徐 嘯

(南京水利科學(xué)研究院，南京 210029)

圖1 馬跡山港地理位置Fig.1 Geographical location of Majishan Port

上海寶鋼馬跡山港礦石中轉(zhuǎn)碼頭及堆場(chǎng)位于浙江省嵊泗縣泗礁島西南約1 500 m處的馬跡山島(圖1)。2002年建成的一期工程卸船、裝船泊位布置在馬跡山的南側(cè)，堆場(chǎng)布置在馬跡山南側(cè)海岙內(nèi)(圖2)。一期工程包括25萬(wàn)t級(jí)卸船泊位一個(gè)，3.5萬(wàn)t級(jí)裝船泊位一個(gè)及15萬(wàn)m2的堆場(chǎng)，一期卸船碼頭和裝船碼頭基本上沿27 m和16 m等深線(xiàn)布置。

馬跡山海域冬季含沙量為0.5～0.7 kg/m3，夏季含沙量為0.1～0.2 kg/m3。根據(jù)1994年與2004年工程地形圖(1:5 000)比較，已建卸船碼頭和裝船碼頭前沿水深均無(wú)變化，即馬跡山港漲、落潮流強(qiáng)勁，水流挾沙能力大，泥沙一般不易沉積。

根據(jù)船舶駕駛?cè)藛T反映，由于水流原因，卸船碼頭靠離泊有時(shí)發(fā)生困難。為此在二期擴(kuò)建工程實(shí)施前針對(duì)潮流問(wèn)題專(zhuān)門(mén)進(jìn)行了全面的現(xiàn)場(chǎng)水文測(cè)驗(yàn)工作和數(shù)學(xué)模型研究。為慎重，又安排進(jìn)行物理模型研究工作。

圖2 礦石碼頭一期及擴(kuò)建(二期)工程布置圖Fig.2 Layout of ore wharf phase I and expansion (phase II)

1 擴(kuò)建礦石碼頭海域潮流特性初步分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)資料分析

1.1.1 潮汐特點(diǎn)

年平均潮差263 cm，當(dāng)?shù)乩鄯e頻率10%的大潮潮差約為375 cm，累積頻率90%的小潮潮差約為160 cm。馬跡山港址的潮流性質(zhì)屬非正規(guī)半日淺海潮流，具體表現(xiàn)為漲、落潮流不對(duì)稱(chēng)和漲、落潮流歷時(shí)不對(duì)稱(chēng)。

1.1.2 潮流特點(diǎn)

馬跡山港海域近10 a內(nèi)進(jìn)行的9次水文測(cè)驗(yàn)，經(jīng)分析，2004年6月專(zhuān)門(mén)為馬跡山礦石碼頭擴(kuò)建工程而進(jìn)行的水文測(cè)驗(yàn)工作最有價(jià)值，測(cè)點(diǎn)多且測(cè)點(diǎn)位置合理、代表性好。圖3為此次水文測(cè)驗(yàn)的大潮期各測(cè)點(diǎn)逐時(shí)潮流矢圖。據(jù)此分析得馬跡山海域潮流場(chǎng)有以下特性[1-2]：

圖3 2004年6月水文測(cè)驗(yàn)期間馬跡山港海域大潮逐時(shí)流矢圖Fig.3 Hourly flow vector of spring tide in Majishan Port area during hydrological survey in June 2004

(1)潮流運(yùn)動(dòng)的地域性特點(diǎn)。由圖3可以看出，距岸較遠(yuǎn)的N8、N9和S1各測(cè)點(diǎn)處潮流的運(yùn)動(dòng)形式基本為東東南和西西北向的往復(fù)流，但是離岸較近的測(cè)站如：N1～N6站、N7及N10測(cè)點(diǎn)，明顯受到島嶼地形邊界條件的影響，潮流運(yùn)動(dòng)的不對(duì)稱(chēng)性明顯。

