南通港通州湾港区一港池口门航道整治方案

2020-01-15黄志扬贾雨少丁琦侯慷谢婕

中国港湾建设 2020年1期

黄志扬，贾雨少，丁琦，侯慷，谢婕

（中交上海航道勘察设计研究院有限公司，上海 200120）

0 引言

苏北辐射沙洲面积宽广、滩槽相间、地形和水沙条件复杂，水道-沙洲的稳定性和航道回淤问题是港口开发的关键技术问题[1-2]。通州湾海域位于辐射沙洲南缘，该海域由腰沙、冷家沙两处沙体；以及小庙洪水道、三沙洪水道和冷家沙前缘深水区3处深槽构成“两沙三槽、滩槽相间”的动力地貌结构[3-4]。

根据通州湾海域的特点，通州湾港区的开发利用腰沙、冷家沙滩涂内挖港池；依托潮汐水道进行航道建设，其中腰沙以南港区利用小庙洪水道进出港，腰沙与冷家沙之间港区利用三沙洪水道和网仓洪水道进出港。

通州湾一港池位于通州湾港区南部，其进港主航道建设依托小庙洪水道，该水道水深条件良好，且深槽总体稳定[5-6]。但从主航道进入一港池的口门航段边滩水深较浅、水流条件复杂，航道回淤强度相对较大。为了减小该航段的回淤，有必要在一港池口门处实施整治工程[7]。本文在分析小庙洪海域水沙环境及口门航道回淤机理的基础上，提出口门航道整治思路和整治方案，为工程的建设提供科学参考。

1 工程概况

通州湾港区一港池位于通州沙南部，港池纵深约4.2 km，宽1 km。港区进港航道依托辐射沙洲小庙洪深槽，航道从吕四港区10万吨级进港航道上端点至一港池底部全长约25.5 km，其中航道外段（D—H’段）利用小庙洪水道深槽，深槽水深条件良好，水深基本在9.7~16.3 m；航道口门段（H’—Y2段）水深小且横流较大，最浅仅0 m左右，是全航道回淤相对较大的区段；港内航道（Y2—Y3段）水深小，位于港池掩护区，小庙洪航道及一港池平面布置见图1。航道通航宽度227~258 m，设计底标高-11.5 m，满足5万吨级散货船乘潮单向，同时兼顾18万吨级开普敦船乘潮单向通航要求。

2 水动力及泥沙环境

2.1 水动力条件

小庙洪水道所在海域为正规半日潮，平均潮差为3.53 m，潮动力较强。大潮涨潮平均流速为0.8~1.34 m/s，最大流速2.04 m/s；落潮平均流速为0.7~1.32 m/s，最大流速为2.07 m/s。由于腰沙沙体较高，涨落潮过程中，越过腰沙滩脊自由交换的潮流很少，因此小庙洪水道是个相对独立的水、沙系统[8]。水道内潮流为往复流、主流向与深槽走向基本一致。

小庙洪水道南侧为陆地岸线，北侧有腰沙、横沙和乌龙沙等沙体的天然掩护，全年波浪不大。根据大唐电厂以西约13 km吕四海洋站资料的统计，工程海域常浪向在NW与SE之间，强浪向在NW与NE之间，全年波高小于0.5 m的波浪占总量的84%左右，0.5耀0.7 m波高占比8.8豫，大于0.7 m波高占比7.1豫，1 m以上波高占比3.7豫。

2.2 泥沙环境

工程海域底质中值粒径呈现出“槽细滩粗”的特征，10 m以深海域底质中值粒径相对较小，约0.01~0.02 mm；10~0 m等深线之间的区域底质中值粒径为0.02~0.1 mm，0 m以上浅滩底质中值粒径为0.1~0.2 mm。

就含沙量来看，大潮垂线平均含沙量在0.12~0.35 kg/m3之间，小潮含沙量在0.03~0.08 kg/m3之间，大潮明显大于小潮。从含沙量的垂向分布来看，底层含沙量约为表层的1.5~2.5倍。

受波浪掀沙作用，大风作用期间含沙量明显增大。2011年1月吕四进港航道试挖监测表明，寒潮7级风期间近底层（距底0.5 m）平均含沙量为1.10 kg/m3，较平常天含沙量增加比较明显[9]。

