曹妃甸挖入式五港池航道与防波堤工程潮流泥沙物理模型试验研究

佘小建，张磊，孙路

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.交通运输部规划研究院，北京 100028）

曹妃甸挖入式五港池航道与防波堤工程潮流泥沙物理模型试验研究

佘小建1，张磊1，孙路2

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.交通运输部规划研究院，北京 100028）

曹妃甸挖入式五港池建成后，浅滩区被围填或开挖成深水港池，因此港池航道主要是细颗粒泥沙淤积问题，为此通过潮流泥沙物理模型试验对五港池防波堤及航道工程进行研究。试验表明，五港池港区及防波堤建设没有改变深槽水流特性，对曹妃甸海域宏观流场基本没有影响；防波堤方案2和方案3水流条件较好，其中方案3稍优于方案 2。泥沙试验表明，港池年平均淤强为 0.15m/a 左右，年最大回淤厚度为 0.5～0.6m/a，各方案差别不大；折线航道年平均淤积强度为 0.43 m/a，最大为 0.69 m/a；直线航道年平均淤积强度为 0.39 m/a，最大为 0.55 m/a，直线航道要明显优于折线航道。从水流和泥沙试验结果分析，方案 3较优，其次为方案 2。试验成果为设计方案的选取提供了科学依据。

曹妃甸；模型试验；防波堤工程；航道工程

0 引言

根据目前曹妃甸港区规划，在原规划的基础上，二港池西侧增加了五港池，根据工业区发展要求，为推动曹妃甸港区建设，需要在规划方案的基础上，细化研究五港池航道及防波堤的建设技术问题。图1为曹妃甸港区规划布置图。

航道及防波堤工程建设后，在对挖入式五港池起到掩护作用的同时，也对本工程海域以及附近海域的流场产生一定影响，进而影响到该海域泥沙运动。为了明确防波堤、码头及航道等工程建成前后流场变化及泥沙淤积情况，为工程建设方案的比选或进一步优化防波堤设计提供依据，需要开展五港池航道与防波堤工程潮流、泥沙物理模型试验。

图1 曹妃甸工业区总体规划布置图Fig.1 Theoverallplan ofCaofeidian industrialarea

1 工程海域自然条件

1.1 潮汐特征

曹妃甸海域属非正规半日混合潮性质，相邻两潮潮高不等，特别是小潮潮位过程比较复杂，接近全日潮。海域平均潮差为 1.54m，平均高潮位为 2.52m （理论基准面，下同），平均低潮位为0.98m[1]。

1.2 潮流特点

曹妃甸海域潮波呈驻波特点，流速最大出现在中潮位时，高、低潮位时转流。曹妃甸海域潮流为往复流，涨潮西流，落潮东流。在靠近浅滩海区，由于受地形变化影响和漫滩水流作用，主流流向基本顺岸或沿等深线方向流动。曹妃甸海域涨潮时流速大于落潮流速。大潮涨潮平均流速为 0.40 ～0.60 m/s，落潮 为 0.35～0.50 m/s； 小潮涨潮 平 均流 速 为 0.25 ～0.40 m/s， 落 潮为 0.25 ～ 0.35m/s。在流速平面分布上，甸头附近深槽处为水流最强地区，实测大潮甸头附近最大涨潮流可达 1.40m/s，落潮流可达 0.95m/s。南堡外深槽也是曹妃甸海域流速较大区域，涨潮最大流速可达1.21m/s，落潮流可达 0.75m/s。

1.3 波况

曹妃甸海域常浪向为 S，次常浪向为 SE。强浪向为 ENE，次强浪向为 NW 和 NE。波高 H1/10≥1.8m 的中浪和大浪发生频率仅为 4%，波能占34%。H1/10<0.6m 的波浪占波浪总数的 60%，波能只占波能总数的 9.3%。曹妃甸海域以风浪为主。

