佘小建，張磊，孫路

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.交通運輸部規(guī)劃研究院，北京 100028）

曹妃甸挖入式五港池航道與防波堤工程潮流泥沙物理模型試驗研究

佘小建1，張磊1，孫路2

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.交通運輸部規(guī)劃研究院，北京 100028）

曹妃甸挖入式五港池建成后，淺灘區(qū)被圍填或開挖成深水港池，因此港池航道主要是細(xì)顆粒泥沙淤積問題，為此通過潮流泥沙物理模型試驗對五港池防波堤及航道工程進(jìn)行研究。試驗表明，五港池港區(qū)及防波堤建設(shè)沒有改變深槽水流特性，對曹妃甸海域宏觀流場基本沒有影響；防波堤方案2和方案3水流條件較好，其中方案3稍優(yōu)于方案 2。泥沙試驗表明，港池年平均淤強為 0.15m/a 左右，年最大回淤厚度為 0.5～0.6m/a，各方案差別不大；折線航道年平均淤積強度為 0.43 m/a，最大為 0.69 m/a；直線航道年平均淤積強度為 0.39 m/a，最大為 0.55 m/a，直線航道要明顯優(yōu)于折線航道。從水流和泥沙試驗結(jié)果分析，方案 3較優(yōu)，其次為方案 2。試驗成果為設(shè)計方案的選取提供了科學(xué)依據(jù)。

曹妃甸；模型試驗；防波堤工程；航道工程

0 引言

根據(jù)目前曹妃甸港區(qū)規(guī)劃，在原規(guī)劃的基礎(chǔ)上，二港池西側(cè)增加了五港池，根據(jù)工業(yè)區(qū)發(fā)展要求，為推動曹妃甸港區(qū)建設(shè)，需要在規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上，細(xì)化研究五港池航道及防波堤的建設(shè)技術(shù)問題。圖1為曹妃甸港區(qū)規(guī)劃布置圖。

航道及防波堤工程建設(shè)后，在對挖入式五港池起到掩護(hù)作用的同時，也對本工程海域以及附近海域的流場產(chǎn)生一定影響，進(jìn)而影響到該海域泥沙運動。為了明確防波堤、碼頭及航道等工程建成前后流場變化及泥沙淤積情況，為工程建設(shè)方案的比選或進(jìn)一步優(yōu)化防波堤設(shè)計提供依據(jù)，需要開展五港池航道與防波堤工程潮流、泥沙物理模型試驗。

圖1 曹妃甸工業(yè)區(qū)總體規(guī)劃布置圖Fig.1 Theoverallplan ofCaofeidian industrialarea

1 工程海域自然條件

1.1 潮汐特征

曹妃甸海域?qū)俜钦?guī)半日混合潮性質(zhì)，相鄰兩潮潮高不等，特別是小潮潮位過程比較復(fù)雜，接近全日潮。海域平均潮差為 1.54m，平均高潮位為 2.52m （理論基準(zhǔn)面，下同），平均低潮位為0.98m[1]。

1.2 潮流特點

曹妃甸海域潮波呈駐波特點，流速最大出現(xiàn)在中潮位時，高、低潮位時轉(zhuǎn)流。曹妃甸海域潮流為往復(fù)流，漲潮西流，落潮東流。在靠近淺灘海區(qū)，由于受地形變化影響和漫灘水流作用，主流流向基本順岸或沿等深線方向流動。曹妃甸海域漲潮時流速大于落潮流速。大潮漲潮平均流速為 0.40 ～0.60 m/s，落潮 為 0.35～0.50 m/s； 小潮漲潮 平 均流 速 為 0.25 ～0.40 m/s， 落 潮為 0.25 ～ 0.35m/s。在流速平面分布上，甸頭附近深槽處為水流最強地區(qū)，實測大潮甸頭附近最大漲潮流可達(dá) 1.40m/s，落潮流可達(dá) 0.95m/s。南堡外深槽也是曹妃甸海域流速較大區(qū)域，漲潮最大流速可達(dá)1.21m/s，落潮流可達(dá) 0.75m/s。

1.3 波況

曹妃甸海域常浪向為 S，次常浪向為 SE。強浪向為 ENE，次強浪向為 NW 和 NE。波高 H1/10≥1.8m 的中浪和大浪發(fā)生頻率僅為 4%，波能占34%。H1/10<0.6m 的波浪占波浪總數(shù)的 60%，波能只占波能總數(shù)的 9.3%。曹妃甸海域以風(fēng)浪為主。

