曹妃甸中區一港池口門拓寬方案研究

張 靜，馮 璐

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引言

唐山港曹妃甸港區西距天津港約38 n mile，東北距京唐港區約33 n mile。港區剛剛建港時，對中區一港池定位為10萬t級港池，初始規劃最大泊位等級為10萬t級。鐵礦石、煤炭運輸帶動的船舶大型化趨勢明顯，為了在市場競爭中處于有利地位，托運者和承運者均會選擇大噸位船舶，目前世界鐵礦石運輸多以10～25萬t級散貨船為主，約占海運量的75 %以上。為服務曹妃甸循環經濟示范區和大宗散貨轉運為主的大型綜合性港區，并承擔“北煤南運”的重要任務。2019年《唐山港總體規劃調整》將中區一港池航道等級提升為20萬t級。

截止目前，曹妃甸港區共有生產性泊位92個，設計總通過能力為42 331萬t，岸線總長度23 428 m。港區中區一港池現有泊位48個，主要為通用散雜、通用件雜、多用途、煤炭等泊位，一港池2019年完成貨物吞吐量約占曹妃甸港區吞吐量50%，是曹妃甸港區的重要作業區。港池西岸線最北端的通用散貨泊位一期、二期、三期工程均可靠泊20萬t級散貨船。而現狀中區一港池口門有效寬度280 m，僅能滿足10萬t級散貨船單線通航需求，制約了整個港池發展。為提升中區一港池航道通航標準，滿足港池發展需要，需將口門位置處拓寬至365 m，使其滿足20萬t級船舶單線和10萬t級船舶雙線通航要求。本文對口門拓寬方案進行研究，在滿足通航需求的前提下，避免由于口門拓寬降低防波堤對港池內已建泊位的掩護效果。

1 口門現狀

口門現狀防波堤堤頭中心線間距約600 m，東防波堤堤頭原泥面高程-9.0 m，西防波堤堤頭原泥面高程約-17.0 m。曹妃甸中區一港池10萬t級航道已于2018年10月完成竣工驗收，一港池航道軸線方位15°～195°，現狀情況下口門位置處有效寬度為280 m，底標高-18.3 m。

圖1 中區一港池口門現狀圖

根據引航部門意見，結合實際使用情況，現狀條件下，船舶沿軸線方位35°～215°完成進出口門作業，在此軸線方位下，口門有效寬度306 m。

2 口門拓寬方案

考慮到中區一港池內已建有20萬t級散貨泊位，同時結合擬建泊位情況，為充分發揮中區一港池航道現有和擬建泊位通過能力，需要對現有航道進行升級，使其滿足20萬t級船舶單線和10萬t級船舶雙線通航要求。參照海港總體設計規范[1]，口門位置處挖槽寬度取值365 m。

口門位置處橫流較大，盡可能大增大口門有效寬度，口門位置處航道底寬365 m，20萬t級散貨船通航底高程-18.5 m位置處通航寬度369 m，10萬t級散貨船-14.6 m位置處通航寬度408 m。

表1 航道寬度計算表

圖2 口門拓寬方案圖

3 防波堤加固改造

口門是船舶的出入口，必須方便船只航行，并盡量減少進港的波能及泥沙，同時注意口門處海流的影響。曹妃甸中區一港池口門位置已經確定，考慮方便船舶通航，將口門加大，勢必對港內的波穩條件產生不利的影響，根據一港池現狀使用情況，口門內東側岸線的首鋼成品泊位，在西南風的作用下，已存在部分越浪現象，所以，口門的加寬改造方案在不拆除既有防波堤的前提下進行。

西防波堤堤頭原泥面高程-17.0 m，航道加寬放坡距離很短，不會對堤頭產生影響。東堤堤頭原泥面高程-9.0 m，20萬t級散貨船通航設計底高程-18.9 m，東堤需要放坡50 m。已建東防波堤現狀為拋石斜坡堤結構，堤頂高程為5.5 m。防波堤堤頭部分采用10～100 kg塊石作為堤心，其上設150～300 kg墊層塊石，外側安放一層3 t扭王字塊體作為護面，坡腳處護底為80～100 kg塊石。

根據20萬t級航道浚深要求，航道需開挖至距東防波堤堤頭護底外邊線最小距離約約16.0 m處。為減少開挖邊坡對已有東防波堤結構的影響，提高開挖邊坡的抗沖刷能力，需要對防波堤航道浚深一側部分區域進行地基加固處理。