从逐月最大波高分布看，大浪主要发生在北向来浪，南向来浪相对较弱。说明波浪对面向南方的曹妃甸港区影响相对较小，这对维持曹妃甸岸滩的稳定是有利的。

1.4 泥沙特点

1.4.1 底质特点

根据底 质取样资料[2]分析可 知，曹妃 甸水边线附近主要为 0.l2～0.25mm 的细沙。在 0～5m 潮滩范围内主 要为 0.06～0.125 mm 的 极细沙。 曹妃甸北侧大片 0 m 高程的浅 滩主要为 0.016～0.032 mm 的中粉沙和极细沙。

以甸头分界，沉积物中值粒径分布由西向东呈由小到大的变化趋势。其中西侧海区中值粒径为 0.008～0.027mm，东侧海区为 0.012～0.250mm。

南堡浅滩区域底沙粒径相对较粗，中值粒径为 0.078~0.095mm 的极细沙。而南堡外深水区泥沙相对较细，中值粒径为 0.009mm 左右的细粉沙，含黏土率达 27%左右，为黏性细颗粒泥沙，潮流是泥沙运动的主要动力。五港池建成后，浅滩区被围填或开挖成深水港池，因此，五港池建成后港池航道主要是黏性细颗粒泥沙的淤积问题。

1.4.2 悬沙特点

在小浪或无浪气象条件下，曹妃甸海域含沙量并不大，水文测验资料表明，曹妃甸近海深水区大 致 为 0.05 ～0.10 kg/m3，近 岸 区 大 致 为 0.07 ～ 0.15 kg/m3。

从全潮平均含沙量的变化看，大潮含沙量大于小潮含沙量。实测大潮、小潮平均含沙量 2005年 3 月分别为 0.106 kg/m3和 0.091 kg/m3；2006 年3 月分别为 0.087 kg/m3和 0.070 kg/m3，2009 年 4月分别为 0.154 kg/m3和 0.062 kg/m3。从涨、落潮平均含沙量的变化看，落潮含沙量大小与涨潮基本相当，没有明显变化。

2 物理模型试验

2.1 物理模型简介

试验在已建成的曹妃甸整体物理模型中进行，模型场地范围为 100m × 40m，模型水平比尺为1∶1 000，模型布置情况见图 2。模型垂直比尺 1∶100，即变率为 10。模型东、西和南边界为开边界。

图2 曹妃甸整体物理模型布置图Fig.2 Theoverallphysicalmodelp lan of Caofeidian

根据 2009 年 4 月现场水文测验，曹妃甸西海域悬 沙 主要 为 0.005 4 ～0.008 3 mm 的 极 细 粉沙 。根据研究内容，确定模型为悬沙淤积模型，因此模型中首先考虑悬沙运动相似。悬沙沉降运动相似比尺：

原型泥沙絮凝沉速取 ωp=0.05 cm/s。

根据经验[3-4]，用木粉可较好地模似细颗粒泥沙沉降运动。试验主要在4月和5月进行，水温为 20 ℃左右，采用饱和湿容重为 1.15 g/cm3的木粉，根据斯托克斯沉速公式计算，选择中径 d50= 0.076mm 木粉，基本可以满足悬沙沉降运动相似要求。

2.2 验证试验

2.2.1 潮汐水流验证

由于 2009 年 4 月水文测验点主要集中在甸头西侧水域，不能反映整个曹妃甸海域的流场，因此选用 2006 年水文测验资料对模型进行验证，验证点见图 2。2006 年 3 月有大、小潮测验资料，模型对大、小潮进行了验证，模型中有 15个流速点和3个潮位验证点。从验证结果看，各测站潮位过程模型相位与实测基本一致，潮位平均偏差在 0.04m 左右，最大偏差 0.10m。各点流速过程模型相位与实测基本一致，模型中涨、落潮最大流速与实测值大小基本一致，模型涨落潮平均流速与实测值偏差基本在±10%以内。从流向验证结果看，总体来说模型流向与实测流向吻合较好。

通过以上 2006 年 3 月大、小潮的验证表眀，模型可以较好模拟现场水流流态，模型设计和制作以及生潮系统是成功的。方案试验时选择 2006年3月大潮作为试验潮型。

