吳永強(qiáng)，樸 正

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

隨著江蘇省快速發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)，建設(shè)生態(tài)、宜居城市和節(jié)能減排，對(duì)清潔能源天然氣的需求量急劇增加。同時(shí)，江蘇省天然氣季節(jié)調(diào)峰能力嚴(yán)重不足，特別是缺少事故應(yīng)急保障氣源，冬季“氣荒”問(wèn)題十分突出， 擬建的江蘇濱海LNG項(xiàng)目是解決江蘇地區(qū)調(diào)峰氣源和應(yīng)急補(bǔ)充氣源的重要保障，是優(yōu)化江蘇省天然氣供氣結(jié)構(gòu)的首選方案。

1 工程簡(jiǎn)述

本工程年設(shè)計(jì)接卸 LNG船舶能力為 300萬(wàn) t（近期），新建LNG泊位1個(gè)，碼頭設(shè)計(jì)船型為8萬(wàn)～26.6萬(wàn)m3LNG船舶，為考慮近、遠(yuǎn)期結(jié)合，LNG碼頭采用雙側(cè)靠船布置，碼頭與棧橋呈“L”型，近期泊位布置碼頭北側(cè)，碼頭長(zhǎng)度為400 m。碼頭距離防潮大堤450 m，通過(guò)棧橋與防潮大堤連接。遠(yuǎn)期規(guī)劃LNG碼頭布置在LNG碼頭南側(cè)，碼頭南北兩側(cè)LNG船舶共用系纜墩。為L(zhǎng)NG碼頭提供掩護(hù)條件以及考慮 LNG碼頭南側(cè)港口預(yù)留區(qū)發(fā)展，擬建LNG碼頭南側(cè)布置長(zhǎng)約2 510 m防波堤，堤頭布置在約-8 m等深線位置，口門(mén)寬度700 m，堤頂高程為4.0 m。本工程航道通航寬度取320 m，航道設(shè)計(jì)底高程為-14.9 m。濱海港區(qū)已建10萬(wàn)t級(jí)航道通航寬度為240 m，航道底高程為-14.5 m，航道邊坡 1:4。進(jìn)出港航道需要加寬、浚深、延長(zhǎng)才能滿足本工程建設(shè)需要。

工程所處的海岸是侵蝕性粉沙質(zhì)海岸，海岸的海床在水動(dòng)力作用下不斷遭受侵蝕，近岸等深線隨時(shí)間變化而逐步向岸移動(dòng)，海底坡度逐步變陡，海床呈現(xiàn)橫向及深度的變化。通過(guò)多年研究成果顯示，-15 m以深海底基本穩(wěn)定，15 m以淺海底仍處于侵蝕過(guò)程中。深水臨岸是蘇北地區(qū)建港條件相對(duì)優(yōu)良的岸段，在此建設(shè)本項(xiàng)目是可行的，但也存在浪大、流急、含沙量高的特點(diǎn)。工程海域常風(fēng)向?yàn)镾E向，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹E向，該向≥7級(jí)風(fēng)出現(xiàn)頻率為0.27 %。常浪向?yàn)镋NE向，強(qiáng)浪向?yàn)镹E向，該向H4%≥1.3 m的波高出現(xiàn)頻率為0.95 %。海域潮流屬規(guī)則半日潮流，流速較大。大、中、小潮垂線平均流速分別為1.2 m/s、1.0 m/s和0.7 m/s左右。本海域基本上沒(méi)有外來(lái)泥沙來(lái)源，水體的含沙量主要為近岸泥沙沖刷后向兩側(cè)和深水區(qū)擴(kuò)散的泥沙。-5 m等深線附近平均含沙量為0.98 kg/m3，-10 m等深線附近平均含沙量0.58 kg/m3，-20 m以外水深平均含沙量不足0.1 kg/m3，含沙量由岸向海逐漸遞減。

圖1 濱海港區(qū)規(guī)劃

圖2 總平面布置示意

2 海岸穩(wěn)定性分析

碼頭區(qū)所處的海岸是侵蝕性粉沙質(zhì)海岸，自1855年黃河北歸山東入海之后，大量陸域泥沙來(lái)源斷絕，海床在水動(dòng)力作用下不斷遭受侵蝕，近岸等深線隨時(shí)間變化而逐步向岸移動(dòng)，海底坡度逐步變陡，海床呈現(xiàn)橫向及深度的變化。通過(guò)多年研究顯示[1]，-15 m以深海底基本穩(wěn)定，-15 m以淺海底仍處于侵蝕過(guò)程中。水下岸坡由于侵蝕內(nèi)移，坡度變陡，并形成侵蝕陡坎。陡坡段侵蝕下切較快，年下蝕率為0.25～0.56 m，而緩坡段相對(duì)較慢，年下蝕率在0.15 m。

