劉碧榮，曾成杰

(1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 上海200032；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210024)

南通港通州灣港區(qū)位于長江口北翼(圖1)，具有長三角一體化和江蘇新出?？诙嘀貞?zhàn)略優(yōu)勢，規(guī)劃在蘇北輻射沙洲腰沙附近建設(shè)3個(gè)港池[1](圖2)。一港池位于腰沙沙體南側(cè)，目前已圈圍，港池坐北朝南，底質(zhì)以粉砂為主，黏粒含量一般不超過5%，作為粉砂質(zhì)海岸，在強(qiáng)波浪強(qiáng)水流動(dòng)力作用下，泥沙易淤積在開挖區(qū)底部。季則舟[2]分析粉砂質(zhì)海岸泥沙淤積特點(diǎn)，提出粉砂質(zhì)海岸港口布置基本模式有挖入式、近岸填筑式和離岸島式，濰坊港和洋口港是離岸島式，黃驊港是近岸填筑式，京唐港是挖入式，除洋口港水深條件較好，其他港口均受泥沙淤積影響，因此近岸填筑式和挖入式建設(shè)防沙堤是必要的。通州灣港區(qū)一港池目前為離岸島式兼有近岸填筑和挖入式的特點(diǎn)。筆者通過分析一港池平面形態(tài)、水文泥沙、地形特征，研究其回淤問題和對策措施，對近期是否建設(shè)擋沙堤提出指導(dǎo)意見。

圖1 工程地理位置

圖2 通州灣港區(qū)規(guī)劃

1 一港池平面布置

根據(jù)規(guī)劃，通州灣港區(qū)一港池布置為“∏”形，通過挖填結(jié)合的方式，對腰沙沙體根部0m線以上的高灘圈圍形成陸域，港池開口正南向與小廟洪水道連通，與通州作業(yè)區(qū)最近距離3.5 km，與海門5萬噸級(jí)通用碼頭最近距離2.1 km，距-5 m等深線最近距離僅1.1 km，與蠣蚜山前-15 m深槽最近距離1.7 km。一港池與小廟洪水道等深線相對位置如圖3所示。

圖3 一港池與小廟洪水道等深線相對位置

2 水文泥沙特征

2.1 波浪

根據(jù)呂四海洋站(位于小廟洪水道中部大洋港外側(cè)海域，見圖3)1969—2001年實(shí)測波浪資料，測站海域波浪方向主要集中在NW—N—E—SE向180°范圍，分向出現(xiàn)頻率均在4%～6%；常浪向?yàn)镹、NE、NW向，出現(xiàn)頻率均為6.0%；強(qiáng)浪向?yàn)镹E，實(shí)測最大波高為3.8 m；次強(qiáng)浪向?yàn)镹NW—N向，實(shí)測最大波高為3.3～3.5 m；平均波高為0.48 m；無浪天數(shù)(H4%<0.1 m)約占全年的50%。根據(jù)一港池平面布置和周邊地形地貌形態(tài)，一港池及口門受SE—SSE向傳入波浪影響較大，其余方向均受掩護(hù)。統(tǒng)計(jì)1981、1982、1987、1989、1990年的波浪觀測資料，SSE、SE向各出現(xiàn)1次2.0 m以上波高(H1/10)，SE向出現(xiàn)1次1.2～1.4 m波高，其余均不超過1.1 m，可見SE—SSE向波浪出現(xiàn)大浪的幾率較小，波高不大，持續(xù)時(shí)間較短。研究表明一港池口門附近破波區(qū)局限在0 m以淺的區(qū)域，破波掀沙的區(qū)域有限。

自大唐電廠一期建成以來，呂四邊灘經(jīng)歷了大范圍圈圍造地，形成大唐電廠、呂四港區(qū)挖入式港池、東灶港作業(yè)區(qū)、通州作業(yè)區(qū)等新陸域(圖4)，使原陸地邊線向海平均推進(jìn)了3 km，水域?qū)挾冗M(jìn)一步縮窄，開口進(jìn)一步向ESE向集中，一港池SE—SSE向出現(xiàn)大浪的頻率進(jìn)一步變小。

