宝钢马迹山矿石码头工程潮流问题研究

徐 啸

(南京水利科学研究院，南京 210029)

图1 马迹山港地理位置Fig.1 Geographical location of Majishan Port

上海宝钢马迹山港矿石中转码头及堆场位于浙江省嵊泗县泗礁岛西南约1 500 m处的马迹山岛(图1)。2002年建成的一期工程卸船、装船泊位布置在马迹山的南侧，堆场布置在马迹山南侧海岙内(图2)。一期工程包括25万t级卸船泊位一个，3.5万t级装船泊位一个及15万m2的堆场，一期卸船码头和装船码头基本上沿27 m和16 m等深线布置。

马迹山海域冬季含沙量为0.5～0.7 kg/m3，夏季含沙量为0.1～0.2 kg/m3。根据1994年与2004年工程地形图(1:5 000)比较，已建卸船码头和装船码头前沿水深均无变化，即马迹山港涨、落潮流强劲，水流挟沙能力大，泥沙一般不易沉积。

根据船舶驾驶人员反映，由于水流原因，卸船码头靠离泊有时发生困难。为此在二期扩建工程实施前针对潮流问题专门进行了全面的现场水文测验工作和数学模型研究。为慎重，又安排进行物理模型研究工作。

图2 矿石码头一期及扩建(二期)工程布置图Fig.2 Layout of ore wharf phase I and expansion (phase II)

1 扩建矿石码头海域潮流特性初步分析

1.1 现场资料分析

1.1.1 潮汐特点

年平均潮差263 cm，当地累积频率10%的大潮潮差约为375 cm，累积频率90%的小潮潮差约为160 cm。马迹山港址的潮流性质属非正规半日浅海潮流，具体表现为涨、落潮流不对称和涨、落潮流历时不对称。

1.1.2 潮流特点

马迹山港海域近10 a内进行的9次水文测验，经分析，2004年6月专门为马迹山矿石码头扩建工程而进行的水文测验工作最有价值，测点多且测点位置合理、代表性好。图3为此次水文测验的大潮期各测点逐时潮流矢图。据此分析得马迹山海域潮流场有以下特性[1-2]：

图3 2004年6月水文测验期间马迹山港海域大潮逐时流矢图Fig.3 Hourly flow vector of spring tide in Majishan Port area during hydrological survey in June 2004

(1)潮流运动的地域性特点。由图3可以看出，距岸较远的N8、N9和S1各测点处潮流的运动形式基本为东东南和西西北向的往复流，但是离岸较近的测站如：N1～N6站、N7及N10测点，明显受到岛屿地形边界条件的影响，潮流运动的不对称性明显。

(2)卸船码头强势流为涨潮流。扩建卸船码头区N3站涨潮测点大潮垂线最大250 cm/s，落潮垂线最大为99 cm/s，两者相差2.5倍。涨潮流在卸船码头水域为绝对优势流。

扩建卸船码头走向为87°～267°。扩建卸船码头前沿N3站，大中潮涨潮最多流向为248°、落潮为89°；即落潮流方向与码头走向基本一致，强势的涨潮主流方向与码头走向之间有近20°的夹角。斜向向外强劲的涨潮流直接影响到卸船码头靠离泊安全问题。

(3)装船码头的强势流为落潮流。扩建装船码头前沿N5、N6站，涨潮垂线最大为94 cm/s和113 cm/s，落潮垂线最大分别为124 cm/s、153 cm/s。落潮流是涨潮流的1.3倍左右。

一期装船码头走向为94°～274°，扩建装船码头走向为120°～300°。位于扩建码头的N6站处大潮落潮最大流流向与码头走向之间存在约32°的夹角，需要注意装船码头水域落潮期可能存在的回流问题。

1.1.3 小结

斜向向外强劲的涨潮流直接影响到卸船码头靠离泊安全问题。装船码头水域则需注意落潮期的回流问题。

1.2 利用潮流概化模型进一步分析

通过对多个海岛水域潮流资料的综合分析，发现经过海岛水域的潮流可以归纳为两大类型，即：(1)绕流型;(2)环抱型(图4)[3-4]。

4-a 海岛岬角处绕流流型4-b海岛岬角环抱流型图4 海岛岬角处绕流流型和环抱流型Fig.4Flowpatternaroundtheislandcapeandsurroundedtheislandcape