根據(jù)近百年岸灘侵蝕地形資料，結(jié)合-10 m等深線變化，受波浪、潮流海岸動(dòng)力共同作用下，廢黃河三角洲海域水下等深線內(nèi)移，但侵蝕內(nèi)移速率進(jìn)一步趨緩（見(jiàn)表 1），該海岸侵蝕的變緩規(guī)律為L(zhǎng)NG碼頭建港穩(wěn)定性分析提供必要條件。

圖3 16年間廢黃河三角洲等深線變化

表1 -10 m等深線內(nèi)移速率

3 碼頭平面布置

本工程近期建設(shè) 1個(gè)最大靠泊船型為 26.6萬(wàn)m3 的LNG泊位，同時(shí)遠(yuǎn)期預(yù)留1個(gè)26.6萬(wàn)m3的LNG泊位。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)的LNG布置為“蝶”形布置，近遠(yuǎn)期考慮單側(cè)串靠型布置，受工程水域限制，工程近、遠(yuǎn)期建設(shè)采用“一”字形雙側(cè)靠船的方式，如圖4。

圖4 碼頭平面布置示意

為獲得較優(yōu)的碼頭平面布置，結(jié)合OCIMF的理論，并運(yùn)用OPTIMOOR設(shè)計(jì)軟件，對(duì)滿載、壓載兩種不同情況下船舶的靠泊系纜力進(jìn)行分析，通過(guò)計(jì)算，碼頭平面布置各纜繩的系泊條件較好，能夠滿足使用要求。

圖5 LNG船舶纜繩布置示意

4 防波堤布置

中電投已建的濱海港區(qū)南、北防波擋沙堤堤頭位置分別為-10 m、-14 m，新建LNG碼頭防波擋沙堤如布置-10 m，將把口門(mén)流場(chǎng)調(diào)整到中電投防波堤口門(mén)（見(jiàn)圖6、圖7），通過(guò)堤頭布置在-6 m、-8 m、-10 m不同位置的相關(guān)潮流泥沙數(shù)模研究以及對(duì)已建防波堤及翻身河口等已建設(shè)施周邊的影響分析，確定防波擋沙堤堤頭布置在-8 m等深線。

圖6 工程區(qū)局部流態(tài)示意（堤頭-6 m）

圖7 工程區(qū)局部流態(tài)示意（堤頭-10 m）

口門(mén)寬度按600 m、700 m、800 m分別進(jìn)行波浪數(shù)值模擬和操船通航研究，口門(mén)寬度為800 m，雖然船舶通航較為順暢，但NE、ENE向入射和經(jīng)過(guò)北防波擋沙堤的繞射到 LNG港池內(nèi)波浪較大，泊穩(wěn)不利，同時(shí)進(jìn)入港池內(nèi)泥沙也較大；口門(mén)寬度為600 m，港內(nèi)泊穩(wěn)有所改善，進(jìn)入港池泥沙相對(duì)較少，但通航安全受到影響。結(jié)合相關(guān)試驗(yàn)研究，在港內(nèi)泊穩(wěn)和船舶通航安全平衡中確定口門(mén)寬度為700 m，進(jìn)而確定防波擋沙堤布置。

圖8 操船模擬（滿載靠泊）

5 通航安全分析

濱海港區(qū)已建有南、北防波擋沙堤，在口門(mén)產(chǎn)生的橫流一定程度上影響 LNG船舶的航行。濱海港區(qū)進(jìn)港航道最大橫流流速為1.6 m/s，主要出現(xiàn)在西北流時(shí)期，橫流流速超過(guò)1.5 m/s的歷時(shí)為3小時(shí)；濱海港區(qū)主航道向 LNG進(jìn)港航道轉(zhuǎn)折區(qū)域東南、西北流時(shí)最大橫流速度分別為 1.24 m/s和1.2 m/s，橫流流速超過(guò)1.0 m/s的歷時(shí)分別為1.5和2.0小時(shí)。進(jìn)港航道口門(mén)段東南流和西北流期間最大橫流流速分別為 1.1 m/s和 0.6 m/s，橫流超過(guò)1.0 m/s的歷時(shí)為1.5小時(shí)。

根據(jù)潮流泥沙數(shù)值模擬報(bào)告[4]的流場(chǎng)數(shù)據(jù)，結(jié)合操船模擬試驗(yàn)，建議在白天T2～T4，T11～T15之間通過(guò)，（其中 T4時(shí)段流速最緩，是通航的最佳時(shí)機(jī)），而有渦旋期間則不要通航。（部分成功的試驗(yàn)關(guān)鍵是掌握當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)販?zhǔn)確的流，而在實(shí)踐中很難做到，因此不建議在T5～T9之間通航，否則在航道轉(zhuǎn)彎處易發(fā)生船身受海流不均，開(kāi)始搶流，之后流變，難以預(yù)判，導(dǎo)致增加通航風(fēng)險(xiǎn)）。采取船舶候潮候流，選擇最佳潮流窗口區(qū)通航，解決在強(qiáng)潮流自然條件下的通航安全問(wèn)題。

