连云港主航道适航水深及现场观测研究

温春鹏，庞启秀，张瑞波

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

连云港主航道适航水深及现场观测研究

温春鹏，庞启秀，张瑞波

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

通过分析连云港的泥沙特性以及港口淤积现状，对连云港主航道的适航水深的应用进行了研究，并结合室内的流变试验和船模阻力试验确定了适航重度值；同时利用双频测深仪、音叉密度计等仪器对连云港主航道开展了现场实船测量，分析了适航资源的分布情况以及船舶对浮泥的扰动情况，为连云港港区适航水深资源的利用提供了技术支撑。研究结果表明：连云港主航道的适航淤泥重度值为12.2 kN/m3；主航道、港池泊位浮泥分布较为均匀，适航厚度基本在10～15 cm范围内；船舶在航行过程中对浮泥产生了一定的扰动，船体尾部出现较为明显的浑浊带。

适航水深；现场观测；浮泥；扰动

在港口水深测量中，通常使用当地理论基面至高频测深仪测得的水-泥交界面的距离作为图载水深，而适航水深则将高频反射面以下具有一定流动性的、且能确保不影响船舶航行、靠离泊作业安全的部分淤泥层也作为水深来使用。

自20世纪30年代以来，适航水深技术在国外进行了大量的研究与应用［1］：比利时泽布勒赫港综合考虑重度和淤泥的流变特性确定了该港适航水深淤泥重度值为11.3～12.3 kN/m3；荷兰的鹿特丹港将11.8 kN/m3作为确定航道中回淤层适航厚度的标准值；德国埃姆登港适航淤泥重度值为12.0～12.2 kN/m3；在英国还颁布了有关适航水深应用的国家标准《海工建筑物》。我国于2004年开始引进适航水深技术，并在一些淤积较为严重的港口得到了成功的实践，如天津港、长江口、台山电厂、广州南沙港区和珠海港等，适航水深技术的应用大大降低了维护疏浚量、节约了大量资金和资源，给企业带来了巨大的经济效益。

适航水深的测量方法主要有铊测法、密度计法、测深仪法等，通常情况下根据测量区域的不同状态，制订不同的测量方法。本文以连云港港25万t级航道为对象，对适航水深应用的可行性及适航重度值进行分析；利用密度计和走航式测深仪相结合的方法开展适航水深资源的现场调查，分析连云港主航道的浮泥分布情况，通过实船的跟踪测量，研究船舶在航行过程中，船底及尾部的螺旋桨对水体底部的浮泥层产生的扰动影响。

连云港处于江苏省北部，是陇海、兰新铁路沿线广大地区最经济便捷的出海口，是我国沿海主枢纽港之一，也是我国沿海中部能源外运和对外贸易运输的重要口岸。连云港区一期工程25万t级航道已于2012年5月底基本完成疏浚施工，通过对全航道的水深测量，发现在防波堤口门内外的区段存在较大的回淤厚度，其中回淤物主要由粘性细颗粒泥沙组成，这种泥沙淤积特性也为该港区适航水深的应用提供了条件。

1 适航资源应用的可行性

连云港海域沉积物质主要以粉砂质粘土和粘土质粉砂为主。2013年在航道淤积较为严重的水域采集的泥沙样品中值粒径介于0.004 1～0.017 mm，平均为0.007 0 mm；粘土的含量占27.9%～49.3%，平均为39.6%［2］。在实验室内，对采集的泥沙样品开展了水力特性试验研究，试验结果表明泥沙的起动、沉降以及密实过程均呈现为淤泥的特性。根据《淤泥质海港适航水深应用技术规范》（JTJ/T 325-2006）要求，适航水深主要应用在淤泥质海港，即床面泥沙颗粒中值粒径小于0.03 mm，淤泥颗粒之间有粘结力并在海水中呈絮凝状态的海岸港和河口港，因此，连云港主航道符合利用适航水深的基本规定。

航道建成后，在2012年10月底对航道进行了水深测量，经分析表明在口门外9 km以内的区段存在较大的回淤厚度，其中口门外3～4 km区段上回淤厚度最大，约为1 m。此外，根据2013年连云港航道的常规水深测图分析，航道淤积分布呈双峰型，口门内外两侧淤强较大，然后沿航道向两侧，淤强呈减小趋势，两个峰值分别出现在口门以里的1 km及口门外7 km处，年淤积厚度可达0.65 m/a。由于连云港主航道内存在有较厚的淤泥层，尤其在台风过后会有较厚的浮泥层存在，这样就为连云港25万t级航道的适航水深应用提供了较大空间。

图1流变试验屈服应力与重度值的关系Fig.1Relation between stress and weight of mud in the rheological experiment