圖4 呂四海岸線變化

2.2 水流

根據(jù)2014年9—10月實(shí)測水流資料[3]，小廟洪尾部水道中各測點(diǎn)水流均以往復(fù)流為主(圖5)，與通州灣海域潮汐水道中水流特性一致。漲潮最大流速發(fā)生在高潮前3 h左右，落潮最大流速發(fā)生在低潮前3 h左右，而高、低平潮附近流速最小。深槽區(qū)測點(diǎn)大潮垂線平均最大流速基本都在1.2 m/s以上，C3點(diǎn)漲潮最大可達(dá)1.51 m/s。擬建一港池口門處淺水區(qū)的C2和C5測點(diǎn)流速明顯小于深槽區(qū)，大潮漲潮最大流速分別為1.04和0.94 m/s，落潮最大流速分別為0.72和0.73 m/s。

圖5 2014年工程海域大潮垂線平均流矢圖

由于港池口門方向與小廟洪水道中水流方向夾角較大，口門段航道會(huì)有橫流，最大橫流出現(xiàn)在中水位附近(圖6)，但在航寬足夠的前提下，橫流對船舶正常進(jìn)出港池不產(chǎn)生決定性影響。同時(shí)，航道兩側(cè)淺灘的泥沙在橫向水流作用下易向航槽輸移沉積。

圖6 C2實(shí)測潮流與潮位同步過程線

2.3 懸沙

蘇北沿岸泥沙運(yùn)動(dòng)的總趨勢是以弶港為中心，北沙南移和南沙北移。長江流域來沙有9%左右向北進(jìn)入江蘇沿海輻射沙洲群[4]。小廟洪水道大、中潮含沙量大于小潮，冬季含沙量大于夏季，水淺處含沙量大于水深處，全年大、中、小潮平均含沙量為0.26 kg/m3。含沙量沿垂線分布上小下大，最大測點(diǎn)含沙量一般出現(xiàn)在底層或近底層，實(shí)測最大含沙量為1.123 kg/m3，最小含沙量為0.041 kg/m3。漲、落急時(shí)含沙量相對較大，受波浪影響在流速較小時(shí)也會(huì)出現(xiàn)含沙量較大的情況。懸沙中值粒徑在0.004～0.017 mm，主要為細(xì)粉砂和極細(xì)粉砂。

2014年11月，在一港池口門附近開展了3個(gè)測點(diǎn)的大風(fēng)天水體含沙量測量[5]，測量期間達(dá)到6級(jí)風(fēng)最長歷時(shí)近30 h，大風(fēng)期間風(fēng)向主要為西風(fēng)，最大風(fēng)速14.1 m/s，達(dá)到7級(jí)風(fēng)速。

在6級(jí)西風(fēng)作用下，DF-1(-3.0 m)、DF-2(-5.0 m)、DF-3(-1.0 m)測點(diǎn)(圖7)的最大波高分別為1.65、1.47和1.35 m，有效波高均不足1 m，浪向偏西，此時(shí)3個(gè)測點(diǎn)的底層含沙量分別為0.14、0.18和0.21 kg/m3。在流速最大時(shí)測得3點(diǎn)底層最大含沙量分別為0.41、0.36和0.44 kg/m3，對應(yīng)波高為0.10、0.20、0.39 m。上述測量結(jié)果顯示：在偏西向6級(jí)大風(fēng)持續(xù)作用下，一港池口門處波浪未能起動(dòng)床沙，潮流在泥沙掀揚(yáng)和沉降過程中起主導(dǎo)作用。

圖7 2014年11月大風(fēng)天含沙量測站位置

2.4 底質(zhì)

