淤泥质海岸复杂环境深水航道设计要点分析

2022-06-17黄泰坤季则舟高云鹏武庆卫

港工技术 2022年3期

黄泰坤，季则舟，高云鹏，韩亮，武庆卫

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300220）

引言

依托工程所属天津南港工业区是天津市城市空间发展和京津冀一体化发展战略的重要区域[1-2]，是实现天津市国土空间规划的重要组成部分[3]。

天津港大港港区主要服务于南港工业区重化产业发展，以通用泊位和液体化工泊位起步，重点发展LNG、油品、液体化工等运输，并承担北部港区干散货、液体化工品等增量转移功能[4]。但渤西油气管线横穿航道，受其埋深限制，本工程建设前航道船舶通过量较少，多为5 000 t 级以下的小船，难以满足入区企业大型船舶进出港的需要，亟需建设深水航道工程。

作为港区新辟深水通道，闸下泄洪影响、泥沙运动规律、渤西管线切改前保护方案、航道合理设计是大港港区航道工程设计中需要重点考虑的关键技术问题。另外施工期回淤量对工程投资的影响不可忽略，但受施工过程、水流波浪条件影响，难以准确测算。已有研究多开展运营期回淤量研究[5-7]，施工期回淤量研究较少。王兴博[8]等采用数学模型对施工提前备淤一次成槽可行性进行了研究，但施工期设计回淤量的简化计算方法鲜有报道。

鉴于此，本文对淤泥质海岸复杂环境的新辟航道设计关键技术要点进行分析，并首次提出了一种“余时淤积”施工期回淤量简化计算方法，经与实测数据进行对比，验证了其有效性。研究成果成功应用于工程建设[9]，且通航运行良好，希望能对类似项目设计、实施提供参考。

1 工程概况

依托工程位于天津市滨海新区所属独流减河入海口处，地处天津市东南，东临渤海湾。工程区北侧分布有天津港主航道、大沽沙航道、高沙岭航道，南侧建设有黄骅港主航道。

工程建设规模为10万t级单向、5万t级双向乘潮通航，并可满足26.6万m3Q-max型LNG船理论最低潮面进出港需要。10万t级航道起点为46+000，航道终点至西港池中部。目前港区已形成通用泊位、油品化工品泊位、LNG专用泊位等生产性泊位22个。

图1 工程平面布置及周边航道分布

2 波流作用下航道泥沙回淤

2.1 泥沙运动特性

本海区常浪向ENE和E，频率分别为9.70 %和9.54 %，强浪向ENE，该向H4%≥1.6 m的波高频率为1.35 %；全年各方向H4%≥1.6 m的波高频率为5.06 %，H4%≥2.0 m的波高频率为2.24 %，T ≥7.0 s的频率仅为0.33 %。近岸浅滩区涨落潮流流向较为分散，-5 m等深线潮流运动涨、落潮流基本呈ENE～WSW向的向岸、离岸运动。到-10 m等深线，涨落潮明显呈东西向的往复流运动。

含沙量观测表明，横向（由岸向海）分布呈由大到小的规律。如大潮的涨潮平均含沙量，在-2 m等深线约为0.127 kg/m3；向外至-5.0 m 等深线约为0.109 kg/m3，水体含沙量相对近岸有所降低；到-10 m 水深处，平均含沙量降至0.103 kg/m3。落潮段平均含沙量也有相同变化趋势。

对比本港区与周边港口底质取样分析，天津港主体港区粘土含量40.0 %，平均粒径0.0070 mm；大港港区粘土含量38.6 %，平均粒径0.0075 mm；黄骅港粘土含量12.5 %，平均粒径0.0334 mm。大港港区海域滩面泥沙的平均粒径和粘土含量比例与天津港淤泥质海岸更为相似特点，与黄骅港粉砂质海岸存在较大差异。大港港区海域浅滩表层沉积物中值粒径小于0.01 mm，且粘土含量大于25 %，仍属于淤泥质海岸。

该海域近岸存在河口、浅滩，水深相对较小，且底质泥沙粒径较细，在一定的风浪条件下易于悬浮，形成较高含沙量，并随落潮流作用向外海扩散，即“波浪掀沙、潮流输沙”。而在外海水域，水深相对较大，波浪作用相对较小，主要以潮流动力为主，泥沙主要来自渤海湾近岸浅滩水域，悬沙随潮流漂移，含量相对较小。