從逐月最大波高分布看，大浪主要發(fā)生在北向來浪，南向來浪相對較弱。說明波浪對面向南方的曹妃甸港區(qū)影響相對較小，這對維持曹妃甸岸灘的穩(wěn)定是有利的。

1.4 泥沙特點

1.4.1 底質(zhì)特點

根據(jù)底 質(zhì)取樣資料[2]分析可 知，曹妃 甸水邊線附近主要為 0.l2～0.25mm 的細(xì)沙。在 0～5m 潮灘范圍內(nèi)主 要為 0.06～0.125 mm 的 極細(xì)沙。 曹妃甸北側(cè)大片 0 m 高程的淺 灘主要為 0.016～0.032 mm 的中粉沙和極細(xì)沙。

以甸頭分界，沉積物中值粒徑分布由西向東呈由小到大的變化趨勢。其中西側(cè)海區(qū)中值粒徑為 0.008～0.027mm，東側(cè)海區(qū)為 0.012～0.250mm。

南堡淺灘區(qū)域底沙粒徑相對較粗，中值粒徑為 0.078~0.095mm 的極細(xì)沙。而南堡外深水區(qū)泥沙相對較細(xì)，中值粒徑為 0.009mm 左右的細(xì)粉沙，含黏土率達(dá) 27%左右，為黏性細(xì)顆粒泥沙，潮流是泥沙運動的主要動力。五港池建成后，淺灘區(qū)被圍填或開挖成深水港池，因此，五港池建成后港池航道主要是黏性細(xì)顆粒泥沙的淤積問題。

1.4.2 懸沙特點

在小浪或無浪氣象條件下，曹妃甸海域含沙量并不大，水文測驗資料表明，曹妃甸近海深水區(qū)大 致 為 0.05 ～0.10 kg/m3，近 岸 區(qū) 大 致 為 0.07 ～ 0.15 kg/m3。

從全潮平均含沙量的變化看，大潮含沙量大于小潮含沙量。實測大潮、小潮平均含沙量 2005年 3 月分別為 0.106 kg/m3和 0.091 kg/m3；2006 年3 月分別為 0.087 kg/m3和 0.070 kg/m3，2009 年 4月分別為 0.154 kg/m3和 0.062 kg/m3。從漲、落潮平均含沙量的變化看，落潮含沙量大小與漲潮基本相當(dāng)，沒有明顯變化。

2 物理模型試驗

2.1 物理模型簡介

試驗在已建成的曹妃甸整體物理模型中進(jìn)行，模型場地范圍為 100m × 40m，模型水平比尺為1∶1 000，模型布置情況見圖 2。模型垂直比尺 1∶100，即變率為 10。模型東、西和南邊界為開邊界。

圖2 曹妃甸整體物理模型布置圖Fig.2 Theoverallphysicalmodelp lan of Caofeidian

根據(jù) 2009 年 4 月現(xiàn)場水文測驗，曹妃甸西海域懸 沙 主要 為 0.005 4 ～0.008 3 mm 的 極 細(xì) 粉沙 。根據(jù)研究內(nèi)容，確定模型為懸沙淤積模型，因此模型中首先考慮懸沙運動相似。懸沙沉降運動相似比尺：

原型泥沙絮凝沉速取 ωp=0.05 cm/s。

根據(jù)經(jīng)驗[3-4]，用木粉可較好地模似細(xì)顆粒泥沙沉降運動。試驗主要在4月和5月進(jìn)行，水溫為 20 ℃左右，采用飽和濕容重為 1.15 g/cm3的木粉，根據(jù)斯托克斯沉速公式計算，選擇中徑 d50= 0.076mm 木粉，基本可以滿足懸沙沉降運動相似要求。

2.2 驗證試驗

2.2.1 潮汐水流驗證

由于 2009 年 4 月水文測驗點主要集中在甸頭西側(cè)水域，不能反映整個曹妃甸海域的流場，因此選用 2006 年水文測驗資料對模型進(jìn)行驗證，驗證點見圖 2。2006 年 3 月有大、小潮測驗資料，模型對大、小潮進(jìn)行了驗證，模型中有 15個流速點和3個潮位驗證點。從驗證結(jié)果看，各測站潮位過程模型相位與實測基本一致，潮位平均偏差在 0.04m 左右，最大偏差 0.10m。各點流速過程模型相位與實測基本一致，模型中漲、落潮最大流速與實測值大小基本一致，模型漲落潮平均流速與實測值偏差基本在±10%以內(nèi)。從流向驗證結(jié)果看，總體來說模型流向與實測流向吻合較好。

通過以上 2006 年 3 月大、小潮的驗證表眀，模型可以較好模擬現(xiàn)場水流流態(tài)，模型設(shè)計和制作以及生潮系統(tǒng)是成功的。方案試驗時選擇 2006年3月大潮作為試驗潮型。

