曹妃甸中區(qū)一港池口門拓寬方案研究

張 靜，馮 璐

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222）

引言

唐山港曹妃甸港區(qū)西距天津港約38 n mile，東北距京唐港區(qū)約33 n mile。港區(qū)剛剛建港時，對中區(qū)一港池定位為10萬t級港池，初始規(guī)劃最大泊位等級為10萬t級。鐵礦石、煤炭運輸帶動的船舶大型化趨勢明顯，為了在市場競爭中處于有利地位，托運者和承運者均會選擇大噸位船舶，目前世界鐵礦石運輸多以10～25萬t級散貨船為主，約占海運量的75 %以上。為服務(wù)曹妃甸循環(huán)經(jīng)濟(jì)示范區(qū)和大宗散貨轉(zhuǎn)運為主的大型綜合性港區(qū)，并承擔(dān)“北煤南運”的重要任務(wù)。2019年《唐山港總體規(guī)劃調(diào)整》將中區(qū)一港池航道等級提升為20萬t級。

截止目前，曹妃甸港區(qū)共有生產(chǎn)性泊位92個，設(shè)計總通過能力為42 331萬t，岸線總長度23 428 m。港區(qū)中區(qū)一港池現(xiàn)有泊位48個，主要為通用散雜、通用件雜、多用途、煤炭等泊位，一港池2019年完成貨物吞吐量約占曹妃甸港區(qū)吞吐量50%，是曹妃甸港區(qū)的重要作業(yè)區(qū)。港池西岸線最北端的通用散貨泊位一期、二期、三期工程均可靠泊20萬t級散貨船。而現(xiàn)狀中區(qū)一港池口門有效寬度280 m，僅能滿足10萬t級散貨船單線通航需求，制約了整個港池發(fā)展。為提升中區(qū)一港池航道通航標(biāo)準(zhǔn)，滿足港池發(fā)展需要，需將口門位置處拓寬至365 m，使其滿足20萬t級船舶單線和10萬t級船舶雙線通航要求。本文對口門拓寬方案進(jìn)行研究，在滿足通航需求的前提下，避免由于口門拓寬降低防波堤對港池內(nèi)已建泊位的掩護(hù)效果。

1 口門現(xiàn)狀

口門現(xiàn)狀防波堤堤頭中心線間距約600 m，東防波堤堤頭原泥面高程-9.0 m，西防波堤堤頭原泥面高程約-17.0 m。曹妃甸中區(qū)一港池10萬t級航道已于2018年10月完成竣工驗收，一港池航道軸線方位15°～195°，現(xiàn)狀情況下口門位置處有效寬度為280 m，底標(biāo)高-18.3 m。

圖1 中區(qū)一港池口門現(xiàn)狀圖

根據(jù)引航部門意見，結(jié)合實際使用情況，現(xiàn)狀條件下，船舶沿軸線方位35°～215°完成進(jìn)出口門作業(yè)，在此軸線方位下，口門有效寬度306 m。

2 口門拓寬方案

考慮到中區(qū)一港池內(nèi)已建有20萬t級散貨泊位，同時結(jié)合擬建泊位情況，為充分發(fā)揮中區(qū)一港池航道現(xiàn)有和擬建泊位通過能力，需要對現(xiàn)有航道進(jìn)行升級，使其滿足20萬t級船舶單線和10萬t級船舶雙線通航要求。參照海港總體設(shè)計規(guī)范[1]，口門位置處挖槽寬度取值365 m。

口門位置處橫流較大，盡可能大增大口門有效寬度，口門位置處航道底寬365 m，20萬t級散貨船通航底高程-18.5 m位置處通航寬度369 m，10萬t級散貨船-14.6 m位置處通航寬度408 m。

表1 航道寬度計算表

圖2 口門拓寬方案圖

3 防波堤加固改造

口門是船舶的出入口，必須方便船只航行，并盡量減少進(jìn)港的波能及泥沙，同時注意口門處海流的影響。曹妃甸中區(qū)一港池口門位置已經(jīng)確定，考慮方便船舶通航，將口門加大，勢必對港內(nèi)的波穩(wěn)條件產(chǎn)生不利的影響，根據(jù)一港池現(xiàn)狀使用情況，口門內(nèi)東側(cè)岸線的首鋼成品泊位，在西南風(fēng)的作用下，已存在部分越浪現(xiàn)象，所以，口門的加寬改造方案在不拆除既有防波堤的前提下進(jìn)行。

西防波堤堤頭原泥面高程-17.0 m，航道加寬放坡距離很短，不會對堤頭產(chǎn)生影響。東堤堤頭原泥面高程-9.0 m，20萬t級散貨船通航設(shè)計底高程-18.9 m，東堤需要放坡50 m。已建東防波堤現(xiàn)狀為拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)，堤頂高程為5.5 m。防波堤堤頭部分采用10～100 kg塊石作為堤心，其上設(shè)150～300 kg墊層塊石，外側(cè)安放一層3 t扭王字塊體作為護(hù)面，坡腳處護(hù)底為80～100 kg塊石。

根據(jù)20萬t級航道浚深要求，航道需開挖至距東防波堤堤頭護(hù)底外邊線最小距離約約16.0 m處。為減少開挖邊坡對已有東防波堤結(jié)構(gòu)的影響，提高開挖邊坡的抗沖刷能力，需要對防波堤航道浚深一側(cè)部分區(qū)域進(jìn)行地基加固處理。