2.2.2 泥沙淤积验证

冀东油田 3 号人工岛 （见图 3） 建成后，人工岛的东西侧出现淤积，从 2008 年 8 月至 2009年 4 月平均淤积厚度为 0.25m。3 号人工岛距离五港池口门较近，因此选择3号人工岛两侧的泥沙淤积作为验证对象。

在物理模型中通过反复试验，得到3号人工岛两侧的淤积分布。淤积形态和淤积量与实测基本一致，淤积范围比实测稍大 （见图 3、图 4）。由此可得到模型泥沙冲淤时间比尺为 566。

图3 3号人工岛附近实测地形冲淤变化Fig.3 Scouring and silting changesof themeasured topography near No.3 ar tificial island

图4 模型验证3号人工岛泥沙淤积分布图Fig.4 Distribution of sed iment deposition of No.3 artificial island bymodelvalidation

3 工程实施前后潮汐水流试验

3.1 防波堤和航道布置方案

曹妃甸五港池为挖入式港池，口门内有一相对宽阔的水域，然后分为两支，一支向北与双龙河口相连，一直至咀东渔港；另一支向西北，自口门向内陆延伸约 18 km，港池宽 1.2 km。整个五港池水域面积约 30 km2。

本期工程拟建五港池口门外东、西防波堤两座以及配套的航道工程，本次研究有4种不同的平面布置方案，各方案口门有效宽度均为 600m，方案布置见图5。各方案概述如下：

方案 1，西堤头水深约 4.5m，东堤头水深约6.0m，口门方向与航道走向有约 46°交角，最大口门宽度约 870m。

方案 2，在方案1基础上，为增强掩护条件，西堤南拐 4°，最大口门宽度约 680m，口门方向与航道走向有约 28°交角。西堤头水深约 6.0m，东堤头水深约 6.0m。

图5 方案布置图Fig.5 Scheme layout

方案 3，在方案 1 基础上，将西堤南拐 7.42°，使口门方向与航道走向一致。西堤头水深约7.0 m，东堤头水深约 6.0m。

方案 4，口门航道为 0～180°航向，口门方向与航道走向一致。西堤头水深约 5.5m，东堤头水深约 6.0m。

航道有两种布置形式：方案 1、2、3 采用直线航道，航道走向为 142°～322°；方案 4 采用折线航道，航道有两处转弯，自口门向外海航道走向分别为 0°～180°、123°～303°和 142°～322°，航道转角分别为 57°和 19°。港池航道水深 15m，航道宽400m。

3.2 防波堤实施前工程海域水流条件

工程前，涨潮初期五港池区域大片浅滩露滩，随着水位升高，主槽内流速增大，浅滩出现漫滩水流，直至充满整个滩面。落潮时，水流由滩面汇入主槽，滩面逐渐露滩。浅滩外主槽内水流始终为沿主槽方向的往复流，流态基本不受浅滩水流的影响，深槽内水流相对简单。大潮条件下主槽内平均流速达 0.5～0.6m/s，其中涨潮流速要稍强于落潮流速。滩面平均流速为 0.2～0.3m/s，主要为漫滩水流。东咀渔港进港航道流速也不大，平均流速 0.3m/s 左右，越向双龙河口流速越小。

3.3 各方案水流条件试验研究

五港池和防波堤实施以后，甸头西侧岸线变得更为顺直，主槽内基本为西北—东南向的往复流，水流比较平顺。从局部流场看，五港池口门水流条件较好，但不同的航道和防波堤布置条件下口门流态有一定的差别[5]，以下将从水流流态，流速分布等角度分析各方案水流条件。

3.3.1 五港池口门附近水流条件

五港池内水域面积较大，进出港水量较多，涨潮时水流流向港内，落潮时水流流向港外，并保持了一定水流强度。港池口门处平均流速为0.4～0.5m/s，进入港池后流速明显减小，口门以内 8 km 附近流速减至 0.1m/s 以下，越向港池顶部流速越小。

