東營港區航道工程潮流物理模型試驗研究

肖立敏，王海龍，孫林云

(1.南京水利科學研究院 河流海岸研究所，江蘇 南京 210029；2.港口航道泥沙工程交通行業重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.東營港經濟開發區經濟發展局，山東 東營 257237)

東營港區位于現代黃河三角洲東北突出部位。目前，港區以棧橋作業區為主。隨著港區的發展，東營港區將形成環抱式港池，并擬建設10萬噸級單線兼顧5萬噸級雙線航道以及配套的口門防波擋沙堤工程[1]。航道方位角為55°～235°，通航寬度為357 m，設計底高程為-17.0 m(理論最低潮面起算)，港區規劃平面布置見圖1。

圖1 東營港區總體規劃平面布置

東營港區所在海域潮差小、流速大，且流向基本與岸線平行。減小口門橫流是東營港區航道工程建設面臨的關鍵問題之一，其與防波擋沙堤的布置(包括走向、長度和堤頂高程)密切相關。潮流物理模型是解決航道水流問題的重要手段之一。徐嘯[2]建立了廈門港潮汐水流整體模型，劉學海等[3]設計了膠州灣全域潮流物理模型，徐群等[4]通過伶仃洋河口潮流物理模型試驗研究港珠澳大橋建設對伶仃洋河口潮流動力環境的影響，王建中等[5]通過象山港整體物理模型分析了避風錨地工程對周邊航道等影響，張磊等[6]借助潮流物理模型試驗研究茅尾海航道開發。筆者基于東港區潮流物理模型試驗，研究不同防波擋沙堤布置方案下，東營港區10萬噸級進出港航道工程的水流條件，為航道工程的規劃設計提供技術支持。

1 工程區潮汐潮流特征

根據2000年4月國家海洋信息中心統計分析結果[7]，東營港區潮汐系數(HK1+HO1)/HM2=24.0，為正規日潮。漲潮歷時12 h 6 min，落潮歷時12 h42 min。東營港區緊鄰黃河口附近的無潮點，潮差較小。統計資料表明，工程海域最高潮位1.93 m，最低潮位-0.76 m；平均高潮位1.02 m，平均低潮位0.41 m；最大潮差1.66 m，最小潮差0.10 m，平均潮差0.61 m。2015年7月31日—8月1日，工程海域實測大潮最高潮位為1.45 m，最低潮位均為0.37 m，高潮落潮潮差為1.08 m，低潮漲潮潮差為0.90 m。

2015年7月31日—8月1日(大潮)和8月8日—8月9日(小潮)在東營港區海域進行了同步水文觀測[8]。水文測驗時，東營港區口門北防波堤已經形成，南防波堤還未建設。圖2為水文測驗大潮流速矢量圖，工程海域潮流流向為東南西北向，基本與等深線平行，表現為較明顯的往復流性質。從垂線平均流速的平面分布看，工程海域潮流較強，在口門北防波堤堤頭附近，垂線平均最大流速達1.36 ms，平均流速約0.60 ms。在港區口門以外，隨著水深的增加，流速呈逐漸減小的趨勢。-14 m等深線附近的垂線平均最大流速在0.95 ms左右，平均流速約0.50 ms；-17 m等深線處的垂線平均最大流速為0.75 ms左右，平均流速約0.45 ms。從垂線分布看，沿水深自上而下，流速逐步減小，流向基本一致。

注：L1～L7為垂線測點

2 物模模型設計與驗證

2.1 模型比尺及布置

根據試驗要求和模型研究范圍，結合場地條件，取模型平面比尺1:1 200、垂直比尺1:150，模型變率為1:8。水流速度比尺λu=12.2，水流時間比尺λt=98，糙率系數比尺λn=0.81。

模型模擬范圍：沿岸方向約38 km，離岸約34 km，外海邊界位于-20 m等深線附近。由于工程區海域潮差較小，物理模型中不考慮潮汐運動，主要模擬潮流動力。模型潮流動力系統由變頻雙向泵組成，輔以回水廊道、緩沖前池[9]。

2.2 模型驗證

利用2015年7月31日—8月1日實測大潮流速流向進行模型驗證。圖3為部分點位物理模型試驗與實測的對比。由圖3可見，流速、流向的試驗模擬結果與實測值吻合良好，能較好地反映工程區潮流動力特性。

