东营港拟建航道沿线滩面沉积物特性及航道可挖性分析

刘 锐 ，韩志远 ，刘 涛

（1.东营港经济开发区，东营257091；2.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室,天津300456）

东营港位于中国黄河三角洲中心城市东营市的东北部，北邻京津塘经济区，南连胶东半岛，濒临渤海西南海岸，地处黄河经济带与环渤海经济圈的交汇点，区位条件优越。东营港已建3万t级和5万t级码头分别位于-13 m和-14 m处，均采用栈桥式布置。根据目前东营港规划，拟在-18 m和-20 m处布置10万t和15万t级油码头（图1）。泥沙淤积一直为东营港建设的最主要问题。本文通过工程海域表层和柱状取样、试挖槽观测，分析东营港航道沿线滩面沉积物特征，并结合东营港海域的水动力泥沙环境，对东营港航道可挖性进行分析。

图1 拟建工程位置Fig.1 Research zone of Dongying port

1 资料依据

1.1 沉积物取样

2010年8月在东营港5万t级码头至拟建15万t级码头沿线滩面开展表层沉积物取样工作，共布设23条取样断面，断面间隔500～1 000 m，每条取样断面取样8个，取样间隔500 m，共取样184个。取样采用蚌式采样器，所有样品均送实验室做粒度分析。

同时采用震动式水下采样器沿航道中心线取柱状样18个，取样间隔1 km，取样长度40 cm。所有柱状样均密封带回试验室，按表、中、底分层取样做粒度分析。

1.2 试挖槽回淤观测

2006年8月，在东营港3万t油码头附近（-13 m处，图1）开展试挖槽及泥沙回淤观测，试挖槽处滩面水深-13 m。试挖槽长200 m，宽60 m，边坡1：7，挖槽平均开挖深度为1.0～2.5 m。测量范围为沿挖槽长度方向340 m，宽度方向200 m。试挖槽开挖后，开展了为期两个多月的地形观测，观测时段2006年9月29日～12月12日。试挖槽观测期间，10月19日～26日、11月8日～12月11日，本海区有5～8级的偏北风，局部时段阵风可达9～10级。

2 研究结果

2.1 航道沿线表层沉积物特征

2.1.1 沉积物类型

本区沉积物类型，-18 m水深以里区域以砂质粉砂和粉砂为主（图2），仅局部分布粘土质粉砂；在-18～-20 m水深之间以粘土质粉砂为主，局部有粉砂分布。

5万t级码头（-14 m水深）附近沉积物以砂质粉砂和粉砂为主，10万t级码头（-18 m水深）附近以粘土质粉砂和粉砂为主，15万t级码头（-20 m水深）附近基本为粘土质粉砂。从5万t级码头至拟建15万t级码头，随着水深增加泥沙颗粒呈细化趋势。

2.1.2 中值粒径

本区沉积物中值粒径在0.007～0.050 mm（图3）。其中，-16 m以里区域中值粒径基本在0.03～0.05 mm，-16～-18 m区域基本在0.02～0.03 mm；-18～-20 m区域基本小于0.02 mm。

5万t级码头附近中值粒径在0.03～0.04 mm，10万t级码头附近在0.02 mm左右，15万t级码头附近中值粒径在0.01～0.015 mm。从5万t级码头至拟建15万t级码头，随着水深增加，泥沙中值粒径逐渐变小。

图2 沉积物类型分布图Fig.2 Sediment type in Dongying port

图3 沉积物中值粒径分布图Fig.3 d50of sediment in Dongying port

2.1.3 粘土含量

沉积物粘土（d50≤0.004 mm）含量变化，对泥沙的起动、沉降及航道的可挖性具有很重要的作用。

本区沉积物粘土含量在10%～39%（图4）。其中，-18 m以里区域粘土含量基本在10%～20%，-18 m以外区域粘土含量基本在20%～30%，局部超过30%。

5万t级码头附近粘土含量在15%左右，10万t级码头附近粘土含量在20%～25%，15万t级码头附近粘土含量在30%左右，从5万t级码头至拟建15万t级码头，随着水深增加，泥沙粘土百分含量逐渐增加。

2.2 航道沿线沉积物垂向分布特征

2.2.1 沉积类型

柱状沉积物类型中含有粉砂、砂质粉砂、粉砂质砂和粘土质粉砂，其中以粉砂所占比重最高，达73.2%，其次是粘土质粉砂，占16.1%，砂质粉砂占8.9%，粉砂质砂仅占1.8%。5万t级码头附近表、中、底层均为粉砂；10万t级码头附近表层为厚度约10 cm的粘土质粉砂，中、底层为粉砂；15万t级码头附近表、中、底层均为粘土质粉砂。

图4 沉积物粘土百分含量分布图Fig.4 Clay content of bed sediment

2.2.2 沉积物中值粒径和粘土含量

沉积物中值粒径，5万t级码头附近，表层为0.036 mm，中层为0.040 mm，底层为0.045 mm，表、中、底层平均为0.040 mm；10万t级码头附近，表层为0.028 mm，中层为0.033 mm，底层为0.038 mm，表、中、底层平均为0.033 mm；15万t级码头附近，表层为0.013 mm，中层为0.016 mm，底层为0.021 mm，表、中、底层平均为0.018 mm。

