湄洲救助基地碼頭工程泊穩(wěn)條件與泥沙淤積數(shù)值計算分析

李松喆，張明進，劉海源，鄭金海

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456）

湄洲救助基地碼頭工程泊穩(wěn)條件與泥沙淤積數(shù)值計算分析

李松喆1,2，張明進2，劉海源2，鄭金海1

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室,天津300456）

通過分析湄洲灣的水文泥沙條件，對救助基地碼頭工程的2個擬建位置進行了比選，建立工程區(qū)波浪數(shù)學(xué)模型，計算了不同工程方案情況下港內(nèi)泊穩(wěn)條件，采用經(jīng)驗公式估算了工程區(qū)附近泥沙淤積及大風(fēng)驟淤。結(jié)果表明：湄洲島西南部海岸由于其海域海床基本穩(wěn)定且沙源較少，發(fā)生較大驟淤的可能性較小；由于湄洲島南端岸線有效地阻擋了N向—SSE向的波浪，使得近岸碼頭方案的前沿設(shè)計波要素更小；港內(nèi)泊穩(wěn)條件與碼頭離岸距離相關(guān)；近岸區(qū)域年平均淤強在較小范圍內(nèi)，在預(yù)留一定的備淤深度的情況下可以滿足船舶安全通行和港口正常作業(yè)的要求。

波浪；泥沙；數(shù)值模擬；泊穩(wěn)條件；碼頭工程；湄洲灣

我國東南沿海受臺風(fēng)等極端天氣影響較大，海上作業(yè)受到威脅，急需設(shè)立救助基地加以保障。湄洲救助基地碼頭工程選址在湄洲灣口處的湄洲島上，建成后可為福建沿海及周邊海域的海上作業(yè)提供安全救援，保障人民生命財產(chǎn)安全。為了給碼頭工程選址及初步設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)，本文采用平面二維波浪數(shù)學(xué)模型，針對不同位置的碼頭布置方案計算救助船舶泊穩(wěn)條件，計算給出影響作業(yè)天數(shù)；同時，針對航道與船舶回旋水域的開挖情況，采用經(jīng)驗公式進行泥沙回淤計算和驟淤分析，給出開挖區(qū)域的年回淤估算值。

1 工程區(qū)水文泥沙條件

湄洲救助基地碼頭工程選址在湄洲灣口的湄洲島上，位于我國福建沿海中部，臺灣海峽西側(cè)［1］。擬建碼頭港址位于湄洲島西側(cè)中部的九寶瀾附近，A1和A2為2個擬建碼頭位置，如圖1所示。擬建碼頭前沿為盤嶼西北水道，水下坡道較大，南側(cè)為一沙砠地貌，東北側(cè)為灘涂地帶、延伸至文甲水道的西口，引橋根部礁石露頭。隔灣口與東周半島、黃干島、劍嶼等地相望。湄洲灣海區(qū)水文泥沙情況概述如下：

（1）風(fēng)浪：湄洲灣海域?qū)賮啛釒ШＱ笮詺夂颍募痉置鳌＝y(tǒng)計資料分析［2］：常風(fēng)向為NNE和NE向，頻率分別為28%和26%；秋季和冬季盛行偏東北風(fēng)，常風(fēng)向為NNE向，次常風(fēng)向為NE向，二者出現(xiàn)頻率分別為27%和24%；春季常風(fēng)向為NE向，次常風(fēng)向為NNE向，出現(xiàn)頻率為48%；夏季常風(fēng)向為SSW向，次常風(fēng)向SW向，出現(xiàn)頻率為53%。

（2）潮汐［3-5］：湄洲灣潮汐屬于正規(guī)半日潮，即每日出現(xiàn)2次高潮和2次低潮，根據(jù)秀嶼觀測站的中期驗潮資料，以及在湄洲灣口及灣內(nèi)的斗尾、東吳和秀嶼的同步驗潮資料，統(tǒng)計得到湄洲灣潮汐特征，據(jù)湄洲灣同步驗潮資料可知，從灣口到灣頂，高潮位逐漸抬高，低潮位逐漸降低，潮差呈遞增變化。從潮差上看，灣內(nèi)秀嶼站的最大潮差可達(dá)7.59 m，最小潮差則為2.22 m，其間極值相差5.37 m，變幅較大。

