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港口“浅水深用”受回淤影响分析
日期:2019-03-01   文章点击数:184   稿源:港铁人

国内港口的浅水深用工程有成功的范例,也有一些是有争议的。珠海港、黄骅港、江苏如东人工岛、广州南沙港区等港口航道工程都是对浅水深用进行了有益的尝试和推广,文章根据各港口的不同自然条件从不同的侧重点对泥沙来源和淤积问题进行分析,为国内类似的港口建设提供参考。

随着船舶大型化的发展和优质港口资源的日益缺乏,为了适应经济形式的发展,为地方工业经济运输配套,港口资源的浅水深用被提上了议事日程,国内一些主要港口业对浅水深用进行了尝试。国内的珠海港、黄骅港、江苏如东人工岛、广州南沙港区进行了人工开挖深水航道,对港口资源进行浅水深用。各个港口水文气象等自然条件不一,有成功经验也有失败教训。

珠海港

水文泥沙情况

黄茅海水域由于受喇叭形边界和上游径流的影响,潮流运动形式为往复流,深槽尤为明显。汛期涨潮流沿北偏西上溯,落潮流沿南偏东岸下泄;枯季涨潮流沿北偏东上溯,落潮流沿南偏西下泄。大潮流速大于小潮流速,表层流速大于底层流速,落潮历时长于涨潮历时,潮波具有驻波性质。高栏港区所在的水域流态平顺,趋于往复运动。

黄茅海区含沙量大小与潮流流速大小关系密切:流急含沙量大,流缓则含沙量小;大潮期比小潮期含沙量大,落潮期比涨潮期含沙量大,汛期比枯季含沙量大。在空间分布上,最大含沙量主要出现在拦门沙浅滩附近以及东、西边滩上,湾顶含沙量在汛期比湾口大,而在枯季则稍小些。黄茅海底质泥沙较细,主槽泥沙稍粗易于被风浪掀起由潮流输送。

港区泥沙回淤情况分析

黄茅海浅海区是二槽三滩的格局。高栏港海域临近鸡啼门、崖门、虎跳门、磨刀门等珠江分流河口。高栏港区常年淤积量约为500万m³,以悬沙淤积为主。泥沙来源主要有以下几种:1、海区沉积的泥沙在风浪作用下重新悬浮、落淤。该区的泥沙在潮流、波浪等动力条件下,搬运到了港区;2、崖门、虎跳门下泄泥沙由黄茅海东滩、大海环边滩中转,经三角山东、西两口门随落潮流进入十字海区落淤;3、鸡啼门、磨刀门、伶仃洋下泄泥沙随西南向沿岸流在涨潮时由高栏岛-荷包岛的南口门带进高栏港十字海区落淤;4、在大风天情况下,黄茅海口外的泥沙在涨潮流作用下进入港区.从而引起港区的骤淤。分析2002年6月和2002年lO月两次实测水下地形资料,港区骤淤厚度约占此期间总淤积厚度的55%,骤淤较严重。大量的泥沙进入港区航道,至使航道严重淤积,影响了船舶的安全航行。每年都要花费大量资金来疏浚和维护航道,对港口经济效益有一定的影响。

黄骅港

黄骅港海域的泥沙环境

黄骅海域水下岸坡西高东低,滩面平缓,近岸存在大片侵蚀残留浅滩并伴有残留堡岛及半珠状堡岛链,它是古黄河三角洲水下堆积体,所处的海岸应属淤泥质粉沙海岸。渤海湾内北部水域底质基本属于淤泥质,而南部水域底质则属于粉沙质,N和EN向大风下,北部水域的波浪要小于南部,由于粉沙质泥沙更易起动悬浮和较强的动力条件使得该水域泥沙大量悬浮,形成高含沙水域;此外,渤海湾北部水域涨潮水体主要来自水体含沙量较小的渤海中部,而南部水域除波浪对海底掀沙外,悬浮泥沙的运移,对该水域也带来一定影响。黄骅港海域泥沙运动上要受风浪控制,风浪越大含沙量越大。近岸含沙量分布含沙量明显大于远岸,同时近岸泥沙在落潮流带动下向外海输移,在航道局部水域存在悬沙浓度较高区域。含沙量分布特征为:夏季含沙量较低,春秋季含沙量相对较高;大风天气下,海区含沙量急剧增加,垂线分布上,上下的梯度较大,底部明显存在着高浓度含沙层。

黄骅港外航道的淤积状况及原因分析

黄骅港1997年开工建设,2000年开挖外航道,2000年秋季到2001年春,航道基本淤平。2001年调整航道轴向后,2002年3场大风总淤积量达到了770万m³,2003年3场大风淤积量达到1320万m³,大风作用下外航道淤积现象十分明显,对航道的维护带来很大影响。外航道泥沙淤积原因分析:

