連云港港徐圩港區(qū)30萬t級(jí)原油碼頭港內(nèi)水域泥沙回淤及減淤措施研究

黃小鵬，丁 琦，郭冬冬

（中交上海航道勘察設(shè)計(jì)研究院，上海 200120）

引 言

在淤泥質(zhì)海岸建設(shè)港口，泥沙回淤是必須考慮的首要問題，對(duì)港口運(yùn)營(yíng)具有重要的參考意義。正在建設(shè)的連云港港徐圩港區(qū)屬于新建港區(qū)，位于淤泥質(zhì)淺灘開敞海域，坡緩水淺，風(fēng)浪掀沙作用明顯，必須修建防波堤以防浪檔沙，因而港區(qū)的布置型式為環(huán)抱式。

環(huán)抱式港區(qū)的建設(shè)及營(yíng)運(yùn)初期，將不可避免地遇到回淤量較大的情況，例如天津港、黃驊港、京唐港等，在其建設(shè)歷程中均受到過泥沙淤積量大的問題，其中天津港海岸性質(zhì)與徐圩港相同，均為淤泥質(zhì)海岸，可以作為參考來進(jìn)行類比。在天津港15萬t級(jí)航道建設(shè)時(shí)期[1]，總的年均淤積量為610萬m3，其中外航道年均回淤量約280萬m3，而港池的年均回淤量達(dá)到330萬m3，淤積較大部位靠近口門回流區(qū)，離開口門越遠(yuǎn)淤積越輕。可見，港池回淤在總回淤中所占比重要大于航道，且靠近口門附近港池所面臨的回淤問題更為嚴(yán)峻。

連云港港30萬t級(jí)航道二期工程與徐圩港區(qū)六港池北側(cè)盛虹30萬t級(jí)原油碼頭計(jì)劃于2019年同步建成。由于該碼頭是徐圩港區(qū)第一個(gè)建成的深水碼頭，正位于口門東側(cè)回流、緩流區(qū)，從上述類似工程的經(jīng)驗(yàn)來看，建成初期泥沙回淤量可能較大。為盡可能減少原油碼頭泊位維護(hù)疏浚給碼頭生產(chǎn)帶來的影響，有必要進(jìn)行30萬t級(jí)原油碼頭港內(nèi)水域泥沙回淤及減淤方案研究。

1 工程概況

連云港港徐圩港區(qū)位于海州灣埒子口以北至小丁港之間海岸，擬建盛虹30萬t級(jí)原油碼頭（1#）泊位及5萬t級(jí)液體散貨碼頭（2#～5#）泊位均位于徐圩港區(qū)東防波堤內(nèi)側(cè)的六港池內(nèi)，其中30萬t級(jí)原油碼頭（1#）泊位位于靠近口門處，采用“蝶形”離岸布置，碼頭總長(zhǎng)412 m；停泊水域?qū)挾?20 m（30萬t級(jí)油船2倍船寬），設(shè)計(jì)底高程-23.8 m；船舶回旋水域設(shè)置于碼頭前方，回旋水域按橢圓形布置，長(zhǎng)軸直徑為735 m（2.2倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)），短軸直徑為668 m（2.0倍設(shè)計(jì)船長(zhǎng)），設(shè)計(jì)底高程-21.5 m，乘潮水位3.35 m。港池水域與擬建連云港港徐圩港區(qū)30萬t級(jí)航道延伸段銜接，平面布置見圖1。

圖1 六港池平面布置

2 回淤分析及預(yù)測(cè)

2.1 回淤環(huán)境綜合分析

根據(jù)有關(guān)研究成果，防波堤建成后，在徐圩港區(qū)建設(shè)起步階段，港區(qū)內(nèi)淤積泥沙的來源主要有以下三個(gè)方面：一、防波堤口門進(jìn)沙；二、港內(nèi)淺灘沖刷供沙；三、周邊地形沖刷的過程性供沙。

徐圩港區(qū)防波堤建成后，港內(nèi)的泥沙運(yùn)動(dòng)機(jī)制依然為“波浪掀沙，潮流輸沙”，因此波浪和潮流是主導(dǎo)六港池水域回淤最主要的動(dòng)力條件。

1）波浪動(dòng)力

波浪動(dòng)力對(duì)六港池回淤的貢獻(xiàn)主要有兩個(gè)方面：一是港外淺灘泥沙被波浪掀動(dòng)后由潮流挾帶進(jìn)入口門，部分落淤于六港池水域；二是在近期、中期建設(shè)階段，港內(nèi)灘面泥沙被波浪掀動(dòng)后，隨潮流運(yùn)動(dòng)，在港內(nèi)深水區(qū)淤積，部分落淤于六港池盛虹碼頭水域。