(2)卸船碼頭強(qiáng)勢(shì)流為漲潮流。擴(kuò)建卸船碼頭區(qū)N3站漲潮測(cè)點(diǎn)大潮垂線(xiàn)最大250 cm/s，落潮垂線(xiàn)最大為99 cm/s，兩者相差2.5倍。漲潮流在卸船碼頭水域?yàn)榻^對(duì)優(yōu)勢(shì)流。

擴(kuò)建卸船碼頭走向?yàn)?7°～267°。擴(kuò)建卸船碼頭前沿N3站，大中潮漲潮最多流向?yàn)?48°、落潮為89°；即落潮流方向與碼頭走向基本一致，強(qiáng)勢(shì)的漲潮主流方向與碼頭走向之間有近20°的夾角。斜向向外強(qiáng)勁的漲潮流直接影響到卸船碼頭靠離泊安全問(wèn)題。

(3)裝船碼頭的強(qiáng)勢(shì)流為落潮流。擴(kuò)建裝船碼頭前沿N5、N6站，漲潮垂線(xiàn)最大為94 cm/s和113 cm/s，落潮垂線(xiàn)最大分別為124 cm/s、153 cm/s。落潮流是漲潮流的1.3倍左右。

一期裝船碼頭走向?yàn)?4°～274°，擴(kuò)建裝船碼頭走向?yàn)?20°～300°。位于擴(kuò)建碼頭的N6站處大潮落潮最大流流向與碼頭走向之間存在約32°的夾角，需要注意裝船碼頭水域落潮期可能存在的回流問(wèn)題。

1.1.3 小結(jié)

斜向向外強(qiáng)勁的漲潮流直接影響到卸船碼頭靠離泊安全問(wèn)題。裝船碼頭水域則需注意落潮期的回流問(wèn)題。

1.2 利用潮流概化模型進(jìn)一步分析

通過(guò)對(duì)多個(gè)海島水域潮流資料的綜合分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)海島水域的潮流可以歸納為兩大類(lèi)型，即：(1)繞流型;(2)環(huán)抱型(圖4)[3-4]。

4-a 海島岬角處繞流流型4-b海島岬角環(huán)抱流型圖4 海島岬角處繞流流型和環(huán)抱流型Fig.4Flowpatternaroundtheislandcapeandsurroundedtheislandcape

馬跡山海域潮流顯然具有繞流型特點(diǎn)(圖4-a)：漲潮期間東向來(lái)的漲潮流繞過(guò)馬屁股后分為北向及西向兩股水流；而落潮期間馬跡山西側(cè)和南側(cè)兩股水流繞過(guò)馬屁股岬角后匯合為一，裝船碼頭水域的回流區(qū)與圖4-a所示規(guī)律一致。

如前所述，裝船碼頭水域需注意落潮期的回流問(wèn)題。在文獻(xiàn)[3-4]中討論了為改善如圖4-a的回流區(qū)水流條件，建議采用以下整治工程措施：(1)光滑岬角處岸線(xiàn)形態(tài)；(2)在繞流岬角的“上游側(cè)”岸線(xiàn)處布置起挑流作用的導(dǎo)流建筑物(圖5)。

總結(jié)類(lèi)似海洋工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和已進(jìn)行的試驗(yàn)研究成果[5]，可歸納得以下幾點(diǎn)規(guī)律：

(1)因岬角處多為深潭，導(dǎo)流建筑物一般不宜放在岬角端部附近，而適宜布置在離岬角一定距離的“上游側(cè)”；

(2)如必須在岬角端部布置導(dǎo)流建筑物，其必須足夠長(zhǎng)，否則反而可能增加挑流形成的回流強(qiáng)度和尺度，一般不宜短于回流縱向尺度；

(3)如必須在岬角端部附近布置導(dǎo)流建筑物，其走向也很重要，一般不宜前傾，可適當(dāng)后傾，具體走向須由試驗(yàn)確定；

(4)如導(dǎo)流堤建筑物布置在岬角“上游側(cè)”，一般不宜太長(zhǎng)，否則同樣會(huì)使岬角處水流流態(tài)復(fù)雜化，導(dǎo)流堤尺度與當(dāng)?shù)氐匦芜吔鐥l件、水流強(qiáng)度及距岬角距離有關(guān)，需通過(guò)模型試驗(yàn)確定。