圖3 2015年實測大潮流速、流向過程驗證曲線

3 防波擋沙堤布置方案

東營港區由南、北防波堤環抱掩護，口門處泥面高程為-10.0 m。擬開挖航道，并在防波堤口門外側建設南、北防波擋沙堤，防波擋沙堤間距1 400 m。防波擋沙堤布置考慮如下5個方案：

方案1：口門不建防波擋沙堤，見圖4a)。

方案2：堤頭布置于天然水深-12.0 m處，在最開始的200 m，堤頂高程由5.0 m過渡到1.0 m，然后再由1.0 m過渡到-3.0 m。南、北防波擋沙堤長度分別為3 181 m和2 773 m。

方案3：堤頭布置于天然水深-14.0 m處，在最開始的200 m，堤頂高程由5.0 m過渡到1.0 m，然后再由1.0 m過渡到-8.0 m。南、北防波擋沙堤長度分別為6 709 m和6 300 m，見圖4b)。

方案4：擋沙堤平面布置與方案3相同，堤頂高程由2.0 m過渡到-7.0 m。

方案5：擋沙堤平面布置與方案3相同，堤頂高程由3.0 m過渡到-6.0 m。

圖4 防波擋沙堤布置

4 試驗結果分析

4.1 不同防波擋沙堤堤長水流條件

圖5為不同防波擋沙堤堤長與航道中心軸線最大流速沿程分布。東營港區南、北防波堤形成后，若不建防波擋沙堤(方案1)，漲落潮期間，航道內最大流速為1.49 ms，位于航道里程0+500處。防波擋沙堤修建至-12 m等深線時(方案2)，擋沙堤掩護段內流速明顯減小，在潛堤堤頭附近有一定的挑流，最大流速為1.41 ms；防波擋沙堤進一步延伸至-14 m等深線時(方案3)，挑流點隨之外移，但挑流流速明顯減弱，航道內最大流速為1.16 ms，出現在航道里程7+000處，即潛堤堤頭附近。試驗結果表明，防波擋沙潛堤的建設，對減小航道流速及橫流有一定的效果。

圖5 不同防波擋沙堤堤長與航道中心軸線最大流速分布

4.2 不同防波擋沙堤堤頂高程水流條件

圖6為不同防波擋沙堤堤頂高程與航道中心軸線最大流速沿程分布。防波擋沙堤建至-14 m等深線，當堤頂高程由1.0 m漸變到-8.0 m時(方案3)，航道內最大流速為1.16 ms，出現在航道里程7+000處，即潛堤堤頭附近。堤頂高程抬高，由2.0 m漸變至-7.0 m時，防波擋沙堤掩護段內流速有所減小，但堤頭挑流流速有一定程度的增加，最大流速增加到1.25 ms；當堤頂高程進一步抬高，由3.0 m漸變至-6.0 m時，最大流速增加到1.34 ms。防波擋沙堤堤頂高程增加，堤頭附近流速會增加，對船舶進出會產生影響。因而，潛堤堤頭高程選擇在-8.0 m左右是適宜的，可結合航道防淤減淤綜合確定。

圖6 不同防波擋沙堤高程與航道中心軸線最大流速分布

5 結論

1)東營港區所在海域潮差小，潮流動力較強，以往復流為主。東營港區南、北防波堤形成后，若口門不建防波擋沙堤(方案1)，漲落潮期間，口門附近流速較大，有必要采取工程措施改善口門航道水流條件。

2)口門防波擋沙堤潛堤修建至-12.0 m時，水流條件有所改善；當防波擋沙堤修建至-14.0 m時，水流條件進一步改善。試驗研究表明，防波擋沙堤潛堤能減小東營港區口門航道水流流速，從而減小口門橫流。

3)維持防波擋沙堤平面布置，將堤頂高程抬高，堤頭挑流流速會有一定程度的增加。

4)綜合東營港區潮流物理模型試驗結果，從航道水流條件看，防波擋沙堤采用方案3漸變潛堤結構，潛堤堤頭建至-14 m等深線處、堤頂高程在-8 m左右是適宜的。