表1 泥沙含量及平均粒径对比

2.2 航道回淤量计算

基于本海区海岸特征及泥沙特性，研究泥沙运动和回淤分布规律，进而有针对性地防淤减淤是非常必要的。目前航道回淤量计算方法主要有规范公式法和数值模拟方法。

《港口与航道水文规范》[10]推荐的淤泥质海岸航道淤积计算公式为：

式中：PK为航道底面的淤积强度；ωK为泥沙沉速，对于淤泥质海岸底质粒径D≤0.03 mm的粘性沙，一般采用当量粒径絮凝沉速0.0004～ 0.0005 m/s，对于D＞0.03 mm的非淤泥质泥沙，因其不存在絮凝现象，沉速应代之以分散体的单颗粒沉速；γ0K为淤积物的干容量（kg/m3）；t为淤积历时（s）；d1和d2分别为浅滩平均水深和航道开挖水深（m）；θ为水流流向与航道轴线夹角（°）；K1和K2为横流和顺流系数，分别为0.35和0.13。为修正含沙量（kg/m3），其中S1为计算含沙量。

港区位于独流减河闸下，港池水域由横向港池和竖向的东、西港池组成，整体呈“П”形。横向港池北侧为北防波堤。港区口门位于-6 m水深附近，口门宽约1.8 km。鉴于航道较长水深不一，以1 km间隔划分回淤计算区域进行分区计算。

口门至独流减河口防潮闸共分为18个计算区；东、西港池分别设置4个计算区，共计25个区，如图2所示。外航道回淤计算中，从口门向外，以1km为间隔划分计算区域。在不考虑河口下泄冲淤影响下，计算口门内航道年回淤量约232万m3，口门外航道年回淤量约149万m3，合计约381万m3。

图2 港池航道回淤公式计算分区

采用波、流共同作用下的二维数值模型计算代表动力下的航道淤积量[11]。计算结果表明，本航道沿程淤强呈现出口门区域较大，口门以里及向外逐渐减少的趋势。代表动力条件下本海区年均冲淤分布如图3所示。不考虑泄洪影响下，计算正常年份内、外航道回淤量分别为266万m3、171万m3，合计约437万m3。

图3 动力条件下海区年均冲淤分布示意

从表2 可以看出，回淤公式计算和数学模型计算所得外航道淤积总量相差约14 %。从偏于安全的角度，航道回淤量可采用数学模型计算结果。

表2 年均回淤量比较

2.3 闸下河口泄洪冲淤影响

目前海河流域和大清河水系上游洪水汇聚经过淀洼沉淀，水体含沙量很小。通过独流减河防潮闸泄流（洪）水体携带的上游泥沙甚微，与海相泥沙淤积相比，可以忽略上游来沙对港区泥沙淤积的影响，因此重点对防潮闸泄流（洪）冲刷闸下河道对港区泥沙冲淤的影响进行试验。采用物模试验进行研究，试验在南京水利科学院试验厅开展。外海概化大潮过程，不考虑上游河道的来沙，泄洪流量分1 500 m3/s、3 000 m3/s 和4 500 m3/s 三个等级。

图4 为闸下河道在清淤槽、疏浚取泥2 个布置方案，其中清淤槽长1 900 m，底高程0 m。泄洪冲刷试验水流泄流时间的原型1 天。近闸河段泥沙冲刷量的情况见表3。

表3 一次泄洪（1 天）闸下河段冲刷量统计

图4 闸下疏浚槽方案（清淤槽-红色虚线，疏浚取泥-青色虚线）

泄洪水流冲刷的试验现象为：防潮闸开闸泄流，冲刷即自闸下向下游河道逐步发展，冲刷主要发生在泄洪主流所在的清淤槽区。下游水位较低时冲刷深槽，水位较高时深槽两侧滩地也出现轻度冲刷。与涨潮过程泄流相比，落潮泄流冲刷作用较强；下泄流量越大，冲刷作用越明显。经历三级泄洪流量1 500 m3/s、3 000 m3/s 和4 500 m3/s 泄流过程各1 天（水流时间），闸下推荐槽工况闸下近闸河段的冲刷量分别约为53 万m3、72 万m3和74 万m3。泄洪水流对航道泥沙影响轻微，仅限于闸下槽区范围。

