肖立敏，于 泳，孫林云，孫 波

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024；2.港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.唐山港口實業(yè)集團有限公司，河北 唐山 063611）

引 言

修建防波擋沙堤是減少航道淤積、改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件的主要措施。隨著航道的深水化發(fā)展，修建較長的防波擋沙堤，可能引發(fā)堤頭橫流增加等次生危害，影響船舶進出。防波擋沙堤的布置如何在達(dá)到合理的擋沙效果的同時，又有效地控制通航水流條件，是航道深水化建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)問題。

張磊[1]和肖立敏[2]等分別通過物理模型試驗研究了欽州灣30萬t級油碼頭航道和東營港10萬t級航道的橫流，張瑋[3]、高明[4]、章衛(wèi)勝[4]等分別建立數(shù)學(xué)模型分析了連云港主港區(qū)深水航道、嵐山港南作業(yè)區(qū)及京唐港區(qū)7萬t級航道的橫流特性。

京唐港區(qū)所在海域以往復(fù)流為主，漲落潮方向與航道基本垂直，橫流問題較為突出。本文建立京唐港區(qū)平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，結(jié)合該港區(qū)20萬t級深水航道工程，研究不同口門防波擋沙堤布置下的流速分布，探討航道橫流控制措施。

1 概 述

1.1 工程概況

唐山港京唐港區(qū)采用挖入式形式，其進港航道疏浚而成。目前已建成第一、二港池全部和第三、四港池部分泊位，第五港池項目建設(shè)順利推進，正在形成五個港池建設(shè)運營的整體格局，港區(qū)平面布置見圖1。為滿足港區(qū)第四港池礦石碼頭泊位的需要，需將已有10萬t級航道升級至20萬t級。20萬t級航道，底寬245 m，設(shè)計底高程為-20.0 m（理論基面，下同），航道長度16.7 km。京唐港區(qū)口門采用東、西平行防波擋沙堤布置型式。10萬t級航道配套的東防波擋沙堤為700 m出水堤（堤頂高程3.0 m）+500 m潛堤（堤頂高程-4.0 m）+900 m潛堤（堤頂高程為-5.0 m），西防波擋沙堤為600 m出水堤（堤頂高程 3.0 m）+800 m潛堤（堤頂高程-5.0 m）。按照港區(qū)規(guī)劃，第四港池外側(cè)還將形成人工島。作為20萬t級航道的配套工程，從防浪、擋沙等角度綜合考慮，防波擋沙堤需作加高、延長調(diào)整建設(shè)。針對第四港池南島實施、防波擋沙堤潛堤加高至出水堤，開展橫流分析研究。

圖1 京唐港區(qū)平面布置

1.2 潮汐潮流

京唐港區(qū)潮汐類型屬不規(guī)則半日潮，潮差較小，平均海面 1.27 m，平均高、低潮位分別為1.69 m和0.82 m，平均潮差為0.88 m。港區(qū)附近海域潮流具有明顯的往復(fù)流特征，漲潮為西南流，落潮為東北流，流向基本與海岸平行。2009年6月在該海域進行專項水文測驗，并對口門附近流速予以加強觀測，共設(shè)了三個 11條垂線，測點位置及實測大潮流速矢量見圖2。

圖2 2009年6月實測大潮垂線平均流速矢量

外海一側(cè)的 3#、7#和 11#點實測大潮漲潮垂線平均最大流速分別為0.39 m/s、0.48 m/s和0.56 m/s，落潮期間垂線平均最大流速為 0.55 m/s、0.63 m/s和0.66 m/s，漲潮流速均小于落潮流速?？陂T附近布設(shè)4個測流點，其中4#點距東防波擋沙堤東側(cè)約2 km，5#點位于口門擋沙堤潛堤掩護段內(nèi)，6#和8#點分布位于東、西防波擋沙堤延長線上，距各自潛堤堤頭約1.5 km。大潮漲潮期間漲潮流越過潛堤橫跨航道，由于受到東防波擋沙堤挑流作用，5#點處流速較大，最大流速為0.79 m/s，漲潮平均流速為0.37 m/s，流向有朝外海方向偏轉(zhuǎn)趨勢。8#點漲潮期最大流速和平均流速分別為0.61 m/s和0.28 m/s，均大于6#點相應(yīng)的0.51 m/s和0.24 m/s，表明漲潮期間8#點受到防波堤較為明顯的挑流作用。落潮期間，5#點最大流速為 0.65 m/s，較漲潮期間要??；6#點與8#點最大流速在0.70 m/s左右，平均流速均在0.35 m/s左右，表明落潮期間防波堤堤頭挑流作用漲潮期間要弱；4#點受東防波擋沙堤影響，落潮流速與漲潮流速基本相當(dāng)。

2 模型建立與驗證

2.1 模型建立

建立唐山港京唐港區(qū)平面二維潮流數(shù)學(xué)模型。模型采用變步長網(wǎng)格覆蓋研究區(qū)域，各變量轉(zhuǎn)換到正交曲線坐標(biāo)系，并對沿水深積分的連續(xù)方程和動量方程經(jīng)差分離散后采用 ADI法進行計算，采用TDMA方法求解。模型閉邊界上取法向流速為0，開邊界上采用潮位控制。初始條件給出初始時刻的流速和潮位。模型計算區(qū)域沿岸方向長50 km，離岸方向約25 km。網(wǎng)格尺度在外海為400 m左右，工程區(qū)局部加密至25 m。