改造過程中為了盡量減小對現(xiàn)有堤頭結(jié)構(gòu)的擾動及破壞，且同時又能達(dá)到地基改善的目的，擬采用振沖碎石樁方案[2]。改造施工時，須先拆除東防波堤部分堤頭段的護(hù)底結(jié)構(gòu)，然后采用Ф1 000水下振動沉管碎石樁對原護(hù)底下土層進(jìn)行地基加固，改善表層土體的力學(xué)特性。加固完成后，按原設(shè)計斷面恢復(fù)，形成完整堤頭結(jié)構(gòu)。

圖3 東防波堤加固斷面圖

4 口門拓寬后港池內(nèi)波浪條件分析

4.1 波浪試驗結(jié)果與分析

本次設(shè)計需要對口門寬度進(jìn)行一定程度的拓寬，考慮到防波堤口門與碼頭位置距離較近，為確定航道拓寬后對碼頭前沿上水情況及港池內(nèi)泊穩(wěn)的影響，對口門附近碼頭區(qū)波浪條件開展整體物理模型試驗，得到曹妃甸港區(qū)中區(qū)一港池口門拓寬與現(xiàn)狀碼頭前的波高分布和碼頭上水情況。經(jīng)過分析，SW向波浪影響最為顯著，故將SW向波浪試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

現(xiàn)狀港池與浚后港池在SW向浪作用下，因口門在該方向上投影寬度最大，對東側(cè)碼頭影響較大，波浪傳至東側(cè)碼頭東北角前沿，此處泊位受其影響較大。波浪進(jìn)入碼頭后部分沿東碼頭向北傳播，部分受直立式碼頭反射傳播至西側(cè)碼頭泊位處，碼頭前反射明顯，入射波浪與反射波疊加，最大比波高出現(xiàn)在主航道轉(zhuǎn)彎處，現(xiàn)狀與浚后表現(xiàn)基本一致。北側(cè)現(xiàn)狀與浚后基本一致，最大比波高差在0.1左右。

對于碼頭面上水，并沒有因為碼頭前比波高值較大而產(chǎn)生相對較大的上水，現(xiàn)狀與竣后在極端高水位重現(xiàn)期50、10、2年波浪作用下，存在少量但普遍上水，浚前、后最大上水厚度分別為1.12 m和1.33 m。現(xiàn)狀與竣后在設(shè)計高水位僅在50年一遇出現(xiàn)上水，位置在P30處，最大上水厚度均為0.4 m，平均上水厚度在0.13 m左右。分析其產(chǎn)生的原因為P25～P30碼頭與波浪傳遞方向一致，波浪沿著碼頭岸線順浪傳遞到P30～P31的拐角位置，產(chǎn)生波能集中，故此處上水較大，達(dá)到1.6 m左右。受東側(cè)碼頭波浪反射影響。

圖4 波高測點布置圖

表2 SW向浪作用碼頭上水厚度（現(xiàn)狀、浚后）

圖5 比波高差值分布示意圖（現(xiàn)狀及浚后）

4.2 口門拓寬后港內(nèi)波浪試驗結(jié)論

1）碼頭前波高分布

SSE、S、SSW、SW和WSW 5個方向波浪作用下，浚前與浚后波高分布整體表現(xiàn)一致。WSW向?qū)|碼頭影響最大，設(shè)計高水位、重現(xiàn)期50年條件下，碼頭前最大比波高浚前與浚后出現(xiàn)在相同位置，分別為1.05和0.99；S和SSE向波浪對東碼頭影響最?。籗SE向波浪對西碼頭影響最大，設(shè)計高水位、重現(xiàn)期50年條件下，碼頭前最大比波高浚前與浚后分別為0.97和0.93。

2）碼頭面上水情況

東側(cè)碼頭：設(shè)計高水位、重現(xiàn)期10年、50年條件下，WSW和SW向波浪作用時，首鋼通用散雜貨泊位碼頭出現(xiàn)上水，最大上水厚度為0.4 m；SSW和SW向浪作用時，首鋼成品泊位碼頭出現(xiàn)上水，最大上水厚度為0.21 m。

西側(cè)碼頭：國投煤碼頭端頭外側(cè)位置在S浪向在設(shè)計高水位及重現(xiàn)期50、10、2年均有少量上水，現(xiàn)狀與竣后最大上水差別不大，而且上水段較短。可以認(rèn)為東西碼頭面現(xiàn)有高程適宜，浚后未明顯提高上水，建議碼頭面采取適當(dāng)排水措施。

由于上水段較短，可以認(rèn)為東西碼頭面現(xiàn)有高程適宜，浚后未明顯提高上水。

3）疏浚前后港內(nèi)波高變化不大，空間分布略有不同，疏浚對泊穩(wěn)條件及上水情況沒有明顯影響。

5 結(jié)語

考慮到中區(qū)一港池的重要性，通航船舶等級越來越大，決定對中區(qū)一港池口門進(jìn)行拓寬。拓寬方案在不拆除現(xiàn)有防波堤的前提下，通過采用水下振動沉管碎石樁對原護(hù)底下土層進(jìn)行地基加固，確?？陂T有效寬度拓寬后防波堤的穩(wěn)定性。拓寬后的口門高程-18.9 m位置底寬365 m，可以滿足20萬t級船舶單線和10萬t級船舶雙線通航需求。本次改造方案浚深深度及拓寬范圍均不大，對波浪傳播的影響十分有限，通過模型試驗得出，各測點改造前后波高變化不大，浚后未明顯提高碼頭上水，改造拓寬方案較為合理。