黄骅港防波堤口门段整治工程方案分析

张金中，杨松姗

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引 言

黄骅港散货港区防波堤延伸工程采用双堤延伸布局方案，南、北防波堤沿航道两侧平行航道延伸至-8.0 m水深处，口门外为两条长8.8 km防沙潜堤，形成潜堤新口门宽度与现有港区口门宽度相同，为1 000 m。防沙堤顶高程在天然水深-6.0 m、-7.0 m、-8.0 m处分别为-1.0 m、-2.0 m和-3.0 m。

有效地防淤、减淤，维护一定的航道水深，保证港口少受天气影响能够正常运营，是工程建设的关键。由于危险品船舶操船对口门区水流及码头前泊稳等要求较高，随着港区液体散货作业区的开发，原油码头一期工程、LNG码头等相继进入建设阶段，航道的建设采用“整治与疏浚”相结合的原则，拟对口门外潜堤进行加高，以改善口门附近的横流及码头区泊稳情况，满足通航安全。本研究通过波浪、潮流、泥沙数学模型试验，对防波堤口门段整治工程实施后口门附近的水流流态及码头区波要素进行研究，深入分析工程实施后水流流态及变化规律，以掌握工程实施对工程项目的影响；计算各设计方案波要素，分析泊稳及损失作业天数，提出优选方案，也为后续项目研究提供参考。

1 口门段整治工程初步方案

流场模型对应的口门整治方案主要有北堤加高方案、南堤加高方案、南北堤同时加高方案，其中南堤加高方案细化为不同加高方案。

1）北堤加高方案

在已建成南堤基础上，将北堤段的口门部分防波堤堤顶高程加高至 5.0 m，防波堤加高范围一共2 km，其中口门内1.7 km，口门外0.3 km。

图1 北堤加高示意

2）南堤加高方案

在已建成南堤基础上，将部分南堤堤顶高程加高，口门外1 km范围加高至5.0 m，第2～3 km分别加高至3.5 m或以不同方式跃变、渐变为潜堤形成不同的南堤加高方案。

图2 南堤加高典型示意

图3 南堤加高不同工况高程纵断面示意

3）南北堤同时加高方案

南北堤同时加高方案是南堤口门外1 km范围加高至5.0 m，第2～3 km分别加高至3.5 m；将北防波堤自口门位置向综合港外2 km长度的范围内，堤顶高程高至2.5 m，其余部分堤顶高程不变。

图4 南北堤同时加高方案布置示意

波浪模型主要针对南防沙堤延伸工程及北防沙堤加高工程进行研究，考虑现状、南防沙堤延伸与北侧防沙堤对齐、在已建成南堤基础上北堤加高方案、已建南堤局部堤顶高程加高至5 m方案，以及南北堤同时加高方案5个工况，后3中与流场模型大致相同。

针对北堤加高方案和南堤加高方案，通过潮流物理模型试验验证了口门附近的水流尤其是横流变化情况，可对数模试验进行补充验证。

2 试验方法

基于三维潮流泥沙模型FVCOM以及大气模型WRF和波浪模型 SWAN，考虑粉沙悬扬运动过程的各种影响因素、水动力和粉沙间的相互作用以及风、浪的影响，建立三维风-浪-流-泥沙运动集成模型，并对其进行验证。

经对比，各模型大部分计算值与实测值较接近，曲线验证结果良好，模型参数设置合理，可用于水域水动力、波浪、泥沙运动预测，一个典型验证曲线如图5。

图5 实测风暴潮潮位资料验证

3 流场计算结果与分析

对工程海域水动力及泥沙环境进行了综合分析，采用数学模型，对黄骅港综合港区水域流场、波浪场及泥沙回淤进行了计算。

1）整体流场情况

黄骅海域位于渤海湾的中部，整体潮流运动较为平顺，涨潮时，外海水体自东向西流向近岸，在潮波传至近岸的过程中，涨潮流向向西南方向发生偏转，落潮流基本呈现反向流动。由于黄骅海域建有多道防沙堤，防沙堤很长，在一定程度上起到了导流作用。

工程海域外海涨落潮流速分布在 0.3～0.8 m/s之间，近岸基本小于0.2 m/s，既有防沙堤附近区域平均流速约 0.8 m/s以上，港池里平均流速约0.05～0.3 m/s，港区外潮流偏向横流方向。

