天津港高沙嶺港區(qū)防波堤口門優(yōu)化布置

王連成，夏悟民

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510230）

高沙嶺港區(qū)是天津港的一部分，其北部區(qū)域港界北起津晉高速延長線，西至海濱大道為界，南以海濱浴場東已建的南導(dǎo)堤為界。南部獨(dú)流減河北岸預(yù)留發(fā)展區(qū)西至海濱大道，陸域至獨(dú)流減河河口北治導(dǎo)線向北1.5 km。

1 一字形口門（方案1）

根據(jù)港口發(fā)展規(guī)模及原近期總體布局，并考慮填海造陸需要，初步確定了防波堤布置方案，其軸線距東外堤3 km，并以主航道為界分為北防波堤和南防波堤。為便于船舶航行及將來外堤的延伸，防波堤口門采取“一”字形正向布置方式（見圖1），寬度暫定為1km。在規(guī)劃方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了以下問題：

圖1 方案1布置示意圖

1）漲初時(shí)水流經(jīng)由口門進(jìn)入港內(nèi)，受港外迅速升高的潮位影響，在口門內(nèi)外產(chǎn)生一定的水位差，使流經(jīng)口門進(jìn)入港區(qū)的潮流產(chǎn)生最大為1.92m/s的較強(qiáng)流速。

2）受口門區(qū)較強(qiáng)水流影響，防波堤與港池之間的公共水域產(chǎn)生較大范圍的回流，其中在中～南港池之間公共水域初始回流范圍為2 km×1.5 km，最大強(qiáng)度1.26～1.35m/s。

3）由于口門與港池距離較近，使得較強(qiáng)進(jìn)港水流直接面對中港池，其對中港池的影響非常明顯。

這樣強(qiáng)的水流對船舶進(jìn)出靠泊均會(huì)產(chǎn)生不利影響。為優(yōu)化口門布置，參考以往經(jīng)驗(yàn)采取了針對性措施，以減小口門流速，以及由口門較強(qiáng)流速產(chǎn)生的港內(nèi)較強(qiáng)回流對船舶進(jìn)出的影響。為驗(yàn)證工程措施的效果，進(jìn)行了模型試驗(yàn)。通過研究得到了一些關(guān)于防波堤口門設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，可為今后類似工作提供參考。

2 延伸防波堤（方案1優(yōu)化）

2.1 方案1a布置形式

在設(shè)計(jì)方案1的基礎(chǔ)上，在兩側(cè)堤頭分別平行于航道進(jìn)行延伸，其中北堤延長1.664 km，南堤延長1.784 km。口門寬1000m（如圖2、圖3）。

2.2 優(yōu)化方案試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果來看，在原設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上通過延長防波堤的方式來改善口門段流速并未取得效果，其最大流速區(qū)域范圍隨著防波堤的加長而延伸，但是由于防波堤的延長，中港池及港內(nèi)流態(tài)得到一定的改善。平均流速和最大流速分布見圖4、圖5。

3 “八”字形口門（方案2）

3.1 布置形式

在防波堤3+345～5+845設(shè)置進(jìn)出港口門，口門采用“八”字形的布置形式（見圖6），其中北斜堤長1000m，南斜堤長1218m，口門寬度1000m。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

漲潮時(shí)，水流經(jīng)由口門段“八”字型防波堤段進(jìn)入港內(nèi)，由于口門防波堤平順?biāo)鞯淖饔茫箍陂T段航道流速有了一定程度的減小，其最大為1.79m/s。

從港內(nèi)流場來看，進(jìn)港水流在口門內(nèi)南、北兩側(cè)分別形成回流。兩回流初始范圍小，但強(qiáng)度均在1.00m/s以上。至漲急時(shí)兩側(cè)回流范圍逐步增大，其北側(cè)的回流平均強(qiáng)度在0.50m/s左右，南側(cè)回流平均強(qiáng)度略大在0.70m/s。

中港池在漲潮時(shí)，中港池端部流速最大值達(dá)1.10m/s左右，同時(shí)港內(nèi)產(chǎn)生多處回流，最大范圍至港內(nèi)2.0～3.0 km，最大強(qiáng)度0.77m/s。港內(nèi)中部以里水域流速相對較小，平均流速在0.20m/s以內(nèi)。

