李志永,郜會彩,王瑞鋒

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 問題的提出

近年來,鎮(zhèn)海港港口規(guī)模與日益增長的運量之間的矛盾越來越突出,為滿足經(jīng)濟發(fā)展和適應市場變化,根據(jù)寧波港總體規(guī)劃提出了在甬江口北岸,外游山深潭西北側新建21～23號碼頭的設想。建設規(guī)模:2個5.0萬t,1個3.5萬t的泊位,設計卸貨量1 200萬t/a。鎮(zhèn)海港區(qū)目前航道水深良好,15萬t貨輪可自由進出港,因此21～23號碼頭建設的主要限制因素是碼頭水域的水深條件。

工程海域已建有眾多碼頭,但均采用貼岸布置,目前相關泊位的實際淤積情況很多大于當初的預測值,特別是擬建工程鄰近的相關泊位近年來存在不同程度的淤積,部分還需不定期疏浚。擬建工程的部分方案采用了與以往完全不同的布置形式 (通過棧橋連接、跨越深潭、布置在深潭北側),因此總平面布置方案,除了與碼頭岸線資源的綜合利用、工程造價和營運成本等密切相關外,還直接關系到能否處理好工程與相鄰泊位的關系,影響到對鎮(zhèn)海港區(qū)賴以生存的外游山深潭的海床穩(wěn)定性等。

2 布置方案

考慮港區(qū)整體布局,21～23號碼頭布置在18號泊位的西側 (見圖1)。由圖1可知,方案1和方案2為“F”型布置方案,方案3為順岸式布置方案。方案1和方案2均按2個5萬t級泊位,1個3.5萬t級泊位設計,其中方案1將3個泊位連續(xù)布置,近棧橋側布置3.5萬t級泊位,方案2則將3.5萬t級泊位布置近岸區(qū)域;方案3設計只布置2個5.0萬t級泊位。設計時碼頭與引橋面按不被波浪淹沒的要求考慮。

圖1 平面布置方案示意圖

根據(jù)設計,碼頭寬度為32m,引橋寬度為17m。碼頭長度:方案1為 851m,方案2為641m+250m,方案3為550m;引橋長度分別為:721m,677m+600m,275m。碼頭采用高樁梁板式結構,排架間距為10m。每榀排架采用9根φ1 200mm的鋼管樁。引橋及高架廊道采用大跨度高樁墩式結構,墩臺中心距取30m,下部樁基采用10根φ1 200mm的鋼管樁。方案1、2的工程規(guī)模及投資都將遠大于方案3。

3 海床條件對比

3.5 萬t級泊位設計泥面高程為-12.50 m,5.0萬t級泊位前沿設計泥面高程為-14.0m。對比分析各方案泊位及回旋水域的海床現(xiàn)狀與設計泥面高程要求可知,3個方案的海床高程均不完全滿足設計條件。其中,泊位水域方案1的海床高程在-11～-15 m,方案2為-8.0～-14.5m,方案3為-7.5～-13.0m;各方案對應的回旋水域水深條件略好于泊位水域。由此可見,實施該工程各方案均需做好疏浚準備;單獨從水深條件上看,方案1優(yōu)于方案2,方案3水深條件相對最差。

4 布置與流態(tài)分析

工程區(qū)水域的漲、落潮流流路大致如下:漲潮時,東南方向的外海潮波先后從佛渡、蝦峙門、清滋門和福利門等水道進入峙頭洋,再經(jīng)螺頭水道在大榭島附近水域分成2股潮流,一股通過冊子水道經(jīng)西堠門和富翅門進入杭州灣,另一股則向西經(jīng)金塘水道進入杭州灣,21～23號碼頭前沿水域主要受此股漲潮流的影響;來自杭州灣的落潮流下泄至工程區(qū)水域時,受地形影響流勢較強,對工程水域有重要影響。

圖2 大潮流跡線與碼頭軸線示意圖

圖2 為碼頭前沿大潮期間流跡線與碼頭軸線的相交情況圖。由圖2可知,方案1與潮流夾角較大,碼頭軸線與大潮、中潮和小潮流跡線夾角均達20°左右;方案2碼頭軸線大致與潮流方向平行;方案3與岸線基本平順布置。