图5 可以看出，在地形冲刷到一定程度后，泄洪水流对闸下近闸河段的冲刷作用后会渐趋减弱。因此，在保证防潮闸安全的前提下，对防潮闸闸下近闸河段进行适当规模提前疏浚清淤，将明显减轻泄洪对港区的泥沙冲淤影响。

图5 4 500 m3/s 一次泄洪后闸下及港内泥沙冲淤

3 方案优化设计

3.1 通航设计标准

拟建设10万t级单向、5万t级双向乘潮通航，同时可满足26.6万m3Q-max型LNG船理论最低潮面进出港需要。通航标准为一般货船乘潮4 h，乘潮水位冬季乘潮保证率取90 %，乘潮水位2.71 m；LNG船理论最低潮位基准面满载通航。LNG船舶在航道内的航行条件为风速≤20 m/s、波浪H4%≤2.0 m；除LNG船外其他船舶在航道内的航行条件为风≤7级、波浪H4%≤2.0 m。设计代表船型如表4所示。

表4 设计代表船型尺度

3.2 轴线设计

航道选线原则：作为区域内后启动建设项目，总体布置上应考虑了渤海湾相邻港口之间的关系，尽可能实现船舶分流，避免航路交叉影响，既有利于船舶交通管理，保证船舶航行安全，也可为港口后续进一步发展奠定基础；合理考虑风、浪、流及泥沙回淤等因素确定航道轴线；近、远期结合，在现状航道基础上提升至10 万t 级航道规模，并留有发展余地；与码头、港池相结合，为码头港池预留足够的操船所需水域。

基于航道选线原则，提出了2个轴线方案，图6为航道轴线方案，其中航道轴线方案1航道轴线为直线向东延伸，与本海区风、浪、流夹角较小，有利于主波浪在航道两侧折射后传播至航道外。横流较小，船舶航行条件较好，利于船舶安全航行。轴线基本与等深线垂直，延长线基本位于外海航路深槽中间，航道延伸较短，疏浚方量较小，工程投资也较小。方案2在航道里程20+000处顺时针转向15°后，与风、浪、流的夹角加大，船舶航行条件相对较差，同时，航道向外海延伸较远，疏浚方量较大，工程投资也较大，对航道规模等级的进一步提高存在不利因素，且延长线与规划锚地、黄骅航道存在交叉。轴线方案工程量比较如表5所示。从自然条件、通航条件、工程投资等多方面综合比较，推荐轴线方案1。

表5 轴线方案工程量比较

图6 轴线布置方案

3.3 分段主尺度设计

航道淤积计算成果显示，航道沿程总体呈“M”型，口门区高，口门段以内、口门段以外逐渐将低的趋势，同时口门区中段由于缩窄，流速较大，淤强有所降低，如图7 所示。为减少投资，设计水深采用分段设计方式，其中9+000～24+000 段航道回淤较大，最大淤强1.58 m，备淤深度取为0.8 m，10 万t 级航道设计底高程为-15.0 m，通航底高程-14.2 m；其余段淤强0.4 m 以下，因此备淤取为0.4 m，根据规范计算10 万t 级航道设计底高程为-14.6 m，通航底高程为-14.2 m。

图7 代表动力条件下航道淤强沿程分布

对于航道通航宽度，结合潮流特征也采用分段设计方式。图8 为口门区局部流场分布，外海大潮作用下，受堤头挑流影响影响，在口门以及东港池附近形成一定区域回流，尤其是口门北侧防波堤在港区北侧开发条件下，涨潮流出现偏转，导致口门段出现横流。而落潮流在口门外虽有向北偏现象，但回流并不明显。这也有利于船舶在涨潮流阶段以较快速度通过口门，但由于口门宽度束窄，从安全角度，采用航道局部加宽方式。图9 为不同口门方案横流沿程分布，可以看出，推荐口门方案横流介于0.3～0.45 m/s 之间（对应航道里程9+000～17+000）。按照《海港总体设计规范》[12]，该段航道γ取7°，航道通航宽度为332 m；其余段横流基本在0.1 m/s 以下，γ取3°，计算航道通航宽度为300 m。

