肖立敏，王海龍，孫林云

(1.南京水利科學(xué)研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210029；2.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.東營(yíng)港經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展局，山東 東營(yíng) 257237)

東營(yíng)港區(qū)位于現(xiàn)代黃河三角洲東北突出部位。目前，港區(qū)以棧橋作業(yè)區(qū)為主。隨著港區(qū)的發(fā)展，東營(yíng)港區(qū)將形成環(huán)抱式港池，并擬建設(shè)10萬(wàn)噸級(jí)單線兼顧5萬(wàn)噸級(jí)雙線航道以及配套的口門(mén)防波擋沙堤工程[1]。航道方位角為55°～235°，通航寬度為357 m，設(shè)計(jì)底高程為-17.0 m(理論最低潮面起算)，港區(qū)規(guī)劃平面布置見(jiàn)圖1。

圖1 東營(yíng)港區(qū)總體規(guī)劃平面布置

東營(yíng)港區(qū)所在海域潮差小、流速大，且流向基本與岸線平行。減小口門(mén)橫流是東營(yíng)港區(qū)航道工程建設(shè)面臨的關(guān)鍵問(wèn)題之一，其與防波擋沙堤的布置(包括走向、長(zhǎng)度和堤頂高程)密切相關(guān)。潮流物理模型是解決航道水流問(wèn)題的重要手段之一。徐嘯[2]建立了廈門(mén)港潮汐水流整體模型，劉學(xué)海等[3]設(shè)計(jì)了膠州灣全域潮流物理模型，徐群等[4]通過(guò)伶仃洋河口潮流物理模型試驗(yàn)研究港珠澳大橋建設(shè)對(duì)伶仃洋河口潮流動(dòng)力環(huán)境的影響，王建中等[5]通過(guò)象山港整體物理模型分析了避風(fēng)錨地工程對(duì)周邊航道等影響，張磊等[6]借助潮流物理模型試驗(yàn)研究茅尾海航道開(kāi)發(fā)。筆者基于東港區(qū)潮流物理模型試驗(yàn)，研究不同防波擋沙堤布置方案下，東營(yíng)港區(qū)10萬(wàn)噸級(jí)進(jìn)出港航道工程的水流條件，為航道工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 工程區(qū)潮汐潮流特征

根據(jù)2000年4月國(guó)家海洋信息中心統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果[7]，東營(yíng)港區(qū)潮汐系數(shù)(HK1+HO1)/HM2=24.0，為正規(guī)日潮。漲潮歷時(shí)12 h 6 min，落潮歷時(shí)12 h42 min。東營(yíng)港區(qū)緊鄰黃河口附近的無(wú)潮點(diǎn)，潮差較小。統(tǒng)計(jì)資料表明，工程海域最高潮位1.93 m，最低潮位-0.76 m；平均高潮位1.02 m，平均低潮位0.41 m；最大潮差1.66 m，最小潮差0.10 m，平均潮差0.61 m。2015年7月31日—8月1日，工程海域?qū)崪y(cè)大潮最高潮位為1.45 m，最低潮位均為0.37 m，高潮落潮潮差為1.08 m，低潮漲潮潮差為0.90 m。

2015年7月31日—8月1日(大潮)和8月8日—8月9日(小潮)在東營(yíng)港區(qū)海域進(jìn)行了同步水文觀測(cè)[8]。水文測(cè)驗(yàn)時(shí)，東營(yíng)港區(qū)口門(mén)北防波堤已經(jīng)形成，南防波堤還未建設(shè)。圖2為水文測(cè)驗(yàn)大潮流速矢量圖，工程海域潮流流向?yàn)闁|南西北向，基本與等深線平行，表現(xiàn)為較明顯的往復(fù)流性質(zhì)。從垂線平均流速的平面分布看，工程海域潮流較強(qiáng)，在口門(mén)北防波堤堤頭附近，垂線平均最大流速達(dá)1.36 ms，平均流速約0.60 ms。在港區(qū)口門(mén)以外，隨著水深的增加，流速呈逐漸減小的趨勢(shì)。-14 m等深線附近的垂線平均最大流速在0.95 ms左右，平均流速約0.50 ms；-17 m等深線處的垂線平均最大流速為0.75 ms左右，平均流速約0.45 ms。從垂線分布看，沿水深自上而下，流速逐步減小，流向基本一致。

注：L1～L7為垂線測(cè)點(diǎn)

2 物模模型設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2.1 模型比尺及布置

根據(jù)試驗(yàn)要求和模型研究范圍，結(jié)合場(chǎng)地條件，取模型平面比尺1:1 200、垂直比尺1:150，模型變率為1:8。水流速度比尺λu=12.2，水流時(shí)間比尺λt=98，糙率系數(shù)比尺λn=0.81。

模型模擬范圍：沿岸方向約38 km，離岸約34 km，外海邊界位于-20 m等深線附近。由于工程區(qū)海域潮差較小，物理模型中不考慮潮汐運(yùn)動(dòng)，主要模擬潮流動(dòng)力。模型潮流動(dòng)力系統(tǒng)由變頻雙向泵組成，輔以回水廊道、緩沖前池[9]。

