欽州灣新港區(qū)布置對航道水流影響物理模型試驗研究

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(南京水利科學(xué)研究院 港口航道泥沙工程交通行業(yè)重點實驗室， 南京 210029)

1 研究背景

欽州灣欽州港是廣西沿海港口群中三大海港之一，規(guī)劃在欽州灣東航道和30萬t級油碼頭航道水域進(jìn)行新的港區(qū)建設(shè)。該區(qū)域處于5～10 m水深之間，東航道為漲、落潮水流主流帶。新建港區(qū)為環(huán)抱式布置，西側(cè)港區(qū)正好處于欽州灣東航道與30萬t級油碼頭航道之間，而30萬t級油碼頭航道又處于環(huán)抱式口門之間。港區(qū)建設(shè)將會改變東航道和30萬t級油碼頭航道水域橫流狀況，影響船舶安全行駛。

針對環(huán)抱式港區(qū)進(jìn)口航道橫流，已有學(xué)者進(jìn)行過很多研究[1-3]，方案口門布置也密切影響著航道水流[4]。鑒于航道橫流大小對航道船舶安全行駛有重要影響，欽州灣新建港區(qū)對東航道及30萬t級油碼頭航道的影響需要進(jìn)一步研究。

針對欽州港新建港區(qū)環(huán)抱式方案不同布置形式，利用潮流物理模型，研究環(huán)抱式方案對航道區(qū)域水流影響，分析影響船舶安全行駛的航道橫流特點，為港區(qū)設(shè)計及規(guī)劃決策服務(wù)。

2 航道方案說明

環(huán)抱式方案港池口門在南端，共有3個方案。方案1：口門寬度1 760 m，左側(cè)防波堤長530 m，右側(cè)960 m，防波堤口門之間最窄距離為540 m，西側(cè)岸線與東航道平行(見圖1(a))；方案2：口門寬度1 400 m，左側(cè)防波堤長125 m，右側(cè)650 m，防波堤口門之間最窄距離為640 m，西岸線與東航道夾角為10°(見圖1(b))；方案3：口門寬度1 520 m，左側(cè)口門防波堤長765 m，右側(cè)1 030 m，左側(cè)更前伸一些，防波堤之間最窄距離為640 m，西岸線與東航道夾角為10°，拐角圓滑處理(見圖1(c))。

圖1各方案示意圖
Fig.1Schematicdiagramofeachplan

方案中油碼頭航道為30萬t級，進(jìn)港航道走向為22°，航道寬度為300 m，航道底高程為21 m；東航道航道等級為10萬t級，外海航道走向為0°，進(jìn)入港區(qū)北端后走向為30°，航道寬度為240 m，航道底高程為17.6 m。

3 潮流物理模型

3.1 欽州灣潮流情況

欽州灣潮汐屬正規(guī)全日潮，潮流性質(zhì)比值在2.33～3.59之間，由灣口向灣頂遞減，灣口處的比值為3.54，潮流屬不規(guī)則全日潮流，平均潮差2.46 m。漲潮時漲潮水流由深槽航道進(jìn)入灣內(nèi)，落潮方向相反，落潮流速強于漲潮流速[5-7]。

欽州灣海域的潮流運動往復(fù)流特征明顯，較大的漲、落潮流速一般均出現(xiàn)在主水道航道內(nèi)，龍門水道潮流最強，規(guī)劃港區(qū)水流也以往復(fù)流為主(見圖2中紅色箭頭)。

圖2潮流橢圓圖
Fig.2Graphoftidalcurrent

3.2 模型比尺設(shè)計

物理模型研究區(qū)域位于欽州灣外灣東航道水域，研究區(qū)域需要涵蓋整個欽州灣外灣水域，模擬區(qū)域約55 km×55 km(見圖1)。模型設(shè)計主要滿足水流運動相似，水平比尺λl=1 000，垂直比尺λh=120，變率為8.3左右，模型采用流量控制生潮[8]。

3.3 潮汐水流驗證

物理模型采用2013年7月大潮(見圖2)驗證，果子山、核電廠和烏雷潮位過程模型相位與實測基本一致，潮位極值最大偏差0.09 m(見圖3)。流速驗證點流速過程模型相位與實測走勢一致，模型中漲、落潮最大流速與實測值大小點偏差基本在±10%以內(nèi)(見圖4)。