从口门流态看，方案3和方案2优于其它方案，各方案水流流态如下：1） 方案 1 口门方向与进出港水流流向交角较大，涨潮时水流斜向流入港内，口门流速急，落潮时出港水流与港外水流流向交角大，接近垂直，流态较差；2） 方案 4 口门方向与进港水流流向交角较大，口门外水流横跨航道，口门流态复杂；3） 方案 3 口门方向与进港水流方向基本一致，水流进出港较平顺，口门段水流流向与航道走向基本一致，方案3水流条件较好，见图 6；4） 方案 2 口门方向与进港水流方向交角较小，水流条件仅次于方案3。

图6 方案3涨急、落急流态照片Fig.6 The flow picturesofmaximum flood andmaximum ebb of scheme3

表1 各方案港池口门段航道最大横流流速统计表Table1 Statisticsof themaximum cross flow velocity of the channelat the entrance of scheme harbor

表1中统计了各方案口门处横流情况。方案3 口门段航道横流最小，为 0.40m/s；方案 1 和方案 2 其次，分别为 0.48m/s 和 0.47m/s；方案 4 口门横流最大，为 0.77m/s。

3.3.2 外航道水流条件

外航道有两种布置形式，一种为直线布置，即防波堤布置方案 1、2、3；另一种为折线布置，即方案4。具体见前节方案介绍。

图 7、图 8为两种航道的涨急、落急流态照片。表2中给出了各防波堤方案条件航道流速统计结果，可以看出，直线布置形式的航道水流条件优于折线航道，分析如下：

图7 五港池直线航道流态照片Fig.7 Straight channel flow picturesof the fifth harbor basin

表2 航道测点流速与流向统计结果Table 2 Statistical result of the velocity and direction of the channelmeasure point

1） 直线航道与水流流向交角为 25°左右，而折线航道口门段水流与航道交角在 60°以上，这对船舶航行不利，也会增大泥沙淤积；

2） 折线航道比直线航道多 2 个转弯，会增大进出港船舶的航行难度；

3） 从最大流速看，直线航道中段最大流速为1.45m/s 左右，最大横流 0.6m/s 左右，主要是受二港池口门挑流影响；折线航道最大流速为0.91m/s，最大横流 0.84m/s 左右，主要是航道走向与水流交角太大。

4 五港池泥沙淤积试验

方案试验的水文、泥沙条件采用与浑水验证试验相同的动力要素、模型加沙方式、加沙量以及淤积时间比尺。模型分别对4种方案进行了试验，方案 1、2、3 条件下港池航道回淤量和回淤分布基本一致，因此表3中只给出方案3和方案4的年淤积统计情况，港池航道分为5个区域，图9为五港池及航道沿程的淤积分布图。

由各方案回淤分布图和年淤积统计表可以看出：

1） 从回淤量上看，方案 3 和方案 4 条件下港池内泥沙淤积分布和淤积量基本一致，各方案条件下港池内泥沙淤积差别不大；两方案的航道布置不同，航道的回淤量差别较大，方案 3（直线航道） 的航道年回淤量为 127 × 104m3/a，方案 2（折线航道） 的航道年回淤量为 167 × 104m3/a。

表3 各方案条件下五港池及航道年淤积情况Table3 Annualsedimentation of the fifth harbor basin and channelunder the variousschem es

图9 方案3和方案4条件下港池、航道沿程淤强分布Fig.9 Silting intensity distribution along theharbor basin and channelunder the scheme3 and scheme4

2） 从港池内回淤分布看，泥沙主要淤积在口门附近的开阔区域，涨潮流在这里迅速减小，并出现回流，年最大回淤厚度为 0.5～0.6m/a。越向港池顶部回淤量越少，港池顶部回淤强度只有0.01～0.02m/a，全港池年平均淤强 0.15m/a 左右。

3） 从航道泥沙淤积分布看，港池口门处回淤量相对不大，出口门后泥沙淤积迅速增大，方案4（折线航道）的航道年平均淤积强度为 0.43m/a，最大为 0.69m/a；方案 3 （直线航道） 的航道年平均淤积强度为 0.39m/a，最大为 0.55m/a。直线航道要明显优于折线航道。