2.2.2 泥沙淤積驗證

冀東油田 3 號人工島 （見圖 3） 建成后，人工島的東西側(cè)出現(xiàn)淤積，從 2008 年 8 月至 2009年 4 月平均淤積厚度為 0.25m。3 號人工島距離五港池口門較近，因此選擇3號人工島兩側(cè)的泥沙淤積作為驗證對象。

在物理模型中通過反復(fù)試驗，得到3號人工島兩側(cè)的淤積分布。淤積形態(tài)和淤積量與實測基本一致，淤積范圍比實測稍大 （見圖 3、圖 4）。由此可得到模型泥沙沖淤時間比尺為 566。

圖3 3號人工島附近實測地形沖淤變化Fig.3 Scouring and silting changesof themeasured topography near No.3 ar tificial island

圖4 模型驗證3號人工島泥沙淤積分布圖Fig.4 Distribution of sed iment deposition of No.3 artificial island bymodelvalidation

3 工程實施前后潮汐水流試驗

3.1 防波堤和航道布置方案

曹妃甸五港池為挖入式港池，口門內(nèi)有一相對寬闊的水域，然后分為兩支，一支向北與雙龍河口相連，一直至咀東漁港；另一支向西北，自口門向內(nèi)陸延伸約 18 km，港池寬 1.2 km。整個五港池水域面積約 30 km2。

本期工程擬建五港池口門外東、西防波堤兩座以及配套的航道工程，本次研究有4種不同的平面布置方案，各方案口門有效寬度均為 600m，方案布置見圖5。各方案概述如下：

方案 1，西堤頭水深約 4.5m，東堤頭水深約6.0m，口門方向與航道走向有約 46°交角，最大口門寬度約 870m。

方案 2，在方案1基礎(chǔ)上，為增強掩護(hù)條件，西堤南拐 4°，最大口門寬度約 680m，口門方向與航道走向有約 28°交角。西堤頭水深約 6.0m，東堤頭水深約 6.0m。

圖5 方案布置圖Fig.5 Scheme layout

方案 3，在方案 1 基礎(chǔ)上，將西堤南拐 7.42°，使口門方向與航道走向一致。西堤頭水深約7.0 m，東堤頭水深約 6.0m。

方案 4，口門航道為 0～180°航向，口門方向與航道走向一致。西堤頭水深約 5.5m，東堤頭水深約 6.0m。

航道有兩種布置形式：方案 1、2、3 采用直線航道，航道走向為 142°～322°；方案 4 采用折線航道，航道有兩處轉(zhuǎn)彎，自口門向外海航道走向分別為 0°～180°、123°～303°和 142°～322°，航道轉(zhuǎn)角分別為 57°和 19°。港池航道水深 15m，航道寬400m。

3.2 防波堤實施前工程海域水流條件

工程前，漲潮初期五港池區(qū)域大片淺灘露灘，隨著水位升高，主槽內(nèi)流速增大，淺灘出現(xiàn)漫灘水流，直至充滿整個灘面。落潮時，水流由灘面匯入主槽，灘面逐漸露灘。淺灘外主槽內(nèi)水流始終為沿主槽方向的往復(fù)流，流態(tài)基本不受淺灘水流的影響，深槽內(nèi)水流相對簡單。大潮條件下主槽內(nèi)平均流速達(dá) 0.5～0.6m/s，其中漲潮流速要稍強于落潮流速。灘面平均流速為 0.2～0.3m/s，主要為漫灘水流。東咀漁港進(jìn)港航道流速也不大，平均流速 0.3m/s 左右，越向雙龍河口流速越小。

3.3 各方案水流條件試驗研究

五港池和防波堤實施以后，甸頭西側(cè)岸線變得更為順直，主槽內(nèi)基本為西北—東南向的往復(fù)流，水流比較平順。從局部流場看，五港池口門水流條件較好，但不同的航道和防波堤布置條件下口門流態(tài)有一定的差別[5]，以下將從水流流態(tài)，流速分布等角度分析各方案水流條件。

3.3.1 五港池口門附近水流條件

五港池內(nèi)水域面積較大，進(jìn)出港水量較多，漲潮時水流流向港內(nèi)，落潮時水流流向港外，并保持了一定水流強度。港池口門處平均流速為0.4～0.5m/s，進(jìn)入港池后流速明顯減小，口門以內(nèi) 8 km 附近流速減至 0.1m/s 以下，越向港池頂部流速越小。

