通州灣港區一港池回淤對策

劉碧榮，曾成杰

(1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司 上海200032；2.南京水利科學研究院，江蘇 南京 210024)

南通港通州灣港區位于長江口北翼(圖1)，具有長三角一體化和江蘇新出海口多重戰略優勢，規劃在蘇北輻射沙洲腰沙附近建設3個港池[1](圖2)。一港池位于腰沙沙體南側，目前已圈圍，港池坐北朝南，底質以粉砂為主，黏粒含量一般不超過5%，作為粉砂質海岸，在強波浪強水流動力作用下，泥沙易淤積在開挖區底部。季則舟[2]分析粉砂質海岸泥沙淤積特點，提出粉砂質海岸港口布置基本模式有挖入式、近岸填筑式和離岸島式，濰坊港和洋口港是離岸島式，黃驊港是近岸填筑式，京唐港是挖入式，除洋口港水深條件較好，其他港口均受泥沙淤積影響，因此近岸填筑式和挖入式建設防沙堤是必要的。通州灣港區一港池目前為離岸島式兼有近岸填筑和挖入式的特點。筆者通過分析一港池平面形態、水文泥沙、地形特征，研究其回淤問題和對策措施，對近期是否建設擋沙堤提出指導意見。

圖1 工程地理位置

圖2 通州灣港區規劃

1 一港池平面布置

根據規劃，通州灣港區一港池布置為“∏”形，通過挖填結合的方式，對腰沙沙體根部0m線以上的高灘圈圍形成陸域，港池開口正南向與小廟洪水道連通，與通州作業區最近距離3.5 km，與海門5萬噸級通用碼頭最近距離2.1 km，距-5 m等深線最近距離僅1.1 km，與蠣蚜山前-15 m深槽最近距離1.7 km。一港池與小廟洪水道等深線相對位置如圖3所示。

圖3 一港池與小廟洪水道等深線相對位置

2 水文泥沙特征

2.1 波浪

根據呂四海洋站(位于小廟洪水道中部大洋港外側海域，見圖3)1969—2001年實測波浪資料，測站海域波浪方向主要集中在NW—N—E—SE向180°范圍，分向出現頻率均在4%～6%；常浪向為N、NE、NW向，出現頻率均為6.0%；強浪向為NE，實測最大波高為3.8 m；次強浪向為NNW—N向，實測最大波高為3.3～3.5 m；平均波高為0.48 m；無浪天數(H4%<0.1 m)約占全年的50%。根據一港池平面布置和周邊地形地貌形態，一港池及口門受SE—SSE向傳入波浪影響較大，其余方向均受掩護。統計1981、1982、1987、1989、1990年的波浪觀測資料，SSE、SE向各出現1次2.0 m以上波高(H1/10)，SE向出現1次1.2～1.4 m波高，其余均不超過1.1 m，可見SE—SSE向波浪出現大浪的幾率較小，波高不大，持續時間較短。研究表明一港池口門附近破波區局限在0 m以淺的區域，破波掀沙的區域有限。

自大唐電廠一期建成以來，呂四邊灘經歷了大范圍圈圍造地，形成大唐電廠、呂四港區挖入式港池、東灶港作業區、通州作業區等新陸域(圖4)，使原陸地邊線向海平均推進了3 km，水域寬度進一步縮窄，開口進一步向ESE向集中，一港池SE—SSE向出現大浪的頻率進一步變小。

圖4 呂四海岸線變化

2.2 水流

根據2014年9—10月實測水流資料[3]，小廟洪尾部水道中各測點水流均以往復流為主(圖5)，與通州灣海域潮汐水道中水流特性一致。漲潮最大流速發生在高潮前3 h左右，落潮最大流速發生在低潮前3 h左右，而高、低平潮附近流速最小。深槽區測點大潮垂線平均最大流速基本都在1.2 m/s以上，C3點漲潮最大可達1.51 m/s。擬建一港池口門處淺水區的C2和C5測點流速明顯小于深槽區，大潮漲潮最大流速分別為1.04和0.94 m/s，落潮最大流速分別為0.72和0.73 m/s。

圖5 2014年工程海域大潮垂線平均流矢圖

由于港池口門方向與小廟洪水道中水流方向夾角較大，口門段航道會有橫流，最大橫流出現在中水位附近(圖6)，但在航寬足夠的前提下，橫流對船舶正常進出港池不產生決定性影響。同時，航道兩側淺灘的泥沙在橫向水流作用下易向航槽輸移沉積。

圖6 C2實測潮流與潮位同步過程線

2.3 懸沙

蘇北沿岸泥沙運動的總趨勢是以弶港為中心，北沙南移和南沙北移。長江流域來沙有9%左右向北進入江蘇沿海輻射沙洲群[4]。小廟洪水道大、中潮含沙量大于小潮，冬季含沙量大于夏季，水淺處含沙量大于水深處，全年大、中、小潮平均含沙量為0.26 kg/m3。含沙量沿垂線分布上小下大，最大測點含沙量一般出現在底層或近底層，實測最大含沙量為1.123 kg/m3，最小含沙量為0.041 kg/m3。漲、落急時含沙量相對較大，受波浪影響在流速較小時也會出現含沙量較大的情況。懸沙中值粒徑在0.004～0.017 mm，主要為細粉砂和極細粉砂。