马迹山海域潮流显然具有绕流型特点(图4-a)：涨潮期间东向来的涨潮流绕过马屁股后分为北向及西向两股水流；而落潮期间马迹山西侧和南侧两股水流绕过马屁股岬角后汇合为一，装船码头水域的回流区与图4-a所示规律一致。

如前所述，装船码头水域需注意落潮期的回流问题。在文献[3-4]中讨论了为改善如图4-a的回流区水流条件，建议采用以下整治工程措施：(1)光滑岬角处岸线形态；(2)在绕流岬角的“上游侧”岸线处布置起挑流作用的导流建筑物(图5)。

总结类似海洋工程实践经验和已进行的试验研究成果[5]，可归纳得以下几点规律：

(1)因岬角处多为深潭，导流建筑物一般不宜放在岬角端部附近，而适宜布置在离岬角一定距离的“上游侧”；

(2)如必须在岬角端部布置导流建筑物，其必须足够长，否则反而可能增加挑流形成的回流强度和尺度，一般不宜短于回流纵向尺度；

(3)如必须在岬角端部附近布置导流建筑物，其走向也很重要，一般不宜前倾，可适当后倾，具体走向须由试验确定；

(4)如导流堤建筑物布置在岬角“上游侧”，一般不宜太长，否则同样会使岬角处水流流态复杂化，导流堤尺度与当地地形边界条件、水流强度及距岬角距离有关，需通过模型试验确定。

图5 海岛岬角处绕流型条件下的整治工程示意图Fig.5 Schematic diagram for improvement of flow conditions in engineering area under flow around an island headland

1.3 数学模型计算结果[6-8]

以上利用现场资料分析潮流特性。下面简单介绍数学模型一些主要成果[9]。

(1)扩建工程实施后,拟建卸船码头前沿的流速略有增大，涨潮流最大时，增加幅度最大值为6 cm/s，而且卸船码头前沿的流向基本与码头平行，基本满足船舶的靠泊条件。

(2)在文献[7]中，建议在马屁股处建造导流堤，用以使落潮流流向归顺到装船码头的码头轴线走向。从流向归顺情况看，偏南的280°轴线方案较优，导流堤长度200 m与300 m和400 m长差别不大。

(3)在文献[7]中指出，拟建装船码头中部在大潮涨急至涨急后3 h，均存在回流区。

数学模型的这些结论与前面根据现场资料以及利用概化模型进行的初步分析结果有较大差别。

2 物理模型成果[10]

2.1 模型简介

图6 宝钢马迹山扩建工程模型布置图Fig.6 Model layout of Majishan expansion project of Baosteel

物理模型试验研究的目的是：通过试验掌握马迹山海域各工况条件下水流特点及存在的问题，提出改善或优化流态的技术措施。根据研究目的及对马迹山潮流场的认识，确定整体模型所容纳面积为630 km2。大致范围为东经122°14′至122°36′，北纬30°36′至30°47′。模型水平比尺λl=600，垂直比尺λh=140。模型布置如图6。

2.2 马迹山港水域潮流宏观特点

模型试验成果表明，马迹山海域潮流具有以马屁股为岬角的“绕流型”特点，东北向来的涨潮主流区贴近岸线(图7)，已影响到一期卸船码头东部泊位靠离泊安全，对扩建卸船码头的影响将更大。

落潮流则相反，西向和西北向来的落潮主流由于岬角的挑流作用，落潮主流被挑离装船码头水域，最落潮大流速在近海区(图8)。且由于马屁股岬角挑流作用，在落潮初期2 h时段内，一期和扩建装船码头水域范围内均存在逆时针回流。此结果与数学模型结论(3)不一致。

图7 涨半潮平均流速分布图Fig.7Averagevelocitydistributionofrisinghalftide图8 落半潮平均流速分布图Fig.8Averagevelocitydistributionoffallinghalftide

表1 卸船码头各测点最大流速、流向与码头夹角及横向流速Tab.1 Maximum velocity, angle between flow direction and wharf and transverse velocity at each measuring point of unloading wharf