圖9 候流通航潮位時(shí)段示意

6 泥沙淤積分析

6.1 泥沙來(lái)源與淤積形式

工程區(qū)所處的廢黃河三角洲岸段屬缺沙的侵蝕性海岸，被沖刷的泥沙隨潮流運(yùn)動(dòng)向兩側(cè)輸移。在波浪作用下實(shí)際的沿岸輸沙量較小，濱海港區(qū)南、北堤建設(shè)后，近岸淺灘及水下岸坡表層活動(dòng)性較強(qiáng)的粗化層泥沙被攔截在防波擋沙堤根部，對(duì)口門(mén)及口外航道沒(méi)有直接影響。防波擋沙堤附近的水下岸坡多裸露著質(zhì)地密實(shí)的廢黃河三角洲沉積，正常天氣條件下岸坡表層零星分布的粗化層泥沙對(duì)港內(nèi)、外航道淤積也沒(méi)有直接影響。因此，濱海港區(qū)航道與擬建 LNG港池航道的淤積主要為懸沙淤積，淤積的泥沙為海床侵蝕過(guò)程中進(jìn)入水體的細(xì)顆粒懸浮泥沙，其平均中值粒徑0.01 mm左右。

6.2 港池、航道泥沙淤積分析

圖10 港池淤積分區(qū)

濱海港區(qū)外航道區(qū)域的泥沙淤積屬潮流流經(jīng)航道時(shí)的懸沙落淤。處于防波擋沙堤掩護(hù)區(qū)內(nèi)的內(nèi)航道則為漲潮渾水進(jìn)入攔沙堤口門(mén)后的沿程落淤。LNG港池、航道緊靠濱海港區(qū)南側(cè)，其進(jìn)港航道與港池的泥沙淤積形式與10萬(wàn)t級(jí)航道一致，屬于懸沙落淤。在港內(nèi)航道泥沙沿程落淤過(guò)程中，水體含沙量逐漸減小。2012年7月實(shí)測(cè)資料顯示防波堤外側(cè)最大含沙量可到1.39～2.05 kg/m3左右，平均含沙量為0.9 kg/m3左右；口門(mén)附近最大和平均含沙量分別為0.88 kg/m3、0.41 kg/m3；渾水進(jìn)入港池后在港內(nèi)泥沙沿程落淤過(guò)程中，水體含沙量逐漸減小，至港池中部平均含沙量減少至0.21 kg/m3、至港池南側(cè)LNG的回旋水域平均含沙量?jī)H為0.06 kg/m3，即反映水體懸沙沿程落淤過(guò)程中含沙量遞減的現(xiàn)象。另泥沙沿程落淤過(guò)程中，淤積泥沙粒徑也會(huì)逐漸變細(xì)。港內(nèi)懸沙中值粒徑在0.006～0.011 mm之間。

正常天氣條件下，進(jìn)港航道的泥沙淤積主要由東南流帶來(lái)的懸沙在北堤掩護(hù)區(qū)內(nèi)的落淤和西北流期間沿堤水流攜帶懸沙在口門(mén)處的懸沙落淤；短期大浪作用下，波浪對(duì)北堤、LNG堤深水段的局部沖刷在防波擋沙堤阻水作用下沿堤向深水區(qū)運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生短時(shí)期高強(qiáng)度淤積。

盡管大風(fēng)浪作用期間工程區(qū)海域水體含沙量顯著增大，但由于大浪作用時(shí)間短暫，所引起的航道、港池淤積均不超過(guò)10 cm。因此，對(duì)于細(xì)顆粒泥沙淤積來(lái)說(shuō)，大風(fēng)浪作用期間的泥沙驟淤問(wèn)題并不嚴(yán)重。

7 結(jié) 語(yǔ)

江蘇濱海 LNG碼頭工程是在國(guó)內(nèi)侵蝕性粉沙質(zhì)海岸上擬建的第一個(gè) LNG碼頭，本文通過(guò)相關(guān)侵蝕性粉沙質(zhì)海岸研究成果，論述了 LNG碼頭建設(shè)的穩(wěn)定性分析；結(jié)合相關(guān)數(shù)模、物模和操船模擬確定口門(mén)的布置，采取候流、候潮解決 LNG船舶在強(qiáng)潮流自然條件下的通航安全；受水域限制，本工程考慮近、遠(yuǎn)期雙側(cè)靠船，為類似工程提供借鑒。