圖5 海島岬角處繞流型條件下的整治工程示意圖Fig.5 Schematic diagram for improvement of flow conditions in engineering area under flow around an island headland

1.3 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果[6-8]

以上利用現(xiàn)場(chǎng)資料分析潮流特性。下面簡(jiǎn)單介紹數(shù)學(xué)模型一些主要成果[9]。

(1)擴(kuò)建工程實(shí)施后,擬建卸船碼頭前沿的流速略有增大，漲潮流最大時(shí)，增加幅度最大值為6 cm/s，而且卸船碼頭前沿的流向基本與碼頭平行，基本滿(mǎn)足船舶的靠泊條件。

(2)在文獻(xiàn)[7]中，建議在馬屁股處建造導(dǎo)流堤，用以使落潮流流向歸順到裝船碼頭的碼頭軸線(xiàn)走向。從流向歸順情況看，偏南的280°軸線(xiàn)方案較優(yōu)，導(dǎo)流堤長(zhǎng)度200 m與300 m和400 m長(zhǎng)差別不大。

(3)在文獻(xiàn)[7]中指出，擬建裝船碼頭中部在大潮漲急至漲急后3 h，均存在回流區(qū)。

數(shù)學(xué)模型的這些結(jié)論與前面根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料以及利用概化模型進(jìn)行的初步分析結(jié)果有較大差別。

2 物理模型成果[10]

2.1 模型簡(jiǎn)介

圖6 寶鋼馬跡山擴(kuò)建工程模型布置圖Fig.6 Model layout of Majishan expansion project of Baosteel

物理模型試驗(yàn)研究的目的是：通過(guò)試驗(yàn)掌握馬跡山海域各工況條件下水流特點(diǎn)及存在的問(wèn)題，提出改善或優(yōu)化流態(tài)的技術(shù)措施。根據(jù)研究目的及對(duì)馬跡山潮流場(chǎng)的認(rèn)識(shí)，確定整體模型所容納面積為630 km2。大致范圍為東經(jīng)122°14′至122°36′，北緯30°36′至30°47′。模型水平比尺λl=600，垂直比尺λh=140。模型布置如圖6。

2.2 馬跡山港水域潮流宏觀(guān)特點(diǎn)

模型試驗(yàn)成果表明，馬跡山海域潮流具有以馬屁股為岬角的“繞流型”特點(diǎn)，東北向來(lái)的漲潮主流區(qū)貼近岸線(xiàn)(圖7)，已影響到一期卸船碼頭東部泊位靠離泊安全，對(duì)擴(kuò)建卸船碼頭的影響將更大。

落潮流則相反，西向和西北向來(lái)的落潮主流由于岬角的挑流作用，落潮主流被挑離裝船碼頭水域，最落潮大流速在近海區(qū)(圖8)。且由于馬屁股岬角挑流作用，在落潮初期2 h時(shí)段內(nèi)，一期和擴(kuò)建裝船碼頭水域范圍內(nèi)均存在逆時(shí)針回流。此結(jié)果與數(shù)學(xué)模型結(jié)論(3)不一致。

圖7 漲半潮平均流速分布圖Fig.7Averagevelocitydistributionofrisinghalftide圖8 落半潮平均流速分布圖Fig.8Averagevelocitydistributionoffallinghalftide

表1 卸船碼頭各測(cè)點(diǎn)最大流速、流向與碼頭夾角及橫向流速Tab.1 Maximum velocity, angle between flow direction and wharf and transverse velocity at each measuring point of unloading wharf

2.3 卸船碼頭水域水流試驗(yàn)

2.3.1 擴(kuò)建卸船碼頭水域水流特點(diǎn)

圖9為物理模型中擴(kuò)建卸船碼頭處漲急流態(tài)圖。表1為模型中卸船碼頭前沿水域測(cè)點(diǎn)漲潮最大流速、流向及計(jì)算得到的橫向流速，測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖10。物理模型試驗(yàn)成果與現(xiàn)場(chǎng)資料完全一致，即強(qiáng)勢(shì)的漲潮主流方向與碼頭走向之間有近20°的夾角。導(dǎo)致擴(kuò)建卸船碼頭東端最大橫向流速達(dá)1 m/s左右，將嚴(yán)重影響到船舶靠泊的安全。此結(jié)果與數(shù)學(xué)模型的結(jié)論(1)不一致。