2.3 卸船码头水域水流试验

2.3.1 扩建卸船码头水域水流特点

图9为物理模型中扩建卸船码头处涨急流态图。表1为模型中卸船码头前沿水域测点涨潮最大流速、流向及计算得到的横向流速，测点位置见图10。物理模型试验成果与现场资料完全一致，即强势的涨潮主流方向与码头走向之间有近20°的夹角。导致扩建卸船码头东端最大横向流速达1 m/s左右，将严重影响到船舶靠泊的安全。此结果与数学模型的结论(1)不一致。

由于码头走向已由一期工程确定无法更改，解决问题的途径只能通过整治工程改善水流条件。为此模型中进行了多组利用整治工程改善卸船码头水流流态的优化试验。

图9 扩建卸船码头涨急流态图Fig.9Risingandrapidflowpatternofexpandedunloadingdock图10 马迹山港港区前沿测点布置Fig.10LayoutoffrontmeasuringpointsofMajishanPort

2.3.2 扩建卸船码头水流整治工程—“东导堤方案”试验研究

扩建卸船码头水流整治工程的基本思路，就是在码头东侧合适位置布置“东导流堤”，将涨潮主流挑离码头水域。在扩建卸船码头东侧300 m左右有两个暗礁，利用暗礁建导流堤，可大大减少工程量。图11为物理模型中“东导流堤”堤长为100 m、150 m和200 m时，涨潮主流流路迹线图。表2为不同堤长度时扩建卸船码头水域水流流速流向参数。导流堤长100 m时, 扩建卸船码头东端有100～130 m范围依然受到斜向涨潮水流的影响；导流堤长150 m时，涨潮流主流基本到达码头东端前沿线位置，流向与码头夹角基本在10°以内；导流堤长200 m时，涨潮流主流线到达扩建卸船码头前沿线50 m以外，码头停泊区处于导流堤掩护的缓流区内，水流流向与码头前沿线基本平行。

2.3.3 小结

模型试验表明，在扩建卸船码头东侧建导流堤，可以有效地改善扩建卸船码头东端水流条件。从水流流态看，建150 m出水导流堤时，绕堤水流分离线基本在码头前沿线位置，流向与码头夹角基本在10°以内。仅从改善扩建卸船码头水流条件考虑，“东导流堤”长度不宜小于150 m。

2.4 装船码头水域水流试验

2.4.1 扩建装船码头水域初落阶段产生回流过程分析

表2 各工况条件下扩建卸船码头前涨潮期最大流速及与码头夹角Tab.2 Maximum velocity and angle in the front of unloading whart area and in flood stage under various working conditions

在落潮初期，马迹山南侧潮流主槽内东西向主流相对较弱，而马屁股西侧NW-SE向落潮流为优势流，此优势流在马屁股岬角处与主槽内东西向落潮主流汇合后主流向大致为150°左右，主流向南偏离海岸；以至在马屁股以南的扩建装船码头水域形成以东西向为主的大尺度回流。回流区东西长达500 m以上。

模型试验表明，大、中潮条件下扩建装船码头前局部回流主要发生在落潮开始后的2～3 h左右，小潮条件下发生回流时间为1.5 h左右。随着杭州湾呈东西向的落潮主流的逐渐加强，并起控制作用后，这一回流区即逐渐减弱以至消失。参考图5，装船码头西侧布置“西导流堤”方案情况如图12。

图11 东导流堤不同长度时涨潮主流流路图Fig.11MainflowchartofrisingtidewithdifferentlengthofEastdiversiondike图12 马迹山矿石码头扩建工程西导流堤优化方案布置图Fig.12LayoutplanofWestdiversiondikeofMajishanOreWharfexpansionproject

2.4.2 “西导流堤”优化试验研究主要成果

(1)西导流堤“南”方案。模型中“南”方案进行了与数学模型一样的280°、300°及340°三种走向及100 m、200 m不同长度的方案试验。结果表明，西导流堤各“南”方案走向340°方案稍优于其他各方案(此结果与数学模型结论(2)不一致)(图13)，但要达到解决回流问题，导流堤长度必须加长到400～500 m。马屁股端部水深较大，100 m外水深即达30 m左右，200 m外水深达40 m以上，为此，西导流堤“南”方案实施的可行性和可能性均较小。