1、从滩面泥沙起动的角度分析,黄骅港滩面物质在纯水流作用下起动摩阻流速为2.0 cm/s,按照窦国仁公式转换到垂线平均流速在水深5 m时,起动垂线平均流速为0.66 m/s,在水深7m时,起动垂线平均流速为0.68 m/s,因此单纯潮流对本区滩面沉积物起动作用不强。黄骅港滩面物质在波流作用下起动摩阻流速为1 .16 cm/s,起动切应力为0.2N/m2,按照Jonson(1996)公式

\推算,在1.0 m波高、周期为4s作用下,5m水深滩面达到了起动条件,波浪是本地区泥沙起动的主要动力。

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2、从黄骅港滩面破波带的角度分析,波浪破碎对滩面的强烈扰动,对于滩面坡度小于1/1 000的海岸,按照波浪破碎指标0.55计算,在波高4.0 m情况下,破波位置大约在-4.2~-6.2 m,波高3.0 m情况下,破波位置大约在-2.3~-4.4m,对滩面的强烈扰动,水体含沙量高,大风浪天气在破波带可形成高含沙量区,位置与黄骅港外航道最大淤积强度分布相对应。

3、从泥沙的运移形态分析,黄骅港滩面泥沙沉速较快,沉降量为30%的动水沉速达0.129 cm/s,以-5.0 m处涨落潮平均流速和流向计算,水流斜向穿越航道所用时间约为4h,垂线上悬沙落淤的高度为1.6 m,大风期外航道的严重淤积主要不是上层悬移质,而是底层高含沙水体。

4、黄骅港建成后,由于建筑物的作用,局部流场发生了明显变化:一是口门处在高潮位与低潮位时均出现横流;二是在大风作用下,由于风吹流造成南北两侧近岸壅水,潮位抬高,增加了近岸落潮流速,使得近岸区高浓度泥沙沿防波堤两侧向外运动,在穿越航道的过程中,泥沙落淤,对外航道局部区域回淤带来一定影响。

影响航道泥沙淤积的主要泥沙来源是当地泥沙的侵蚀一搬运一沉积作用。黄骅港海域波浪动力较强,强风向主要来自NE、ENE和E向,由于海域滩面平坦,波浪破碎带较宽,破碎波对滩面的强烈扰动,使破波带成为泥沙最为活跃的区域。航道两侧滩面上的“波浪掀沙,水流输沙”是泥沙运动的主要形式。由于黄骅港滩面泥沙活动性大,易起动、易沉降、密实快,在大风浪的作用下,底部形成高浓度含沙水体,随潮流运动沉人航道。因此,底部泥沙运动是形成航道的骤淤的主要原因。

航道的疏浚及深度维护成了黄骅港发展的一大难题,处理黄骅港外航道的泥沙骤淤问题基本思路是“采用整治与疏浚相结合”的治理原则,以减少航道的疏浚费用,提高航道的通航保证率。

江苏如东人工岛

港区的自然条件和水沙特点

如东人工岛面积0.3 km²,所处的海域地处苏北辐射沙洲,辐射沙洲规模宏大、水动力及滩槽动态复杂。海区波浪的季节性变化主要受季风影响:春季多为东风,多为东向浪,主浪向为东向,强浪为西北偏北和西北偏西;夏季受台风影响,主流向为东南, 强浪向为东南和西北;秋季整个海区多为偏北向,主浪向为东北,强浪向为北向;冬季盛行偏北风,主浪向主西北,强浪为西北向。对海域风浪影响较大的风向主要NE、ESE向。海区波浪大小与潮位有密切关系,潮位高时波浪大,随潮下降波浪将明显降小。

烂沙洋北水道原是古长江口行潮泄流的主水道,目前是该辐射沙洲海区南部的重要水道,两侧有沙洲链做屏蔽,是一条掩护良好天然深水道,水深、流急、潮大、浪小,底床稳定,水面宽阔,具有开发现代深水航道的有利条件。底床为粉沙质,容易起动,活动性大。

进港航道骤淤的可能性分析

骤淤是港航工程中的一个专用术语,其含义是指一场大风天气过程引起港航工程中严重淤浅而影响船舶正常航行和作业的淤积。洋口港深水航道建于烂沙洋北水道。由于该水道底床为粉沙质,而粉沙质泥沙极易在波浪作用下引起航道回淤,如2003年10月我国北方地区发生1次特大风况,黄骅港和京唐港外航道均发生了骤淤,损失惨重,因此,人们对洋口港深水航道的骤淤十分关心。

骤淤的发生一般要同时具备3个条件:(1)动力方面:应有一定持续时间的强浪,足以将底床泥沙搅起,形成水体中的高含沙量;(2)沙源方面:航道两侧应有广阔浅滩,足以生成产生傲积的丰富泥沙;(3)淤积环境:有良好的淤积条件,促使泥沙淤积。