5 结语

1） 五港池位于曹妃甸西侧南堡海域，利用南堡浅滩和近岸盐场开挖港池和建设港区，港区围海占据纳潮量与港池开挖增加的纳潮量相当，五港池的开发对纳潮量的影响较小。

2） 五港池建成后，浅滩区被围填或开挖成深水港池，因此，五港池建成后港池航道主要是黏性细颗粒泥沙的淤积问题。

3）水流试验表明，五港池岸线的布置基本是顺水流方向，港区和防波堤的建设没有改变深槽水流特性，对曹妃甸海域宏观流场基本没有影响。

4） 防波堤和航道方案试验表明，方案 2 和方案 3水流条件较好，其中方案 3稍优于方案 2，方案3防波堤开口方向与水流流向基本平行，港池口门水流进出平顺。

5） 港池年平均淤强 0.15m/a 左右；年最大回淤厚度为 0.5～0.6m/a，发生在口门内开阔水域；越向港池顶部回淤量越少，港池顶部回淤强度只有 0.01～0.02m/a。从航道泥沙淤积分布看，方案2（折线航道）的航道年平 均淤积强度为 0.43m/a，最大为 0.69m/a；方案 3 （直线航道） 的航道年平均淤积强度为 0.39m/a，最大为 0.55m/a。直线航道要明显优于折线航道。

[1]陆永军，徐啸.唐山港曹妃甸港区波浪潮流泥沙数学模型及滩槽稳定性研究[R].南京：南京水利科学研究院，2006. LU Yong-jun，XU Xiao.Tidal current and sedimentmodel test of Caofeidian Portarea in Tangshan Portand the study of the stability around theshoal[R].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2006.

[2]佘小建，徐啸.曹妃甸港区老龙沟航道治理潮流物理模型试验及回淤计算[R].南京：南京水利科学研究院，2009. SHE Xiao-jian，XU Xiao.Tidal current physicalmodel test and back silting calculation of the Laolonggou channel regulation in Caofeidian Port[R].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2009.

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[5]佘小建，张磊，徐啸.曹妃甸挖入式五港池航道与防波堤工程潮流、泥沙物理模型试验研究[R].南京：南京水利科学研究院，2010. SHE Xiao-jian，ZHANG Lei，XU Xiao.Tidal currentand sediment model test and study on channel and breakwater of the fifth excavated-in harbor of Caofeidian[R].Nanjing：Nanjing Hydraulic Research Institute，2010.

Tidal current and sedimentm odel test and study on channel and breakwater of the fifth excavated-in harbor of Caofeidian

SHEXiao-jian1，Zhang Lei1，Sun Lu2
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing，Jiangsu 210024，China；2.TransportPlanningand Research Institute,Ministry of Transport，Beijing100028，China）

After the completion of the Caofeidian fifth excavated-in harbor，the shoal areabecomes a deepwater harborby the surrounding reclamation or excavation， therefore themainly problem is fine sediment deposition in harbor channel， for this purpose，the channeland breakwaterof the fifth harbor projectare researched in this paperby tidal currentand sedimentmodel test.Test shows that the Caofeidian fifth harbor and breakwater construction did not change the flow characteristics of deep groove，themacroscopic flow field of Caofeidian sea area had no effect；thewater flow conditions of breakwater plan 2 and 3 are better，the plan 3 is slightly better than p lan 2.Sediment test shows that the annual average depositional intensity is about 0.15m/a，the annualmaximum sediment thickness is0.5~0.6m/a，the difference ofeach scheme is little；line channel average annual siltation intensity is 0.43 m/a， themaximum was 0.69m/a；annual average linear channel siltation intensity is 0.39m/a，maximum 0.55m/a，straightchannel is superior to thatof line channel.From the analysis of flow and sediment test results，scheme 3 isbetter，followed by scheme 2.Test results can provide a scientific basis for the selection of design scheme.

Caofeidian；model test；breakwater project；waterway engineering

U656.2

A

1003-3688（2014）01-0032-07

10.7640/zggw js201401006

2013-03-18

2013-09-23

佘小建 （1972 — ），男，江苏如皋市人，高级工程师，硕士，主要从事海岸工程及港口水道工程泥沙研究。E-mail：xjshe@ nhri.cn