(2)西导流堤“北”方案。马屁股以北的马卵岛自然水深仅6～8 m，在此布置300 m、450 m和900 m长的导流堤，试验表明，堤长300～400 m时即可较好地解决扩建装船码头水域初落潮时段回流问题(图14)。

(3)西导流堤“中”方案流态特点。在马屁股以北350 m附近布置西导流堤，此处水深要稍大于“北”方案，因当地岸线偏东，堤长也需稍大于北方案，大致堤长450 m左右，即可解决装船码头回流问题(图14)。

2.4.3 装船码头“西导流堤”水流试验小结

扩建装船码头“西导流堤”方案水流试验表明, 在马迹山西侧布置适当的整治建筑物可以不同程度地减弱装船码头水域回流尺度和强度。一般讲，布置在马屁股岬角端部的“南方案”随着导流堤堤身的加长，码头前流态会有所好转，但不能根本解决回流问题；而且由于水深大，造价高、堤头防冲刷问题亦不易处理，不建议采用此方案。

建议采用300～400 m长的“北方案”，或堤长450 m左右的“中方案”。

由于西侧装船码头附近落潮水流强度远小于东侧卸船码头附近的涨潮水流，且回流现象主要发生在落潮初期，此时潮流强度尚未达到最大流速，回流尺度虽大但强度不大，对港区船舶航运安全的影响也是有限的，为此建议在装船码头建成后，根据现场水流条件情况，参考本试验成果确定西导流堤的具体整治方案。

13-a西导流堤南方案(340°,200m)13-b西导流堤南方案(280°,200m)图13 “西导流堤”南方案导流堤走向的影响Fig.13InfluenceofdiversiondiketrendinSouthcaseofWestdiversiondike

14-a西导流堤北方案(300m)14-b西导流堤中方案(450m)图14 部分“西导流堤”方案条件下落潮流流态Fig.14FallingcurrentflowpatternofpartofWestdiversiondikeschemeconditions

3 实测资料与模型试验成果比较

模型试验推荐的东导流堤150 m方案最终被建设单位采用。在东导流堤建成后，2006年11月5～6日，在马迹山港卸船码头水域又进行了一次水文测验[11]。根据现场实测资料分析，扩建卸船码头前沿的水流条件确实得到了明显的改善，涨潮时水流与码头前沿夹角平均为5°～10°左右，基本上归顺了码头前沿水流，模型试验预测与现场实测结果是一致的，推荐的东导流堤方案较好地解决了扩建码头前水流问题[12]。

4 物理模型与数学模型结论不同的原因分析

在研究过程中，多次发现数学模型的一些基本结论不仅与物理模型结果不一致，与现场实测资料也相矛盾。经分析产生矛盾的原因为：

(1)数学模型在模拟码头桩柱时的概化处理有一定难度，在桩柱附近水流易产生较大偏差；(2)二维数学模型反映回流等复杂水流现象时，直观性不如物理模型，影响研究人员的判断；(3)研究人员的工程经验会直接影响到对计算成果的分析和判断；(4)对现场实测资料分析深度也会影响到试验的分析和判断。

5 结语

(1)在对现场资料深入分析后，将马迹山港域潮流特征进行归纳分类，在较好掌握工程海域潮流特点基础上，借鉴类似工程实践经验，用以指导物理模型试验和分析试验成果；(2)影响马迹山港矿石码头扩建工程的关键水流问题有两个：一是东部强劲的涨潮流对扩建卸船码头处船舶靠泊安全的影响；一是扩建装船码头水域在落潮初期的大尺度回流问题；(3)通过物理模型试验，建议在扩建卸船码头东侧建150 m导流堤，以改善扩建卸船码头东端水流条件。此建议已付诸工程实践，结果证明模型试验的预测与现场实测结果一致；(4)扩建装船码头水域落潮初期回流问题进行的优化试验表明，扩建装船码头西侧导流堤方案如采用300～400 m长的“北”方案，或堤长450 m左右的“中”方案，可基本解决扩建装船码头水域初落时段回流问题；(5)本文还对物理模型成果与数学模型成果之间的不一致问题进行了探讨和分析，以便为以后进行类似工作积累经验。