圖1湄洲島位置示意圖及救助碼頭選址Fig.1Location of Meizhou Island and rescue base

（3）潮流［3-5］：湄洲灣的潮流為正規(guī)的半日潮流。湄洲灣因受地形控制，灣內(nèi)基本上是往復(fù)流；深槽部位漲落潮流向基本上與槽向一致，大潮流速大于小潮流速，表層流速大于底層流速。灣內(nèi)西側(cè)山腰灣口內(nèi)至峰尾附近漲潮流速約為2.444 m/s，落潮流速約為1.801 m/s。在這兩側(cè)中間，即灣內(nèi)主航道附近，均為落潮流大于漲潮流。

（4）泥沙［3-5］：本海區(qū)懸沙含沙量實測最大值，漲潮達(dá)到0.239 6 kg/m3（山腰灣口附近），落潮達(dá)到0.932 5 kg/m3（黃干島南側(cè)）。平均含沙量一般在0.01～0.043 3 kg/m3，且冬季高于夏季，落潮高于漲潮，灣口高于灣內(nèi)，深槽高于兩側(cè)。含沙量高值一般出現(xiàn)在半潮位漲、落急時段，并形成于底層。本海區(qū)冬季平均含沙量在0.027 7～0.068 2 kg/m3，在口門附近，落潮平均含沙量高于漲潮，灣頂漲潮平均含沙量高于落潮。夏季平均含沙量在0.010 3～0.025 6 kg/m3，口門附近漲潮平均含沙量高于落潮，灣頂落潮高于漲潮。含沙量垂直變化比較小，底層平均含沙量為表層的1.5～2.0倍，且有冬季含沙量垂直變幅大于夏季，灣口垂直變幅大于灣頂?shù)奶攸c。

2 碼頭建設(shè)方案

湄洲救助基地碼頭工程選址在湄洲島上，可供比選的兩處碼頭分別位于湄洲島西側(cè)的原對臺客運碼頭（A1）和湄洲島南側(cè)鵝尾山西側(cè)位置（A2），兩備選位置方位見圖1。為了確定救助碼頭建設(shè)位置，從以下3個方面對初步選址的2個位置方案進行比較。

（1）泥沙來源與沿岸流輸沙：A1處2個岬灣式海岸的中間岬頭位置，其東側(cè)有較長的相對順直岸線，可能存在較強的輸沙能力；A2處位于一個岬灣式海岸的頭部位置，該處不存在沿岸流和較大的沙源。

（2）泥沙運動平衡情況：A1處客運碼頭建成后一直處于淤積狀態(tài)，期間進行過幾次疏浚，疏浚后均淤積變淺。目前該區(qū)域還沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，仍處于發(fā)展階段。如在該處續(xù)建引橋及碼頭，進一步淤積的可能性較大；A2處離岬角較近，目前該區(qū)域附近無大的工程，附近沒有沿岸輸沙的地形地貌特征，并受到南側(cè)岬角一定的掩護，該位置泥沙運動長期處于平衡狀態(tài)［6］。

（3）波浪影響情況及驟淤分析：根據(jù)實測資料分析，湄洲灣海區(qū)的常浪向為NNE—NE方向，多發(fā)生在秋季、冬季、春季，湄洲灣海區(qū)的強浪向為SE方向［7］。根據(jù)初步選址所在位置并結(jié)合該區(qū)域相關(guān)研究成果，A1和A2兩選址位置波浪影響情況相當(dāng)。驟淤大多發(fā)生在臺風(fēng)浪等強浪天氣，大浪造成沙質(zhì)岸灘剖面橫向變化，可能使得A1碼頭區(qū)域引起一定的驟淤；A2處由于其所處的泥沙輸運平衡位置及沙源較少，發(fā)生較大驟淤的可能性較小。經(jīng)比較分析，湄洲救助基地碼頭工程選址在A2處。為減少波浪對碼頭及船舶影響，碼頭位置盡量布置在靠近灣內(nèi)的位置，這樣借用湄洲島西南端岸線作為港區(qū)掩護，可以有效降低港區(qū)波高值，并且為保證港池船舶航行水深，進行必要的開挖。以下研究均針對A2處的碼頭布置進行計算分析。選定鵝尾山西側(cè)作為工程建設(shè)位置，根據(jù)該區(qū)域水深情況，設(shè)計單位共設(shè)計了3個方案。圖2為3個方案平面布置圖，碼頭長350 m，均為組合樁基碼頭形式，以減少避免碼頭前沿波浪反射。方案1位于-10 m等深線附近，碼頭走向平行于-10 m等深線；方案2位于-8 m等深線且基本平行于方案1碼頭走向，方案2港區(qū)需要進行局部開挖，使得港區(qū)水深達(dá)到-9.7 m；方案3更靠近灣內(nèi)側(cè)，成NNE—SSW走向，距離基地岸線近，該方案同樣需要進行局部開挖，使得港區(qū)水深達(dá)到-9.7 m。