根據(jù)2014年10月小廟洪尾部底質(zhì)取樣結(jié)果，工程區(qū)附近底質(zhì)以粉砂為主，黏粒含量一般不超過5%。小廟洪水道南側(cè)間有細(xì)砂、黏質(zhì)粉土和粉質(zhì)黏土，粒徑小于0.004 mm的顆粒含沙量一般在5%～15%；高程在理論基面4 m以上的腰沙高灘上，底質(zhì)相對較細(xì)，中值粒徑一般在0.1 mm以下，黏粒卻未明顯增多(圖8)。

圖8 工程海域底質(zhì)顆粒中值粒徑等值線

通常粉沙起動(dòng)流速小，沉降速度大，易動(dòng)易沉，在海水中泥沙不發(fā)生絮凝現(xiàn)象，泥沙運(yùn)移型態(tài)為懸移質(zhì)與推移質(zhì)共存，引起泥沙運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力是波浪和潮流的共同作用，其中波浪影響較大[6]，港池及航道區(qū)受掩護(hù)情況決定了未來淤積程度。

3 應(yīng)對回淤問題的思路

通常，在開敞海域粉砂質(zhì)淺灘中開挖的航道淤積現(xiàn)象較為嚴(yán)重。通州灣港區(qū)一港池雖然建在粉砂質(zhì)淺灘上，但口門坐北朝南，西向與南向有陸岸阻擋，北向與東向有腰沙沙體掩護(hù)，僅在東南向掩護(hù)條件較差。根據(jù)波浪觀測資料，東南向出現(xiàn)大浪的幾率較小，大浪持續(xù)時(shí)間較短，因此基本可以判定一港池口門段航道開挖后較難出現(xiàn)短時(shí)驟淤礙航現(xiàn)象?？陂T段航道走向與小廟洪水道水流方向夾角較大，以懸沙和兩側(cè)淺灘向航道輸沙所致的日常淤積為主，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合港區(qū)功能、口門布置特點(diǎn)和水文泥沙特征，可采取事前預(yù)防和事后補(bǔ)救措施確保一港池建成后船舶正常進(jìn)出港。

4 應(yīng)對回淤問題的策略

4.1 事前預(yù)防

4.1.1布設(shè)擋沙堤

根據(jù)歷史海床演變分析結(jié)論[7]，小廟洪水道的穩(wěn)定需要有一定的納潮量維持，從穩(wěn)定尾部灘槽格局的角度出發(fā)，一港池口門擋沙堤布置不宜過長。在滿足航道轉(zhuǎn)彎半徑的前提下，考慮口門段存在水流雙向輸沙，設(shè)計(jì)倒“八”字口的擋沙堤方案；為使陸地邊界平順連接，航道區(qū)縮水攻沙，布置平口縮窄的擋沙堤方案；計(jì)算顯示小廟洪水道尾部凈輸沙方向由東向西，布置錯(cuò)口的擋沙堤方案[8](圖9)。

圖9 擋沙堤方案

物模研究[9]表明：一港池口門不建擋沙堤或建平口縮窄擋沙堤，最大年淤強(qiáng)為2.5 m左右，年淤強(qiáng)大于1.5 m的區(qū)域長約1 km，強(qiáng)淤積區(qū)集中在口門附近，最大橫流為0.56 m/s；建設(shè)“八”字口和錯(cuò)口方案擋沙堤，口門附近最大年淤強(qiáng)1.5 m左右，最大橫流為0.79和0.63 m/s。前者較后者支航道年回淤量增加約40萬m3，港池年回淤量增加約20萬m3，口門附近橫流較小，更有利于船舶進(jìn)出口門時(shí)的通航安全。一港池按5萬噸級(jí)建設(shè)規(guī)模計(jì)算總開挖量約6 000萬m3，建設(shè)擋沙堤后減淤量僅為總開挖量的1%，也限制了口門段航道寬度的提升，開普敦型船舶進(jìn)出一港池將非常困難。由于強(qiáng)淤積區(qū)比較集中(圖10)，長度較小，主要是常年隨流淤積，發(fā)生驟淤的幾率較小，目前可采用定期疏浚的方式使水深達(dá)到使用要求，若航道回淤嚴(yán)重、維護(hù)較難、對船舶正常通航產(chǎn)生明顯影響時(shí)，可考慮建設(shè)擋沙堤。