由于碼頭走向已由一期工程確定無(wú)法更改，解決問(wèn)題的途徑只能通過(guò)整治工程改善水流條件。為此模型中進(jìn)行了多組利用整治工程改善卸船碼頭水流流態(tài)的優(yōu)化試驗(yàn)。

圖9 擴(kuò)建卸船碼頭漲急流態(tài)圖Fig.9Risingandrapidflowpatternofexpandedunloadingdock圖10 馬跡山港港區(qū)前沿測(cè)點(diǎn)布置Fig.10LayoutoffrontmeasuringpointsofMajishanPort

2.3.2 擴(kuò)建卸船碼頭水流整治工程—“東導(dǎo)堤方案”試驗(yàn)研究

擴(kuò)建卸船碼頭水流整治工程的基本思路，就是在碼頭東側(cè)合適位置布置“東導(dǎo)流堤”，將漲潮主流挑離碼頭水域。在擴(kuò)建卸船碼頭東側(cè)300 m左右有兩個(gè)暗礁，利用暗礁建導(dǎo)流堤，可大大減少工程量。圖11為物理模型中“東導(dǎo)流堤”堤長(zhǎng)為100 m、150 m和200 m時(shí)，漲潮主流流路跡線(xiàn)圖。表2為不同堤長(zhǎng)度時(shí)擴(kuò)建卸船碼頭水域水流流速流向參數(shù)。導(dǎo)流堤長(zhǎng)100 m時(shí), 擴(kuò)建卸船碼頭東端有100～130 m范圍依然受到斜向漲潮水流的影響；導(dǎo)流堤長(zhǎng)150 m時(shí)，漲潮流主流基本到達(dá)碼頭東端前沿線(xiàn)位置，流向與碼頭夾角基本在10°以?xún)?nèi)；導(dǎo)流堤長(zhǎng)200 m時(shí)，漲潮流主流線(xiàn)到達(dá)擴(kuò)建卸船碼頭前沿線(xiàn)50 m以外，碼頭停泊區(qū)處于導(dǎo)流堤掩護(hù)的緩流區(qū)內(nèi)，水流流向與碼頭前沿線(xiàn)基本平行。

2.3.3 小結(jié)

模型試驗(yàn)表明，在擴(kuò)建卸船碼頭東側(cè)建導(dǎo)流堤，可以有效地改善擴(kuò)建卸船碼頭東端水流條件。從水流流態(tài)看，建150 m出水導(dǎo)流堤時(shí)，繞堤水流分離線(xiàn)基本在碼頭前沿線(xiàn)位置，流向與碼頭夾角基本在10°以?xún)?nèi)。僅從改善擴(kuò)建卸船碼頭水流條件考慮，“東導(dǎo)流堤”長(zhǎng)度不宜小于150 m。

2.4 裝船碼頭水域水流試驗(yàn)

2.4.1 擴(kuò)建裝船碼頭水域初落階段產(chǎn)生回流過(guò)程分析

表2 各工況條件下擴(kuò)建卸船碼頭前漲潮期最大流速及與碼頭夾角Tab.2 Maximum velocity and angle in the front of unloading whart area and in flood stage under various working conditions

在落潮初期，馬跡山南側(cè)潮流主槽內(nèi)東西向主流相對(duì)較弱，而馬屁股西側(cè)NW-SE向落潮流為優(yōu)勢(shì)流，此優(yōu)勢(shì)流在馬屁股岬角處與主槽內(nèi)東西向落潮主流匯合后主流向大致為150°左右，主流向南偏離海岸；以至在馬屁股以南的擴(kuò)建裝船碼頭水域形成以東西向?yàn)橹鞯拇蟪叨然亓??；亓鲄^(qū)東西長(zhǎng)達(dá)500 m以上。

