基于通州灣潮流泥沙物理模型試驗的網倉洪航道等級提升探索

范從軍 施超

摘 要：依托通州灣潮流泥沙物理模型，分析了10萬噸級提升至20萬噸級的網倉洪規劃航道流場和泥沙沖淤，以及該航道建設對通州灣港區流場和泥沙沖淤的影響，并專門利用數學模型對該港區物理試驗數據進行數值驗證，其結果表明：10萬噸級與20萬噸級網倉洪航道引起的港區泥沙淤積強度基本相同，僅港池口門附近區域差異較大，建議了采用減輕腰沙歸槽刷灘水流攜沙的影響解決港池口門的淤積情況。研究結果為航道等級提升提供依據，可滿足長江沿江產業轉移升級以及江蘇新出海口建設要求。

關鍵詞：網倉洪航道;通州灣;物理模型試驗

0 引言

網倉洪航道是通州灣港區的重要航道，它途徑三沙洪和網倉洪深槽，以及兩深槽之間的淺段水域。前期的一些研究表明，網倉洪深槽尾端北淤南沖、深槽南擺的趨勢明顯;網倉洪與三沙洪兩深槽之間水深不足10 m的淺段處于多水道水流交匯的影響區域，淺段長度雖逐年縮短但沖淤變化相對活躍，網倉洪與三沙洪兩深槽的對接尚不平順;通州灣規劃港池的建設將一定程度改變三沙洪外段及淺段區的動力泥沙環境;腰沙、冷家沙淺灘區泥沙活動對港池口門區航道存在重要影響;通州灣港區及航道建設對通州灣“兩沙三槽”沖淤演變和穩定性的影響不容忽視。為適應長江沿江產業轉移升級和江蘇新出海口建設需要，該航道由現有10萬噸級提升至20萬噸級是其中重要舉措之一。目前，對于該航道新的規劃方案，現階段尚無工作能驗證其可行性，或者指出該方案的一些不合理之處以便及時改正。

本文擬在合理的通州灣潮流泥沙物理模型基礎上，分析了網倉洪航道提升至20萬噸級后港區流場和泥沙沖淤問題，對該區域內潮流泥沙物理試驗數據進行數值驗證，進而論證網倉洪航道提升的可行性。

1 通州灣潮流泥沙物理模型試驗概述

本次物理模型試驗分析采用的潮流泥沙物理模型試驗是考慮潮汐、海域灘槽沖淤受懸沙和海床底沙局部運移等因素的影響，改造原通洲灣物理模型建立的。它屬于變態模型，要求模型床面糙率大于原型床面糙率，研究的區域主要包括小廟洪-大灣洪水道、腰沙-烏龍沙、三沙洪-網倉洪、冷家沙、冷家沙前緣深槽等“兩沙三槽”海域以及爛沙洋南水道部分海域，模擬的海域面積約4 000 km2。值得注意的是，通州灣港區潮流泥沙物理模型試驗結果，已與現有一些流速、淤積監測結果進行對比，驗證了該模型的合理性。

2 航道布置方案

圖1為通州灣港區及網倉洪規劃航道的模型布置，旨在用于分析網倉洪10萬噸級規劃航道以及等級提升至20萬噸級時港區以及網倉洪航道流場和泥沙沖淤情況。現有網倉洪10萬噸級規劃航道的設計水深-13.4 m，航道寬度200 m，外航道全長31.8 km;而20萬噸級航道設計水深-19.0 m，航道寬度為236 m，外航道全長60.2 km。

3 試驗結果分析

3.1 航道等級提升對港區整體流場和泥沙沖淤的影響分析

網倉洪10萬噸級時的通州灣港區泥沙物理模型試驗結果表明：漲潮中后期由三沙洪水道向腰沙的漫灘水流受匡圍及導堤的阻擋后，繞過南堤頭漫入腰沙沙體，并沿南堤外側漫灘至已建一港池匡圍區東側，并與南部小廟洪水道的漫灘流交匯;港區及匡圍區的存在阻斷了自三沙洪水道尾部向腰沙的漫灘水流，致使腰沙南、北兩側漫灘流交匯區域較現狀北移，腰沙南側的漫灘流有所增強;落潮初期，腰沙沙脊線與南堤之間的水體主要呈東西向流動，但落潮中、后期該區域水體向三沙洪歸槽的流路受南堤阻擋后沿堤東流并繞過堤頭匯入三沙洪水道，在此期間，南堤外側出現明顯沿堤水流、堤頭挑流效應較顯著，堤頭區流速較現狀增大30 cm/s～40 cm/s;位于冷家沙沙體中段的北堤對冷家沙漲潮越脊水流有一定阻水作用，落潮時由三沙洪越過冷家沙沙脊北流的越脊水也受北堤阻擋，致使北堤外側流速減小20 cm/s～30 cm/s，整個漲落潮過程中，北堤堤頭均存在水流繞堤北流現象，堤頭區流速也有所增大。