從方案2的試驗(yàn)結(jié)果來看，方案采用的“八”字口門可以有效減小口門水流對港池的影響，但口門段防波堤內(nèi)同樣存在著較強(qiáng)的水流。

4 局部浚深措施（方案2優(yōu)化）

4.1 布置原則

在方案2的基礎(chǔ)上，在“一”字口門開始拓寬至方案口門處，與航道水深相同（如圖7、圖8）。

圖7 方案2a布置示意圖

圖8 方案2a特征點(diǎn)布置示意圖

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對口門段航道進(jìn)行拓寬的方式較大地改善了口門段水流條件，但是該段依然保持較大流速（見表1）。

表1 特征點(diǎn)流速流向匯總表

5 增加口門寬度（方案2優(yōu)化）

5.1 布置原則

以方案2a為基礎(chǔ)，在“一”字口門開始拓寬航道至方案口門外，與航道水深相同，其口門寬度沿原方案2口門堤頭兩點(diǎn)的連線向兩側(cè)分別放寬至1400m（方案2b）和1600m（方案2c），見圖9、圖10。

圖9 方案2b布置示意圖

圖10 方案2c布置示意圖

5.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過放寬口門尺度以及對口門航道進(jìn)行局部拓寬這兩種工程措施同時(shí)進(jìn)行，特別是調(diào)整口門寬度的方式能夠根本上改善水流條件（見表2）。

表2 特征點(diǎn)流速流向匯總表

6 減小港內(nèi)水域面積（方案3）

6.1 布置原則

與方案1相比較，該方案港域面積有所減小，將南港池以南的公共水域以及人工湖水域從方案中分離出去（如圖11）。

圖11 方案3布置示意圖

6.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，由于港內(nèi)水域的大幅減少（減幅約為43%），口門航道平均流速及其最大流速都有相應(yīng)的變化。和方案1比較：平均流速由1.17m/s降低至0.64m/s，最大流速也由1.92m/s降低至1.42m/s。受口門流速降低的影響，中港池端部的最大流速僅為0.51m/s。

7 結(jié)語

1）方案1、2的試驗(yàn)結(jié)果表明：口門及其港內(nèi)較大流速的出現(xiàn)是因?yàn)楦塾蛎娣e較大，所需的納潮水體大，而口門及航道尺度限制造成過水?dāng)嗝孑^小所致。

2）通過對兩方案進(jìn)行的多組優(yōu)化試驗(yàn)表明：在窄口門條件下進(jìn)行延伸防波堤的方式并不能明顯減小口門區(qū)域流速，隨著防波堤的延伸，其最大流速區(qū)域也在相應(yīng)的延伸；通過對口門段航道進(jìn)行局部拓寬，增大水流進(jìn)出港的過水?dāng)嗝婺軌蚱鸬浇档瓦M(jìn)出港水流強(qiáng)度的目的。通過調(diào)整口門寬度的方式能夠根本上改善水流條件。

3）從兩種口門布局形式來看，由于“八”字口門延長了口門和中港池之間的距離，對口門處較強(qiáng)水流對中港池及港內(nèi)潮流場影響起到一定的消減作用。而且其外窄內(nèi)寬的設(shè)置能起到分散水流對港內(nèi)影響的作用，因此對于口門布置形式，建議采用“八”字的布置形式。

[1] 天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)圍海工程水動(dòng)力及工程泥沙研究[R].交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2007.

[2] 天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)工程方案潮流物理模型試驗(yàn)研究[R].交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2008.

[3] 天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)波浪物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告[R].交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2008.

[4] 天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)波浪數(shù)學(xué)模型研究報(bào)告[R].交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2008.

[5] 臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)補(bǔ)充方案潮流計(jì)算[R].交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2010.

[6] 天津臨港產(chǎn)業(yè)區(qū)與工業(yè)區(qū)航道潮流數(shù)學(xué)模型計(jì)算與泥沙回淤分析[R].交通部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.