東營港擬建航道沿線灘面沉積物特性及航道可挖性分析

劉 銳 ，韓志遠 ，劉 濤

（1.東營港經濟開發區，東營257091；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室,天津300456）

東營港位于中國黃河三角洲中心城市東營市的東北部，北鄰京津塘經濟區，南連膠東半島，瀕臨渤海西南海岸，地處黃河經濟帶與環渤海經濟圈的交匯點，區位條件優越。東營港已建3萬t級和5萬t級碼頭分別位于-13 m和-14 m處，均采用棧橋式布置。根據目前東營港規劃，擬在-18 m和-20 m處布置10萬t和15萬t級油碼頭（圖1）。泥沙淤積一直為東營港建設的最主要問題。本文通過工程海域表層和柱狀取樣、試挖槽觀測，分析東營港航道沿線灘面沉積物特征，并結合東營港海域的水動力泥沙環境，對東營港航道可挖性進行分析。

圖1 擬建工程位置Fig.1 Research zone of Dongying port

1 資料依據

1.1 沉積物取樣

2010年8月在東營港5萬t級碼頭至擬建15萬t級碼頭沿線灘面開展表層沉積物取樣工作，共布設23條取樣斷面，斷面間隔500～1 000 m，每條取樣斷面取樣8個，取樣間隔500 m，共取樣184個。取樣采用蚌式采樣器，所有樣品均送實驗室做粒度分析。

同時采用震動式水下采樣器沿航道中心線取柱狀樣18個，取樣間隔1 km，取樣長度40 cm。所有柱狀樣均密封帶回試驗室，按表、中、底分層取樣做粒度分析。

1.2 試挖槽回淤觀測

2006年8月，在東營港3萬t油碼頭附近（-13 m處，圖1）開展試挖槽及泥沙回淤觀測，試挖槽處灘面水深-13 m。試挖槽長200 m，寬60 m，邊坡1：7，挖槽平均開挖深度為1.0～2.5 m。測量范圍為沿挖槽長度方向340 m，寬度方向200 m。試挖槽開挖后，開展了為期兩個多月的地形觀測，觀測時段2006年9月29日～12月12日。試挖槽觀測期間，10月19日～26日、11月8日～12月11日，本海區有5～8級的偏北風，局部時段陣風可達9～10級。

2 研究結果

2.1 航道沿線表層沉積物特征

2.1.1 沉積物類型

本區沉積物類型，-18 m水深以里區域以砂質粉砂和粉砂為主（圖2），僅局部分布粘土質粉砂；在-18～-20 m水深之間以粘土質粉砂為主，局部有粉砂分布。

5萬t級碼頭（-14 m水深）附近沉積物以砂質粉砂和粉砂為主，10萬t級碼頭（-18 m水深）附近以粘土質粉砂和粉砂為主，15萬t級碼頭（-20 m水深）附近基本為粘土質粉砂。從5萬t級碼頭至擬建15萬t級碼頭，隨著水深增加泥沙顆粒呈細化趨勢。

2.1.2 中值粒徑

本區沉積物中值粒徑在0.007～0.050 mm（圖3）。其中，-16 m以里區域中值粒徑基本在0.03～0.05 mm，-16～-18 m區域基本在0.02～0.03 mm；-18～-20 m區域基本小于0.02 mm。

5萬t級碼頭附近中值粒徑在0.03～0.04 mm，10萬t級碼頭附近在0.02 mm左右，15萬t級碼頭附近中值粒徑在0.01～0.015 mm。從5萬t級碼頭至擬建15萬t級碼頭，隨著水深增加，泥沙中值粒徑逐漸變小。

圖2 沉積物類型分布圖Fig.2 Sediment type in Dongying port

圖3 沉積物中值粒徑分布圖Fig.3 d50of sediment in Dongying port

2.1.3 粘土含量

沉積物粘土（d50≤0.004 mm）含量變化，對泥沙的起動、沉降及航道的可挖性具有很重要的作用。

本區沉積物粘土含量在10%～39%（圖4）。其中，-18 m以里區域粘土含量基本在10%～20%，-18 m以外區域粘土含量基本在20%～30%，局部超過30%。

5萬t級碼頭附近粘土含量在15%左右，10萬t級碼頭附近粘土含量在20%～25%，15萬t級碼頭附近粘土含量在30%左右，從5萬t級碼頭至擬建15萬t級碼頭，隨著水深增加，泥沙粘土百分含量逐漸增加。