當網倉洪航道等級升至20萬噸級時，網倉洪水道、小廟洪水道斷面流量在漲潮期的變化很小，三沙洪水道的斷面漲潮流量減小2%;落潮期間，由于腰沙北部歸槽水流路和水量的變化，規劃港區口門外段的三沙洪水道斷面落潮量減小約5%～8%;網倉洪與三沙洪之間淺區的斷面落潮流減小2%～5%;小廟洪北水道的斷面落潮量增大約3%。

當配套20萬噸級的網倉洪航道時，港區泥沙沖淤主要發生在匡圍與導堤工程局部和腰沙、冷家沙沙體等區域。其中腰沙根部和中部沙體總體淤高約1 m;北堤北側的冷家沙沙體因堤頭挑流影響，有小型沖溝發育，但未改變冷家沙整體形態。南堤外側在沿堤水流作用下有所沖刷，南堤和北堤堤頭因挑流影響產生較明顯局部沖刷。規劃港區口門外側的三沙洪外段深槽及與網倉洪交匯的淺段區有所淤淺。上述變化均屬通洲灣“兩沙三槽”地形格局下的局部沖淤調整。

綜上可知，與網倉洪原10萬噸級航道相比，新規劃的20萬噸級航道僅增深拓寬，航道等級提升后的整體性流場和泥沙沖淤影響基本相同。

3.2 航道等級提升對港區局部流場和泥沙沖淤變化

當網倉洪航道由10萬噸級提升至20萬噸級時，港區北堤中段北側2 km～3 km區域，平均流速減小10 cm/s～15cm/s，北堤堤頭外側1 km區域流速明顯增大，局部最大增大可達50 cm/s。南堤外側淺灘由于沿堤水流作用流速顯著增大，最大可達40 cm/s，堤頭附近落急時流速可增大僅1.0 m/s。港池口門以外三沙洪深槽段由于歸槽水量減小，平均流速減小20 cm/s～40 cm/s。

20萬噸級的網倉洪航道規劃方案導致港區周邊淤積主要為北堤外側根部及中段略有淤積，其中北堤外側500 m范圍平均淤積1.5 m～2.0 m，1 km～2 km范圍平均淤積厚度約0.5 m;南堤南側的腰沙淺灘區普遍淤高約1 m，其中三港池與目前一港池之間區域淤高近2 m。

如圖2分別為20萬噸級網倉洪航道引起的港區各部位的沖刷圖，從圖中可看出：航道等級提升后引起的沖刷主要發生在堤頭挑流和沿堤水流增大的區域;北堤拐角段外側局部沖深2 m～3 m，沖刷影響范圍100 m～200 m;北堤堤頭因挑流效應明顯而產生較強沖刷，沖刷坑最大沖深可達6 m～8 m，沖刷超過1 m的影響范圍約300 m～400 m;南堤外側的沿堤沖刷范圍在距堤腳100 m～200 m范圍內，沖刷深度約2 m～3 m;南堤堤頭附近局部最大沖刷深度約4 m～5 m，沖刷超過1 m的范圍約200 m～300 m。