從口門流態(tài)看，方案3和方案2優(yōu)于其它方案，各方案水流流態(tài)如下：1） 方案 1 口門方向與進(jìn)出港水流流向交角較大，漲潮時水流斜向流入港內(nèi)，口門流速急，落潮時出港水流與港外水流流向交角大，接近垂直，流態(tài)較差；2） 方案 4 口門方向與進(jìn)港水流流向交角較大，口門外水流橫跨航道，口門流態(tài)復(fù)雜；3） 方案 3 口門方向與進(jìn)港水流方向基本一致，水流進(jìn)出港較平順，口門段水流流向與航道走向基本一致，方案3水流條件較好，見圖 6；4） 方案 2 口門方向與進(jìn)港水流方向交角較小，水流條件僅次于方案3。

圖6 方案3漲急、落急流態(tài)照片F(xiàn)ig.6 The flow picturesofmaximum flood andmaximum ebb of scheme3

表1 各方案港池口門段航道最大橫流流速統(tǒng)計表Table1 Statisticsof themaximum cross flow velocity of the channelat the entrance of scheme harbor

表1中統(tǒng)計了各方案口門處橫流情況。方案3 口門段航道橫流最小，為 0.40m/s；方案 1 和方案 2 其次，分別為 0.48m/s 和 0.47m/s；方案 4 口門橫流最大，為 0.77m/s。

3.3.2 外航道水流條件

外航道有兩種布置形式，一種為直線布置，即防波堤布置方案 1、2、3；另一種為折線布置，即方案4。具體見前節(jié)方案介紹。

圖 7、圖 8為兩種航道的漲急、落急流態(tài)照片。表2中給出了各防波堤方案條件航道流速統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，直線布置形式的航道水流條件優(yōu)于折線航道，分析如下：

圖7 五港池直線航道流態(tài)照片F(xiàn)ig.7 Straight channel flow picturesof the fifth harbor basin

表2 航道測點流速與流向統(tǒng)計結(jié)果Table 2 Statistical result of the velocity and direction of the channelmeasure point

1） 直線航道與水流流向交角為 25°左右，而折線航道口門段水流與航道交角在 60°以上，這對船舶航行不利，也會增大泥沙淤積；

2） 折線航道比直線航道多 2 個轉(zhuǎn)彎，會增大進(jìn)出港船舶的航行難度；

3） 從最大流速看，直線航道中段最大流速為1.45m/s 左右，最大橫流 0.6m/s 左右，主要是受二港池口門挑流影響；折線航道最大流速為0.91m/s，最大橫流 0.84m/s 左右，主要是航道走向與水流交角太大。

4 五港池泥沙淤積試驗

方案試驗的水文、泥沙條件采用與渾水驗證試驗相同的動力要素、模型加沙方式、加沙量以及淤積時間比尺。模型分別對4種方案進(jìn)行了試驗，方案 1、2、3 條件下港池航道回淤量和回淤分布基本一致，因此表3中只給出方案3和方案4的年淤積統(tǒng)計情況，港池航道分為5個區(qū)域，圖9為五港池及航道沿程的淤積分布圖。

由各方案回淤分布圖和年淤積統(tǒng)計表可以看出：

1） 從回淤量上看，方案 3 和方案 4 條件下港池內(nèi)泥沙淤積分布和淤積量基本一致，各方案條件下港池內(nèi)泥沙淤積差別不大；兩方案的航道布置不同，航道的回淤量差別較大，方案 3（直線航道） 的航道年回淤量為 127 × 104m3/a，方案 2（折線航道） 的航道年回淤量為 167 × 104m3/a。

表3 各方案條件下五港池及航道年淤積情況Table3 Annualsedimentation of the fifth harbor basin and channelunder the variousschem es

圖9 方案3和方案4條件下港池、航道沿程淤強分布Fig.9 Silting intensity distribution along theharbor basin and channelunder the scheme3 and scheme4

2） 從港池內(nèi)回淤分布看，泥沙主要淤積在口門附近的開闊區(qū)域，漲潮流在這里迅速減小，并出現(xiàn)回流，年最大回淤厚度為 0.5～0.6m/a。越向港池頂部回淤量越少，港池頂部回淤強度只有0.01～0.02m/a，全港池年平均淤強 0.15m/a 左右。

3） 從航道泥沙淤積分布看，港池口門處回淤量相對不大，出口門后泥沙淤積迅速增大，方案4（折線航道）的航道年平均淤積強度為 0.43m/a，最大為 0.69m/a；方案 3 （直線航道） 的航道年平均淤積強度為 0.39m/a，最大為 0.55m/a。直線航道要明顯優(yōu)于折線航道。