2）潮流動(dòng)力

潮流動(dòng)力的主要貢獻(xiàn)在于將泥沙挾帶至動(dòng)力相對(duì)較弱的水域落淤。根據(jù)數(shù)學(xué)模型的研究，口門處漲潮流速較大，為港外泥沙向港內(nèi)輸送提供有利條件，六港池距口門最近，港外輸沙優(yōu)先進(jìn)入該水域，同時(shí)其南側(cè)灘面掀沙后也易被潮流挾帶進(jìn)入深水區(qū)。由于六港池水域的回流區(qū)現(xiàn)象較為明顯，在一個(gè)潮周期中的持續(xù)時(shí)間也較長(zhǎng)，動(dòng)力條件相對(duì)較弱，為水體中泥沙的落淤創(chuàng)造了較為有利的動(dòng)力環(huán)境。

3）含沙量分布

根據(jù)實(shí)測(cè)資料分析與數(shù)模研究，徐圩港區(qū)的含沙量分布總體上由港區(qū)口門向港區(qū)底部逐漸減小。盛虹碼頭前沿水域位于口門附近的六港池，一方面受口外來沙影響較為直接，另一方面其南側(cè)的淺灘也為泥沙提供了一定來源，因此含沙量在整個(gè)港區(qū)中相對(duì)較高。

綜上，盛虹碼頭所在的六港池水域靠近徐圩港區(qū)口門，為波浪較大、流態(tài)復(fù)雜、泥沙供應(yīng)相對(duì)充足的水域。根據(jù)以往的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，其受到泥沙回淤的影響可能較大，需要采取相關(guān)措施來減輕回淤，以保證航道、港池、及碼頭前沿水域的正常運(yùn)營(yíng)。

2.2 回淤預(yù)測(cè)

利用泥沙數(shù)學(xué)模型，對(duì)六港池盛虹碼頭水域的回淤情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，六港池水域的劃分見圖2，常年淤積強(qiáng)度分布見圖3，各相關(guān)水域的回淤情況列于表1。

圖2 六港池水域劃分

圖3 六港池水域常年沖淤?gòu)?qiáng)度分布示意

表1 盛虹30萬t級(jí)碼頭（1#）水域常年回淤情況

徐圩港口門處潮流動(dòng)力較強(qiáng)，泥沙不易落淤，淤?gòu)?qiáng)相對(duì)較小，向六港池方向動(dòng)力逐漸減弱，淤?gòu)?qiáng)有所上升。盛虹30萬t級(jí)碼頭回旋水域?yàn)榛亓鲄^(qū)影響較大的水域，動(dòng)力較弱，南側(cè)灘面面積較大，因而淤?gòu)?qiáng)較大，平均淤?gòu)?qiáng)達(dá)到1.49 m/a，西南側(cè)灘槽交界處淤?gòu)?qiáng)最大；由于泥沙輸運(yùn)方向主要由回旋水域指向泊位，因此30萬t級(jí)碼頭泊位的淤?gòu)?qiáng)小于回旋水域，為0.98 m/a。

3 減淤措施研究

3.1 港內(nèi)減淤措施綜述

淤泥質(zhì)港口的回淤問題一直是困擾港口建設(shè)、生產(chǎn)的核心技術(shù)問題。回淤量與港口所在海域的動(dòng)力、泥沙條件以及口門的形狀息息相關(guān)[2]。除此之外，沿海地區(qū)鹽淡水混合引起的密度流對(duì)于泥沙回淤的影響也很重要。當(dāng)港池位于外海或者寬闊的湖面時(shí)，風(fēng)以及風(fēng)生流對(duì)泥沙產(chǎn)生的擾動(dòng)也對(duì)泥沙回淤有著重要影響。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果，淤泥質(zhì)港口的減淤方法分被動(dòng)和主動(dòng)減淤兩種，前者是指無機(jī)械設(shè)備的方法（如優(yōu)化港口入口形態(tài)、增設(shè)導(dǎo)流設(shè)施、引入適航水深等）；后者為機(jī)械設(shè)備法（射流泵、水流噴射等）。

徐圩港區(qū)所處海域無大型徑流匯入，水體中的鹽度垂向分布比較均勻，因此不存在鹽水楔引起密度流所導(dǎo)致的回淤較大的問題，無需對(duì)此采取措施；港區(qū)口門的防波堤已按規(guī)劃修建完成，因此口門形態(tài)已無優(yōu)化余地；受限于六港池內(nèi)水域的面積，也無法建造潛堤、導(dǎo)流堤等。因此，適合盛虹碼頭水域的減淤措施主要有三個(gè)，一是在泊位區(qū)附近設(shè)置積淤槽，二是擾動(dòng)疏浚，三是適航水深法。考慮工程實(shí)際情況，選用積淤槽減淤方案比較具有可操作性，本文也主要就積淤槽方案的減淤效果進(jìn)行分析和研究。

3.2 減淤方案設(shè)計(jì)

1）積淤槽平面布置

本工程維護(hù)疏浚減淤措施采用積淤槽方案，來減少工程水域的年維護(hù)疏浚工程量。通過不同位置和尺度的積淤槽實(shí)施方案對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，積淤槽寬度為100 m，中心線布置在30萬t級(jí)原油碼頭泊位處，減淤效果最好，因此本工程積淤槽平行于泊位布置，總寬度為100 m，其中50 m寬度置于原泊位區(qū)中，50 m寬度置于原回旋水域中，中心線長(zhǎng)度約650 m，總面積約6.4萬m2，設(shè)計(jì)底高程為-26.5 m。積淤槽具體位置詳見圖4，具體設(shè)計(jì)尺度詳見表2。

