连云港港30万吨级航道建设主要技术问题

1、2012 年 4 月第 4 期 总第 465 期水运工程Port & Waterway EngineeringMar. 2012No. 4 Serial No. 465 1 航道基本情况、特点和主要技术问题1.1 基本情况1-21.1.1 建设规模经对25万吨级规模方案和30万吨级规模方案技术经济论证,推荐30万吨级航道建设规模,为30万吨级散货船、油船乘潮单向航道。根据“一次立项,分期实施”的原则,先期实施一期工程。一期工程建设规模为:连云港区航道为25万吨级散货船乘潮单向航道,徐圩港区航道为10万吨级散货船单向航道。连云港港30万吨级航道建设主要技术问题顾 勇1, 2,马兴华1,

2、2,金雪英1, 2,张 华1, 2,陈学良1(1. 中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海 200120;2. 航道疏浚技术交通行业重点实验室,上海 200120摘要:连云港港30万吨级航道位于开敞海域,淤泥质浅滩宽广,航槽开挖厚度大,航道里程长,工程规模大,建设条件复杂,是开敞海域淤泥质浅滩深水航道的典型。通过研究基本解决了海床性质及岸滩稳定性、水动力泥沙条件、航道回淤、航道选线、航行安全性等主要技术问题,不仅为连云港港航道后续研究设计打下了坚实的基础,而且可供国内外其他淤泥质浅滩深水航道建设借鉴。对主要技术问题的研究成果进行系统总结。关键词:连云港港;30万吨级航道;研究中图分类号:U

3、612 文献标志码: A 文章编号:1002-4972(201204-0122-07Main technical problems in construction of Lianyungang port 300 000 DWT waterwayGU Yong 1, 2, MA Xing-hua 1, 2, JIN Xue-ying 1, 2, ZHANG Hua 1, 2, CHEN Xue-liang 1(1. CCCC Shanghai Dredging Survey and Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200120, China; 2. Ke

4、y Laboratory of Dredging Technology Transportation Industry of China, Shanghai 200120, ChinaAbstract: Lianyungang port 300 000 DWT waterway is a typical deep waterway in the mucky shallows ofopen waters characterized by large excavation thickness, long waterways , large engineering scale and complex

5、 construction conditions. By research, the nature of the seabed and beach stability, hydrodynamic sediment conditions, waterway sedimentation, waterway route selection, navigation security, and other major technical problems, are basically solved. The results not only lay a solid foundation for the

6、follow-up study design Lianyungang port waterway, but also may serve as a reference for the construction of other mucky shallows deep water channel. Themain technical problems are summarized.Key words: Lianyungang port; 300 000 DWT waterway; research1.1.2 航道平面布置和设计主尺度为满足连云港区旗台作业区腹地铁矿石运输、徐圩港区南钢基地铁矿石运

7、输、中石化腹地原油及连云港炼化一体化基地原油运输的需要,连云港港30万吨级航道呈“人”字形布置,由外航道、徐圩航道和推荐航线组成,其中外航道内段连接连云港区,徐圩航道连接徐圩港区,外航道外段及推荐航线为两港区共用航道。30万吨级航道:航道全长78.1 km,其中外航道内段长17.3 km,设计有效宽度290 m/310 m,设收稿日期:2011-07-17作者简介:顾勇(1969,男,硕士,高级工程师,从事港口航道工程设计研究。 123 第 4 期计底高程-22.5 m;徐圩港区航道长24.7 km,设计有效宽度350 m,设计底高程-22.5 m;外航道外段长36.1 km,设计有效宽度35

8、0 m,设计底高程-23.0 m。其中人工开挖段长74.8 km。一期工程航道:连云港区25万吨级散货船单向航道长度53.4 km,设计有效宽度270 m/290 m,设计底高程-19.8 m/-20.3 m,乘潮历时4 h 90%保证率;徐圩港区10万吨级散货船单向航道长度24.7k m,设计有效宽度210m,设计底高程-13.3 m,乘潮历时3 h 90%保证率。其中人工开挖段长67.5 km。1.2 基本特点连云港港30万吨级航道位于开敞海域,淤泥质浅滩宽广,波浪动力强,旋转流,航槽开挖厚度大,航道里程长,土质和地基差,工程规模大,涉及面广,技术复杂,是开敞海域淤泥质浅滩深水航道的典型,