2.2 航道沿線沉積物垂向分布特征

2.2.1 沉積類型

柱狀沉積物類型中含有粉砂、砂質粉砂、粉砂質砂和粘土質粉砂，其中以粉砂所占比重最高，達73.2%，其次是粘土質粉砂，占16.1%，砂質粉砂占8.9%，粉砂質砂僅占1.8%。5萬t級碼頭附近表、中、底層均為粉砂；10萬t級碼頭附近表層為厚度約10 cm的粘土質粉砂，中、底層為粉砂；15萬t級碼頭附近表、中、底層均為粘土質粉砂。

圖4 沉積物粘土百分含量分布圖Fig.4 Clay content of bed sediment

2.2.2 沉積物中值粒徑和粘土含量

沉積物中值粒徑，5萬t級碼頭附近，表層為0.036 mm，中層為0.040 mm，底層為0.045 mm，表、中、底層平均為0.040 mm；10萬t級碼頭附近，表層為0.028 mm，中層為0.033 mm，底層為0.038 mm，表、中、底層平均為0.033 mm；15萬t級碼頭附近，表層為0.013 mm，中層為0.016 mm，底層為0.021 mm，表、中、底層平均為0.018 mm。

2.3 試挖槽回淤分析

通過對比各個觀測時段的地形沖淤變化（表1），可以看出：

（1）正常海況下，試挖槽淤積速率相對較慢。2006年9月29日～10月16日期間海況正常，平均淤積速率介于1.4～2.0 cm/d；9月29日～10月6日四周邊坡開始出現緩慢沖刷，10月7日～16日挖槽四周邊坡都有明顯沖刷，最大沖刷深度超過0.2 m；10月27日～11月8日期間，平均淤積速率1.6 cm/d，北部邊坡坍塌嚴重，沖刷深度普遍超過0.2 m，最大超過0.4 m。

（2）大風天條件下，試挖槽淤積速率明顯增大，出現驟淤。2006年10月16日～27日期間海況較差，試挖槽出現驟淤，平均淤積厚度達1.17 m，淤積速率達10.6 cm/d。2006年11月8日～29日期間平均淤積厚度達1.33 m，淤積速率達6.3 cm/d。大風天試挖槽邊坡塌方嚴重，邊坡塌方對挖槽內淤積產生較大影響。

（3）兩次大風天過后，試挖槽基本淤平，后期淤積又恢復到自然狀態。2006年11月29日～12月12日期間，平均淤積厚度0.07 m，淤積速率為0.5 cm/d。

（4）試挖槽回淤物質以粘土質粉砂和粉砂為主，中值粒徑在0.019～0.031 mm，與附近灘面沉積物基本一致。

由以上幾點分析可以看出，一般天氣下試挖槽的淤積幅度很小，大風天下試挖槽內淤積嚴重。大風觀測期間，試挖槽內出現高濃度含沙水體，厚度為20～40 cm。因此大風天高濃度含沙水體落淤形成的驟淤應是試挖槽淤積的主要原因。

表1 試挖槽不同時間段淤積特征Tab.1 Deposition of trial tunnel during field survey

3 東營港航道可挖性分析

3.1 海域動力條件

東營港航道海域動力條件有以下幾個特征［1-3］：（1）東營港靠近半日潮無潮點，潮差很小，屬于弱潮海岸；（2）本海區潮流流速較大，-15 m以淺區域大潮平均流速為0.5 m/s左右，最大流速為1.34 m/s；規劃10萬t級碼頭（-18 m水深）附近大潮平均流速為0.45 m/s；最大流速為0.73 m/s；（3）本海區冬、春兩季大風次數較多，≥6級風天數為11.5 d；（4）東營港海域冬、春兩季寒潮影響頻繁，寒潮主要發生在10月至翌年5月，7～15 d出現一次，寒潮引起的大浪波高在3 m以上，大浪一般持續3 d左右。

3.2 泥沙來源

東營港泥沙來源主要來源：一是東營港北部老黃河口泥沙在波流共同作用下向東營港海區運移；二是現黃河口的高濃度懸沙向北輸移擴散，現行黃河口泥沙向北擴散距離約15 km，東營港所在位置距現黃河口約50 km，受黃河入海泥沙的直接影響是有限的；三是當地泥沙在風浪掀沙、潮流輸沙作用下的反復搬運。近年來該海域水下地形趨于平衡穩定，因此，工程海域泥沙主要來源于老黃河口三角洲以及本地灘面在風浪、潮流作用下再懸浮起動搬運的泥沙。

