天津大港港區規劃建設對LNG泊位水文條件的影響

張俊文　陳婕

摘 要：防波堤的延伸增加了碼頭與口門之間的水域距離，且口門含沙量有所減小。隔堤的建設直接減少了港內波能的傳入，且影響了港內水流流態。結合物理模型試驗分析天津大港港區規劃防波堤建設對LNG泊位波浪、潮流、 泥沙淤積的影響。

關鍵詞：物理模型 防波堤延伸 隔堤建設

天津大港港區外圍主要由北防波堤、東防波堤、南防波堤以及東、西港池圍堤組成。目前南、北防波堤口門實施至距離東防波堤2km處。遠期將根據大港港區建設和發展情況，進一步向東延伸，另外，擬在-5米水深處建設兩道南北方向隔堤，形成港區1000米寬口門。擬建LNG碼頭工程位于大港港區東港池東突堤北端，臨近港區主航道，目前南北防波堤距離東防潮堤為2.0km。目前，南北防波堤施工至距東堤2.0km處，南北防波堤口門寬2km，隔堤尚未建設。

由于擬建LNG碼頭離防波堤口門較近，防波堤的延伸及隔堤的建設都將對其水文條件產生較大的影響。本文結合科研單位的物理模型試驗成果分析規劃防波堤的建設對LNG泊位波浪、潮流及泥沙淤積的影響。

規劃防波堤建設對設計波浪、港內泊穩的影響

碼頭及防波堤的平面布置及結構形式是影響港內波浪條件的重要因素。本文主要針對防波堤的不同延伸長度及各方案隔堤建設后對碼頭水域波浪條件的影響進行分析研究，為港口設計提供參考依據。

1、防波堤延伸對港內波浪條件的影響

物理模型試驗分別針對口門防波堤長度為2km、2.5km、3km及3.5km的方案測量港內波高分布。下面對不同防波堤長度擬建LNG碼頭及預留LNG碼頭前沿設計波高進行了對比，結果見圖2所示。

當波浪方向為NE向，2.0km長的北防波堤對擬建LNG碼頭前港域掩護不完全，從口門入射的波浪對LNG碼頭東段影響明顯，波高在各向中最大。隨著防波堤的延長，由于波浪傳播方向與航道夾角較大，北防波堤的攔浪能力加強。港內建筑物收到良好的掩護，NE向波高有較大程度的減小。

當波浪方向為ENE向時，從圖中可看出，隨著防波堤的延長，港內ENE向波高有所減小，但幅度不大。原因在于波浪傳播方向與防波堤軸線夾角為22.5°，較之NE向有所減小，北防波堤的攔浪能力加強不明顯。但由于ENE向的口門入射波高本身較小，因此相對于其他方向波浪，碼頭前沿波高最小。

當波浪方向為E向時，波浪從口門向港池傳播，隨著防波堤的延長，碼頭與口門間距加大。隨著波浪在傳播中的有效擴散衰減，建筑物離防波堤口門越遠，波高的衰減越明顯，但因為E向為正向入射，且碼頭離口門仍只有約3km的距離，因此波浪衰減程度有限，波高有較小程度的減小。港內波況整體狀態：由于航道的折射作用，航道內的波浪能量逐漸向兩邊擴散，航道兩側區域波高較大，部分區域比波高超過1.2，航道內波高相對較小，比波高小于0.5。港池內波能航道中心線兩側水域相對較集中，波高較大。碼頭及護岸前水域受東防波堤掩護，波高相對較小，比波高約0.5。

當波浪方向為ESE向時，波浪傳播方向與航道軸線夾角為22.5°，隨著口門防波堤長度增加，LNG碼頭及護岸前波高總體變化不大。受港池航道疏浚影響，波浪斜向作用下港內波況較為復雜，并且在100年一遇高水位和極端高水位時，東防波堤及口門防波堤頂高程均低于相應水位，堤頂越浪對東防波堤后側港域波高影響明顯。因此，強浪向ESE向作用時，碼頭及護岸前波高普遍較大。

2、隔堤建設對港內波浪條件的影響

物理模型試驗分別針對口門防波堤長度為2km及3.5km隔堤建設后的方案進行了港內波高測量。各方向波浪條件下隔堤建設前后波高對比見圖3所示。隔堤建設后，LNG碼頭區域和護岸的各向波高均減小，主要原因是增加隔堤后，口門寬度減小，傳播進入港池的波浪能量減小，因此港內各測點波高減小。由于ESE向是強浪向，隔堤建設后口門縮窄，傳入港池的波能有較大幅度的減小，因此碼頭前沿的ESE向波高減小幅度最大，ENE向波高減小幅度最小。

