沿的游山深潭的稳定是维持港区相关泊位水深条件的重要保证,因此建议在方案3的基础上进行优化。

6 结 论

(1)根据布置对设计泥面高程的要求,3个方案泊位水域海床均不完全满足设计条件,虽浚深范围和幅度不同,但各方案均需进行疏浚,投资估算时应充分考虑疏浚费用。

(2)根据码头轴线与潮流流向的关系分析,方案1与潮流夹角较大,码头轴线与大潮、中潮、小潮流迹线和流矢夹角均达20°左右,阻流作用明显;方案2对码头轴线进行了调整,码头轴线与潮流夹角有所改善,但其近码头段栈桥与水流有较大夹角,故对水流仍有较大影响;方案1、2对维持港区相关泊位水深条件有重要意义的游山深潭都会带来较大幅度的淤积,其中:方案1为1.5～2.0m;方案2为0.5～1.0m。方案3无论是对港区前沿的游山深潭,或是对周边相关工程的影响较方案1、2均相对较小。

(3)鉴于方案1、2为半包围深潭布置,工程规模及投资庞大,对深潭水流及海床影响较大等不足,不宜采用这2种布置方式。方案3与水流相对平顺、对深潭及相关工程影响较小,故推荐按照方案3的布置形式,但考虑到泊位及回旋水域仍需浚深后方可满足设计要求和可能面临的年内多次疏浚问题,建议在方案3的基础上进一步优化,并适当降低泊位等级以减少疏浚量。

通过研究,果断否决了对外游山深潭会产生较大影响的方案1、2,推荐了方案3,目前该方案已被公司接受,为该工程的决策提供了科学依据。

[1].中华人民共和国交通部.JTJ213—98海港水文规范 [S]..北京:人民交通出版社,1998.

[2].李志永,倪勇强,耿兆铨.乐清湾泥沙运动数值研究[J]..泥沙研究,2004(4):77-81.

[3].李志永,郜会彩.镇海港区21-22号泊位潮流泥沙数学模型试验 [R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2009.