淤泥質海岸復雜環境深水航道設計要點分析

黃泰坤，季則舟，高云鵬，韓 亮，武慶衛

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300220）

引言

依托工程所屬天津南港工業區是天津市城市空間發展和京津冀一體化發展戰略的重要區域[1-2]，是實現天津市國土空間規劃的重要組成部分[3]。

天津港大港港區主要服務于南港工業區重化產業發展，以通用泊位和液體化工泊位起步，重點發展LNG、油品、液體化工等運輸，并承擔北部港區干散貨、液體化工品等增量轉移功能[4]。但渤西油氣管線橫穿航道，受其埋深限制，本工程建設前航道船舶通過量較少，多為5 000 t 級以下的小船，難以滿足入區企業大型船舶進出港的需要，亟需建設深水航道工程。

作為港區新辟深水通道，閘下泄洪影響、泥沙運動規律、渤西管線切改前保護方案、航道合理設計是大港港區航道工程設計中需要重點考慮的關鍵技術問題。另外施工期回淤量對工程投資的影響不可忽略，但受施工過程、水流波浪條件影響，難以準確測算。已有研究多開展運營期回淤量研究[5-7]，施工期回淤量研究較少。王興博[8]等采用數學模型對施工提前備淤一次成槽可行性進行了研究，但施工期設計回淤量的簡化計算方法鮮有報道。

鑒于此，本文對淤泥質海岸復雜環境的新辟航道設計關鍵技術要點進行分析，并首次提出了一種“余時淤積”施工期回淤量簡化計算方法，經與實測數據進行對比，驗證了其有效性。研究成果成功應用于工程建設[9]，且通航運行良好，希望能對類似項目設計、實施提供參考。

1 工程概況

依托工程位于天津市濱海新區所屬獨流減河入海口處，地處天津市東南，東臨渤海灣。工程區北側分布有天津港主航道、大沽沙航道、高沙嶺航道，南側建設有黃驊港主航道。

工程建設規模為10萬t級單向、5萬t級雙向乘潮通航，并可滿足26.6萬m3Q-max型LNG船理論最低潮面進出港需要。10萬t級航道起點為46+000，航道終點至西港池中部。目前港區已形成通用泊位、油品化工品泊位、LNG專用泊位等生產性泊位22個。

圖1 工程平面布置及周邊航道分布

2 波流作用下航道泥沙回淤

2.1 泥沙運動特性

本海區常浪向ENE和E，頻率分別為9.70 %和9.54 %，強浪向ENE，該向H4%≥1.6 m的波高頻率為1.35 %；全年各方向H4%≥1.6 m的波高頻率為5.06 %，H4%≥2.0 m的波高頻率為2.24 %，T ≥7.0 s的頻率僅為0.33 %。近岸淺灘區漲落潮流流向較為分散，-5 m等深線潮流運動漲、落潮流基本呈ENE～WSW向的向岸、離岸運動。到-10 m等深線，漲落潮明顯呈東西向的往復流運動。

含沙量觀測表明，橫向（由岸向海）分布呈由大到小的規律。如大潮的漲潮平均含沙量，在-2 m等深線約為0.127 kg/m3；向外至-5.0 m 等深線約為0.109 kg/m3，水體含沙量相對近岸有所降低；到-10 m 水深處，平均含沙量降至0.103 kg/m3。落潮段平均含沙量也有相同變化趨勢。

對比本港區與周邊港口底質取樣分析，天津港主體港區粘土含量40.0 %，平均粒徑0.0070 mm；大港港區粘土含量38.6 %，平均粒徑0.0075 mm；黃驊港粘土含量12.5 %，平均粒徑0.0334 mm。大港港區海域灘面泥沙的平均粒徑和粘土含量比例與天津港淤泥質海岸更為相似特點，與黃驊港粉砂質海岸存在較大差異。大港港區海域淺灘表層沉積物中值粒徑小于0.01 mm，且粘土含量大于25 %，仍屬于淤泥質海岸。

該海域近岸存在河口、淺灘，水深相對較小，且底質泥沙粒徑較細，在一定的風浪條件下易于懸浮，形成較高含沙量，并隨落潮流作用向外海擴散，即“波浪掀沙、潮流輸沙”。而在外海水域，水深相對較大，波浪作用相對較小，主要以潮流動力為主，泥沙主要來自渤海灣近岸淺灘水域，懸沙隨潮流漂移，含量相對較小。