9、对航道建设的观测、研究、设计和施工等提出了更高的要求。1由于淤泥质沉积物物质丰富和波浪动力长期作用,近岸浅滩坡度平缓,深水区距离海岸较远,30万吨级航道最大开挖深度达20 m,人工开挖航道里程达70多km,深水航道的建设工程量巨大(疏浚工程量达3×108 m3。2连云港海岸及海床经历先淤长后侵蚀过程,随着海岸防护工程的实施,目前处于冲淤平衡,局部略有冲刷状态,连云港区处于淤泥质海岸,灌河口沙嘴为粉沙质海岸,沉积环境复杂。而其他淤泥质海岸底质环境比较单一。3连云港处于开敞海域,波浪动力较为强劲。4连云港海域潮流以旋转流为主,流速较小,在浅滩上开挖深水航道,不利于减小航道回淤。5连云港泥

10、沙运动以悬沙为主,呈“波浪掀沙、潮流输沙”规律,常年含沙量处于较低水平,但大风期间含沙量可达到较高水平。6连云港海域浅层为深厚淤泥层,航道土质可挖性好,但疏浚边坡稳定性差,围堤地基条件差,下层陆相沉积硬黏土和密实粉土粉沙可挖性差。淤泥层厚度1020 m,含水率60%80%,力学指标差,属于深厚超软地基。7浅滩深水航槽的滩槽水深差加大,航槽水流结构、泥沙运动特性更为复杂。8徐圩航道属于新开辟航道,尚缺乏工程实践经验,完全处于开敞海域,自然条件较连云港区更为复杂:滩地更为宽浅,波浪动力更为强劲,邻近灌河口沙嘴。1.3 主要技术问题1水动力及泥沙条件:重点是获得大风天的风浪、潮流、泥沙数据,以及航道

11、回淤(正常天气及大风天数据。2海岸性质及岸滩稳定性:重点研究徐圩海域的海岸性质,灌河口沙嘴的成因、稳定性及演变趋势,徐圩航道两侧底质粒径有无粗化。3航道回淤问题:重点研究大风天航道回淤和徐圩港区航道回淤问题。徐圩港区航道为新开辟航道,尚缺乏工程实践,需深入研究航道回淤,尤其是口门外破波区航道回淤和大风天回淤。4航道建设方案:重点研究徐圩航道轴线方案、徐圩港区港航衔接、连云港区港航衔接等。2 建设条件主要技术问题研究2.1 水动力泥沙条件分析 1-2在原有研究的基础上,通过开展常规水文测验和大风天波浪泥沙潮流观测,取得了连云港区、徐圩港区海域常年和台风期的含沙量资料。1风:常风向为E向,强风向为

12、N向。6级风、7级风、8级及以上风出现频率分别为6.13%, 2.34%和1%。累年最大风速30.0 m/s,风向为E。2浪:台风每年影响1次,寒潮影响频繁。风浪占63%,以涌浪为主的混合浪占28%。常浪向为NE向,强浪向为N向。累年平均波高为0.5 m。台风期间波浪情况:2007年9月18日台风期间,在徐圩港区北侧3 m处水深实测最大波高Hmax为4.48 m,H1/3波高为2.73 m;5 m水深处实测最大波高Hmax为4.43m,H1/3波高为2.95 m。3潮汐潮流:外海呈现旋转流,近岸为往复流,属于非正规浅海半日潮性质。平均潮差3.63 m。潮流流速偏小,一般涨潮流速大于落潮顾 勇,

13、等:连云港港30万吨级航道建设主要技术问题 124 水运工程2012 年流速,实测垂线平均流速小于0.5 m/s,实测涨急垂线平均流速介于0.40.9 m/s。4泥沙运动:连云港地区泥沙运动以悬沙为主,呈“波浪掀沙、潮流输沙”规律。5常年含沙量:连云港地区常年含沙量处于较低水平,多年平均含沙量为0.216 kg/m3。徐圩港区附近水体含沙量与连云港区附近相当,但埒子口灌河口近岸水体含沙量逐渐增大,灌河口外增至0.50.7 kg/m3。6台风期含沙量:大风期间受波浪影响,含沙量可以达到较高水平,并在近岸形成破波带。2007年9月18日“韦帕”台风期间实测泥面以上0.5 m处的含沙量-3 m和-5

14、 m处峰值分别达到6.15 kg/m3和5.97 kg/m3,泥面以上1.5 m和水面以下0.5 m处峰值超过1.0 kg/m3。2.2 海床性质及岸滩稳定性分析 3-42.2.1 沉积物特征、水力特性及海床性质研究表明3-4,连云港附近海域的沉积物是历史时期废黄河入海泥沙在潮流作用下向北扩散运移形成的,连云港区航道附近海域沉积物以淤泥质为主,中值粒径基本在0.005 mm,黏粒含量基本大于30%,泥沙静水絮凝沉速小于0.05 cm/s,在咸水中存在明显的絮凝现象,泥沙初始回淤后固结至1.3 t/m3需要33 d,属于典型的淤泥质海岸。徐圩港区航道沿线沉积物中值粒径、黏粒含量、泥沙水力特性与连