3 波浪數(shù)學(xué)模型

3.1設(shè)計水位

設(shè)計波浪要素推算水位為校核高水位、設(shè)計高水位、設(shè)計低水位；泊穩(wěn)計算采用設(shè)計高水位。以85高程計，湄洲灣水域的校核高水位、設(shè)計高水位、設(shè)計低水位分別為4.59 m、3.28 m、-2.74 m。

3.2根據(jù)風(fēng)資料推算外海波要素

平海海洋站位于東經(jīng)119度16分、北緯25度11分，位于湄洲島東北方向30 km，是距離工程區(qū)域較近的測站，如圖3所示，以平海測站的實測資料作為本次計算的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過平海站1962年至1972年實測風(fēng)速和波浪資料的統(tǒng)計分析可以得到［8］：

（1）各向Vm、Vmax及出現(xiàn)頻率風(fēng)玫瑰圖見圖4，可見平海站常風(fēng)向為NNE向，頻率約為28.8%，強風(fēng)向為SSW向和SE向，最大風(fēng)速可達(dá)34 m/s。

（2）該海域常浪向為NE，出現(xiàn)頻率為50.08%，次常浪向SSW，頻率12.62%；強浪向為S，其次為ESE向和SE向。

根據(jù)1962至1972年平海站各向H1/10波高值，用PⅢ型曲線作為理論頻率曲線，適線法求得平海站各波向各重現(xiàn)期的波高值。采用拋物型緩坡方程波浪數(shù)學(xué)模型計算，反推出-50 m等深線處P點的波要素（表1）。

3.3設(shè)計波要素計算

（1）Mike21 PMS波浪數(shù)學(xué)模型。

該模型考慮了由于水深變化而引起的折射和淺水變形，以及由于底部摩擦和波浪破碎而引起的沿波浪主要方向的衍射和能量耗散。該模型采用拋物線近似法求解橢圓型緩坡方程，差分格式Crank-Nicholson。如圖3方框線圍起的區(qū)域代表了外海波浪傳入的計算模型范圍，其中P點位于-50 m水深等深線上，以有效波高作為外海邊界條件的依據(jù)進行模型計算，計算范圍70.6 km×77 km，計算網(wǎng)格尺寸ΔX=ΔY=20 m。

（2）Mike21 SW波浪數(shù)學(xué)模型。

Mike21 SW是基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的新一代分譜風(fēng)浪計算模擬模型，其模擬的物理現(xiàn)象包括風(fēng)生波、非線性波浪相互作用、水深變化引起的折射和淺水變形等。計算域范圍同圖3。模型計算在各方向上的風(fēng)場給定包括風(fēng)速、風(fēng)向，均以平海海洋站實測波要素作為驗證依據(jù)最終確定。

3.4計算結(jié)果

根據(jù)湄洲灣基地工程所在位置特點，計算波向考慮SE—NW向，其中SE向、SSE向、S向、SSW向、SW向采用大范圍PMS模型（外海來浪）計算，WSW向、W向、WNW向、NW向采用SW模型計算。采用SW模型計算時也參照平海站統(tǒng)計資料作為依據(jù)。計算重現(xiàn)期為50 a、25 a、5 a、2 a，計算水位為校核高水位、設(shè)計高水位、設(shè)計低水位。

設(shè)計高水位下重現(xiàn)期50 aH13%波高分布見圖5，計算結(jié)果顯示，50 a一遇極端高水位條件下，最大波高出現(xiàn)在SSW向，達(dá)到5.8 m，其次為S向、SSE向，分別為5.41 m和3.89 m，這3個方向主要是外海涌浪所致。由于湄洲島南端陸地掩護，SE向、ESE向、E向外海來浪影響較小，方案3充分利用了這一優(yōu)點，使得設(shè)計碼頭前沿波高比方案1小很多，大大提高了碼頭泊穩(wěn)條件。