5 結(jié)語

1） 五港池位于曹妃甸西側(cè)南堡海域，利用南堡淺灘和近岸鹽場開挖港池和建設(shè)港區(qū)，港區(qū)圍海占據(jù)納潮量與港池開挖增加的納潮量相當(dāng)，五港池的開發(fā)對納潮量的影響較小。

2） 五港池建成后，淺灘區(qū)被圍填或開挖成深水港池，因此，五港池建成后港池航道主要是黏性細(xì)顆粒泥沙的淤積問題。

3）水流試驗表明，五港池岸線的布置基本是順?biāo)鞣较颍蹍^(qū)和防波堤的建設(shè)沒有改變深槽水流特性，對曹妃甸海域宏觀流場基本沒有影響。

4） 防波堤和航道方案試驗表明，方案 2 和方案 3水流條件較好，其中方案 3稍優(yōu)于方案 2，方案3防波堤開口方向與水流流向基本平行，港池口門水流進(jìn)出平順。

5） 港池年平均淤強 0.15m/a 左右；年最大回淤厚度為 0.5～0.6m/a，發(fā)生在口門內(nèi)開闊水域；越向港池頂部回淤量越少，港池頂部回淤強度只有 0.01～0.02m/a。從航道泥沙淤積分布看，方案2（折線航道）的航道年平 均淤積強度為 0.43m/a，最大為 0.69m/a；方案 3 （直線航道） 的航道年平均淤積強度為 0.39m/a，最大為 0.55m/a。直線航道要明顯優(yōu)于折線航道。

[1]陸永軍，徐嘯.唐山港曹妃甸港區(qū)波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型及灘槽穩(wěn)定性研究[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2006. LU Yong-jun，XU Xiao.Tidal current and sedimentmodel test of Caofeidian Portarea in Tangshan Portand the study of the stability around theshoal[R].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2006.

[2]佘小建，徐嘯.曹妃甸港區(qū)老龍溝航道治理潮流物理模型試驗及回淤計算[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2009. SHE Xiao-jian，XU Xiao.Tidal current physicalmodel test and back silting calculation of the Laolonggou channel regulation in Caofeidian Port[R].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2009.

[3]劉 家 駒. 海 岸 泥 沙 運 動 研 究 及 應(yīng) 用[M].北 京 ： 海 洋 出 版 社 ，2009：160-162. LIU Jia-ju.Research and app lication of coastal sediment transport [M].Beijing：Ocean Press，2009：160-162.

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[5]佘小建，張磊，徐嘯.曹妃甸挖入式五港池航道與防波堤工程潮流、泥沙物理模型試驗研究[R].南京：南京水利科學(xué)研究院，2010. SHE Xiao-jian，ZHANG Lei，XU Xiao.Tidal currentand sediment model test and study on channel and breakwater of the fifth excavated-in harbor of Caofeidian[R].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2010.

Tidal current and sedimentm odel test and study on channel and breakwater of the fifth excavated-in harbor of Caofeidian

SHEXiao-jian1，Zhang Lei1，Sun Lu2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210024，China；2.TransportPlanningand Research Institute,Ministry of Transport，Beijing100028，China）

After the completion of the Caofeidian fifth excavated-in harbor，the shoal areabecomes a deepwater harborby the surrounding reclamation or excavation， therefore themainly problem is fine sediment deposition in harbor channel， for this purpose，the channeland breakwaterof the fifth harbor projectare researched in this paperby tidal currentand sedimentmodel test.Test shows that the Caofeidian fifth harbor and breakwater construction did not change the flow characteristics of deep groove，themacroscopic flow field of Caofeidian sea area had no effect；thewater flow conditions of breakwater plan 2 and 3 are better，the plan 3 is slightly better than p lan 2.Sediment test shows that the annual average depositional intensity is about 0.15m/a，the annualmaximum sediment thickness is0.5~0.6m/a，the difference ofeach scheme is little；line channel average annual siltation intensity is 0.43 m/a， themaximum was 0.69m/a；annual average linear channel siltation intensity is 0.39m/a，maximum 0.55m/a，straightchannel is superior to thatof line channel.From the analysis of flow and sediment test results，scheme 3 isbetter，followed by scheme 2.Test results can provide a scientific basis for the selection of design scheme.

Caofeidian；model test；breakwater project；waterway engineering

U656.2

A

1003-3688（2014）01-0032-07

10.7640/zggw js201401006

2013-03-18

2013-09-23

佘小建 （1972 — ），男，江蘇如皋市人，高級工程師，碩士，主要從事海岸工程及港口水道工程泥沙研究。E-mail：xjshe@ nhri.cn