表1 泥沙含量及平均粒徑對比

2.2 航道回淤量計算

基于本海區海岸特征及泥沙特性，研究泥沙運動和回淤分布規律，進而有針對性地防淤減淤是非常必要的。目前航道回淤量計算方法主要有規范公式法和數值模擬方法。

《港口與航道水文規范》[10]推薦的淤泥質海岸航道淤積計算公式為：

式中：PK為航道底面的淤積強度；ωK為泥沙沉速，對于淤泥質海岸底質粒徑D≤0.03 mm的粘性沙，一般采用當量粒徑絮凝沉速0.0004～ 0.0005 m/s，對于D＞0.03 mm的非淤泥質泥沙，因其不存在絮凝現象，沉速應代之以分散體的單顆粒沉速；γ0K為淤積物的干容量（kg/m3）；t為淤積歷時（s）；d1和d2分別為淺灘平均水深和航道開挖水深（m）；θ為水流流向與航道軸線夾角（°）；K1和K2為橫流和順流系數，分別為0.35和0.13。為修正含沙量（kg/m3），其中S1為計算含沙量。

港區位于獨流減河閘下，港池水域由橫向港池和豎向的東、西港池組成，整體呈“П”形。橫向港池北側為北防波堤。港區口門位于-6 m水深附近，口門寬約1.8 km。鑒于航道較長水深不一，以1 km間隔劃分回淤計算區域進行分區計算。

口門至獨流減河口防潮閘共分為18個計算區；東、西港池分別設置4個計算區，共計25個區，如圖2所示。外航道回淤計算中，從口門向外，以1km為間隔劃分計算區域。在不考慮河口下泄沖淤影響下，計算口門內航道年回淤量約232萬m3，口門外航道年回淤量約149萬m3，合計約381萬m3。

圖2 港池航道回淤公式計算分區

采用波、流共同作用下的二維數值模型計算代表動力下的航道淤積量[11]。計算結果表明，本航道沿程淤強呈現出口門區域較大，口門以里及向外逐漸減少的趨勢。代表動力條件下本海區年均沖淤分布如圖3所示。不考慮泄洪影響下，計算正常年份內、外航道回淤量分別為266萬m3、171萬m3，合計約437萬m3。

圖3 動力條件下海區年均沖淤分布示意

從表2 可以看出，回淤公式計算和數學模型計算所得外航道淤積總量相差約14 %。從偏于安全的角度，航道回淤量可采用數學模型計算結果。

表2 年均回淤量比較

2.3 閘下河口泄洪沖淤影響

目前海河流域和大清河水系上游洪水匯聚經過淀洼沉淀，水體含沙量很小。通過獨流減河防潮閘泄流（洪）水體攜帶的上游泥沙甚微，與海相泥沙淤積相比，可以忽略上游來沙對港區泥沙淤積的影響，因此重點對防潮閘泄流（洪）沖刷閘下河道對港區泥沙沖淤的影響進行試驗。采用物模試驗進行研究，試驗在南京水利科學院試驗廳開展。外海概化大潮過程，不考慮上游河道的來沙，泄洪流量分1 500 m3/s、3 000 m3/s 和4 500 m3/s 三個等級。

圖4 為閘下河道在清淤槽、疏浚取泥2 個布置方案，其中清淤槽長1 900 m，底高程0 m。泄洪沖刷試驗水流泄流時間的原型1 天。近閘河段泥沙沖刷量的情況見表3。

表3 一次泄洪（1 天）閘下河段沖刷量統計

圖4 閘下疏浚槽方案（清淤槽-紅色虛線，疏浚取泥-青色虛線）

泄洪水流沖刷的試驗現象為：防潮閘開閘泄流，沖刷即自閘下向下游河道逐步發展，沖刷主要發生在泄洪主流所在的清淤槽區。下游水位較低時沖刷深槽，水位較高時深槽兩側灘地也出現輕度沖刷。與漲潮過程泄流相比，落潮泄流沖刷作用較強；下泄流量越大，沖刷作用越明顯。經歷三級泄洪流量1 500 m3/s、3 000 m3/s 和4 500 m3/s 泄流過程各1 天（水流時間），閘下推薦槽工況閘下近閘河段的沖刷量分別約為53 萬m3、72 萬m3和74 萬m3。泄洪水流對航道泥沙影響輕微，僅限于閘下槽區范圍。

圖5 可以看出，在地形沖刷到一定程度后，泄洪水流對閘下近閘河段的沖刷作用后會漸趨減弱。因此，在保證防潮閘安全的前提下，對防潮閘閘下近閘河段進行適當規模提前疏浚清淤，將明顯減輕泄洪對港區的泥沙沖淤影響。