15、云港区航道沉积物基本一致,同属淤泥质海岸。灌河口沙嘴附近表层沉积物以粉砂质为主,见图1。同时,研究发现3-4,海岸带性质分类的影响因素有泥沙粒径和组分、泥沙颗粒黏性、水力特性、泥沙运动形式、悬沙含沙量等,其中根本因素是泥沙水力特性,而泥沙粒径和组分(主要是黏粒含量是代表泥沙颗粒黏性、决定泥沙水力特性、便于开展海岸带性质分类的一种间接量化指标,可将颗粒粒径小于0.005 mm的黏粒含量<15%作为粉沙质海岸带的范围,将颗粒粒径小于0.005 mm的黏粒含量25%作为典型的淤泥质海岸。颗粒粒径小于0.005 mm的黏粒含量15%25%,根据黏性推算应属于淤泥质海岸,但由于缺少此类底质类型的实

16、际案例,其泥沙运动特性和回淤规律有待实践验证,从严谨角度考虑,现阶段可按接近于淤泥质海岸处理,在应用时需要注意。2.2.2 海床冲淤、泥沙来源及岸滩稳定性分析连云港海域在黄河夺淮时期接受黄河入海泥沙堆积,岸滩淤涨,黄河北归后,岸滩相应转为冲刷,随着海岸防护工程的实施,逐渐趋于冲淤平衡,局部略有冲刷,近期海滩总体冲淤基本平衡、略有冲刷,同时连云港南来泥沙减少,泥沙来源主要是连云港本海域局部冲刷调整形成的区内产沙,区内产沙有限。这对30万吨级航道的建设是有利的。灌河口埒子口海岸在侵蚀后退过程中,原有沉积物在风浪作用下受簸选,较细的沉积物受潮流输移向海州湾湾顶运移,而较粗的沉积物在波浪作用下逐渐富集

17、,形成灌河口沙嘴。据19802005年近25 a西移速度明显减缓,且近4 a 测图对比发现沙嘴5 m和10 m等深线保持稳定。由于沙嘴主体部分处于常年风浪作用范围以外,流速也较弱,所以沙嘴运动的动力条件不足,预计灌河口沙嘴将进一步趋于稳定。19602008年灌河口等深线变化见图2。2.3 航道回淤1-22.3.1 连云港区航道常年回淤规律常年回淤是由于黏性细颗粒的悬沙随潮流运动,在跨越航槽时由于挟沙能力不足,发生落淤图1 连云港沉积物粒径小于0.005 mm 组分含量分布(2009-03 125 第 4 期形成淤积形成,回淤强度分布与破波带位置、航道滩槽高差、航道走向与流的夹角密切相关。回淤峰

18、值区段主要在W弯段,往外及往内回淤强度逐渐降低。随航道增深、滩槽高差加大,航道回淤强度逐渐增大,但不是呈线形关系,回淤强度的增幅趋缓。2.3.2 连云港区航道大风天回淤规律2007年9月“韦帕”台风期间航道内发生浮泥现象,此次台风具有风速大、持续时间长、风浪高等特点,可视为多年不遇的恶劣天气。在台风前后选取了历年来回淤最大区段进行观测,结果表明在风后1周左右时段内航槽除局部低洼区域因积淤坑效应,回淤厚度0.9 m外,其余回淤厚度0.4 m。风后实测地形资料表明,除航槽内原底高程低洼段外,其他区段水深基本得到恢复,回淤厚度不足0.1 m。综合研究认为,大风天回淤过程大致分为3个阶段。第一阶段:大

19、风期间浮泥初始回淤,水深减小;第二阶段:大风后短期内表层大部分浮泥消失、下部浮泥逐步密实、水深大部分恢复;第三阶段:残留浮泥重度提高,逐渐固结为淤泥,形成实质性回淤,水深进一步略有恢复。研究表明:1大风天过后的局部明显淤积是暂时的和不碍航的,残留固结为淤泥的实质性回淤(需要疏浚很小,大风天气下不会发生骤淤碍航问题;2大风期间浮泥的形成条件主要与动力条件、泥沙条件、滩地水深等有关,运动机理(消失、密实与泥沙水力特性、水深条件和水流条件有关。大风天浮泥发育、消失、水深恢复的机理如下:浮泥形成机理:在大风情况下,滩面淤泥在波浪作用下起动成为悬沙,水体含沙量大大高于平常天气,高含沙量水体随潮流跨越航槽