2）码头区局部流场情况

现状下（南堤建成，下同）码头区流场大部分时刻水流较为平顺，仅高平潮时刻码头区在东侧潜堤附近有一定环流存在，影响范围也基本在码头区以外。

各方案实施后，涨潮末期和高平潮时刻码头区均出现不同程度环流，流态较乱。北堤加高方案实施后，由于北堤的导流及阻流作用，使得码头区形成覆盖整个码头的环流，环流强度在0.08～0.25 m/s左右；南堤加高方案实施后，由于码头的导流及阻流作用，使得码头区形成覆盖整个码头的环流，环流强度在0.08～0.15 m/s左右；南、北堤同时加高方案实施后，由于码头的导流及阻流作用，使得码头区形成覆盖整个码头的环流，环流强度也在0.08～0.15 m/s左右。

由试验数据可知，各方案流速变化基本一致，码头区域由于水深增大，流速呈减小趋势，减小幅度在0～0.2 m/s左右；另外，防波堤加高段两侧流速也呈减小趋势，减小幅度也在0～0.25 m/s左右；加高段外侧由于挑流和绕流作用，流速呈增大趋势，增加幅度在0～0.2 m/s左右。

3）潮流物理模型试验

以0.5 m/s作为标准，统计出各方案实施后航道轴线最大横流≥0.5 m/s的位置、出现时长以及最大横流极值和出现位置，见表1。

表1 黄骅综合港口门横流各方案实验结果

对比北堤加高方案建成后，从≥0.5 m/s的最大横流数值上看，沿程各测点无论涨、落潮均未减小，反而略有增大；从出现位置来看，起始位置没有改变，且沿程长度反而明显增加。从在整个潮周期中≥0.5 m/s的最大横流出现时长来看，没有明显优势。对比建成后的南堤加高方案，涨落潮流遇加高后的南堤后均产生挑流现象，均在堤后形成若干环流，环流范围与流速大小呈正相关，且环流主要集中在航道轴线上。沿程各测点≥0.5 m/s的最大横流方案三的渐变方式量值最小；最大横流出现的起始位置距离综合港口门也是最远的，且出现的沿程长度也较小。

图6 南堤加高方案3流场—涨潮中期流场

3）码头泊位区泥沙回淤计算结果

根据计算，原油码头区域各方案-19.5 m水深情况下，平均淤强在 1.0 m/a左右，回淤量约为 90万m³/a；-23 m水深下淤强在3～3.5 m/a左右，年回淤量约为270～310万m³/a。LNG码头区域各方案，-15 m水深情况下，淤强约为0.5～0.8 m/a，年回淤量约 30～50 万 m³/a。

4 波浪模型计算结果与分析

波浪数学模型计算采用的是非结构三角形网格，参考黄骅港既有波浪实测资料进行了验证，结果验证了波浪模型参数选取合理，可用于预测分析。

1）根据工程海域实测风和波浪资料分析，强风向应为N向、ENE向，常风向为E向、SW向；强浪向为NE向、ENE向，常浪向为NE向和偏E向。

2）针对现状防沙堤及前文的北堤加高、南堤加高、南北同时加高方案四种工况条件下，采用波浪数学模型进行计算后，得到极端高水位、重现期50年一遇E向～NNE向波浪作用下，码头前典型点最大H1%波高分别为 4.41 m、4.44 m、3.66 m和3.59 m；设计高水位下，码头最大H1%波高分别为4.03 m、4.05 m、3.23 m和3.27 m；设计低水位下，码头计算点最大H1%波高分别为1.82 m、1.83 m、1.48 m和1.47 m。

3）针对现状地形、北堤加高、南堤加高、南北同时加高方案四种工况条件，采用波浪数学模型进行计算后，得到设计高水位重现期2年一遇E向～NNE向波浪条件下，码头前典型点最大H4%波高分别为2.33 m、2.34 m、1.85 m和1.88 m，以该条件来校核港区泊稳，则各方案不完全满足泊稳条件。

4）根据港区泊稳计算结果，结合观测波浪报表资料，对各方案的码头泊位受波浪影响损失作业天数进行统计后，得到NNE向、NE向、ENE向和E向波浪作用时，各方案码头水域主要受NNE向浪作用损失作业天数相对较多，南堤加高方案损失作业天最少为4天。

5 结 语

通过对各口门整治方案潮流波浪条件综合分析，可以得出：从减小口门段横流来看，南堤加高方案优于北堤加高方案；从口门区流态来看，现状下口门区流态略优于南堤加高方案，而南堤加高方案优于北堤加高方案；从对码头区波浪掩护效果来看，南堤加高方案优于北堤加高方案。

总体来看，南堤加高方案在各方案中较优，可在本研究基础上，结合工程实际条件，考虑工程量、将工程造价与改善作业条件的效果对比、进行技术经济比选，细化设计南堤加高改造方案。