2.2 模型驗(yàn)證

利用2015年7月31日—8月1日實(shí)測(cè)大潮流速流向進(jìn)行模型驗(yàn)證。圖3為部分點(diǎn)位物理模型試驗(yàn)與實(shí)測(cè)的對(duì)比。由圖3可見(jiàn)，流速、流向的試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好，能較好地反映工程區(qū)潮流動(dòng)力特性。

圖3 2015年實(shí)測(cè)大潮流速、流向過(guò)程驗(yàn)證曲線

3 防波擋沙堤布置方案

東營(yíng)港區(qū)由南、北防波堤環(huán)抱掩護(hù)，口門(mén)處泥面高程為-10.0 m。擬開(kāi)挖航道，并在防波堤口門(mén)外側(cè)建設(shè)南、北防波擋沙堤，防波擋沙堤間距1 400 m。防波擋沙堤布置考慮如下5個(gè)方案：

方案1：口門(mén)不建防波擋沙堤，見(jiàn)圖4a)。

方案2：堤頭布置于天然水深-12.0 m處，在最開(kāi)始的200 m，堤頂高程由5.0 m過(guò)渡到1.0 m，然后再由1.0 m過(guò)渡到-3.0 m。南、北防波擋沙堤長(zhǎng)度分別為3 181 m和2 773 m。

方案3：堤頭布置于天然水深-14.0 m處，在最開(kāi)始的200 m，堤頂高程由5.0 m過(guò)渡到1.0 m，然后再由1.0 m過(guò)渡到-8.0 m。南、北防波擋沙堤長(zhǎng)度分別為6 709 m和6 300 m，見(jiàn)圖4b)。

方案4：擋沙堤平面布置與方案3相同，堤頂高程由2.0 m過(guò)渡到-7.0 m。

方案5：擋沙堤平面布置與方案3相同，堤頂高程由3.0 m過(guò)渡到-6.0 m。

圖4 防波擋沙堤布置

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同防波擋沙堤堤長(zhǎng)水流條件

圖5為不同防波擋沙堤堤長(zhǎng)與航道中心軸線最大流速沿程分布。東營(yíng)港區(qū)南、北防波堤形成后，若不建防波擋沙堤(方案1)，漲落潮期間，航道內(nèi)最大流速為1.49 ms，位于航道里程0+500處。防波擋沙堤修建至-12 m等深線時(shí)(方案2)，擋沙堤掩護(hù)段內(nèi)流速明顯減小，在潛堤堤頭附近有一定的挑流，最大流速為1.41 ms；防波擋沙堤進(jìn)一步延伸至-14 m等深線時(shí)(方案3)，挑流點(diǎn)隨之外移，但挑流流速明顯減弱，航道內(nèi)最大流速為1.16 ms，出現(xiàn)在航道里程7+000處，即潛堤堤頭附近。試驗(yàn)結(jié)果表明，防波擋沙潛堤的建設(shè)，對(duì)減小航道流速及橫流有一定的效果。

圖5 不同防波擋沙堤堤長(zhǎng)與航道中心軸線最大流速分布

4.2 不同防波擋沙堤堤頂高程水流條件

圖6為不同防波擋沙堤堤頂高程與航道中心軸線最大流速沿程分布。防波擋沙堤建至-14 m等深線，當(dāng)?shù)添敻叱逃?.0 m漸變到-8.0 m時(shí)(方案3)，航道內(nèi)最大流速為1.16 ms，出現(xiàn)在航道里程7+000處，即潛堤堤頭附近。堤頂高程抬高，由2.0 m漸變至-7.0 m時(shí)，防波擋沙堤掩護(hù)段內(nèi)流速有所減小，但堤頭挑流流速有一定程度的增加，最大流速增加到1.25 ms；當(dāng)?shù)添敻叱踢M(jìn)一步抬高，由3.0 m漸變至-6.0 m時(shí)，最大流速增加到1.34 ms。防波擋沙堤堤頂高程增加，堤頭附近流速會(huì)增加，對(duì)船舶進(jìn)出會(huì)產(chǎn)生影響。因而，潛堤堤頭高程選擇在-8.0 m左右是適宜的，可結(jié)合航道防淤減淤綜合確定。

圖6 不同防波擋沙堤高程與航道中心軸線最大流速分布

5 結(jié)論

1)東營(yíng)港區(qū)所在海域潮差小，潮流動(dòng)力較強(qiáng)，以往復(fù)流為主。東營(yíng)港區(qū)南、北防波堤形成后，若口門(mén)不建防波擋沙堤(方案1)，漲落潮期間，口門(mén)附近流速較大，有必要采取工程措施改善口門(mén)航道水流條件。

2)口門(mén)防波擋沙堤潛堤修建至-12.0 m時(shí)，水流條件有所改善；當(dāng)防波擋沙堤修建至-14.0 m時(shí)，水流條件進(jìn)一步改善。試驗(yàn)研究表明，防波擋沙堤潛堤能減小東營(yíng)港區(qū)口門(mén)航道水流流速，從而減小口門(mén)橫流。

3)維持防波擋沙堤平面布置，將堤頂高程抬高，堤頭挑流流速會(huì)有一定程度的增加。

4)綜合東營(yíng)港區(qū)潮流物理模型試驗(yàn)結(jié)果，從航道水流條件看，防波擋沙堤采用方案3漸變潛堤結(jié)構(gòu)，潛堤堤頭建至-14 m等深線處、堤頂高程在-8 m左右是適宜的。