2.2 模型驗證

采用2009年6月現(xiàn)場實測大潮水文測驗資料，對模型進行驗證。圖3給出了實測大潮時段模型計算的臨時潮位站潮位過程計算值與實測值比較。由圖可見，計算的潮位與實測吻合較好，高、低潮潮位、相位均比較吻合，表明模型模擬的潮位過程與實際情況比較一致。圖4則給出了部分測點垂線平均流速、流向計算值與實測值的比較結(jié)果，從圖中可以看出，流速流向計算結(jié)果與實測值吻合較好。驗證結(jié)果表明，模型能較好地反映工程海域潮汐潮流特性。

圖3 2009年6月實測大潮潮位過程驗證曲線

圖4 2009年6月實測大潮流速流向過程驗證曲線

3 計算成果分析

3.1 橫流控制措施的必要性

圖5和圖6分別給出了第四港池南島實施，現(xiàn)有東、西防波擋沙堤潛堤抬高至出水堤漲、落急流場分布。由圖可以看到，漲潮期間，在東防波擋沙堤與南島外堤之間為弱流區(qū)，堤頭挑流明顯：東、西防波擋沙堤堤頭最大流速分別達(dá)到 1.18 m/s和1.11 m/s；航道口門處最大流速達(dá)到0.85 m/s，且流向與航道垂直。落潮期間，受到西防波擋沙堤挑流作用，堤頭一定范圍內(nèi)為流速增加區(qū)，東、西防波擋沙堤堤頭最大流速分別為0.91 m/s和0.78 m/s；口門航道處最大流速0.62 m/s，橫流為0.42 m/s。

當(dāng)南島形成且口門防波擋沙堤出水后，堤頭挑流作用加劇，堤頭及口門航道處流速增幅較為明顯，對口門防波擋沙堤進行優(yōu)化是必要的。

圖5 防波擋沙堤潛堤出水后漲急流場分布

圖6 防波擋沙堤潛堤出水后落急流場分布

3.2 潛堤高程對橫流影響分析

在現(xiàn)有東、西防波擋沙堤潛堤抬高至出水堤基礎(chǔ)上，進一步延長東、西防波擋沙堤潛堤各1 km，潛堤高程分別為-5 m、-3 m和0 m。圖7和圖8為潛堤高程為-5 m時的流場分布，圖9則給出了航道中心軸線流速沿程分布。

圖7 潛堤延伸方案漲急流場分布

圖8 潛堤延伸方案落急流場分布

圖9 不同方案航道中心軸線最大流速沿程分布

由圖可見，隨著潛堤堤頂高程的增加，口門附近受潛堤掩護范圍段流速逐漸減小，而潛堤堤頭附近流速有所增加。漲潮期間，上述3個方案口門航道處最大橫流依次為 0.67 m/s、0.745 m/s和0.91 m/s。落潮期間，最大橫流分別為 0.47 m/s、0.48 m/s和0.50 m/s?？梢钥吹?，當(dāng)潛堤高程在-5 m時，口門航道附近橫流顯著降低；當(dāng)潛堤高程為-3 m時，對減少口門橫流也有一定的作用；當(dāng)潛堤高程為0 m時，高程較高，接近于出水堤，口門航道附近流速有所增加。上述計算表明，延長口門潛堤長度，選擇合理的堤頂高程，能有效改善口門航道水流條件。

表1 不同方案最大橫流

3.3 潛堤長度對橫流影響分析

進一步延長潛堤至長度為 2 km，與潛堤長度1 km相比，漲、落潮期間在受潛堤掩護段流速均進一步降低，而潛堤的挑流作用也相應(yīng)外移，最大橫流出現(xiàn)在東防波擋沙堤2 km潛堤堤頭處，其中口門航道處最大橫流速別為0.67 m/s和0.47 m/s，量值與潛堤長度1 km方案基本相同。

4 結(jié) 語

本文通過建立京唐港區(qū)平面二維潮流數(shù)學(xué)模型，研究不同口門防波擋沙堤布置條件下 20萬 t級航道橫流分布，探討航道橫流減控措施，結(jié)論如下：

1）京唐港區(qū)第四港池南島形成，現(xiàn)狀口門東、西防波擋沙堤潛堤出水后，堤頭挑流增強，口門航道處橫流較大，需要采取措施改善口門通航水流條件。

2）延長潛堤1 km，當(dāng)潛堤高程在-5 m時，能有效減小口門航道處橫流；隨著堤頂高程抬高，堤頭挑流作用會增強，口門航道附近橫流也會有一定程度增加；當(dāng)潛堤高程為0 m時，口門附近流速增加較為顯著，橫流也較大。延長口門潛堤長度，選擇合理的堤頂高程，能有效改善口門航道水流條件。

3）保持潛堤高程不變，延長潛堤2 km，在受潛堤掩護段流速均進一步降低，挑流作用也相應(yīng)外移，但最大橫流流速基本與延長1 km相比基本相同。

4）從改善京唐港區(qū)航道水流條件來看，選擇合理的潛堤長度和堤頂高程，對減少口門航道橫流是有效的。