5 淤積預測與分析

5.1 碼頭水域自然淤積

此海區(qū)含沙量高,垂線平均含沙量1.5 kg/m3左右。懸沙和底質主要為粉砂、黏土,海床易沖易淤。杭州灣泥沙輸移途徑“北進南出”,工程海域存在來自杭州灣的凈輸沙。對比金塘海域1928,2002年2次大范圍的測圖,以甬江口為界,甬江口以西區(qū)域一直呈微淤的狀況。近20 a來,金塘水域的碼頭、橋梁及圍涂工程等人類活動日益增加,使碼頭所在深潭水域淤積加劇,1995年以后-30 m等高線消失,至2008年-20m等高線消失,-15m等高線明顯向東側淤縮。關于外游山深潭該時段出現(xiàn)快速淤積的原因作者將另行文研究。但這種淤積趨勢近幾年有所趨緩,擬建工程海域近幾年的年淤積速率為0.5～1.0 m/a,水深越深的位置淤積相對較大,水深較小的區(qū)域淤積幅度相對較小。

5.2 泊位疏?；赜俜治黾邦A測

通過調查、分析21～23號碼頭東側18號已建泊位的運營情況,可以更科學地預測新泊位開挖的可能回淤強度。18號泊位2003年底投入使用后,對碼頭前沿水深先后進行了15次觀測,由于淤積嚴重,分別于2007年4月和2008年5月對18號泊位西端進行清淤疏浚。淤積的部位主要在碼頭前沿西段水深較淺區(qū)域,圖3為該區(qū)域水深淤積過程線圖。2次疏浚時碼頭前沿西段水深較淺區(qū)域平均浚深2.5m左右,2次疏浚期間的平均回淤速率為1.8m/a。

圖3 18#泊位區(qū)域水深淤積過程線圖

由于該泊位與進港航道為一體,因此該泊位的挖槽回淤可參照文獻[1].航道開挖回淤公式予以估算,該航道開挖回淤公式為[1].:

式中:θ為水流向與航道軸線的交角(°),取垂線平均含沙量1.5 kg/m3,根據(jù)水流計算取θ=5°;K1,K2為系數(shù),復演得到平均回淤速率為1.9m/a,與實際回淤情況較為接近。

如前所述,各方案泊位區(qū)域海床的高程均不完全滿足設計要求,需進行不同程度的開挖?？紤]到即使沒有碼頭的建設,單獨進行泊位的開挖(即不考慮樁群影響),浚深水域也會存在一定的淤積幅度。采用18#泊位挖槽回淤復演得到的參數(shù),并根據(jù)21～23#泊位的開挖深度,利用式(1)預測表明,由于方案3泊位水域平均需浚深4.5m左右,其回淤強度也最大,為3m/a左右。

5.3 碼頭樁群的淤積影響分析

樁群的淤積影響分析時假定泊位及回旋水域已按照設計要求開挖到設計泥面高程。利用垂線平均的平面二維數(shù)學模型預測碼頭樁群對水流及海床沖淤的影響[2].。方程包括2個淺水潮波運動方程與1個連續(xù)方程,具體如下[2-3].:

式(2)為水流連續(xù)方程,式(3)、(4)為x,y方向的動量守恒方程。式中:z0為床面高程(m);u,v分別為x,y方向上的垂線平均流速分量(m/s);h為水深(m);g=9.81m/s2為重力加速度;f為柯氏力參數(shù)(f=2ωsinφ,ω為地球自轉速度,φ為緯度);Cz為謝才系數(shù),取;n為糙率系數(shù);εx,εy分別為x,y方向的渦動擴散系數(shù);Wx,Wy為x,y方向的風應力分量;x,y為直角坐標;t為時間(d)。

建立數(shù)學模型,西北邊界設在海王山至大漁山一線,南邊界為穿山半島峙頭至定海一線。計算域內平均寬度約35 km,南北長約54 km?？紤]到三角形網(wǎng)格對工程及邊界擬合等的優(yōu)越性,計算域采用無結構三角形網(wǎng)格進行剖分。計算選用基于三角形網(wǎng)格的有限體積法離散,變量取在三角形形心,控制體采用三角形網(wǎng)格。

為方便離散將式(2)～(4)寫成統(tǒng)一的計算表達式:

對式(5)進行積分可得離散方程組:

式中:Ai為控制體三角形的面積(m2);Fnij為三角形各邊的計算通量,△lij為三角形邊長(m);Si為方程源項。

上述離散方程的關鍵是通量Fnij的計算,采用近似黎曼解的 Roe格式離散對流通量,具體計算格式(略)。

利用上述水流模型計算得到各方案實施前后的水動力條件變化,進而利用半經(jīng)驗半理論的回淤強度公式進行沖淤估算,算式如下:

為泥沙沉速;α為泥沙落淤幾率;γS′為泥沙干容重(N/m3);H1、H2為工程實施前后計算水深(m);V1、V2為工程實施前后計算流速(m/s);S1、S2為工程實施前后水流含沙量(kg/m3);S*1為工程實施前水流挾沙力(N/m3)。