改造過程中為了盡量減小對現有堤頭結構的擾動及破壞，且同時又能達到地基改善的目的，擬采用振沖碎石樁方案[2]。改造施工時，須先拆除東防波堤部分堤頭段的護底結構，然后采用Ф1 000水下振動沉管碎石樁對原護底下土層進行地基加固，改善表層土體的力學特性。加固完成后，按原設計斷面恢復，形成完整堤頭結構。

圖3 東防波堤加固斷面圖

4 口門拓寬后港池內波浪條件分析

4.1 波浪試驗結果與分析

本次設計需要對口門寬度進行一定程度的拓寬，考慮到防波堤口門與碼頭位置距離較近，為確定航道拓寬后對碼頭前沿上水情況及港池內泊穩的影響，對口門附近碼頭區波浪條件開展整體物理模型試驗，得到曹妃甸港區中區一港池口門拓寬與現狀碼頭前的波高分布和碼頭上水情況。經過分析，SW向波浪影響最為顯著，故將SW向波浪試驗結果進行分析。

現狀港池與浚后港池在SW向浪作用下，因口門在該方向上投影寬度最大，對東側碼頭影響較大，波浪傳至東側碼頭東北角前沿，此處泊位受其影響較大。波浪進入碼頭后部分沿東碼頭向北傳播，部分受直立式碼頭反射傳播至西側碼頭泊位處，碼頭前反射明顯，入射波浪與反射波疊加，最大比波高出現在主航道轉彎處，現狀與浚后表現基本一致。北側現狀與浚后基本一致，最大比波高差在0.1左右。

對于碼頭面上水，并沒有因為碼頭前比波高值較大而產生相對較大的上水，現狀與竣后在極端高水位重現期50、10、2年波浪作用下，存在少量但普遍上水，浚前、后最大上水厚度分別為1.12 m和1.33 m?，F狀與竣后在設計高水位僅在50年一遇出現上水，位置在P30處，最大上水厚度均為0.4 m，平均上水厚度在0.13 m左右。分析其產生的原因為P25～P30碼頭與波浪傳遞方向一致，波浪沿著碼頭岸線順浪傳遞到P30～P31的拐角位置，產生波能集中，故此處上水較大，達到1.6 m左右。受東側碼頭波浪反射影響。

圖4 波高測點布置圖

表2 SW向浪作用碼頭上水厚度（現狀、浚后）

圖5 比波高差值分布示意圖（現狀及浚后）

4.2 口門拓寬后港內波浪試驗結論

1）碼頭前波高分布

SSE、S、SSW、SW和WSW 5個方向波浪作用下，浚前與浚后波高分布整體表現一致。WSW向對東碼頭影響最大，設計高水位、重現期50年條件下，碼頭前最大比波高浚前與浚后出現在相同位置，分別為1.05和0.99；S和SSE向波浪對東碼頭影響最小；SSE向波浪對西碼頭影響最大，設計高水位、重現期50年條件下，碼頭前最大比波高浚前與浚后分別為0.97和0.93。

2）碼頭面上水情況

東側碼頭：設計高水位、重現期10年、50年條件下，WSW和SW向波浪作用時，首鋼通用散雜貨泊位碼頭出現上水，最大上水厚度為0.4 m；SSW和SW向浪作用時，首鋼成品泊位碼頭出現上水，最大上水厚度為0.21 m。

西側碼頭：國投煤碼頭端頭外側位置在S浪向在設計高水位及重現期50、10、2年均有少量上水，現狀與竣后最大上水差別不大，而且上水段較短?？梢哉J為東西碼頭面現有高程適宜，浚后未明顯提高上水，建議碼頭面采取適當排水措施。

由于上水段較短，可以認為東西碼頭面現有高程適宜，浚后未明顯提高上水。

3）疏浚前后港內波高變化不大，空間分布略有不同，疏浚對泊穩條件及上水情況沒有明顯影響。

5 結語

考慮到中區一港池的重要性，通航船舶等級越來越大，決定對中區一港池口門進行拓寬。拓寬方案在不拆除現有防波堤的前提下，通過采用水下振動沉管碎石樁對原護底下土層進行地基加固，確保口門有效寬度拓寬后防波堤的穩定性。拓寬后的口門高程-18.9 m位置底寬365 m，可以滿足20萬t級船舶單線和10萬t級船舶雙線通航需求。本次改造方案浚深深度及拓寬范圍均不大，對波浪傳播的影響十分有限，通過模型試驗得出，各測點改造前后波高變化不大，浚后未明顯提高碼頭上水，改造拓寬方案較為合理。