模型試驗(yàn)表明，大、中潮條件下擴(kuò)建裝船碼頭前局部回流主要發(fā)生在落潮開(kāi)始后的2～3 h左右，小潮條件下發(fā)生回流時(shí)間為1.5 h左右。隨著杭州灣呈東西向的落潮主流的逐漸加強(qiáng)，并起控制作用后，這一回流區(qū)即逐漸減弱以至消失。參考圖5，裝船碼頭西側(cè)布置“西導(dǎo)流堤”方案情況如圖12。

圖11 東導(dǎo)流堤不同長(zhǎng)度時(shí)漲潮主流流路圖Fig.11MainflowchartofrisingtidewithdifferentlengthofEastdiversiondike圖12 馬跡山礦石碼頭擴(kuò)建工程西導(dǎo)流堤優(yōu)化方案布置圖Fig.12LayoutplanofWestdiversiondikeofMajishanOreWharfexpansionproject

2.4.2 “西導(dǎo)流堤”優(yōu)化試驗(yàn)研究主要成果

(1)西導(dǎo)流堤“南”方案。模型中“南”方案進(jìn)行了與數(shù)學(xué)模型一樣的280°、300°及340°三種走向及100 m、200 m不同長(zhǎng)度的方案試驗(yàn)。結(jié)果表明，西導(dǎo)流堤各“南”方案走向340°方案稍?xún)?yōu)于其他各方案(此結(jié)果與數(shù)學(xué)模型結(jié)論(2)不一致)(圖13)，但要達(dá)到解決回流問(wèn)題，導(dǎo)流堤長(zhǎng)度必須加長(zhǎng)到400～500 m。馬屁股端部水深較大，100 m外水深即達(dá)30 m左右，200 m外水深達(dá)40 m以上，為此，西導(dǎo)流堤“南”方案實(shí)施的可行性和可能性均較小。

(2)西導(dǎo)流堤“北”方案。馬屁股以北的馬卵島自然水深僅6～8 m，在此布置300 m、450 m和900 m長(zhǎng)的導(dǎo)流堤，試驗(yàn)表明，堤長(zhǎng)300～400 m時(shí)即可較好地解決擴(kuò)建裝船碼頭水域初落潮時(shí)段回流問(wèn)題(圖14)。

(3)西導(dǎo)流堤“中”方案流態(tài)特點(diǎn)。在馬屁股以北350 m附近布置西導(dǎo)流堤，此處水深要稍大于“北”方案，因當(dāng)?shù)匕毒€(xiàn)偏東，堤長(zhǎng)也需稍大于北方案，大致堤長(zhǎng)450 m左右，即可解決裝船碼頭回流問(wèn)題(圖14)。

2.4.3 裝船碼頭“西導(dǎo)流堤”水流試驗(yàn)小結(jié)

擴(kuò)建裝船碼頭“西導(dǎo)流堤”方案水流試驗(yàn)表明, 在馬跡山西側(cè)布置適當(dāng)?shù)恼谓ㄖ锟梢圆煌潭鹊販p弱裝船碼頭水域回流尺度和強(qiáng)度。一般講，布置在馬屁股岬角端部的“南方案”隨著導(dǎo)流堤堤身的加長(zhǎng)，碼頭前流態(tài)會(huì)有所好轉(zhuǎn)，但不能根本解決回流問(wèn)題；而且由于水深大，造價(jià)高、堤頭防沖刷問(wèn)題亦不易處理，不建議采用此方案。

建議采用300～400 m長(zhǎng)的“北方案”，或堤長(zhǎng)450 m左右的“中方案”。

由于西側(cè)裝船碼頭附近落潮水流強(qiáng)度遠(yuǎn)小于東側(cè)卸船碼頭附近的漲潮水流，且回流現(xiàn)象主要發(fā)生在落潮初期，此時(shí)潮流強(qiáng)度尚未達(dá)到最大流速，回流尺度雖大但強(qiáng)度不大，對(duì)港區(qū)船舶航運(yùn)安全的影響也是有限的，為此建議在裝船碼頭建成后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水流條件情況，參考本試驗(yàn)成果確定西導(dǎo)流堤的具體整治方案。

