曹妃甸中区一港池口门拓宽方案研究

张 静，冯 璐

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

唐山港曹妃甸港区西距天津港约38 n mile，东北距京唐港区约33 n mile。港区刚刚建港时，对中区一港池定位为10万t级港池，初始规划最大泊位等级为10万t级。铁矿石、煤炭运输带动的船舶大型化趋势明显，为了在市场竞争中处于有利地位，托运者和承运者均会选择大吨位船舶，目前世界铁矿石运输多以10～25万t级散货船为主，约占海运量的75 %以上。为服务曹妃甸循环经济示范区和大宗散货转运为主的大型综合性港区，并承担“北煤南运”的重要任务。2019年《唐山港总体规划调整》将中区一港池航道等级提升为20万t级。

截止目前，曹妃甸港区共有生产性泊位92个，设计总通过能力为42 331万t，岸线总长度23 428 m。港区中区一港池现有泊位48个，主要为通用散杂、通用件杂、多用途、煤炭等泊位，一港池2019年完成货物吞吐量约占曹妃甸港区吞吐量50%，是曹妃甸港区的重要作业区。港池西岸线最北端的通用散货泊位一期、二期、三期工程均可靠泊20万t级散货船。而现状中区一港池口门有效宽度280 m，仅能满足10万t级散货船单线通航需求，制约了整个港池发展。为提升中区一港池航道通航标准，满足港池发展需要，需将口门位置处拓宽至365 m，使其满足20万t级船舶单线和10万t级船舶双线通航要求。本文对口门拓宽方案进行研究，在满足通航需求的前提下，避免由于口门拓宽降低防波堤对港池内已建泊位的掩护效果。

1 口门现状

口门现状防波堤堤头中心线间距约600 m，东防波堤堤头原泥面高程-9.0 m，西防波堤堤头原泥面高程约-17.0 m。曹妃甸中区一港池10万t级航道已于2018年10月完成竣工验收，一港池航道轴线方位15°～195°，现状情况下口门位置处有效宽度为280 m，底标高-18.3 m。

图1 中区一港池口门现状图

根据引航部门意见，结合实际使用情况，现状条件下，船舶沿轴线方位35°～215°完成进出口门作业，在此轴线方位下，口门有效宽度306 m。

2 口门拓宽方案

考虑到中区一港池内已建有20万t级散货泊位，同时结合拟建泊位情况，为充分发挥中区一港池航道现有和拟建泊位通过能力，需要对现有航道进行升级，使其满足20万t级船舶单线和10万t级船舶双线通航要求。参照海港总体设计规范[1]，口门位置处挖槽宽度取值365 m。

口门位置处横流较大，尽可能大增大口门有效宽度，口门位置处航道底宽365 m，20万t级散货船通航底高程-18.5 m位置处通航宽度369 m，10万t级散货船-14.6 m位置处通航宽度408 m。

表1 航道宽度计算表

图2 口门拓宽方案图

3 防波堤加固改造

口门是船舶的出入口，必须方便船只航行，并尽量减少进港的波能及泥沙，同时注意口门处海流的影响。曹妃甸中区一港池口门位置已经确定，考虑方便船舶通航，将口门加大，势必对港内的波稳条件产生不利的影响，根据一港池现状使用情况，口门内东侧岸线的首钢成品泊位，在西南风的作用下，已存在部分越浪现象，所以，口门的加宽改造方案在不拆除既有防波堤的前提下进行。

西防波堤堤头原泥面高程-17.0 m，航道加宽放坡距离很短，不会对堤头产生影响。东堤堤头原泥面高程-9.0 m，20万t级散货船通航设计底高程-18.9 m，东堤需要放坡50 m。已建东防波堤现状为抛石斜坡堤结构，堤顶高程为5.5 m。防波堤堤头部分采用10～100 kg块石作为堤心，其上设150～300 kg垫层块石，外侧安放一层3 t扭王字块体作为护面，坡脚处护底为80～100 kg块石。

根据20万t级航道浚深要求，航道需开挖至距东防波堤堤头护底外边线最小距离约约16.0 m处。为减少开挖边坡对已有东防波堤结构的影响，提高开挖边坡的抗冲刷能力，需要对防波堤航道浚深一侧部分区域进行地基加固处理。