圖10 一港池支航道沿程淤積分布

4.1.2支航道預(yù)留充足備淤深度

根據(jù)JTS 165-2013《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》第6.4.6條，航道水深按式(1)計(jì)算：

D=D0+Z4

(1)

式中：D為航道設(shè)計(jì)水深(m)；D0為航道通航水深(m)；Z4為備淤深度。

根據(jù)水流泥沙物模試驗(yàn)成果，建設(shè)倒“八”字口擋沙堤，口門區(qū)-3.0～-1.0 m處回淤最大，正常天氣情況下年回淤強(qiáng)度1.5 m左右，按年疏浚維護(hù)次數(shù)2次考慮，設(shè)計(jì)備淤深度取0.8～1.0 m。不建擋沙堤，支航道最大年淤強(qiáng)可達(dá)2.5 m，口門附近不超過1.0 km范圍內(nèi)年淤強(qiáng)超過1.5 m，可考慮該區(qū)段內(nèi)另增加0.5～1.0 m的備淤深度(圖11)，估算增加基建疏浚工程量僅10萬～20萬m3，足夠的備淤深度可減少航道水深維護(hù)的頻次，減輕維護(hù)性疏浚對港區(qū)營運(yùn)的影響。

圖11 增加備淤深度

4.1.3擴(kuò)大疏浚范圍，減少支航道兩側(cè)淺灘供沙

粉砂質(zhì)海岸航道兩側(cè)淺灘往往是航道回淤泥沙的主要來源，波浪掀沙、潮流輸沙是該海岸泥沙運(yùn)移的重要方式與主要過程，在大風(fēng)浪作用下，水體臨底部易形成高濃度含沙層，隨流搬運(yùn)使航道產(chǎn)生驟淤現(xiàn)象。研究顯示在目前小廟洪水道尾部灘槽格局下，一港池口門附近大浪破波區(qū)范圍局限在0 m以淺的近岸水域，破波區(qū)內(nèi)床沙易起動(dòng)懸揚(yáng)，導(dǎo)致水體含沙量增大，在該區(qū)域內(nèi)開挖的航槽回淤較為嚴(yán)重。通州灣港區(qū)陸域形成需要巨量的回填料，本地淺灘是回填料的優(yōu)質(zhì)來源，除港池航道開挖疏浚土用于吹填外，通常還需另覓其他的取沙區(qū)用于吹填。結(jié)合支航道防淤減淤要求，考慮在一港池口門支航道兩側(cè)0 m以淺的區(qū)域(圖12)進(jìn)行定期取沙[10]，首期疏浚量約500萬m3。該區(qū)域浚深后，ESE向大浪將難以掀動(dòng)航道兩側(cè)淺灘上的床沙，同時(shí)因過流面積增大，流速減小，船舶轉(zhuǎn)彎進(jìn)出港更易操縱，水體挾沙能力的減小可使懸沙更多淤積在航道區(qū)外，相對減少航道區(qū)淤積。