計算表明,碼頭工程對工程海域的潮位影響較小,工程對水流的影響主要表現(xiàn)在附近水域流速的變化。影響以方案1最為顯著,主要與方案1碼頭軸線與水流夾角大、阻流嚴重有關。圖4、5分別為方案1實施后的漲、落潮平均流速變化等值線圖,由圖4、5可見,在碼頭的西北、東南2側分別形成了范圍較大的漲潮流、落潮流隱區(qū)。方案2在碼頭軸線的布置已較方案1合理,碼頭軸線與水流也基本平順,但是方案2兩段棧橋近碼頭的部分與水流有較大的夾角,因此對水流也產(chǎn)生了較大影響;方案3與已建的17、18#碼頭類似,采用貼岸布置的方式,從其對流場的影響來看,是3個方案中影響相對較小的方案。

根據(jù)各方案前后的水動力條件變化及回淤強度估算得到碼頭樁群對各敏感區(qū)域的影響。與水流變化對應,工程各方案實施后,除碼頭前沿略有沖刷外,碼頭附近海床總體上都有一定幅度的淤積。無論是淤積影響范圍及影響強度,方案1、2均明顯大于方案3。以工程對外游山深潭的淤積影響為例,方案1實施后,外游山深潭年淤積幅度達1.5～2.0 m,方案2為0.5～1.0m,方案3對深潭影響很小;此外,3個方案均會給鄰近的17～19號泊位帶來一定的淤積影響,方案1約有1.0～1.5m的淤積,方案2、3的影響小于方案1;3個方案對自身泊位的影響也有較大差異,方案1實施后,自身泊位年淤積幅度為2.0～3.0m, 方案2、3則為1.5～2.0m。

圖4 方案1實施后的漲潮平均流速變化等值線圖 (%)

圖5 方案1實施后的落潮平均流速變化等值線圖 (%)

對比各方案實施后的水動力條件和海床沖淤的變化情況,盡管3個方案自身泊位區(qū)域的淤積幅度差異不大,但方案3無論是對港區(qū)前沿的游山深潭,或是對周邊相關工程的影響較方案1、2均相對較小。鑒于港區(qū)前沿的游山深潭的穩(wěn)定是維持港區(qū)相關泊位水深條件的重要保證,因此建議在方案3的基礎上進行優(yōu)化。

6 結 論

(1)根據(jù)布置對設計泥面高程的要求,3個方案泊位水域海床均不完全滿足設計條件,雖浚深范圍和幅度不同,但各方案均需進行疏浚,投資估算時應充分考慮疏浚費用。

(2)根據(jù)碼頭軸線與潮流流向的關系分析,方案1與潮流夾角較大,碼頭軸線與大潮、中潮、小潮流跡線和流矢夾角均達20°左右,阻流作用明顯;方案2對碼頭軸線進行了調整,碼頭軸線與潮流夾角有所改善,但其近碼頭段棧橋與水流有較大夾角,故對水流仍有較大影響;方案1、2對維持港區(qū)相關泊位水深條件有重要意義的游山深潭都會帶來較大幅度的淤積,其中:方案1為1.5～2.0m;方案2為0.5～1.0m。方案3無論是對港區(qū)前沿的游山深潭,或是對周邊相關工程的影響較方案1、2均相對較小。

(3)鑒于方案1、2為半包圍深潭布置,工程規(guī)模及投資龐大,對深潭水流及海床影響較大等不足,不宜采用這2種布置方式。方案3與水流相對平順、對深潭及相關工程影響較小,故推薦按照方案3的布置形式,但考慮到泊位及回旋水域仍需浚深后方可滿足設計要求和可能面臨的年內多次疏浚問題,建議在方案3的基礎上進一步優(yōu)化,并適當降低泊位等級以減少疏浚量。

通過研究,果斷否決了對外游山深潭會產(chǎn)生較大影響的方案1、2,推薦了方案3,目前該方案已被公司接受,為該工程的決策提供了科學依據(jù)。

[1].中華人民共和國交通部.JTJ213—98海港水文規(guī)范 [S]..北京:人民交通出版社,1998.

[2].李志永,倪勇強,耿兆銓.樂清灣泥沙運動數(shù)值研究[J]..泥沙研究,2004(4):77-81.

[3].李志永,郜會彩.鎮(zhèn)海港區(qū)21-22號泊位潮流泥沙數(shù)學模型試驗 [R]..杭州:浙江省水利河口研究院,2009.