对照这3个条件来分析烂沙洋北水道深水航道在台风浪作用下发生骤淤的可能性: (1)虽然台风期高潮位时,烂沙洋北水道内曾出现过4.2 m的大浪,但时间很短,潮位下降后,波高迅速下降,能引起床沙悬浮上扬的波浪历时只有4个多小时,不会对航道产生骤淤;(2)烂沙洋北水道河床宽仅3-4km,航道两侧床滩狭窄,且水深较大,波浪底部速度小,不产生床沙的巨大输移构成骤淤威胁;(3)通过滩地开挖航道时,航道与输沙方向有一个交角,输沙横越航道时,因水深加大,流速减小,因而发生泥沙淤积。但在烂沙洋北水道内开挖航道时,航道与深槽抽线平行,水流与航槽一致,悬沙沿航槽因流速变化而逐渐发生冲淤变化,不会构成骤淤。

虽然辐射沙洲规模宏大、水动力及滩槽动态复杂, 曾一度被认为是建港的禁区,但随着辐射沙洲形成演变和海洋动力的深入研究,辐射状沙脊中南部的烂沙洋深水潮汐通道自然水深可满足10万吨级船舶乘潮通航, 其南侧低潮出露的西太阳沙同时具有建设人工岛的地形基础,烂沙洋深水航道不会因大风发生骤淤,辐射沙洲区总体格局与辐聚、辐散的流场特征相适应, 部分潮汐通道长期存在, 具有一定的开发利用前景。

广州南沙港区

自然条件和水沙特性

港区主要处于受上游虎门、凫洲水道落潮流和伶仃洋由湾外向湾顶的涨潮流的影响。龙穴岛东侧水域处于虎门和亮洲水道的落潮流体系的西部边缘区。涨潮时,外海潮波由湾口向湾内传播,流向基本上为由南向北。涨潮流在东槽和西槽(伶仃洋水道)的流速较大,而在浅滩上的流速相对较弱。龙穴岛西南部的横门和龙穴南水道的大片出口浅滩滩面较高,涨潮流受此浅滩的阻碍,流速进一步降低。因此,经过该浅滩后进入本港区的涨潮流速一般不大。港区水域潮流基本呈往复流动,主流向与伶仃航道的走向趋于一致。洪季落潮流占优,枯季涨潮流较强。

受众多岛屿的遮挡,外海波浪很难传到本工程海区。本海域以风成浪为主。海域进行过短期的波浪观测,常浪向为SSE,平均波高为0.2 m。最大波高为1.98 m,南沙港工程海区含沙量变化很小,该水域年平均含沙量约为0.16 kg/m3,属低含沙海区。

泥沙来源分析

珠江属少沙河流,平均输沙量8000万t/a,每年进入河口区的悬移质总输沙量3 664万t,汛期多年平均输沙量占全年的90%,沙峰与洪峰出现时间基本一致。

伶仃洋西部水域受蕉门、横门和洪奇沥3大口门来水来沙直接影响,东部水域主要接纳虎门来水来沙及蕉门部分水沙。港区淤积主要有3个泥沙来源。其一为上游凫洲水道和虎门下泄的少部分泥沙;其二为涨潮时横门和龙穴南水道出口外的大片浅滩上的泥沙被风浪掀起随涨潮流到达港区水域的悬沙;其三是港区未开挖的浅滩上的泥沙在潮流和风浪作用下的再悬浮。

南沙港区的淤积主要为悬沙淤积。相比黄骅港,由于风和流的不同特征,南沙港区的淤积没有那么严重。在港池航道维护疏浚以确保生产需要的通航水深时,将疏浚土吹填到指定的港区回填区内,综合利用疏浚土,也可为港口创造一定的经济利益。

结束语

通过对珠海港、黄骅港、江苏如东人工岛、广州南沙港区的水文、气象、泥沙特征及来源的分析,得知港口航道的淤积程度会因港区的地质、风浪、海流及潮汐的不同而有所差异。如黄骅港海域波浪动力较强,由于海域滩面平坦,波浪破碎带较宽,破碎波对滩面的强烈扰动,使破波带成为泥沙最为活跃的区域。航道两侧滩面上的“波浪掀沙,水流输沙”是泥沙运动的主要形式,底部泥沙运动是形成黄骅港航道的骤淤的主要原因。而江苏如东人工岛的烂沙洋航道就没有黄骅港航道那种“大风大淤,小风小淤”的情况,由于烂沙洋北水道的基本属性不变,即两侧有沙洲链掩护,水深大,潮差大,潮位变化快,航道两侧床滩狭窄,不具备骤淤条件,航道不会发生骤淤。

航道淤积的泥沙来源不仅包括航道两侧浅滩上的泥沙被风浪掀起随涨潮流进入航道的悬沙,还有入海径流下泄的泥沙。如珠海港,珠海港之高栏港址主要泥沙来源于港址附近浅滩的泥沙、崖门和虎跳门下泄的泥沙、黄茅海口外西南向沿岸流的输沙以及大风天随涨潮流进入港区的泥沙。大量的泥沙进入港区航道,至使航道严重淤积,影响了船舶的安全航行。每年都要花费大量资金来疏浚和维护航道,影响了港口经济效益。

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