圖3 潮位過程驗證Fig.3 Verification of tidal level process

圖4大潮流速、流向驗證過程
Fig.4Verificationofcurrentvelocityanddirectionprocess

4 航道方案水動力影響

4.1 航道水流流態(tài)及流速變化

3個環(huán)抱式方案漲潮水流流到口門時向左偏橫穿30萬t級油碼頭航道后進(jìn)入東航道水域，落潮時水流從東航道水域向右切入30萬t級油碼頭航道流入外海，東側(cè)水流基本沿東航道沿線漲、落。方案1防波堤口門最窄，漲急僅有小部分水流沿30萬t級油碼頭航道西側(cè)進(jìn)入港池，因西側(cè)防波堤岸線有點內(nèi)凹，西南角岸線突出，漲潮西南角處挑流明顯，漲潮水流部分直接橫切東航道(見圖5(a))；方案2防波堤口門變寬，漲急水流相對均勻地沿30萬t級油碼頭航道進(jìn)入港池，西側(cè)防波堤岸線略突出，西南角漲潮水流挑流現(xiàn)象減緩(見圖5(b))；方案3西側(cè)防波堤伸長，漲潮水流橫切30萬t級油碼頭航道，西南角岸線圓滑處理后東航道漲、落潮水流基本沿航道方向進(jìn)出(見圖5(c))。

3個方案中30萬t級油碼頭航道流速變化幅度均在0.10 m/s以內(nèi)，口門外航道流速一般增加，港池內(nèi)流速一般減少；環(huán)抱式方案西岸線處流速均增加，增加幅度在0.20 m/s以內(nèi)，方案1增加范圍最大，東航道流速增加段最長(見圖6)。新建港區(qū)西側(cè)區(qū)域處于漲潮水流的主流帶，港區(qū)岸線形態(tài)及防波堤布置對漲潮水流影響很大。

4.2 航道橫速變化

航道中船舶安全行駛時最大橫流不能太大，模型試驗中各方案航道內(nèi)漲、落潮最大流速及最大橫流見表1。環(huán)抱式方案口門油碼頭航道漲潮最大橫流強于落潮最大橫流，漲潮最大橫流位于環(huán)抱式口門東、西防波堤中間的30萬t級油碼頭航道內(nèi)，3個方案中漲潮最大橫流都在0.32～0.35 m/s之間，差別很?。粬|航道最大橫流位于岸線西側(cè)偏南的航道內(nèi)，3個方案中方案1最大為0.45 m/s，方案2次之，方案3最小。

圖5 各方案形成后漲落急流態(tài)Fig.5 Flow regime after each plan

圖6 各方案流速變化Fig.6 Velocity changes after three plans

注：測點位置見圖1(b)

總體上因為研究區(qū)域水流主流在10萬t級東航道內(nèi)，新港區(qū)方案布置對岸線西側(cè)偏南的東航道水域橫流影響大，岸線圓滑處理后的方案3東航道處橫流明顯減少。各方案東、西防波堤口門布置對30萬t級航道橫流影響幅度接近。

5 結(jié)論與建議

(1)欽州灣外灣水域潮流以往復(fù)流為主，落潮流強于漲潮流，水流主流在深水航道內(nèi)。應(yīng)用潮流物理模型試驗研究環(huán)抱式方案對航道水流及橫流影響，模型潮位、水流驗證良好，具備方案試驗條件。

(2)3個方案中30萬t級油碼頭航道流速變化幅度均在0.10 m/s以內(nèi)，口門外航道流速一般增加，港池內(nèi)流速一般減少；環(huán)抱式方案西岸線處流速增加幅度均在0.20 m/s以內(nèi)，方案1增加范圍最大，東航道流速增加段最長。

(3)新港區(qū)水流主流在10萬t級東航道，環(huán)抱式方案布置對岸線西側(cè)偏南的東航道處橫流影響大，岸線圓滑處理后的方案3東航道橫流減少明顯。各方案東、西防波堤口門布置對30萬t級油碼頭航道橫流影響幅度接近。

(4)鑒于港區(qū)水流主流在東航道，環(huán)抱式方案布置對西側(cè)10萬t級東航道水流及橫流影響大于方案口門之間30萬t級油碼頭航道，方案布置應(yīng)盡量利用東航道橫流較小的環(huán)抱式方案。