3 港池口门航道整治方案

3.1 回淤原因及整治思路

通州湾港区一港池进港航道回淤峰值出现在一港池口门航段，该航段回淤相对较大的主要原因：一是口门航道两侧滩面水深较浅，基本在2~-2.5 m（负数表示理论最低潮面以上）之间，滩槽高程大；二是滩面底质以沙和淤泥质粉沙为主，在波浪作用下泥沙容易起动；三是口门段水流主流向与航道走向夹角大，横跨航槽的涨落潮泥沙容易落淤。一港池口门附近涨落潮流场如图2所示。

图2 一港池口门附近涨落潮流场Fig.2 Flow pattern of tidal current near the entrance of the first harbor basin

从船舶航行关注的横流来看，航道外段和港内段横流较小，基本在0.5 m/s以内；而口门段水流横跨航槽，最大横流可达1.0 m/s以上，对船舶进出一港池的航行操纵不利。为了解决口门航道段回淤大、水流条件差的问题，对口门航道段采取整治措施，以起到“防沙、导流”作用。

3.2 整治工程平面方案

针对港池口门水流条件复杂，航道回淤较大的问题，通常采取双导堤配合航道疏浚。防沙堤平面布置的重点是合理确定堤线走向和堤头位置（堤长）。就堤头位置而言，导堤越长对口门段航道两侧滩面浅滩的守护效果越好；但导堤过长会对工程区滩槽格局以及附近的东灶港通用码头等造成不利影响。结合通航对口门宽度的需要、当地地形及水沙条件等，进行3个平面方案的比选（见图3）。

图3 一港池口门防沙堤平面布置图Fig.3 Layout plan of sand dyke near the entrance of the first harbor basin

平面方案一：双导堤呈现口门缩窄的“八”字布置，其中东堤长410 m（堤头水深-1.5 m），西堤长580 m（堤头水深0 m）。该方案防沙堤垂直于航道方向的口门宽度为746 m。

平面方案二：双导堤呈现口门缩窄的“八”字布置，东堤相对于方案一增加370 m，即东堤长780 m（堤头水深-2.0 m）；但为了保证堤头与航道有足够的安全距离，东堤整体向东平移300 m。方案二西堤平面布置同方案一。该方案防沙堤垂直于航道方向的口门宽度为870 m。

平面方案三：为了减小堤头滩面冲刷和绕堤流对通航的影响，堤线总体沿涨落潮主流向布置，堤头进一步延伸至小庙洪深槽陡坡前沿的-1.0 m等深线处。另外，为了减小堤头的挑流作用，东堤外段沿深槽及潮流主流方向折转45毅，其长度约304 m。西堤与东堤堤头连线与主流向平行，西堤长950 m，堤头水深2.0 m。

工程海域泥沙以悬移质运动为主，且水体含沙量垂向分布总体较为均匀，为达到较好的减淤效果，考虑采取高潮位整治，堤顶高程取设计高水位+6.0 m。另外，为了使堤头水流过渡平顺，且减小堤头冲刷，堤头100 m区段设置高程渐变段，堤顶高程从+6.0 m逐渐降低至+1.5 m。

4 方案初步比选

4.1 水动力条件分析

采用数值模拟进行工程前后水动力变化分析[10]，计算表明防沙堤建设前中潮位以上，口门两侧水流漫滩，涨潮流自东向西，横跨航道。防沙堤建设后，阻挡浅滩区横跨航道水流，掩护区水流减小、滩面水流一部分沿一港池东侧继续向北，一部分绕过东堤堤头，汇入小庙洪主槽；落潮时，水流自西向东横跨航道，水流沿导堤南偏、汇入深槽，流向外海，平面方案三的涨、落急流速矢量图如图4所示。总的来看，防沙堤的建设阻挡了涨落潮过程中滩面潮流横跨航道，有利于滩面水流汇入主槽。

图4 平面方案三的涨、落急流速矢量图Fig.4 The velocity vector of the maximum velocity during flood tide and ebb tide with Plan III

防沙堤外侧滩面受防沙堤掩护，掩护区内涨落潮流速均有所减小；受防沙堤导流作用，口门航道流速略有增加。各方案东灶港码头、蛎岈山保护区、三夹沙南支航道等区域流速变化在依0.02 m/s以内，口门防沙堤的实施对上述区域影响很小。