20、时,由于航道内挟沙力小于滩地而导致一部分悬沙沉积,造成航道回淤,浮泥主要发生在浅滩航段特别是破波带航段。浮泥运动机理:根据室内试验,推算重度初始回淤物的密度为1.05 t/m 3,从1.05 t/m 3到1.29 t/m 3密实时间需30 d,因此,槽内新淤物质呈浮泥状态,具有一定的流动性,且容易在水流作用下悬扬成为悬沙。因此,浮泥消失的机理大致有以下3种机理:1浮泥逐步密实成为淤泥,厚度大幅减小;2浮泥具有宾汉流体特征,具有一定的流动性,在水流带动下和重力作用下作为宾汉流体沿航槽流动到航槽外端滩地;3浮泥的起动切应力、摩阻流速很小,在潮流、波浪、船舶航行扰动等作用下再悬浮成为悬沙后被潮流带动

21、。为了进一步探究浮泥消失的机理,建设单位已组织科研单位进一步开展浮泥特性室内试验及数值模拟、大风天回淤观测、浮泥运动研究等工作。2.3.3 徐圩港区航道回淤环境和回淤规律徐圩港区尚无航道建设经验,但其沉积物特征和泥沙水力特性与主港区基本一致,海岸性质与主港区一样同属于淤泥质海岸,潮流、波浪、正常天气及大风水体含沙量与主港区基本一致,因此,拟建航道沿线回淤环境与连云港区航道沿线相似。根据类比法,可以推断徐圩港区航道建成后的回淤规律也基本相同,常年回淤量也处于可接受的水平。另外,灌河口沙嘴主体部分处于常年风浪作用范围以外,流速也较弱,沙体运动的动力条件不足,对徐圩航道的潜在影响不大。2.3.4 航

22、道年回淤量以往航道回淤一般采用年平均风浪计算。本次研究,针对水体含沙量与潮流速与波浪流速合计的平方成正比的机理,提出常年回淤量(多年平均回淤量=年小浪(风天回淤+年中浪(风天回淤+年大浪(风天回淤,分别计算小浪(风天、中浪(风天、大浪(风天的回淤强度,然后按各自的频率组合得到常年回淤强图219602008年灌河口0 m,5 m,10 m等深线变化顾 勇,等:连云港港30万吨级航道建设主要技术问题 126 水运工程2012 年度和常年回淤量。这一方法在理论上更为合理,不仅可以得到小浪(风天、中浪(风、大浪(风天情况下的回淤,而且可以得到代表平均情况的设计年回淤量,对于评价中、大浪(风天情况下的骤

23、淤、占全年的比例、破波带航道的可行性等问题具有重要意义,克服了以往采用年平均风浪研究回淤的不足。由于连云港大西山海洋站实测风速受到近岸地形的影响,难以反映实际波浪作用时的海上风速,因此,不能直接采用实测风速统计频率用于回淤计算,而采用大西山海洋站实测波浪数据统计。经研究,选取大西山海洋站H1/10=1.6 m和H1/10=3.6 m分别作为中浪(风和大浪(风,1次中浪(风按H1/10=1.6 m作用1 d考虑,根据统计,共17.6次/a;根据对连云港地区大风过程的分析,1次大浪(风概化为H1/10=1.6 m作用1 d+H1/10=3.6 m作用0.5 d+H1/10=1.6 m考虑,根据统计

24、,共2.82次/a。根据潮流泥沙数学模型结果,结合回淤经验公式研究,经综合考虑确定连云港港30万吨级航道工程常年回淤见表1,中浪(风天、大浪(风天回淤见表2。研究表明,常年回淤量在可接受程度内,大浪(风天气下不会发生骤淤碍航问题,中浪(风天、大浪(风天回淤量合计占常年回淤量近50%。表1 航道常年回淤强度、回淤量连云港区航道(30万吨级徐圩港区航道(30万吨级航道分段常年回淤强度/(ma-1常年回淤量/(104 m3航道分段常年回淤强度/(ma-1常年回淤量/(104 m3港内航道W弯段10.961093.2其中小风天、中风天、大风天分别为659.5,334.4,99.3港内航道0.83169