2 航道适航淤泥重度值

利用从连云港主航道取回的原状泥沙，在实验室内完成了流变试验和船模阻力试验，并根据金鏐等［3］提出的适航水深确定方法以及国内外应用适航水深港口的实际情况综合确定了连云港航道的适航水深淤泥重度值。

（1）利用R/S-cc型流变仪对在实验室内配制的14组不同淤泥重度的泥沙样品进行试验。由图1可知，对于小重度的样品，屈服应力的变化不明显，当样品重度达到一定数值时，屈服应力将迅速增加，根据国内外积累的经验，这个值可以作为适航水深淤泥重度值，由此根据流变试验确定的连云港主航道适航淤泥重度值介于11.8～12.2 kN/m3。

（2）利用船模阻力系统测量船模在不同容重的淤泥中以不同速度航行时受到的阻力情况，以此来确定适航重度值。当船模在重度较小的淤泥中航行时，受到的阻力随淤泥重度的增加变化不大，但达到某一临界重度值时，阻力变化随淤泥重度的增加而迅速增大，如图2所示，经确定这个临界重度值介于11.9～12.3 kN/m3。

（3）金鏐等根据层流到紊流的转变条件，把与层流-紊流转换时的有效雷诺数相对应的浮泥密度定义为适航密度。根据连云港地区的实际参数计算得出在层流-紊流转换条件Re=3 000和2 000、浮泥层厚度为50 cm时不同航行速度相对应的适航密度，如图3所示，在船行速度4～8 kn的情况下，适航重度分别介于12.7～13.6 kN/m3（Re=3 000）、12.9～13.8 kN/m3（Re=2 000）。

通过上述3种方法，结合泥沙的水力特征并参考国内外应用适航水深港口的重度标准值［4-7］（表1），为保证船舶航行安全，最终确定连云港主航道的适航重度值为12.2 kN/m3。

图2船模阻力试验阻力与重度值的关系（0.4 m/s）Fig.2Relation between resistant force and weight of mud in the resistance experiment of ship model（0.4 m/s）

3 浮泥分布情况

为了解连云港航道开挖建设成25万t级航道后，航道内的浮泥层厚度、适航资源分布特征以及研究进港船舶对航道底泥的扰动情况，采用双频测深仪、音叉密度计等仪器在航道开展现场测量，观测航道内淤积较厚区域的浮泥层厚度并追踪船舶进港前后的厚度变化情况。

表1国内相关港口的适航淤泥重度值对比Tab.1Comparison of nautical density in different harbor

（1）针对航道水深较浅的W3+000～W6+000、A0+ 000～W 1+500区段以及船舶停靠的87～88#港池泊位进行测量，如图4所示。在选定研究段沿航道各布设5条测线，测线间距20 m，采用双频测深仪测量水深及浮泥层厚度。同时布设测点16个，采用音叉密度计测量浮泥密度。在大型进港船舶停靠的87～88#泊位、港池布设8条测线，测线间距100 m，测其水深及浮泥层厚度。在88#泊位内布设2个测点，采用密度计测量浮泥的密度。图5为H5点宽度计测量结果。

图3船舶吃泥深度为0.5 m时适航密度与航速的关系Fig.3Relation between density and navigational speed when the ship enter the mud 0.5 m

图4港池航道测线及测点布置示意图Fig.4Sketch of the channel and basin measurement

（2）采用Hypack Max软件的数据处理模块，对水深原始数据进行测船动吃水改正、声速改正、潮位改正等一系列改正；采用SILAS数据分划处理软件，根据现场密度计校正文件及测深密度文件，将校正好的水深资料按给定适航重度值12.2 kN/m3进行适航水深数据计算，得出了适航水深厚度在航道的分布情况，从结果可以看出，主航道适航厚度沿程分布较为均匀，而且厚度较小，除个别点外，基本保持在10～15 cm。

本次测量是在4月份开展的，泥沙回淤主要以悬沙落淤为主，而且经历了很长时间的密实，所以浮泥厚度较小。但是，在台风作用下，航道将会出现大量浮泥现象，2012年8月台风“达维”过后对连云港主航道进行了观测［8］：台风“达维”过后第3天，连云港主航道口门外9 km范围内的航段仍存在一定厚度的浮泥，最大浮泥厚度为0.4 m，出现在口门外3 km处；台风过后第5天，浮泥的分布情况与第一次测量基本相同，只是厚度有所减小，最大浮泥厚度变为0.26 m；台风过后第9天，浮泥厚度进一步减小，仅为0.1 m，如图6所示。