圖3大范圍波浪場計算范圍Fig.3Calculation domain of wave field

圖4平海海洋站風(fēng)玫瑰圖Fig.4Wind rose of Pinghai observation station

表1-50 m等深線處（P點）有效波高Tab.1Significant wave height on-50 m isobath

3.5港內(nèi)泊穩(wěn)條件分析

采用Mike21 BW模型計算港池泊穩(wěn)時，考慮到了地形和水工建筑對波浪的折射、反射、繞射及底摩擦損耗，多年來被多次成功應(yīng)用于港內(nèi)波浪數(shù)值模擬中，用于港池內(nèi)波況及碼頭泊穩(wěn)計算分析，模擬結(jié)果接近工程實際。湄洲灣救助基地碼頭軸線為SSW-NNE向，規(guī)劃泊位為3 000 t級和5 000 t級，根據(jù)規(guī)范要求，船浪夾角≥45°為橫浪，船浪夾角＜45°為順浪，5 000 t級以下船舶作業(yè)的波穩(wěn)條件為順浪H4%≤0.8 m，橫浪H4%≤0.6 m。設(shè)計高水位，重現(xiàn)期2 a的波浪條件下，方案3碼頭中間前沿位置處的比波高和H4%波高計算結(jié)果如表2所示。可見，在重現(xiàn)期2 a一遇的波浪條件下，港區(qū)受SE—NW向波浪影響，只在SE向滿足泊穩(wěn)條件，其他方向的波浪條件均不滿足設(shè)計船只的泊穩(wěn)條件。

根據(jù)《開敞式碼頭設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)程》［9］，因受災(zāi)害性風(fēng)、浪影響，船舶必須離開碼頭時，其緊急離泊波高可取1.5～2 m。為保障救助船舶安全，本文取1.5 m為緊急離泊波高，根據(jù)表1，S向、SSW向、SW向影響船舶停泊，需離開碼頭。受波浪影響的作業(yè)天數(shù)見表3。

根據(jù)港池泊穩(wěn)計算結(jié)果和各方向波浪出現(xiàn)的頻率，對3個方案碼頭受波浪影響的作業(yè)天數(shù)及影響的船舶停靠碼頭的天數(shù)做出統(tǒng)計。如考慮風(fēng)、雨、霧天氣，影響天數(shù)還將增加，根據(jù)文獻［1］，風(fēng)≥6級，雨≥2.6 mm/0.5～1 h，霧能見度≥1 000 m全年影響作業(yè)的天數(shù)分別為13.93 d、7.73 d、11.56 d。由于風(fēng)與浪重復(fù)的可能性大，考慮雨、霧的影響還應(yīng)該減少作業(yè)天數(shù)20 d左右。

綜上，方案1～方案3碼頭前沿5 000 t級船舶作業(yè)影響天數(shù)分別為42.03 d、40.42 d、35.06 d，考慮雨、霧的影響還應(yīng)該減少作業(yè)天數(shù)20 d左右，總影響天數(shù)分別為62.03 d、60.42 d、55.06 d。救助船舶沒有作業(yè)需求，方案1～方案3碼頭救助船舶在波高大于1.5 m時緊急離泊天數(shù)分別為21.63 d、20.19 d、16.13 d。

圖5重現(xiàn)期50 a一遇設(shè)計高水位下H13%波高分布圖Fig.5Distribution of H13%in return period of 50 years on highest design water level

表2不同方案設(shè)計高水位重現(xiàn)期2 a主要影響波向比波高及H4%波高Tab.2Wave height and wave H4%influenced by different design of 2 years return period on high water level

表3不同方案波浪影響頻率(%)及天數(shù)(d)Tab.3Frequency and days of wave influence in different schemes

4 泥沙淤積

對于泥沙淤積問題，本文計算了方案2、方案3在10 a一遇風(fēng)浪情況下，挖槽內(nèi)平均淤強及淤積量。淤強計算采用如下公式［10］

式中：p為年平均淤強，m；k為泥沙沉降幾率，取0.45；ω為泥沙動水沉降速度，本海區(qū)懸沙中值粒徑介于0.006 9～0.009 9 mm，碼頭前沿港池內(nèi)泥沙沉速的取值約為0.042 cm/s［11］；s為水體年平均含沙量。經(jīng)以往研究成果及現(xiàn)場觀測資料統(tǒng)計分析，工程區(qū)海域，年平均含沙量取值約為0.07 kg/m3［11］；t為淤積時間，s;γ0為淤積泥沙干容重；h1為開挖前半潮位下平均水深，m；h2為開挖后半潮位下平均水深，m；θ為水流流向與開挖航道走向所夾之銳角（°）。計算結(jié)果見表4。

驟淤計算仍采用上述淤積量計算公式，但計算參數(shù)需作必要的調(diào)整。由于本區(qū)實測含沙量資料不足，特別是大風(fēng)天實測含沙量資料更是缺乏，故采用經(jīng)驗公式作一估算。