13-a西導(dǎo)流堤南方案(340°,200m)13-b西導(dǎo)流堤南方案(280°,200m)圖13 “西導(dǎo)流堤”南方案導(dǎo)流堤走向的影響Fig.13InfluenceofdiversiondiketrendinSouthcaseofWestdiversiondike

14-a西導(dǎo)流堤北方案(300m)14-b西導(dǎo)流堤中方案(450m)圖14 部分“西導(dǎo)流堤”方案條件下落潮流流態(tài)Fig.14FallingcurrentflowpatternofpartofWestdiversiondikeschemeconditions

3 實(shí)測(cè)資料與模型試驗(yàn)成果比較

模型試驗(yàn)推薦的東導(dǎo)流堤150 m方案最終被建設(shè)單位采用。在東導(dǎo)流堤建成后，2006年11月5～6日，在馬跡山港卸船碼頭水域又進(jìn)行了一次水文測(cè)驗(yàn)[11]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析，擴(kuò)建卸船碼頭前沿的水流條件確實(shí)得到了明顯的改善，漲潮時(shí)水流與碼頭前沿夾角平均為5°～10°左右，基本上歸順了碼頭前沿水流，模型試驗(yàn)預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果是一致的，推薦的東導(dǎo)流堤方案較好地解決了擴(kuò)建碼頭前水流問(wèn)題[12]。

4 物理模型與數(shù)學(xué)模型結(jié)論不同的原因分析

在研究過(guò)程中，多次發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型的一些基本結(jié)論不僅與物理模型結(jié)果不一致，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料也相矛盾。經(jīng)分析產(chǎn)生矛盾的原因?yàn)椋?/p>

(1)數(shù)學(xué)模型在模擬碼頭樁柱時(shí)的概化處理有一定難度，在樁柱附近水流易產(chǎn)生較大偏差；(2)二維數(shù)學(xué)模型反映回流等復(fù)雜水流現(xiàn)象時(shí)，直觀(guān)性不如物理模型，影響研究人員的判斷；(3)研究人員的工程經(jīng)驗(yàn)會(huì)直接影響到對(duì)計(jì)算成果的分析和判斷；(4)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析深度也會(huì)影響到試驗(yàn)的分析和判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)資料深入分析后，將馬跡山港域潮流特征進(jìn)行歸納分類(lèi)，在較好掌握工程海域潮流特點(diǎn)基礎(chǔ)上，借鑒類(lèi)似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，用以指導(dǎo)物理模型試驗(yàn)和分析試驗(yàn)成果；(2)影響馬跡山港礦石碼頭擴(kuò)建工程的關(guān)鍵水流問(wèn)題有兩個(gè)：一是東部強(qiáng)勁的漲潮流對(duì)擴(kuò)建卸船碼頭處船舶靠泊安全的影響；一是擴(kuò)建裝船碼頭水域在落潮初期的大尺度回流問(wèn)題；(3)通過(guò)物理模型試驗(yàn)，建議在擴(kuò)建卸船碼頭東側(cè)建150 m導(dǎo)流堤，以改善擴(kuò)建卸船碼頭東端水流條件。此建議已付諸工程實(shí)踐，結(jié)果證明模型試驗(yàn)的預(yù)測(cè)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果一致；(4)擴(kuò)建裝船碼頭水域落潮初期回流問(wèn)題進(jìn)行的優(yōu)化試驗(yàn)表明，擴(kuò)建裝船碼頭西側(cè)導(dǎo)流堤方案如采用300～400 m長(zhǎng)的“北”方案，或堤長(zhǎng)450 m左右的“中”方案，可基本解決擴(kuò)建裝船碼頭水域初落時(shí)段回流問(wèn)題；(5)本文還對(duì)物理模型成果與數(shù)學(xué)模型成果之間的不一致問(wèn)題進(jìn)行了探討和分析，以便為以后進(jìn)行類(lèi)似工作積累經(jīng)驗(yàn)。