图8 外海大潮作用口门区局部流场分布示意

图9 航道沿程横流分布曲线

3.4 海底管线与航道交叉段施工预留方案

工程前存在渤海西部钻井平台至天津陆上终端的两条海底管线，穿越天津港多条航道，其中与本航道的交叉部分位于航道的25+000里程处，管线处泥面高程约-7～-8 m。管线掩埋较浅，埋深0.3～0.5 m。施工船舶在渤西管线附近施工时，存在施工船舶起抛锚作业对渤西管线造成破坏的风险。为确保管线运营期间的安全，可暂不开挖该管线两侧滩地，由此需进行航道疏浚对渤西管线的影响研究，并提出合理的预留方案。

设计阶段提出了在渤西管线与航道交叉处设置抛石护底方案、管线两侧各预留500 m方案和管线两侧各预留1 km保护方案。设计边坡分别考虑1:5和1:10两种条件。抛石护底方案优点在于可形成管线保护层，减少水流作用，但工程投资较大，且对现有船舶通航安全带来影响。因此本文重点对管线局部预留方案在两侧航道开挖及水动力作用下稳定性进行研究。局部物理模型试验表明，两种坡度的影响不大，从安全角度采用了1:10的边坡方案。图10为渤西管线与航道交叉位置，管线预留处纵向与航道底1:10边坡进行衔接，保护范围外正常疏浚至设计底高程-14.6 m。待后续管线切改后，再将此局部区域进行疏浚。

图10 渤西管线与航道交叉位置示意

图11为管线两侧各保留500 m，大风条件下局部物理模型试验[13]冲淤变化，可以看出，整个滩面冲淤变化的范围较大，且滩面整体表现为冲刷。管线附近的轻度冲刷虽然没有使管线出露，但管线上下游两侧边坡坡顶的冲刷有连接贯通的趋势，如持续发展势必会危及管线的安全。图12为管线两侧各保留1 000 m，大风条件下局部物理模型试验冲淤变化，可以看出波浪、水流只对航道的边坡及附近边滩产生了一些冲刷，因此是安全的。因此推荐采用保留1 000 m、纵向边坡1:10的设计保护方案。最终在管线切改后，仅用1个多月即完成了该预留区域疏浚工作。

图11 管线两侧预留500m 地形冲淤变化

图12 管线两侧预留1000m 地形冲淤变化

4 施工期回淤量简化计算方法

施工期回淤量对投资影响显著，但受施工过程、季节因素、水流波浪条件变化较大，准确测算十分复杂，施工期回淤量的简化估算方法鲜有报道。

笔者提出了一种“余时淤积”施工期回淤量简化计算法。以工程施工计划为基础，将全航道进行合理分段，计算每段施工后至全航道完工的剩余回淤时间，结合沿里程淤强分布，进而估算整个施工期回淤量，即：

当采用航道整体平均剩余回淤时间，可写为：

式中:Qs为施工期回淤量，万m3；Ks为经验系数，可取1.0～1.15；Tsi为每段剩余回淤时间，可按线性递减方式计算，月；Pi为每段航道淤强；Si为每段航道回淤面积，m2；Q为采用公式计算或模型试验的年回淤量，万m3；为平均剩余回淤时间，月；N为年历时，12月。

按照施工计划，总工期约24 个月。将整个航道划分5 个部分。图13 为各分段剩余回淤期和回淤量。6+000 以西段，采用绞吸式挖泥船施工，工期11 个月，本段线性递减，则剩余回淤时间为18.5个月；6+000～9+000 段，采用绞吸式挖泥船施工，工期9 个月，剩余回淤时间为19.5 个月；9+000～16+000 段，采用绞吸式挖泥船施工，工期18 月，剩余回淤时间为15 个月；16+000～24+000 段，采用大型耙吸式挖泥船施工，工期18 月，剩余回淤时间为15 个月；24+0～46+000 段，采用大型耙吸式挖泥船施工，工期16 个月，剩余回淤时间为16个月。