當(dāng)海上大風(fēng)（臺風(fēng)）出現(xiàn)時，含沙量會呈數(shù)倍增大，本文采用式（2）作近似推算。

式中：γs為泥沙顆粒重度；V→1為潮流V→（取漲潮流流速平均值）和風(fēng)吹流V→b的合成流速，即V→b=0.020U→；U→為風(fēng)速矢量；V→2為波動水流流速；C為波速；Hˉ為平均波高；h為水深；其他參量意義同前。

對于大風(fēng)驟淤分析，本文計算了方案2、方案3在10 a一遇風(fēng)浪情況下，挖槽內(nèi)平均淤強及淤積量。當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)天氣時，水體紊動強烈，挾帶泥沙粒徑較大，在計算中對泥沙沉速和含沙量等參數(shù)也都進行相應(yīng)的調(diào)整。另外，由于大風(fēng)天氣持續(xù)時間長短不一，統(tǒng)一按24 h淤積強度進行計算。計算結(jié)果表明，方案2在10 a一遇S向浪作用下，淤強值介于0.06～0.09 m/d，挖槽內(nèi)淤積總量約為1 876 m3/d；方案3在10 a一遇S向浪作用下，淤強值介于0.07～0.10 m/d，挖槽內(nèi)淤積總量約為4 387 m3/d。而其他方向大風(fēng)天出現(xiàn)的淤積都會小于S向浪的作用，因此，只要預(yù)留一定的備淤深度，是可以滿足船舶安全通行和港口正常作業(yè)的要求。

表4淤強及淤積量計算結(jié)果Tab.4Calculation results of siltation intensity and sedimentation volume

5 結(jié)論

根據(jù)以上研究成果，本文得出以下結(jié)論：

（1）從泥沙來源、泥沙運動機理及波浪和大風(fēng)驟淤等方面對P1、P2兩個碼頭選址位置進行了比選分析，選定P2處為湄洲救助基地碼頭工程位置。

（2）湄洲島南端岸線有效地阻擋了N—SSE向的波浪，使得方案3的碼頭前沿設(shè)計波要素值比方案1和方案2優(yōu)越。

（3）計算表明，方案1～方案3碼頭前沿5 000 t級船舶作業(yè)影響天數(shù)分別為42.03 d、40.42 d、35.06 d，考慮雨、霧的影響還應(yīng)該減少作業(yè)天數(shù)20 d左右，總影響天數(shù)分別為62.03 d、60.42 d、55.06 d。

（4）救助船舶沒有作業(yè)需求，方案1～方案3碼頭救助船舶在波高大于1.5 m時緊急離泊天數(shù)分別為21.63 d、20.19 d、16.13 d。

（5）通過對工程區(qū)附近泥沙回淤分析，方案2年平均淤強介于0.18～0.36 m/a，挖槽內(nèi)淤積總量約為6 567 m3/a，方案3年平均淤強介于0.19～0.48 m/a，挖槽內(nèi)淤積總量約為15 355 m3/a。

（6）從水流與泥沙淤積角度來看，方案1、方案2優(yōu)于方案3；從波浪條件與船舶泊穩(wěn)條件來看，方案3優(yōu)于方案2、方案1。綜合分析波浪條件及泥沙淤積，推薦方案3為救助基地碼頭工程平面布置方案。

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Numerical calculation analysis on tranquility condition and sediment deposition of wharf engineering of Meizhou rescue base

LI Song?zhe1,2,ZHANG Ming?jin2,LIU Hai?yuan2,ZHENG Jin?hai1
（1.College of Harbor,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport, Tianjin 300456,China）

The condition of hydrology and sediment of Meizhou Bay was analyzed and the two locations of the rescue base wharf on Meizhou Island were combined.The numerical wave model of engineering area was estab?lished and the tranquility condition of different engineering schemes was calculated.The sediment deposition and sudden silting near the engineering area were estimated by empirical formula.The result shows that it is less likely to occur in serious sudden siltation because of its location of sediment transport balance and less sand source on the southwest coast of Meizhou Bay.As a result of Meizhou Island at the southern end of the shoreline,it effectively blocks the waves of direction from N to SSE of the waves,and the design wave elements of coastal wharf scheme are smaller.The tranquility condition is associated with the offshore distance of the wharf.The average annual siltation intensity of the nearshore region is in a small range.The requirements are satisfied for ship traffic and port operating under the circumstances of the certain depth for siltation.

wave;sediment;numerical simulation;Meizhou Bay;tranquility condition;wharf engineering

TV142；O242.1

A

1005-8443（2015）04-0302-06

2015-01-29；

2015-04-08

李松喆（1990-），男，天津市人，碩士研究生，主要從事海岸動力學(xué)與海岸工程研究。

Biography：LI Song?zhe(1990-),male,master student.