从横流变化来看，无防沙堤时潮流主流向与航道轴线接近垂直，最大横流可达1.1 m/s。防沙堤方案一、方案二实施后，口门段航道横流略有减小，最大横流约1.0 m/s。防沙堤方案三实施后，东堤与水流走向更为平顺，口门段航道最大横流进一步减小，最大横流约0.8 m/s。

4.2 悬沙回淤分析

本海域航道回淤受悬沙落淤和底沙输移共同影响，且以悬沙落淤为主。在初步方案比选阶段，首先采用潮流泥沙数模进行不同方案正常天气情况下悬沙回淤强度的预测对比。潮流泥沙数模研究表明，无防沙堤时正常天气情况下航道沿程悬沙回淤最大值为2 m/a，位于口门段；港内段回淤强度由1.7 m/a向底部逐渐递减至0.12 m/a；港外段回淤强度较小，在0.3 m/a以内，见图5。防沙堤建设后，3个方案口门段航道悬沙回淤强度最大值分别为1.95 m/a、1.9 m/a和1.8 m/a，即3个方案悬沙回淤强度最大值依次减小。另外，防沙堤建设后不仅对航道口门段有减淤效果，对港内航道也起到一定的减淤效果，也呈现3个方案回淤强度依次减小的趋势，其中方案三港内航道段悬沙回淤强度由1.5 m/a递减至0.1 m/a，总的来看，方案三的防沙效果相对较优。

图5 口门段回淤单元划分及正常天气下航道悬沙回淤强度Fig.5 Division near the entrance of the harbor basin and suspended sedimentation intensity under normal weather

综上所述，方案三的堤轴线顺应了潮流主流向，其口门航段流态改善相对明显、横流相对较小；方案三正常天悬沙回淤强度相对较小，挡沙效果相对较优，因此推荐防沙堤方案三。

5 推荐方案减淤效果

5.1 常年回淤预测

回淤预测采用潮流泥沙数模和经验公式两种手段，考虑到工程海域底质呈现粉沙淤泥质特征，回淤计算经验公式参考现行规范粉沙质海岸航道淤积计算方法[11]。

常年回淤强度为正常天气回淤厚度与年内大风影响回淤厚度之和，即常年回淤强度=正常天气回淤强度伊正常天气在常年中发生频率+中风天回淤强度伊中风天在常年中发生频率+大风天回淤强度伊大风天在常年中发生频率。根据通州湾海域风资料，风天考虑7级（中风天）和10级（大风天）两种典型风过程，不同典型风况出现的频率见表1。

表1 工程海域不同天气发生频率Table 1 Frequency of different weather in engineering sea area

从图6所示的航道沿程常年回淤强度预测结果来看，沿程回淤呈现“中间高、两头低”的特征，无防沙堤情况下航道最大淤强出现在口门附近的P13单元，最大淤强约3.9 m/a（滩槽高差约13.2 m）；口门附近淤强大于3.0 m/a的航段长度约1.8 km。防沙堤建成后，防沙堤掩护范围内航段的淤积强度有不同程度的降低，最大淤积强度降至2.2 m/a，最大淤积区在P11单元附近。

图6 常年回淤强度预测Fig.6 Prediction of sedimentation intensity for normal year

从回淤总量来看，建堤前口门段回淤约176万m3/a，全航道的常年回淤量约为387万m3/a。建堤后，口门段航道年回淤量下降相对明显，下降至99万m3/a左右；全航段的常年回淤量约为274万m3/a，较建堤前减少约29%。

5.2 大风天回淤预测

不建防沙堤时，一场中风（7级风）作用后最大淤积厚度约0.25 m，全航段回淤总量约27万m3；一场大风（10级风）作用后最大淤积厚度约0.75 m，全航段回淤总量约92万m3。建设防沙堤后，一场中风作用最大淤积厚度约0.12 m，航道回淤总量下降至17万m3，较无防沙堤时回淤减少约37%。一场大风作用后最大淤积厚度约0.35 m，航道回淤总量下降至53万m3，较无防沙堤时回淤减少约42%。由此可见，防沙堤的建设对大风天的减淤效果比较明显。