張金中，楊松姍

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引 言

黃驊港散貨港區(qū)防波堤延伸工程采用雙堤延伸布局方案，南、北防波堤沿航道兩側(cè)平行航道延伸至-8.0 m水深處，口門外為兩條長8.8 km防沙潛堤，形成潛堤新口門寬度與現(xiàn)有港區(qū)口門寬度相同，為1 000 m。防沙堤頂高程在天然水深-6.0 m、-7.0 m、-8.0 m處分別為-1.0 m、-2.0 m和-3.0 m。

有效地防淤、減淤，維護一定的航道水深，保證港口少受天氣影響能夠正常運營，是工程建設的關鍵。由于危險品船舶操船對口門區(qū)水流及碼頭前泊穩(wěn)等要求較高，隨著港區(qū)液體散貨作業(yè)區(qū)的開發(fā)，原油碼頭一期工程、LNG碼頭等相繼進入建設階段，航道的建設采用“整治與疏?！毕嘟Y合的原則，擬對口門外潛堤進行加高，以改善口門附近的橫流及碼頭區(qū)泊穩(wěn)情況，滿足通航安全。本研究通過波浪、潮流、泥沙數(shù)學模型試驗，對防波堤口門段整治工程實施后口門附近的水流流態(tài)及碼頭區(qū)波要素進行研究，深入分析工程實施后水流流態(tài)及變化規(guī)律，以掌握工程實施對工程項目的影響；計算各設計方案波要素，分析泊穩(wěn)及損失作業(yè)天數(shù)，提出優(yōu)選方案，也為后續(xù)項目研究提供參考。

1 口門段整治工程初步方案

流場模型對應的口門整治方案主要有北堤加高方案、南堤加高方案、南北堤同時加高方案，其中南堤加高方案細化為不同加高方案。

1）北堤加高方案

在已建成南堤基礎上，將北堤段的口門部分防波堤堤頂高程加高至 5.0 m，防波堤加高范圍一共2 km，其中口門內(nèi)1.7 km，口門外0.3 km。

圖1 北堤加高示意

2）南堤加高方案

在已建成南堤基礎上，將部分南堤堤頂高程加高，口門外1 km范圍加高至5.0 m，第2～3 km分別加高至3.5 m或以不同方式躍變、漸變?yōu)闈摰绦纬刹煌哪系碳痈叻桨浮?/p>

圖2 南堤加高典型示意

圖3 南堤加高不同工況高程縱斷面示意

3）南北堤同時加高方案

南北堤同時加高方案是南堤口門外1 km范圍加高至5.0 m，第2～3 km分別加高至3.5 m；將北防波堤自口門位置向綜合港外2 km長度的范圍內(nèi)，堤頂高程高至2.5 m，其余部分堤頂高程不變。

圖4 南北堤同時加高方案布置示意

波浪模型主要針對南防沙堤延伸工程及北防沙堤加高工程進行研究，考慮現(xiàn)狀、南防沙堤延伸與北側(cè)防沙堤對齊、在已建成南堤基礎上北堤加高方案、已建南堤局部堤頂高程加高至5 m方案，以及南北堤同時加高方案5個工況，后3中與流場模型大致相同。

針對北堤加高方案和南堤加高方案，通過潮流物理模型試驗驗證了口門附近的水流尤其是橫流變化情況，可對數(shù)模試驗進行補充驗證。

2 試驗方法

基于三維潮流泥沙模型FVCOM以及大氣模型WRF和波浪模型 SWAN，考慮粉沙懸揚運動過程的各種影響因素、水動力和粉沙間的相互作用以及風、浪的影響，建立三維風-浪-流-泥沙運動集成模型，并對其進行驗證。

經(jīng)對比，各模型大部分計算值與實測值較接近，曲線驗證結果良好，模型參數(shù)設置合理，可用于水域水動力、波浪、泥沙運動預測，一個典型驗證曲線如圖5。

圖5 實測風暴潮潮位資料驗證

3 流場計算結果與分析

對工程海域水動力及泥沙環(huán)境進行了綜合分析，采用數(shù)學模型，對黃驊港綜合港區(qū)水域流場、波浪場及泥沙回淤進行了計算。

1）整體流場情況

黃驊海域位于渤海灣的中部，整體潮流運動較為平順，漲潮時，外海水體自東向西流向近岸，在潮波傳至近岸的過程中，漲潮流向向西南方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，落潮流基本呈現(xiàn)反向流動。由于黃驊海域建有多道防沙堤，防沙堤很長，在一定程度上起到了導流作用。

工程海域外海漲落潮流速分布在 0.3～0.8 m/s之間，近岸基本小于0.2 m/s，既有防沙堤附近區(qū)域平均流速約 0.8 m/s以上，港池里平均流速約0.05～0.3 m/s，港區(qū)外潮流偏向橫流方向。

2）碼頭區(qū)局部流場情況

現(xiàn)狀下（南堤建成，下同）碼頭區(qū)流場大部分時刻水流較為平順，僅高平潮時刻碼頭區(qū)在東側(cè)潛堤附近有一定環(huán)流存在，影響范圍也基本在碼頭區(qū)以外。