2.3 试挖槽回淤分析

通过对比各个观测时段的地形冲淤变化（表1），可以看出：

（1）正常海况下，试挖槽淤积速率相对较慢。2006年9月29日～10月16日期间海况正常，平均淤积速率介于1.4～2.0 cm/d；9月29日～10月6日四周边坡开始出现缓慢冲刷，10月7日～16日挖槽四周边坡都有明显冲刷，最大冲刷深度超过0.2 m；10月27日～11月8日期间，平均淤积速率1.6 cm/d，北部边坡坍塌严重，冲刷深度普遍超过0.2 m，最大超过0.4 m。

（2）大风天条件下，试挖槽淤积速率明显增大，出现骤淤。2006年10月16日～27日期间海况较差，试挖槽出现骤淤，平均淤积厚度达1.17 m，淤积速率达10.6 cm/d。2006年11月8日～29日期间平均淤积厚度达1.33 m，淤积速率达6.3 cm/d。大风天试挖槽边坡塌方严重，边坡塌方对挖槽内淤积产生较大影响。

（3）两次大风天过后，试挖槽基本淤平，后期淤积又恢复到自然状态。2006年11月29日～12月12日期间，平均淤积厚度0.07 m，淤积速率为0.5 cm/d。

（4）试挖槽回淤物质以粘土质粉砂和粉砂为主，中值粒径在0.019～0.031 mm，与附近滩面沉积物基本一致。

由以上几点分析可以看出，一般天气下试挖槽的淤积幅度很小，大风天下试挖槽内淤积严重。大风观测期间，试挖槽内出现高浓度含沙水体，厚度为20～40 cm。因此大风天高浓度含沙水体落淤形成的骤淤应是试挖槽淤积的主要原因。

表1 试挖槽不同时间段淤积特征Tab.1 Deposition of trial tunnel during field survey

3 东营港航道可挖性分析

3.1 海域动力条件

东营港航道海域动力条件有以下几个特征［1-3］：（1）东营港靠近半日潮无潮点，潮差很小，属于弱潮海岸；（2）本海区潮流流速较大，-15 m以浅区域大潮平均流速为0.5 m/s左右，最大流速为1.34 m/s；规划10万t级码头（-18 m水深）附近大潮平均流速为0.45 m/s；最大流速为0.73 m/s；（3）本海区冬、春两季大风次数较多，≥6级风天数为11.5 d；（4）东营港海域冬、春两季寒潮影响频繁，寒潮主要发生在10月至翌年5月，7～15 d出现一次，寒潮引起的大浪波高在3 m以上，大浪一般持续3 d左右。

3.2 泥沙来源

东营港泥沙来源主要来源：一是东营港北部老黄河口泥沙在波流共同作用下向东营港海区运移；二是现黄河口的高浓度悬沙向北输移扩散，现行黄河口泥沙向北扩散距离约15 km，东营港所在位置距现黄河口约50 km，受黄河入海泥沙的直接影响是有限的；三是当地泥沙在风浪掀沙、潮流输沙作用下的反复搬运。近年来该海域水下地形趋于平衡稳定，因此，工程海域泥沙主要来源于老黄河口三角洲以及本地滩面在风浪、潮流作用下再悬浮起动搬运的泥沙。

3.3 与邻近黄骅港、滨州港底质条件比较

通过对比邻近滨州港底和黄骅港质资料可以看出［4-10］：

第一，从沉积类型上看，黄骅港以砂质粉砂和粘土质粉砂为主，滨州港附近海域主要以砂质粉砂和粉砂为主；东营港海域-14 m等深线以内（5万t级码头以内）主要以粉砂和砂质粉砂为主，-14～-18 m等深线之间以粉砂、砂质粉砂为主；-18 m等深线（10万t码头）以外以粘土质粉砂为主。

第二，中值粒径和粘土含量分布，黄骅港航道北侧泥沙平均中值粒径为0.024 mm，粘土含量为24.7%；黄骅港航道南侧（黄骅港与滨州港之间水域）平均中值粒径为0.036 mm，粘土含量为16.3%；滨州港外侧海域泥沙平均中值粒径为0.05 mm，粘土含量为7.8%。东营港-14 m等深线以内海区平均中值粒径约为0.033 mm，粘土含量在10%左右；-14～-18 m平均中值粒径约为0.023 mm，平均粘土含量在22.4%；-18 m等深线（10万t码头）以外平均中值粒径约为0.014 mm，平均粘土含量为27.1%。

由以上分析可见，东营港-14 m等深线以内海域的底质性质与黄骅港、滨州港一致；-18 m等深线（10万t级码头）以外海域要明显偏细，而且比黄骅港北侧滩面底质还细。