3.3 航道等級提升對網倉洪航道區流場和泥沙淤積分析

依據物理模型試驗結果可知：當網倉洪航道提升至20萬噸級后，網倉洪、三沙洪水道內往復流特征沒有發生改變，潮流主軸向與航道走向基本一致;深槽區水流流速較大，大潮平均流速接近1.0 m/s，最大流速可達1.5 m/s;航道走向順應深槽，與水流夾角較小，航道沿程橫流并不明顯，口外航道段以淺段區橫流相對略大，但最大橫流流速亦小于0.5 m/s;港池口門附近受落潮歸槽水流集中影響，橫流相對較大，大潮期橫流流速為0.6 m/s～0.7 m/s左右，港池內碼頭區域最大橫流不足0.2 m/s;二、三港池均為有掩護港域，其泥沙淤積主要以懸沙落淤為主;規劃港區口門附近則受淺灘落潮歸槽流攜沙和堤頭局部沖刷泥沙的直接影響;淺區段航道由于相對挖深大，且受腰沙淺灘落潮歸槽水攜沙的影響;網倉洪水道內因自然水深較大，海床泥沙活動性弱，航道淤積主要為懸沙落淤。

圖3專門給出了10萬噸級與20萬噸級網倉洪航道回淤沿程分布圖，從中可發現：當網倉洪航道由10萬噸級升至20萬噸級時，港內淤積強度自港池根部向口門區附近逐步增大，二港池內淤積強度0.1 m/a～0.4 m/a，港內淤積強度在三港池近口門區段迅速增加，口門內外兩側共4 km范圍內淤積強度超過2.5 m/a，局部最大淤積強度近3.5 m/a，淺段區航道淤積強度1.4 m/a～1.6 m/a，網倉洪深槽的外航道段年淤積強度僅0.1 m/a～0.2 m/a;雖然二港池淤積強度并不大，但港內開挖面積寬闊，年淤積總量也可達240萬m3，三港池是港池航道沿程淤積最為嚴重的部位，淤積強度和淤積總量均較大，年淤積總量近1 260萬m3，港池段內航道年淤積量約290萬m3;口外航道開挖區范圍相對較小，淤積總量小于港內，外航道淤積量約580萬m3;網倉洪10萬噸級航道的港池航道年淤積總量近2 080萬m3;網倉洪20萬噸級航道的淤積分布與10萬噸級航道一致，沿程淤積強度較10萬噸級航道大0.1 m～0.3 m;網倉洪20萬噸級航道的外航道年淤積量1 050萬方，三港池段內航道年淤積量約350萬m3，港池航道年淤積總量近2 800萬m3。

4 數值驗證

為了驗證10萬噸級與20萬噸級網倉洪航道引起的泥沙淤積變化準確性，專門利用數學模型對該港區進行數值仿真。圖4給出了依據數學模型與物理模型的港區泥沙淤積強度沿程分布結果，從中可看出：相較于數值計算結果，物理模型得出的港池航道淤積總量大250～300萬m3;兩者確定的港內淤積量差異較小，物模試驗中近口門段的港內淤積較集中，港池根部淤積強度較小，這主要是歸槽水流攜沙及堤頭沖刷泥沙影響的敏感性差異造成的;物模試驗得出的規劃港池口門外三沙洪及淺段區航道的淤積大于相應的數模結果，這主要是因為物模試驗能更全面地反映漲潮期落淤于南堤外側腰沙淺灘的泥沙隨落潮沿堤水流歸槽的持續轉運過程對航道淤積的影響。

5 航道等級提升可行性評價

通過上述物理試驗與數值模擬結果對比分析可知，10萬噸級與20萬噸級網倉洪航道引起的泥沙淤積強度大部分區域基本相同，僅港池口門附近區域差異較大，即20萬噸級規劃航道淤積強度遠大于10萬噸級規劃航道。由于規劃港區口門僅及腰沙中部，受腰沙落潮歸槽尤其是沿堤刷灘水流攜沙歸槽的影響，港口口門附近淤積強度明顯較大，而冷家沙中段的北堤雖也存在阻水挑流影響，但挑流方向均由三沙洪向北，堤頭沖刷的泥沙也主要向北運移，對口門區航道淤積無直接影響。綜上所述，建議以解決刷灘水流攜沙問題優化規劃港區口門。

6 結論

（1）本次模型試驗目的是從流場與泥沙淤積角度出發探索等級提升后的網倉洪航道分布，以及其對港區流場與淤積的影響。

（2）網倉洪20萬噸級航道僅是在原規劃10萬噸級航道基礎上拓寬增深，對通洲灣“兩沙三槽”及工程附近海域流場和泥沙沖淤的影響與規劃10萬噸級航道基本一致，僅港口口門附近淤積強度較大，建議優化規劃港區口門的淤積問題。

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