京唐港区20万t级航道横流减控措施研究

肖立敏，于 泳，孙林云，孙 波

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210024；2.港口航道泥沙工程交通行业重点实验室，江苏 南京 210029；3.唐山港口实业集团有限公司，河北 唐山 063611）

引 言

修建防波挡沙堤是减少航道淤积、改善港内泊稳条件的主要措施。随着航道的深水化发展，修建较长的防波挡沙堤，可能引发堤头横流增加等次生危害，影响船舶进出。防波挡沙堤的布置如何在达到合理的挡沙效果的同时，又有效地控制通航水流条件，是航道深水化建设中的关键技术问题。

张磊[1]和肖立敏[2]等分别通过物理模型试验研究了钦州湾30万t级油码头航道和东营港10万t级航道的横流，张玮[3]、高明[4]、章卫胜[4]等分别建立数学模型分析了连云港主港区深水航道、岚山港南作业区及京唐港区7万t级航道的横流特性。

京唐港区所在海域以往复流为主，涨落潮方向与航道基本垂直，横流问题较为突出。本文建立京唐港区平面二维潮流数学模型，结合该港区20万t级深水航道工程，研究不同口门防波挡沙堤布置下的流速分布，探讨航道横流控制措施。

1 概 述

1.1 工程概况

唐山港京唐港区采用挖入式形式，其进港航道疏浚而成。目前已建成第一、二港池全部和第三、四港池部分泊位，第五港池项目建设顺利推进，正在形成五个港池建设运营的整体格局，港区平面布置见图1。为满足港区第四港池矿石码头泊位的需要，需将已有10万t级航道升级至20万t级。20万t级航道，底宽245 m，设计底高程为-20.0 m（理论基面，下同），航道长度16.7 km。京唐港区口门采用东、西平行防波挡沙堤布置型式。10万t级航道配套的东防波挡沙堤为700 m出水堤（堤顶高程3.0 m）+500 m潜堤（堤顶高程-4.0 m）+900 m潜堤（堤顶高程为-5.0 m），西防波挡沙堤为600 m出水堤（堤顶高程 3.0 m）+800 m潜堤（堤顶高程-5.0 m）。按照港区规划，第四港池外侧还将形成人工岛。作为20万t级航道的配套工程，从防浪、挡沙等角度综合考虑，防波挡沙堤需作加高、延长调整建设。针对第四港池南岛实施、防波挡沙堤潜堤加高至出水堤，开展横流分析研究。

图1 京唐港区平面布置

1.2 潮汐潮流

京唐港区潮汐类型属不规则半日潮，潮差较小，平均海面 1.27 m，平均高、低潮位分别为1.69 m和0.82 m，平均潮差为0.88 m。港区附近海域潮流具有明显的往复流特征，涨潮为西南流，落潮为东北流，流向基本与海岸平行。2009年6月在该海域进行专项水文测验，并对口门附近流速予以加强观测，共设了三个 11条垂线，测点位置及实测大潮流速矢量见图2。

图2 2009年6月实测大潮垂线平均流速矢量

外海一侧的 3#、7#和 11#点实测大潮涨潮垂线平均最大流速分别为0.39 m/s、0.48 m/s和0.56 m/s，落潮期间垂线平均最大流速为 0.55 m/s、0.63 m/s和0.66 m/s，涨潮流速均小于落潮流速。口门附近布设4个测流点，其中4#点距东防波挡沙堤东侧约2 km，5#点位于口门挡沙堤潜堤掩护段内，6#和8#点分布位于东、西防波挡沙堤延长线上，距各自潜堤堤头约1.5 km。大潮涨潮期间涨潮流越过潜堤横跨航道，由于受到东防波挡沙堤挑流作用，5#点处流速较大，最大流速为0.79 m/s，涨潮平均流速为0.37 m/s，流向有朝外海方向偏转趋势。8#点涨潮期最大流速和平均流速分别为0.61 m/s和0.28 m/s，均大于6#点相应的0.51 m/s和0.24 m/s，表明涨潮期间8#点受到防波堤较为明显的挑流作用。落潮期间，5#点最大流速为 0.65 m/s，较涨潮期间要小；6#点与8#点最大流速在0.70 m/s左右，平均流速均在0.35 m/s左右，表明落潮期间防波堤堤头挑流作用涨潮期间要弱；4#点受东防波挡沙堤影响，落潮流速与涨潮流速基本相当。

2 模型建立与验证

2.1 模型建立

建立唐山港京唐港区平面二维潮流数学模型。模型采用变步长网格覆盖研究区域，各变量转换到正交曲线坐标系，并对沿水深积分的连续方程和动量方程经差分离散后采用 ADI法进行计算，采用TDMA方法求解。模型闭边界上取法向流速为0，开边界上采用潮位控制。初始条件给出初始时刻的流速和潮位。模型计算区域沿岸方向长50 km，离岸方向约25 km。网格尺度在外海为400 m左右，工程区局部加密至25 m。