3.4 航道开挖骤淤的可能性分析

判断航道开挖后是否存在骤淤的可能性一般看3个条件，水动力条件、沙源情况和滩面泥沙性质。

从水动力条件看，本海区水流速度较大，规划10万t级码头-18 m附近海域大潮涨落潮平均流速在0.40～0.49 m/s，最大流速为0.73 m/s；本海区波浪也比较强，这些都为泥沙的活动提供了充分的动力条件。在此，采用佐藤公式对波浪作用下滩面泥沙产生表面起动和全面起动水深进行了计算，在3.5 m波浪作用下泥沙完全起动的水深大约在-18 m等深线处。

在泥沙来源方面，东营港附近新、老黄河口泥沙输移扩散对工程区影响有限，最主要的是滩面就地搬运的泥沙。再者，航道轴线走向与等深线垂直，而当地潮流主流向则与等深线平行作往复流动，航道走向与水流的交角近乎垂直，当水流跨越外航道时，泥沙将很快落淤，从而导致外航道的淤积。

从滩面泥沙性质来看，东营港海域滩面为活动性极强的粉砂，在波浪与潮流共同作用下易于扰动和搬运，东营港3万t级油码头试挖槽在大风观测期间出现骤淤即是明证。这就是粉砂质港口的特点，粉砂易掀动输移又易沉降落淤，在大风期间会产生快速回淤。-18 m等深线以里海域主要以粉砂和砂质粉砂为主，泥沙活动性大，不宜开挖航道。-18 m等深线以外则主要以粘土质粉砂为主，局部有少量的粉砂，泥沙平均中值粒径都在0.02 mm以下，粘土含量约在27.1%，泥沙活跃性大大降低。因此，工程海域-18 m以外海域底质条件要比近岸海域（-18 m以里海域）要好一些。

综上几个方面的分析可以看出，东营港10万t级码头（-18 m等深线）以里水域泥沙活动性大，发生骤淤的可能性大，不宜开挖航道；10万t级码头（-18 m等深线）以外海域泥沙来源有限，滩面泥沙主要以就地搬运为主，滩面泥沙活动性较差，如果开挖航道，出现大风骤淤的可能性要比近岸港区小。

4 结论

（1）东营港航道沿线沉积物类型，5万t级码头（-14 m水深）附近以砂质粉砂和粉砂为主，10万t级码头（-18 m水深）附近以粘土质粉砂和粉砂为主，15万t级码头（-20 m水深）附近基本为粘土质粉砂。航道沿线沉积物中值粒径，5万t级码头附近在0.03～0.04 mm，10万t级码头附近在0.02 mm左右，15万t级码头附近在0.01～0.015 mm。从5万t级码头至拟建15万t级码头，泥沙颗粒随着水深增加逐渐变细。

（2）-18 m等深线（10万t级码头）以里水域滩面泥沙以粉砂和砂质粉砂为主，活动性强，发生骤淤的可能性大，不宜开挖航道；-18 m等深线以外水域滩面以粘土质粉砂为主，泥沙活动性较差，开挖航道后出现大风骤淤的可能性较小。

［1］侯志强，严冰，肖辉，等.东营港总体规划潮流、波浪、泥沙数学模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2009.

［2］中国海洋大学土木工程系.东营港油码头工程试挖槽及泥沙回淤观测分析报告［R］.青岛：中国海洋大学，2007.

［3］李蓓，赵洪波，杨华，等.东营港油码头工程潮流数学模型及泥沙淤积分析研究［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2006.

［4］张书庄，刘涛.沧州黄骅港12～20万t级航道两侧滩面沉积物及航道淤积物可挖性分析报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2008.

［5］左书华，杨华，侯志强，等.滨州港海域自然条件及泥沙环境分析［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2008.

［6］周永东，陈沈良，谷国传.东营港海域表层沉积物分布及其运移趋势［J］.海洋地质与第四纪地质，2009，29（3）：31-38.ZHOU Y D，CHEN S L，GU G C.Distribution characteristics and transport tendency of seafloor surficial sediments in the Dongying Harbor area［J］.Marine Geology&Quaternary Geology，2009，29（3）：31-38.

［7］陈兆林，李卫国 ，刘锐，等.东营港海区悬沙特征及冲淤分析［J］.海洋工程，2009，27（2）：110-114.CHEN Z L，LI W G，LIU R，et al.Study on characteristics of suspended sand as well as scouring and siltation in Dongying sea area［J］.The Ocean Engineering，2009，27（2）：110-114.

［8］李平，朱大奎.波浪在黄河三角洲形成中的作用［J］.海洋地质与第四纪地质，1997，17（2）：39-46.LI P，ZHU D K.The role of wave action on the Formation of Yellow River Delta［J］.Marine Geology&Quaternary Geology，1997，17（2）：39-46.

［9］边淑华，黄易畅，金永德，等.东营港扩建工程可行性研究水文气象及泥沙冲淤调查研究报告［R］.青岛：国家海洋局第一研究所，2004.

［10］薛鸿超，谢金赞.中国海岸带水文［M］.北京：海洋出版社，1995：180-195.