25、7.3其中小风天、中风天、大风天分别为788,718.1,191.2W弯段2 1.37-8 m以浅外1段 2.05-5 m以浅破波带 2.92外2段 2.29-5-8 m徐1段 2.47外3段 2.04徐2段 2.08-8-10 m 外4段 1.50-8-10 m徐3段 1.89外5段 1.07徐4段 1.71-10 m以外外6段0.75-10 m以外徐5段 1.40外7段0.60徐6段 1.20外815段0.460.12表2 航道中浪(风天和大浪(风天1次回淤量和最大回淤强度波浪 强度/m(104 m3强度/m(104 m3中浪0.07719.00.0940.8大浪0.09035.20.13

26、67.8鉴于以上研究和连云港航道建设经验表明,航道不会发生大风骤淤碍航问题,根据连云港3.5万15万吨级航道建设经验,采用常年回淤量作为设计年回淤量是合适的,因此,本工程设计年回淤量取常年回淤量。3 建设方案主要技术问题研究1-23.1 航道轴线布置徐圩港区属于邻近现有连云港区的新规划港区,航道选线是港区的前提和关键,并需统筹考虑连云港区和徐圩港区航道布局。在预可行性研究阶段,结合连云港港口布局、临港产业规划和建设条件,与徐圩港区总体规划同步开展、密切结合,最终统筹确定“人”字形航道总体布局和平面布置(图3。1连云港区航道:连云港区的30万吨级航道在现有外航道基础上增深、拓宽、延长形成,外航道

27、内段、外段航道轴线走向维持243°63°不变,呈一直线,航道总长53.4 km。经对单侧拓宽和双侧拓宽两种方案比选,推荐双侧拓宽方案。2徐圩港区航道:徐圩港区30万吨级航道利用部分外航道,并新辟徐圩航道形成。徐圩航道轴线走向考虑47°夹角方案(方案1和30°夹角方案(方案2,航道长度分别为20.1 km和25.8 km。徐圩航道两个轴线方案在技术上均是可行的,但方案1航线呈一直线,轴线走向与强风第 4 期 顾 勇，等：连云港港30万吨级航道建设主要技术问题 127 图3 航道总平面 向、强浪向夹角、最大横流相对较小，船舶航行 条件相对较好；航道距离灌河口

28、沙嘴相对远，受 沙嘴对航道的潜在影响相对小；航道回淤量相对 较小；需要新辟的航道较方案2短5.7 km；徐圩 30万吨级航道基建疏浚工程量明显小于方案2（少 1 300×104 m3）。综上所述，方案1各方面条件相 对较优，因此，徐圩航道轴线走向推荐47°夹角方 案。徐圩港内航道全长4.6 km。 3.2 港区航道衔接 1）连云港港区：从系统工程角度，对防波 堤、岸线、航道进行综合布置，采用潮流、泥 沙、波浪数模和定床物模，对掩护效果、减淤效 果和导流效果进行了系统研究。研究表明，旗台 作业区防波效果总体良好，泊稳条件大为改善， 港池及口内航道减淤效果明显，通航条件大为改

29、善，25万吨级散货船、30万吨级散货船可以安全 进出口门、W弯段，以及靠、离连云港港区30万 吨级矿石码头，见图4。 2）徐圩港区：从系统工程角度，对徐圩港 区、航道衔接方案，组织开展潮流、泥沙、波浪 数模，对掩护效果、减淤效果和导流效果进行 图4 30万吨级散货船过W弯段模拟试验航迹叠加 了系统研究，验证航道和港区平面衔接的合理 性，并组织开展船舶航行、靠离泊操纵试验， 研究航道和港区平面衔接的安全性。研究表 明，防波效果总体良好，港池及港内航道减淤 效果明显，流场条件不尽理想，但由于港内弯 段的涨落急流速不大，采取拖轮协助措施后， 船舶安全通过口门及港内弯段是有保障的，5万 吨级、10万吨

30、级散货船、30万吨级散货船可以 安全进出口门、M弯段，以及靠、离10万和30万 吨级矿石码头。 128 水 运 工 程 2012 年 4 结语 通过组织开展可行性研究、现场观测、室 参考文献： 1 中交上海航道勘察设计研究院有限公司. 连云港港30万 吨级航道工程预可行性研究报告及专题研究报告R. 上海: 中交上海航道勘察设计研究院有限公司, 2008. 2 中交上海航道勘察设计研究院有限公司. 连云港港30万 吨级航道一期工程工程可行性研究报告及专题研究报告R. 上海: 中交上海航道勘察设计研究院有限公司, 2009. 3 张华, 马兴华, 顾勇, 等. 连云港徐圩海域海岸性质研 究J. 水运工程, 2011(4: 5