3.3 與鄰近黃驊港、濱州港底質條件比較

通過對比鄰近濱州港底和黃驊港質資料可以看出［4-10］：

第一，從沉積類型上看，黃驊港以砂質粉砂和粘土質粉砂為主，濱州港附近海域主要以砂質粉砂和粉砂為主；東營港海域-14 m等深線以內（5萬t級碼頭以內）主要以粉砂和砂質粉砂為主，-14～-18 m等深線之間以粉砂、砂質粉砂為主；-18 m等深線（10萬t碼頭）以外以粘土質粉砂為主。

第二，中值粒徑和粘土含量分布，黃驊港航道北側泥沙平均中值粒徑為0.024 mm，粘土含量為24.7%；黃驊港航道南側（黃驊港與濱州港之間水域）平均中值粒徑為0.036 mm，粘土含量為16.3%；濱州港外側海域泥沙平均中值粒徑為0.05 mm，粘土含量為7.8%。東營港-14 m等深線以內海區平均中值粒徑約為0.033 mm，粘土含量在10%左右；-14～-18 m平均中值粒徑約為0.023 mm，平均粘土含量在22.4%；-18 m等深線（10萬t碼頭）以外平均中值粒徑約為0.014 mm，平均粘土含量為27.1%。

由以上分析可見，東營港-14 m等深線以內海域的底質性質與黃驊港、濱州港一致；-18 m等深線（10萬t級碼頭）以外海域要明顯偏細，而且比黃驊港北側灘面底質還細。

3.4 航道開挖驟淤的可能性分析

判斷航道開挖后是否存在驟淤的可能性一般看3個條件，水動力條件、沙源情況和灘面泥沙性質。

從水動力條件看，本海區水流速度較大，規劃10萬t級碼頭-18 m附近海域大潮漲落潮平均流速在0.40～0.49 m/s，最大流速為0.73 m/s；本海區波浪也比較強，這些都為泥沙的活動提供了充分的動力條件。在此，采用佐藤公式對波浪作用下灘面泥沙產生表面起動和全面起動水深進行了計算，在3.5 m波浪作用下泥沙完全起動的水深大約在-18 m等深線處。

在泥沙來源方面，東營港附近新、老黃河口泥沙輸移擴散對工程區影響有限，最主要的是灘面就地搬運的泥沙。再者，航道軸線走向與等深線垂直，而當地潮流主流向則與等深線平行作往復流動，航道走向與水流的交角近乎垂直，當水流跨越外航道時，泥沙將很快落淤，從而導致外航道的淤積。

從灘面泥沙性質來看，東營港海域灘面為活動性極強的粉砂，在波浪與潮流共同作用下易于擾動和搬運，東營港3萬t級油碼頭試挖槽在大風觀測期間出現驟淤即是明證。這就是粉砂質港口的特點，粉砂易掀動輸移又易沉降落淤，在大風期間會產生快速回淤。-18 m等深線以里海域主要以粉砂和砂質粉砂為主，泥沙活動性大，不宜開挖航道。-18 m等深線以外則主要以粘土質粉砂為主，局部有少量的粉砂，泥沙平均中值粒徑都在0.02 mm以下，粘土含量約在27.1%，泥沙活躍性大大降低。因此，工程海域-18 m以外海域底質條件要比近岸海域（-18 m以里海域）要好一些。

綜上幾個方面的分析可以看出，東營港10萬t級碼頭（-18 m等深線）以里水域泥沙活動性大，發生驟淤的可能性大，不宜開挖航道；10萬t級碼頭（-18 m等深線）以外海域泥沙來源有限，灘面泥沙主要以就地搬運為主，灘面泥沙活動性較差，如果開挖航道，出現大風驟淤的可能性要比近岸港區小。

4 結論

（1）東營港航道沿線沉積物類型，5萬t級碼頭（-14 m水深）附近以砂質粉砂和粉砂為主，10萬t級碼頭（-18 m水深）附近以粘土質粉砂和粉砂為主，15萬t級碼頭（-20 m水深）附近基本為粘土質粉砂。航道沿線沉積物中值粒徑，5萬t級碼頭附近在0.03～0.04 mm，10萬t級碼頭附近在0.02 mm左右，15萬t級碼頭附近在0.01～0.015 mm。從5萬t級碼頭至擬建15萬t級碼頭，泥沙顆粒隨著水深增加逐漸變細。

（2）-18 m等深線（10萬t級碼頭）以里水域灘面泥沙以粉砂和砂質粉砂為主，活動性強，發生驟淤的可能性大，不宜開挖航道；-18 m等深線以外水域灘面以粘土質粉砂為主，泥沙活動性較差，開挖航道后出現大風驟淤的可能性較小。

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