改造过程中为了尽量减小对现有堤头结构的扰动及破坏，且同时又能达到地基改善的目的，拟采用振冲碎石桩方案[2]。改造施工时，须先拆除东防波堤部分堤头段的护底结构，然后采用Ф1 000水下振动沉管碎石桩对原护底下土层进行地基加固，改善表层土体的力学特性。加固完成后，按原设计断面恢复，形成完整堤头结构。

图3 东防波堤加固断面图

4 口门拓宽后港池内波浪条件分析

4.1 波浪试验结果与分析

本次设计需要对口门宽度进行一定程度的拓宽，考虑到防波堤口门与码头位置距离较近，为确定航道拓宽后对码头前沿上水情况及港池内泊稳的影响，对口门附近码头区波浪条件开展整体物理模型试验，得到曹妃甸港区中区一港池口门拓宽与现状码头前的波高分布和码头上水情况。经过分析，SW向波浪影响最为显著，故将SW向波浪试验结果进行分析。

现状港池与浚后港池在SW向浪作用下，因口门在该方向上投影宽度最大，对东侧码头影响较大，波浪传至东侧码头东北角前沿，此处泊位受其影响较大。波浪进入码头后部分沿东码头向北传播，部分受直立式码头反射传播至西侧码头泊位处，码头前反射明显，入射波浪与反射波叠加，最大比波高出现在主航道转弯处，现状与浚后表现基本一致。北侧现状与浚后基本一致，最大比波高差在0.1左右。

对于码头面上水，并没有因为码头前比波高值较大而产生相对较大的上水，现状与竣后在极端高水位重现期50、10、2年波浪作用下，存在少量但普遍上水，浚前、后最大上水厚度分别为1.12 m和1.33 m。现状与竣后在设计高水位仅在50年一遇出现上水，位置在P30处，最大上水厚度均为0.4 m，平均上水厚度在0.13 m左右。分析其产生的原因为P25～P30码头与波浪传递方向一致，波浪沿着码头岸线顺浪传递到P30～P31的拐角位置，产生波能集中，故此处上水较大，达到1.6 m左右。受东侧码头波浪反射影响。

图4 波高测点布置图

表2 SW向浪作用码头上水厚度（现状、浚后）

图5 比波高差值分布示意图（现状及浚后）

4.2 口门拓宽后港内波浪试验结论

1）码头前波高分布

SSE、S、SSW、SW和WSW 5个方向波浪作用下，浚前与浚后波高分布整体表现一致。WSW向对东码头影响最大，设计高水位、重现期50年条件下，码头前最大比波高浚前与浚后出现在相同位置，分别为1.05和0.99；S和SSE向波浪对东码头影响最小；SSE向波浪对西码头影响最大，设计高水位、重现期50年条件下，码头前最大比波高浚前与浚后分别为0.97和0.93。

2）码头面上水情况

东侧码头：设计高水位、重现期10年、50年条件下，WSW和SW向波浪作用时，首钢通用散杂货泊位码头出现上水，最大上水厚度为0.4 m；SSW和SW向浪作用时，首钢成品泊位码头出现上水，最大上水厚度为0.21 m。

西侧码头：国投煤码头端头外侧位置在S浪向在设计高水位及重现期50、10、2年均有少量上水，现状与竣后最大上水差别不大，而且上水段较短。可以认为东西码头面现有高程适宜，浚后未明显提高上水，建议码头面采取适当排水措施。

由于上水段较短，可以认为东西码头面现有高程适宜，浚后未明显提高上水。

3）疏浚前后港内波高变化不大，空间分布略有不同，疏浚对泊稳条件及上水情况没有明显影响。

5 结语

考虑到中区一港池的重要性，通航船舶等级越来越大，决定对中区一港池口门进行拓宽。拓宽方案在不拆除现有防波堤的前提下，通过采用水下振动沉管碎石桩对原护底下土层进行地基加固，确保口门有效宽度拓宽后防波堤的稳定性。拓宽后的口门高程-18.9 m位置底宽365 m，可以满足20万t级船舶单线和10万t级船舶双线通航需求。本次改造方案浚深深度及拓宽范围均不大，对波浪传播的影响十分有限，通过模型试验得出，各测点改造前后波高变化不大，浚后未明显提高码头上水，改造拓宽方案较为合理。