2014年11月，在一港池口門附近開展了3個測點的大風天水體含沙量測量[5]，測量期間達到6級風最長歷時近30 h，大風期間風向主要為西風，最大風速14.1 m/s，達到7級風速。

在6級西風作用下，DF-1(-3.0 m)、DF-2(-5.0 m)、DF-3(-1.0 m)測點(圖7)的最大波高分別為1.65、1.47和1.35 m，有效波高均不足1 m，浪向偏西，此時3個測點的底層含沙量分別為0.14、0.18和0.21 kg/m3。在流速最大時測得3點底層最大含沙量分別為0.41、0.36和0.44 kg/m3，對應波高為0.10、0.20、0.39 m。上述測量結果顯示：在偏西向6級大風持續作用下，一港池口門處波浪未能起動床沙，潮流在泥沙掀揚和沉降過程中起主導作用。

圖7 2014年11月大風天含沙量測站位置

2.4 底質

根據2014年10月小廟洪尾部底質取樣結果，工程區附近底質以粉砂為主，黏粒含量一般不超過5%。小廟洪水道南側間有細砂、黏質粉土和粉質黏土，粒徑小于0.004 mm的顆粒含沙量一般在5%～15%；高程在理論基面4 m以上的腰沙高灘上，底質相對較細，中值粒徑一般在0.1 mm以下，黏粒卻未明顯增多(圖8)。

圖8 工程海域底質顆粒中值粒徑等值線

通常粉沙起動流速小，沉降速度大，易動易沉，在海水中泥沙不發生絮凝現象，泥沙運移型態為懸移質與推移質共存，引起泥沙運動的動力是波浪和潮流的共同作用，其中波浪影響較大[6]，港池及航道區受掩護情況決定了未來淤積程度。

3 應對回淤問題的思路

通常，在開敞海域粉砂質淺灘中開挖的航道淤積現象較為嚴重。通州灣港區一港池雖然建在粉砂質淺灘上，但口門坐北朝南，西向與南向有陸岸阻擋，北向與東向有腰沙沙體掩護，僅在東南向掩護條件較差。根據波浪觀測資料，東南向出現大浪的幾率較小，大浪持續時間較短，因此基本可以判定一港池口門段航道開挖后較難出現短時驟淤礙航現象。口門段航道走向與小廟洪水道水流方向夾角較大，以懸沙和兩側淺灘向航道輸沙所致的日常淤積為主，設計時結合港區功能、口門布置特點和水文泥沙特征，可采取事前預防和事后補救措施確保一港池建成后船舶正常進出港。

4 應對回淤問題的策略

4.1 事前預防

4.1.1布設擋沙堤

根據歷史海床演變分析結論[7]，小廟洪水道的穩定需要有一定的納潮量維持，從穩定尾部灘槽格局的角度出發，一港池口門擋沙堤布置不宜過長。在滿足航道轉彎半徑的前提下，考慮口門段存在水流雙向輸沙，設計倒“八”字口的擋沙堤方案；為使陸地邊界平順連接，航道區縮水攻沙，布置平口縮窄的擋沙堤方案；計算顯示小廟洪水道尾部凈輸沙方向由東向西，布置錯口的擋沙堤方案[8](圖9)。

圖9 擋沙堤方案

物模研究[9]表明：一港池口門不建擋沙堤或建平口縮窄擋沙堤，最大年淤強為2.5 m左右，年淤強大于1.5 m的區域長約1 km，強淤積區集中在口門附近，最大橫流為0.56 m/s；建設“八”字口和錯口方案擋沙堤，口門附近最大年淤強1.5 m左右，最大橫流為0.79和0.63 m/s。前者較后者支航道年回淤量增加約40萬m3，港池年回淤量增加約20萬m3，口門附近橫流較小，更有利于船舶進出口門時的通航安全。一港池按5萬噸級建設規模計算總開挖量約6 000萬m3，建設擋沙堤后減淤量僅為總開挖量的1%，也限制了口門段航道寬度的提升，開普敦型船舶進出一港池將非常困難。由于強淤積區比較集中(圖10)，長度較小，主要是常年隨流淤積，發生驟淤的幾率較小，目前可采用定期疏浚的方式使水深達到使用要求，若航道回淤嚴重、維護較難、對船舶正常通航產生明顯影響時，可考慮建設擋沙堤。

圖10 一港池支航道沿程淤積分布

4.1.2支航道預留充足備淤深度

根據JTS 165-2013《海港總體設計規范》第6.4.6條，航道水深按式(1)計算：

D=D0+Z4

(1)