隔堤的建設同樣對港內泊穩也帶來了很大的改善。隔堤建設前后LNG泊位處設計高水位情況下2年一遇各向H4%波高結果見表1所示。

目前南北防波堤距離東堤2km，隔堤尚未建設，對擬建LNG碼頭及護岸前港域掩護不完全，外海波浪仍可自防波堤口門直接傳播進入港池水道，從而影響碼頭前水域，對泊穩條件造成一定影響。在NE～E～ESE各方向中ESE向的2年一遇波高最大，從外圍水域傳至碼頭前沿時H4%=1.73m，NE向次之，設計高水位條件下2年一遇H4%=1.42m，均不能滿足液化天然氣船舶作業標準。當隔堤建成后，除ESE向外，其它方向2年一遇波高均滿足船舶作業標準。

規劃防波堤建設對流場、泥沙回淤的影響

1、防波堤延伸對流場、泥沙回淤的影響

波浪潮流泥沙物理模型試驗分別針對口門防波堤長度為2km、3km及7.1km（防波堤伸至水深-6.0m）進行了潮流泥沙淤積測量研究。

通過對各方案的潮流模擬試驗結果可以看出，潮流通過南北兩條防波堤形成的通道進出港區，防波堤的長度對潮流場的影響僅體現在口門附近的流態略有差異，進入港區后，港內流態基本沒有差異。

隨著防波堤長度的增加，港池平均淤積度有所減下。當防波堤長度為2km時，碼頭泊位處平均淤積強度為0.55m/a，年總淤積量約74 萬m3；當防波堤長度為3km時，碼頭泊位處平均淤積強度為0.51m/a，年總淤積量約66 萬m3；當防波堤延伸至-6m時，碼頭泊位處平均淤積強度為0.29m/a，年總淤積量約38萬m3。雖然方案二將防波堤向外推移了1km，但由于本海域海底坡度平緩，方案二口門處的水深比方案一略有增大，在同等水動力條件下，口門處的水體含沙量差別很小，因此對港內淤積情況改善不大。方案三由于口門含沙量略低，沿程衰減后到達港內，港內淤積情況有較大程度的改善。

2、隔堤建設對流場、泥沙回淤的影響

南北隔堤的建設對港內的流場影響較大，漲、落潮時會在堤兩側形成尺度不一的回流區，尤其南側隔堤西側、本工程碼頭泊位及掉頭區范圍內，在漲潮時存在尺度較大的回流區，區域內流態較為復雜。受兩個隔堤的影響，位于隔堤中心線的8#測點流速明顯增大，最大漲潮流速在1.8m/s 左右，受回流區的影響，擬建及預留LNG 泊位處各測點流速有所增大，最大流速在0.4m/s 左右；受旋流的影響，擬建LNG 泊位西側的1#測點最大橫流在0.2m/s 左右，其他各點的橫流略小。通過對比不同隔堤位置可以看出，隨著隔堤位置向東移動，其產生的回流區對碼頭泊位的影響逐漸降低。

因為隔堤的建設改變了本工程區的流態，使得淤積分布發生變化。由于隔堤的存在，使得泥沙在隔堤東西兩側落淤增加，尤其隔堤兩側的淤積強度最大達到0.93m/a，比沒有隔堤的情況增大了50%左右。航道中由于流速增大，淤積強度比無隔堤的情況下有所降低，而碼頭前沿及回旋水域的淤積強度有所增大，平均淤積強度增大了4%左右。

總體來說，防波堤的加長對港內潮流泥沙影響不大，僅當防波堤延伸至-6m時，港內泥沙淤積將有較大程度的改善。南北隔堤的建設對港內的流態影響較大，尤其在漲潮時存在尺度較大的回流區，區域內流態較為復雜，不過隨著隔堤位置向東移動，其產生的回流區對碼頭泊位的影響將逐漸降低，因此隔堤的位置應盡可能布置在距離本工程較遠的地方。

結語

通過分析規劃防波堤各方案對擬建天津LNG泊位波浪、潮流及泥沙條件的影響得出：①防波堤的延伸及隔堤的建設對港內波高減小及港內泊穩有較大程度的改善。②防波堤的延伸對港內流態的變化影響不大，但隔堤建設后會在漲潮時存在尺度較大的回流區，區域內流態較為復雜。③隨著防波堤向深水區延伸，泥沙淤積情況有所改善；隔堤建設后由于改變了港內流態，泥沙在隔堤東西兩側落淤增加，航道中由于流速增大，淤積強度比無隔堤的情況下有所降低。

（作者單位：中交第二航務工程勘察設計院有限公司）