各方案實施后，漲潮末期和高平潮時刻碼頭區(qū)均出現(xiàn)不同程度環(huán)流，流態(tài)較亂。北堤加高方案實施后，由于北堤的導流及阻流作用，使得碼頭區(qū)形成覆蓋整個碼頭的環(huán)流，環(huán)流強度在0.08～0.25 m/s左右；南堤加高方案實施后，由于碼頭的導流及阻流作用，使得碼頭區(qū)形成覆蓋整個碼頭的環(huán)流，環(huán)流強度在0.08～0.15 m/s左右；南、北堤同時加高方案實施后，由于碼頭的導流及阻流作用，使得碼頭區(qū)形成覆蓋整個碼頭的環(huán)流，環(huán)流強度也在0.08～0.15 m/s左右。

由試驗數(shù)據(jù)可知，各方案流速變化基本一致，碼頭區(qū)域由于水深增大，流速呈減小趨勢，減小幅度在0～0.2 m/s左右；另外，防波堤加高段兩側(cè)流速也呈減小趨勢，減小幅度也在0～0.25 m/s左右；加高段外側(cè)由于挑流和繞流作用，流速呈增大趨勢，增加幅度在0～0.2 m/s左右。

3）潮流物理模型試驗

以0.5 m/s作為標準，統(tǒng)計出各方案實施后航道軸線最大橫流≥0.5 m/s的位置、出現(xiàn)時長以及最大橫流極值和出現(xiàn)位置，見表1。

表1 黃驊綜合港口門橫流各方案實驗結果

對比北堤加高方案建成后，從≥0.5 m/s的最大橫流數(shù)值上看，沿程各測點無論漲、落潮均未減小，反而略有增大；從出現(xiàn)位置來看，起始位置沒有改變，且沿程長度反而明顯增加。從在整個潮周期中≥0.5 m/s的最大橫流出現(xiàn)時長來看，沒有明顯優(yōu)勢。對比建成后的南堤加高方案，漲落潮流遇加高后的南堤后均產(chǎn)生挑流現(xiàn)象，均在堤后形成若干環(huán)流，環(huán)流范圍與流速大小呈正相關，且環(huán)流主要集中在航道軸線上。沿程各測點≥0.5 m/s的最大橫流方案三的漸變方式量值最小；最大橫流出現(xiàn)的起始位置距離綜合港口門也是最遠的，且出現(xiàn)的沿程長度也較小。

圖6 南堤加高方案3流場—漲潮中期流場

3）碼頭泊位區(qū)泥沙回淤計算結果

根據(jù)計算，原油碼頭區(qū)域各方案-19.5 m水深情況下，平均淤強在 1.0 m/a左右，回淤量約為 90萬m3/a；-23 m水深下淤強在3～3.5 m/a左右，年回淤量約為270～310萬m3/a。LNG碼頭區(qū)域各方案，-15 m水深情況下，淤強約為0.5～0.8 m/a，年回淤量約 30～50 萬 m3/a。

4 波浪模型計算結果與分析

波浪數(shù)學模型計算采用的是非結構三角形網(wǎng)格，參考黃驊港既有波浪實測資料進行了驗證，結果驗證了波浪模型參數(shù)選取合理，可用于預測分析。

1）根據(jù)工程海域?qū)崪y風和波浪資料分析，強風向應為N向、ENE向，常風向為E向、SW向；強浪向為NE向、ENE向，常浪向為NE向和偏E向。

2）針對現(xiàn)狀防沙堤及前文的北堤加高、南堤加高、南北同時加高方案四種工況條件下，采用波浪數(shù)學模型進行計算后，得到極端高水位、重現(xiàn)期50年一遇E向～NNE向波浪作用下，碼頭前典型點最大H1%波高分別為 4.41 m、4.44 m、3.66 m和3.59 m；設計高水位下，碼頭最大H1%波高分別為4.03 m、4.05 m、3.23 m和3.27 m；設計低水位下，碼頭計算點最大H1%波高分別為1.82 m、1.83 m、1.48 m和1.47 m。

3）針對現(xiàn)狀地形、北堤加高、南堤加高、南北同時加高方案四種工況條件，采用波浪數(shù)學模型進行計算后，得到設計高水位重現(xiàn)期2年一遇E向～NNE向波浪條件下，碼頭前典型點最大H4%波高分別為2.33 m、2.34 m、1.85 m和1.88 m，以該條件來校核港區(qū)泊穩(wěn)，則各方案不完全滿足泊穩(wěn)條件。

4）根據(jù)港區(qū)泊穩(wěn)計算結果，結合觀測波浪報表資料，對各方案的碼頭泊位受波浪影響損失作業(yè)天數(shù)進行統(tǒng)計后，得到NNE向、NE向、ENE向和E向波浪作用時，各方案碼頭水域主要受NNE向浪作用損失作業(yè)天數(shù)相對較多，南堤加高方案損失作業(yè)天最少為4天。

5 結 語

通過對各口門整治方案潮流波浪條件綜合分析，可以得出：從減小口門段橫流來看，南堤加高方案優(yōu)于北堤加高方案；從口門區(qū)流態(tài)來看，現(xiàn)狀下口門區(qū)流態(tài)略優(yōu)于南堤加高方案，而南堤加高方案優(yōu)于北堤加高方案；從對碼頭區(qū)波浪掩護效果來看，南堤加高方案優(yōu)于北堤加高方案。

總體來看，南堤加高方案在各方案中較優(yōu)，可在本研究基礎上，結合工程實際條件，考慮工程量、將工程造價與改善作業(yè)條件的效果對比、進行技術經(jīng)濟比選，細化設計南堤加高改造方案。