式中：D為航道設計水深(m)；D0為航道通航水深(m)；Z4為備淤深度。

根據水流泥沙物模試驗成果，建設倒“八”字口擋沙堤，口門區-3.0～-1.0 m處回淤最大，正常天氣情況下年回淤強度1.5 m左右，按年疏浚維護次數2次考慮，設計備淤深度取0.8～1.0 m。不建擋沙堤，支航道最大年淤強可達2.5 m，口門附近不超過1.0 km范圍內年淤強超過1.5 m，可考慮該區段內另增加0.5～1.0 m的備淤深度(圖11)，估算增加基建疏浚工程量僅10萬～20萬m3，足夠的備淤深度可減少航道水深維護的頻次，減輕維護性疏浚對港區營運的影響。

圖11 增加備淤深度

4.1.3擴大疏浚范圍，減少支航道兩側淺灘供沙

粉砂質海岸航道兩側淺灘往往是航道回淤泥沙的主要來源，波浪掀沙、潮流輸沙是該海岸泥沙運移的重要方式與主要過程，在大風浪作用下，水體臨底部易形成高濃度含沙層，隨流搬運使航道產生驟淤現象。研究顯示在目前小廟洪水道尾部灘槽格局下，一港池口門附近大浪破波區范圍局限在0 m以淺的近岸水域，破波區內床沙易起動懸揚，導致水體含沙量增大，在該區域內開挖的航槽回淤較為嚴重。通州灣港區陸域形成需要巨量的回填料，本地淺灘是回填料的優質來源，除港池航道開挖疏浚土用于吹填外，通常還需另覓其他的取沙區用于吹填。結合支航道防淤減淤要求，考慮在一港池口門支航道兩側0 m以淺的區域(圖12)進行定期取沙[10]，首期疏浚量約500萬m3。該區域浚深后，ESE向大浪將難以掀動航道兩側淺灘上的床沙，同時因過流面積增大，流速減小，船舶轉彎進出港更易操縱，水體挾沙能力的減小可使懸沙更多淤積在航道區外，相對減少航道區淤積。

圖12 增加淺灘疏浚范圍

4.2 事后補救

4.2.1配置高效率適應性強的疏浚船舶

航道港池淤積后的補救措施主要是疏浚。規劃的通州灣港區未來港池及航道大多需人工開挖，開挖區回淤應是常態，港區需專門配備大型高效率的挖泥船進行水深維護。根據前述懸沙及床沙特征，疏浚土以粉砂和細粉砂為主，采用帶艏吹功能的自航大型耙吸式挖泥船以溢流模式施工，施工效率高，可自動避讓，不影響航道正常通航。棄土區可就近安排在一港池口門附近圍區內，距離不超過1 km，采用艙容1.3萬m3的耙吸式挖泥船清淤較艙容4 500 m3的耙吸式挖泥船可節約1/2的清淤時間。隨著南通建設江蘇新的出海口——通州灣港區進程的加快，港區亟需配備高效疏浚設備定期對航道和港池進行清淤。目前，最新的挖泥船配備自動化程度高的疏浚控制系統，具有自動吃水控制、航速控制、耙吸系統和排放控制等諸多功能，可在各種工況下實現智能疏浚，施工效率比人工操作提高近15%，最大生產率可達1萬m3/h以上，因此配置高效率適應性強的疏浚船舶對航道水深進行維護，可防止淤積對港區營運產生重大影響。

4.2.2加強水深監測，控制船舶吃水

人工航道日常營運中水深監測十分重要。通過水深監測可及時發現淤積淺區，歷次水深測圖對比也有利于發現淤積規律。在船舶進出港管理中，船舶實際吃水一般以不超過航道設計船型滿載吃水控制，根據潮位預報和航道淺區的水深，預先設定船舶最大吃水、留足富余水深，以防止船舶航行時擱淺。通州灣一港池口門段航道淤積的泥沙一部分來自漲落潮流挾帶的含沙水體，另一部分來自兩側淺灘的供沙。基建疏浚結束后，初期因兩側淺灘細顆粒泥沙易起動，會導致挖槽內回淤較大，但隨著淺灘粗化和供沙能力的減弱，回淤情況應會明顯改善，航道營運初期應定期監測水深，加強大風后航道水深觀測，分析是否存在驟淤現象，評估淤積對航道通航影響的程度，采取相應的對策。

5 結論

1)粉砂質海岸的泥沙粒徑介于淤泥質海岸和砂質海岸之間，泥沙運動十分活躍，在波浪、潮流等海洋動力作用下，泥沙極易起動和沉積，一港池開挖后回淤問題是建港關注的焦點。

2)一港池支航道較短，SE向出現大浪的幾率較小，其他方向均有掩護，正常情況下以懸沙淤積為主，強淤積區集中在口門附近。口門建設擋沙堤雖有減淤作用，但減淤總量對比港池規模并不明顯，口門縮窄亦不利于大型船舶進出港。

3)一港池口門先不考慮建設擋沙堤，通過增加備淤深度，浚深航道兩側淺灘，配置高效挖泥船進行水深維護，根據航道水深動態控制船舶吃水，使港口正常營運基本不受支航道淤積的影響。

4)針對回淤明顯區段，加強水深監測，分析回淤強度和維護難易程度，評估對船舶正常進出港的影響，再考慮擋沙堤的建設。