圖5 4 500 m3/s 一次泄洪后閘下及港內泥沙沖淤

3 方案優化設計

3.1 通航設計標準

擬建設10萬t級單向、5萬t級雙向乘潮通航，同時可滿足26.6萬m3Q-max型LNG船理論最低潮面進出港需要。通航標準為一般貨船乘潮4 h，乘潮水位冬季乘潮保證率取90 %，乘潮水位2.71 m；LNG船理論最低潮位基準面滿載通航。LNG船舶在航道內的航行條件為風速≤20 m/s、波浪H4%≤2.0 m；除LNG船外其他船舶在航道內的航行條件為風≤7級、波浪H4%≤2.0 m。設計代表船型如表4所示。

表4 設計代表船型尺度

3.2 軸線設計

航道選線原則：作為區域內后啟動建設項目，總體布置上應考慮了渤海灣相鄰港口之間的關系，盡可能實現船舶分流，避免航路交叉影響，既有利于船舶交通管理，保證船舶航行安全，也可為港口后續進一步發展奠定基礎；合理考慮風、浪、流及泥沙回淤等因素確定航道軸線；近、遠期結合，在現狀航道基礎上提升至10 萬t 級航道規模，并留有發展余地；與碼頭、港池相結合，為碼頭港池預留足夠的操船所需水域。

基于航道選線原則，提出了2個軸線方案，圖6為航道軸線方案，其中航道軸線方案1航道軸線為直線向東延伸，與本海區風、浪、流夾角較小，有利于主波浪在航道兩側折射后傳播至航道外。橫流較小，船舶航行條件較好，利于船舶安全航行。軸線基本與等深線垂直，延長線基本位于外海航路深槽中間，航道延伸較短，疏浚方量較小，工程投資也較小。方案2在航道里程20+000處順時針轉向15°后，與風、浪、流的夾角加大，船舶航行條件相對較差，同時，航道向外海延伸較遠，疏浚方量較大，工程投資也較大，對航道規模等級的進一步提高存在不利因素，且延長線與規劃錨地、黃驊航道存在交叉。軸線方案工程量比較如表5所示。從自然條件、通航條件、工程投資等多方面綜合比較，推薦軸線方案1。

表5 軸線方案工程量比較

圖6 軸線布置方案

3.3 分段主尺度設計

航道淤積計算成果顯示，航道沿程總體呈“M”型，口門區高，口門段以內、口門段以外逐漸將低的趨勢，同時口門區中段由于縮窄，流速較大，淤強有所降低，如圖7 所示。為減少投資，設計水深采用分段設計方式，其中9+000～24+000 段航道回淤較大，最大淤強1.58 m，備淤深度取為0.8 m，10 萬t 級航道設計底高程為-15.0 m，通航底高程-14.2 m；其余段淤強0.4 m 以下，因此備淤取為0.4 m，根據規范計算10 萬t 級航道設計底高程為-14.6 m，通航底高程為-14.2 m。

圖7 代表動力條件下航道淤強沿程分布

對于航道通航寬度，結合潮流特征也采用分段設計方式。圖8 為口門區局部流場分布，外海大潮作用下，受堤頭挑流影響影響，在口門以及東港池附近形成一定區域回流，尤其是口門北側防波堤在港區北側開發條件下，漲潮流出現偏轉，導致口門段出現橫流。而落潮流在口門外雖有向北偏現象，但回流并不明顯。這也有利于船舶在漲潮流階段以較快速度通過口門，但由于口門寬度束窄，從安全角度，采用航道局部加寬方式。圖9 為不同口門方案橫流沿程分布，可以看出，推薦口門方案橫流介于0.3～0.45 m/s 之間（對應航道里程9+000～17+000）。按照《海港總體設計規范》[12]，該段航道γ取7°，航道通航寬度為332 m；其余段橫流基本在0.1 m/s 以下，γ取3°，計算航道通航寬度為300 m。

圖8 外海大潮作用口門區局部流場分布示意

圖9 航道沿程橫流分布曲線

3.4 海底管線與航道交叉段施工預留方案

工程前存在渤海西部鉆井平臺至天津陸上終端的兩條海底管線，穿越天津港多條航道，其中與本航道的交叉部分位于航道的25+000里程處，管線處泥面高程約-7～-8 m。管線掩埋較淺，埋深0.3～0.5 m。施工船舶在渤西管線附近施工時，存在施工船舶起拋錨作業對渤西管線造成破壞的風險。為確保管線運營期間的安全，可暫不開挖該管線兩側灘地，由此需進行航道疏浚對渤西管線的影響研究，并提出合理的預留方案。