圖12 增加淺灘疏浚范圍

4.2 事后補(bǔ)救

4.2.1配置高效率適應(yīng)性強(qiáng)的疏浚船舶

航道港池淤積后的補(bǔ)救措施主要是疏浚。規(guī)劃的通州灣港區(qū)未來港池及航道大多需人工開挖，開挖區(qū)回淤應(yīng)是常態(tài)，港區(qū)需專門配備大型高效率的挖泥船進(jìn)行水深維護(hù)。根據(jù)前述懸沙及床沙特征，疏浚土以粉砂和細(xì)粉砂為主，采用帶艏吹功能的自航大型耙吸式挖泥船以溢流模式施工，施工效率高，可自動(dòng)避讓，不影響航道正常通航。棄土區(qū)可就近安排在一港池口門附近圍區(qū)內(nèi)，距離不超過1 km，采用艙容1.3萬m3的耙吸式挖泥船清淤較艙容4 500 m3的耙吸式挖泥船可節(jié)約1/2的清淤時(shí)間。隨著南通建設(shè)江蘇新的出海口——通州灣港區(qū)進(jìn)程的加快，港區(qū)亟需配備高效疏浚設(shè)備定期對航道和港池進(jìn)行清淤。目前，最新的挖泥船配備自動(dòng)化程度高的疏?？刂葡到y(tǒng)，具有自動(dòng)吃水控制、航速控制、耙吸系統(tǒng)和排放控制等諸多功能，可在各種工況下實(shí)現(xiàn)智能疏浚，施工效率比人工操作提高近15%，最大生產(chǎn)率可達(dá)1萬m3/h以上，因此配置高效率適應(yīng)性強(qiáng)的疏浚船舶對航道水深進(jìn)行維護(hù)，可防止淤積對港區(qū)營運(yùn)產(chǎn)生重大影響。

4.2.2加強(qiáng)水深監(jiān)測，控制船舶吃水

人工航道日常營運(yùn)中水深監(jiān)測十分重要。通過水深監(jiān)測可及時(shí)發(fā)現(xiàn)淤積淺區(qū)，歷次水深測圖對比也有利于發(fā)現(xiàn)淤積規(guī)律。在船舶進(jìn)出港管理中，船舶實(shí)際吃水一般以不超過航道設(shè)計(jì)船型滿載吃水控制，根據(jù)潮位預(yù)報(bào)和航道淺區(qū)的水深，預(yù)先設(shè)定船舶最大吃水、留足富余水深，以防止船舶航行時(shí)擱淺。通州灣一港池口門段航道淤積的泥沙一部分來自漲落潮流挾帶的含沙水體，另一部分來自兩側(cè)淺灘的供沙。基建疏浚結(jié)束后，初期因兩側(cè)淺灘細(xì)顆粒泥沙易起動(dòng)，會(huì)導(dǎo)致挖槽內(nèi)回淤較大，但隨著淺灘粗化和供沙能力的減弱，回淤情況應(yīng)會(huì)明顯改善，航道營運(yùn)初期應(yīng)定期監(jiān)測水深，加強(qiáng)大風(fēng)后航道水深觀測，分析是否存在驟淤現(xiàn)象，評估淤積對航道通航影響的程度，采取相應(yīng)的對策。

5 結(jié)論

1)粉砂質(zhì)海岸的泥沙粒徑介于淤泥質(zhì)海岸和砂質(zhì)海岸之間，泥沙運(yùn)動(dòng)十分活躍，在波浪、潮流等海洋動(dòng)力作用下，泥沙極易起動(dòng)和沉積，一港池開挖后回淤問題是建港關(guān)注的焦點(diǎn)。

2)一港池支航道較短，SE向出現(xiàn)大浪的幾率較小，其他方向均有掩護(hù)，正常情況下以懸沙淤積為主，強(qiáng)淤積區(qū)集中在口門附近?？陂T建設(shè)擋沙堤雖有減淤作用，但減淤總量對比港池規(guī)模并不明顯，口門縮窄亦不利于大型船舶進(jìn)出港。

3)一港池口門先不考慮建設(shè)擋沙堤，通過增加備淤深度，浚深航道兩側(cè)淺灘，配置高效挖泥船進(jìn)行水深維護(hù)，根據(jù)航道水深動(dòng)態(tài)控制船舶吃水，使港口正常營運(yùn)基本不受支航道淤積的影響。

4)針對回淤明顯區(qū)段，加強(qiáng)水深監(jiān)測，分析回淤強(qiáng)度和維護(hù)難易程度，評估對船舶正常進(jìn)出港的影響，再考慮擋沙堤的建設(shè)。