圖4 積淤槽平面布置

表2 積淤槽基建尺度

2）積淤槽基建及維護(hù)工程量

根據(jù)2013年徐圩港區(qū)1：10 000測(cè)圖進(jìn)行港池內(nèi)積淤槽基建工程量的計(jì)算。港池疏浚到設(shè)計(jì)底高程后，進(jìn)行積淤槽的挖槽施工，根據(jù)回淤分析及數(shù)模研究成果，積淤槽內(nèi)年淤?gòu)?qiáng)取值為1.4 m/a，經(jīng)計(jì)算，積淤槽基建工程量為24.1萬m3，年回淤量約8.96萬m3，積淤槽設(shè)計(jì)水深-26.5 m，30萬t級(jí)（1#）碼頭的停泊水域設(shè)計(jì)水深為-24.0 m，回旋水域設(shè)計(jì)水深為-21.7 m。因此積淤槽維護(hù)周期可定為3年，每次維護(hù)疏浚總量為27.6萬m3，具體基建尺度及工程量見表2。

4 積淤槽減淤綜合分析

4.1 回淤?gòu)?qiáng)度對(duì)比分析

根據(jù)本工程流場(chǎng)、波浪場(chǎng)、含沙量分布等特征以及回淤動(dòng)力和回淤環(huán)境分析，經(jīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算，積淤槽建設(shè)完工后，對(duì)盛虹30萬t級(jí)原油（1#）碼頭前沿停泊水域的淤?gòu)?qiáng)減少作用明顯,積淤槽實(shí)施前后具體回淤?gòu)?qiáng)度對(duì)比見表3。

表3 水域回淤?gòu)?qiáng)度對(duì)比

4.2 減淤效果對(duì)比分析

積淤槽實(shí)施后，盛虹30萬t級(jí)原油碼頭（1#）停泊水域和回旋水域的淤?gòu)?qiáng)明顯減少，特別是碼頭停泊水域，淤?gòu)?qiáng)減少約35%，相比減淤措施實(shí)施前，每年維護(hù)疏浚總量減少約10.5萬m3，占原疏浚總量比約13.4%。積淤槽實(shí)施前后具體回淤量對(duì)比見表4。

表4 水域維護(hù)疏浚工程量對(duì)比

4.3 經(jīng)濟(jì)效益綜合對(duì)比分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合相關(guān)編制規(guī)定，并按照合理、經(jīng)濟(jì)的施工技術(shù)路線和船機(jī)配備方案，進(jìn)行積淤槽實(shí)施前后的費(fèi)用計(jì)算和對(duì)比。疏浚單價(jià)根據(jù)交通部交基發(fā)（1997）246號(hào)文發(fā)布的關(guān)于《疏浚工程概算、預(yù)算編制規(guī)定》及配套定額測(cè)算。費(fèi)用對(duì)比分析見表5。

表5 積淤槽實(shí)施前后經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

從表5可以看出，積淤槽實(shí)施后，碼頭停泊水域的年維護(hù)次數(shù)減少一次，增加了相應(yīng)的船舶可停泊時(shí)間，具有很好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)碼頭的運(yùn)營(yíng)和管理增益明顯。積淤槽需要每3年維護(hù)一次，因此水域維護(hù)的費(fèi)用周期按照三年來計(jì)算，相比較而言，積淤槽實(shí)施后三年維護(hù)費(fèi)用減少約235萬元，占比3.5%，可見維護(hù)工程的經(jīng)濟(jì)費(fèi)用減少也較明顯。

5 結(jié) 語

1）通過泥沙和潮流數(shù)學(xué)模型，對(duì)徐圩港區(qū)港內(nèi)水域回淤環(huán)境進(jìn)行了綜合分析，認(rèn)為波浪和潮流是主導(dǎo)港池水域回淤最主要的動(dòng)力條件。

2）根據(jù)數(shù)模回淤研究成果，積淤槽的建設(shè)，對(duì)港池水域的淤?gòu)?qiáng)減弱作用明顯；積淤槽實(shí)施后，年維護(hù)疏浚總量及年維護(hù)次數(shù)均減少，可見積淤槽的減淤效果較好，可以在港池減淤實(shí)施中推廣應(yīng)用。

3）通過經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比發(fā)現(xiàn)，積淤槽的實(shí)施，不僅減少了港池年維護(hù)費(fèi)用，還增加了港內(nèi)停泊水域的使用時(shí)間，有利于港口碼頭的運(yùn)營(yíng)和管理，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益突出，具有可實(shí)施性。

4）積淤槽的挖槽深度、相對(duì)位置、設(shè)計(jì)尺度及對(duì)泥沙淤積的中、長(zhǎng)期影響尚未能進(jìn)一步研究，因此關(guān)于積淤槽的減淤效果尚有進(jìn)一步的研究空間。