設計階段提出了在渤西管線與航道交叉處設置拋石護底方案、管線兩側各預留500 m方案和管線兩側各預留1 km保護方案。設計邊坡分別考慮1:5和1:10兩種條件。拋石護底方案優點在于可形成管線保護層，減少水流作用，但工程投資較大，且對現有船舶通航安全帶來影響。因此本文重點對管線局部預留方案在兩側航道開挖及水動力作用下穩定性進行研究。局部物理模型試驗表明，兩種坡度的影響不大，從安全角度采用了1:10的邊坡方案。圖10為渤西管線與航道交叉位置，管線預留處縱向與航道底1:10邊坡進行銜接，保護范圍外正常疏浚至設計底高程-14.6 m。待后續管線切改后，再將此局部區域進行疏浚。

圖10 渤西管線與航道交叉位置示意

圖11為管線兩側各保留500 m，大風條件下局部物理模型試驗[13]沖淤變化，可以看出，整個灘面沖淤變化的范圍較大，且灘面整體表現為沖刷。管線附近的輕度沖刷雖然沒有使管線出露，但管線上下游兩側邊坡坡頂的沖刷有連接貫通的趨勢，如持續發展勢必會危及管線的安全。圖12為管線兩側各保留1 000 m，大風條件下局部物理模型試驗沖淤變化，可以看出波浪、水流只對航道的邊坡及附近邊灘產生了一些沖刷，因此是安全的。因此推薦采用保留1 000 m、縱向邊坡1:10的設計保護方案。最終在管線切改后，僅用1個多月即完成了該預留區域疏浚工作。

圖11 管線兩側預留500m 地形沖淤變化

圖12 管線兩側預留1000m 地形沖淤變化

4 施工期回淤量簡化計算方法

施工期回淤量對投資影響顯著，但受施工過程、季節因素、水流波浪條件變化較大，準確測算十分復雜，施工期回淤量的簡化估算方法鮮有報道。

筆者提出了一種“余時淤積”施工期回淤量簡化計算法。以工程施工計劃為基礎，將全航道進行合理分段，計算每段施工后至全航道完工的剩余回淤時間，結合沿里程淤強分布，進而估算整個施工期回淤量，即：

當采用航道整體平均剩余回淤時間，可寫為：

式中:Qs為施工期回淤量，萬m3；Ks為經驗系數，可取1.0～1.15；Tsi為每段剩余回淤時間，可按線性遞減方式計算，月；Pi為每段航道淤強；Si為每段航道回淤面積，m2；Q為采用公式計算或模型試驗的年回淤量，萬m3；為平均剩余回淤時間，月；N為年歷時，12月。

按照施工計劃，總工期約24 個月。將整個航道劃分5 個部分。圖13 為各分段剩余回淤期和回淤量。6+000 以西段，采用絞吸式挖泥船施工，工期11 個月，本段線性遞減，則剩余回淤時間為18.5個月；6+000～9+000 段，采用絞吸式挖泥船施工，工期9 個月，剩余回淤時間為19.5 個月；9+000～16+000 段，采用絞吸式挖泥船施工，工期18 月，剩余回淤時間為15 個月；16+000～24+000 段，采用大型耙吸式挖泥船施工，工期18 月，剩余回淤時間為15 個月；24+0～46+000 段，采用大型耙吸式挖泥船施工，工期16 個月，剩余回淤時間為16個月。

圖13 航道分段剩余回淤期及淤積量

基于上述簡化方法，計算平均回淤周期16.8 個月，非24 個月的總工期。結合數模航道沿程泥沙淤強分布規律，分別按照式（2）、（3）計算，可得整個施工期間的泥沙回淤量分別約為647.1萬m3、611萬m3。

實際測量分析，施工期回淤量約670 萬m3，簡化計算回淤量與實測回淤量較為接近，表明計算方法是有效的。

5 結語

1）本港區海域灘面泥沙平均粒徑和粘土含量以及泥沙運動規律與南部黃驊港區差異明顯，與北部港區淤泥質海岸更為相似的特點。本工程淤泥質海岸回淤公式計算和數學模型淤積總量相差約14 %，在前期研究階段可以采用回淤公式計算結果進行方案比選，設計階段從偏于安全的角度采用模型試驗結果。

2）在保證河口閘泄流安全的前提下，對閘下近閘河段進行適當規模提前疏浚清淤，可明顯減輕泄洪對港區的泥沙沖淤影響。

3）航道軸線的選擇從海區自然條件、通航條件、近遠期結合、工程投資及延長線與周邊大型航道關系等多方面比較，順直型方案1 更優，可作為推薦方案。

4）航道沿程淤強總體呈“M”型，即口門區高，兩側逐漸將低的趨勢，口門區中段受縮窄效應，流速較大，淤強反而有所降低。結合淤積、橫流沿程分布特點的分段航道主尺度設計既能保證通航安全，也可最大限度減少工程投資。

本文提出的“余時淤積”施工期回淤量簡化計算法與實測回淤量較為接近，表明計算方法是有效的，可作為類似項目的參考。