2.2 模型验证

采用2009年6月现场实测大潮水文测验资料，对模型进行验证。图3给出了实测大潮时段模型计算的临时潮位站潮位过程计算值与实测值比较。由图可见，计算的潮位与实测吻合较好，高、低潮潮位、相位均比较吻合，表明模型模拟的潮位过程与实际情况比较一致。图4则给出了部分测点垂线平均流速、流向计算值与实测值的比较结果，从图中可以看出，流速流向计算结果与实测值吻合较好。验证结果表明，模型能较好地反映工程海域潮汐潮流特性。

图3 2009年6月实测大潮潮位过程验证曲线

图4 2009年6月实测大潮流速流向过程验证曲线

3 计算成果分析

3.1 横流控制措施的必要性

图5和图6分别给出了第四港池南岛实施，现有东、西防波挡沙堤潜堤抬高至出水堤涨、落急流场分布。由图可以看到，涨潮期间，在东防波挡沙堤与南岛外堤之间为弱流区，堤头挑流明显：东、西防波挡沙堤堤头最大流速分别达到 1.18 m/s和1.11 m/s；航道口门处最大流速达到0.85 m/s，且流向与航道垂直。落潮期间，受到西防波挡沙堤挑流作用，堤头一定范围内为流速增加区，东、西防波挡沙堤堤头最大流速分别为0.91 m/s和0.78 m/s；口门航道处最大流速0.62 m/s，横流为0.42 m/s。

当南岛形成且口门防波挡沙堤出水后，堤头挑流作用加剧，堤头及口门航道处流速增幅较为明显，对口门防波挡沙堤进行优化是必要的。

图5 防波挡沙堤潜堤出水后涨急流场分布

图6 防波挡沙堤潜堤出水后落急流场分布

3.2 潜堤高程对横流影响分析

在现有东、西防波挡沙堤潜堤抬高至出水堤基础上，进一步延长东、西防波挡沙堤潜堤各1 km，潜堤高程分别为-5 m、-3 m和0 m。图7和图8为潜堤高程为-5 m时的流场分布，图9则给出了航道中心轴线流速沿程分布。

图7 潜堤延伸方案涨急流场分布

图8 潜堤延伸方案落急流场分布

图9 不同方案航道中心轴线最大流速沿程分布

由图可见，随着潜堤堤顶高程的增加，口门附近受潜堤掩护范围段流速逐渐减小，而潜堤堤头附近流速有所增加。涨潮期间，上述3个方案口门航道处最大横流依次为 0.67 m/s、0.745 m/s和0.91 m/s。落潮期间，最大横流分别为 0.47 m/s、0.48 m/s和0.50 m/s。可以看到，当潜堤高程在-5 m时，口门航道附近横流显著降低；当潜堤高程为-3 m时，对减少口门横流也有一定的作用；当潜堤高程为0 m时，高程较高，接近于出水堤，口门航道附近流速有所增加。上述计算表明，延长口门潜堤长度，选择合理的堤顶高程，能有效改善口门航道水流条件。

表1 不同方案最大横流

3.3 潜堤长度对横流影响分析

进一步延长潜堤至长度为 2 km，与潜堤长度1 km相比，涨、落潮期间在受潜堤掩护段流速均进一步降低，而潜堤的挑流作用也相应外移，最大横流出现在东防波挡沙堤2 km潜堤堤头处，其中口门航道处最大横流速别为0.67 m/s和0.47 m/s，量值与潜堤长度1 km方案基本相同。

4 结 语

本文通过建立京唐港区平面二维潮流数学模型，研究不同口门防波挡沙堤布置条件下 20万 t级航道横流分布，探讨航道横流减控措施，结论如下：

1）京唐港区第四港池南岛形成，现状口门东、西防波挡沙堤潜堤出水后，堤头挑流增强，口门航道处横流较大，需要采取措施改善口门通航水流条件。

2）延长潜堤1 km，当潜堤高程在-5 m时，能有效减小口门航道处横流；随着堤顶高程抬高，堤头挑流作用会增强，口门航道附近横流也会有一定程度增加；当潜堤高程为0 m时，口门附近流速增加较为显著，横流也较大。延长口门潜堤长度，选择合理的堤顶高程，能有效改善口门航道水流条件。

3）保持潜堤高程不变，延长潜堤2 km，在受潜堤掩护段流速均进一步降低，挑流作用也相应外移，但最大横流流速基本与延长1 km相比基本相同。

4）从改善京唐港区航道水流条件来看，选择合理的潜堤长度和堤顶高程，对减少口门航道横流是有效的。