图5音叉密度计测量结果（H5）Fig.5Result of tuning fork densimeter（H5）

上述结果表明，在正常天气情况下，主航道的浮泥层厚度较小，可利用的适航资源有限；在大风浪的影响下，淤泥产生扰动、液化，底床附近的含沙量大幅度增加，进而形成较厚的浮泥层，在此情况下利用适航水深必将会给企业带来良好的应用价值和经济效益。

图6口门外航段浮泥层厚度沿程分布图Fig.6Distribution of fluid mud outside the entrance

图7船舶进港前后对比区域Fig.7Research area before and after the ship enter the harbor

4 浮泥扰动测量

本工作主要是研究船舶在航行过程中，船底及尾部的螺旋桨对水体底部的浮泥层产生的扰动影响，因此，所选取的船舶应利用到适航水深或作为富裕水深来使用。根据相关部门提供的资料，选择了船名为“SHAGANG FAITH”的船舶作为研究对象。该船船长327 m、船宽55 m、吃水深度20.4 m。船舶在航行时应保留不小于吃水深度12%的富裕水深，本船需保留2.45 m的富裕水深，进港需要水深为22.85 m。结合航道较浅段的实际水深和进港时的潮位资料，该船在进港时利用到了适航水深作为富裕水深。

在选定船舶达到口门时，利用测量船跟踪进港船舶、记录其航行轨迹线，随后沿轨迹线利用高低频测深仪进行测量。通过对船舶进港航迹与进港前制定的测量航线相重合区域的水深测量结果进行分析，船舶进港时，由于船底距离泥面的距离较近，在船舶航行过程中对浮泥造成了一定的扰动，如图7～图8，从图中可以看出在此区域高频水深的数值有所减小，但减小幅度有限，一般保持在15 cm以下。由于适航水深测量允许的测深误差在±0.2 m以内，本次测量分析得到的水深变化小于这个限值，因此，不能准确地确定船舶航行引起的浮泥扰动变化，但在现场测量跟踪船舶行进过程中，在船体尾部可观察到海面出现较为明显的浑浊带，水体含沙量增大，由此证明，船舶的航行对浮泥起到了一定的扰动作用。

图8船舶进港前后测线高频水深变化Fig.8Change of channel depth before and after the ship enter the harbor

5 结论

本文通过对该港区的底质淤泥特征及航道淤积状况的分析，论证了适航水深在连云港地区应用的可行性，并给出了适航水深淤泥重度值。随后在航道淤积较为严重的区段采用双频测深仪、音叉密度计等仪器开展了现场实船测量，调查了适航水深资源的分布情况；并通过追踪进港大船的方法，研究了船舶航行对浮泥的扰动作用，得出以下结论：（1）根据流变试验和船模阻力试验综合确定了连云港航道的适航淤泥重度值为12.2 kN/m3。（2）主航道测量段的适航厚度沿程分布较为均匀，而且厚度较小，除个别点外，基本保持在10～15 cm。（3）船舶在利用适航水深航行时，在船舶航行过程中对浮泥造成了一定的扰动，船体尾部可观察到海面出现较为明显的浑浊带，测量结果也显示船舶航行区域高频水深有所减小。

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［2］庞启秀，高志亮，温春鹏.连云港港30万吨级航道适航水深应用研究［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2014.

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［8］张瑞波，庞启秀.台风“达维”后连云港主航道和徐圩航道浮泥定点观测［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.

Research on nautical depth and field measurement in main channel of Lianyungang

WEN Chun⁃peng,PANG Qi⁃xiu,ZHANG Rui⁃bo
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin300456,China）

The application of nautical depth in the Lianyungang main channel was analyzed by the analysis of sediments characteristics and deposition situation.Connected with rheological test and ship model resistance experi⁃ment,the nautical density was confirmed.Furthermore,the field measurements were carried out by the double fre⁃quency detector and tuning fork densimeter in the main channel to find out the spatial distribution of nautical re⁃sources and the disturbance of fluid mud caused by navigation.The research result shows that:the nautical density in the channel of Lianyungang main channel is about 12.2 kN/m3.The fluid mud is distributed equally in the main channel,harbor basin and berth,and the thickness of fluid mud is ranged from 10 cm to 15 cm.The fluid mud is dis⁃turbed when ship is sailing in the channel which caused the reduction of water depth,and at the stern of the ship, turbidity zones are appeared at the surface of ocean.

nautical depth;field measurement;fluid mud;disturbance

U 657；TV 221

A

1005-8443（2015）06-0528-05

2015-08-10；

2015-11-02

温春鹏（1987-），男，山东省人，工程师，主要从事河口、海岸水动力及泥沙研究。Biography：WEN Chun⁃peng（1987-），male，engineer.