上海洋山深水港区二期工程方案潮流物理模型试验研发
上海洋山深水港区于2005年12月10日开港，一期工程5个深水泊位运营顺利。为维护二期工程正常水深、增强码头前沿水流强度，上海市深水港建设指挥部拟对二期港池向西同颗珠山通道深槽之间的浅滩进行挖通合并，港池外边线拓宽300 m。文章通过潮流物理模型试验，对浅滩挖通和港池外边线拓宽进行研究，为确定二期港池疏浚工程方案提供试验资料依据【l_。
1 模型概况
1.1 模型范围及比尺试验是在洋山深水港区整体物理模型中进行，模型所容纳的水域东西向范围42 km，南北向范围25 km，东边界在筲箕岛以东约15 km，西边界在小乌龟以西约15 km，北边界在小洋山北侧以北10 km，南边界在大洋山南侧以南10 kln。模型为四面开敞边界，东西两侧采用翻板尾门系统，南北两侧采用可逆泵流量控制。模型水平比尺A ：
600，垂直比尺A =100，变率为6，模型布置如图1所示i2-31理采图1 洋山深水港区模型平面布置1.2模型验证潮流验证采用2006年4—5月天科所和长江水文局实测定点及ADCP走航大、中、小潮水文测验资料，包括5处验潮，18个定点及7条测流断面，其中：大潮50个测点，中潮和小潮各21个测点。测点范围东起虎啸蛇，西至小乌龟。验证结果表明，模型潮位、流速、流向过程与实测基本吻合，高、低潮位、潮差的偏差一般在一0.10～0.10 mm以内；流速偏差在一0.17～0.25 rn／s之间，平均为～0.06 O.06 m／s，相对偏差变幅在一28％～28％之间，平均为一9％～9％，其中变幅≤10％的占70％；流向偏差一般在一l0。一10。以内。通过验证试验，模型潮位、流速、流向、相位以及通道潮量与实测相比，从整体上来看基本一致，模型流场与现场达到相似要求。
2 试验方案
2.1 试验目的1）二期港池向西至颗珠山深槽间浅滩挖通，以下称之为西部浅段，对一、二期工程港区的减淤作用。
2）一、二期港池拓宽300 m，对一、二期工程港区的减淤作用。
2.2 试验方案方案1：西部浅段不开挖，二期780 m港池开挖至设计底高程一16 m，港池西侧边坡为1：50。
方案2：西部浅段开挖至一12 m，二期780 m港池开挖至设计底高程一16 m。
方案3：西部浅段开挖至一12 m，一期港池南侧加宽300 m，二期港池南侧平均加宽150 rn，开挖至设计底高程一16 m。
3 方案试验成果分析
3.1 流场强度变化表1给出了3组疏浚方案条件下，各区域平均流速强度和变化率。从表1可以看出：
1）西部浅段水域：从8.0 Ill浚深至一12.0 ITI，水流强度减弱，涨、落潮平均流速分别减小7％和4％，涨潮流速减小明显大于落潮；一、二期工程港池加宽与否对该段水流强度没有影响。
2）二期工程港区水域：西部浅段开挖方案（方案2）与不开挖方案（方案1）相比，涨、落潮平均流速分别增大3％和4％，其中泊地平均流速分别增大6％和5％，调头区平均流速分别增大3％和4％，泊地流速增强率大于调头区，尤其是涨潮。港池加宽方案（方案3）与不加宽方案（方案2）相比，涨、落潮平均流速基本没有进一步增大的效果，其中仅调头区水域有I％的增大率。
3）一期工程港区水域：西部浅段开挖方案（方案2）与不开挖方案（方案1）相比，涨、落潮平均流速分别增大4％和3％，其中泊地平均流速分别增大6％和5％ ，调头区平均流速分别增大4％和3％，泊地流速增大率也同样大于调头区，涨潮流速增大率大于落潮。港池加宽方案（方案3）与不加宽方案（方案2）相比，涨、落潮平均流速也基本上没有产生进一步增大的效果，仅调头区水域有l％ 2％的增大率。
总之，西部浅段由于浚深和水流强度减弱，将产生一定的泥沙淤积，需要疏浚维护。西部浅段开挖，对一、二期工程港区来讲，由于水流增强，将起一定减淤效果；港池加宽，由于水流基本没有进一步增强，其减淤效果也就没有进一步明显扩大。
3.2 潮量变化试验结果表明：洋山深水港东口门（小岩礁一大洋山）、西口门（大乌龟一双连山）以及颗珠山汊道（颗珠山一小洋山）3个断面，在3组疏浚方案条件下，各断面涨、落潮潮量基本相同。
也就是说，在相同边界情况下，疏浚工程对上述3个断面的涨、落潮潮量不会产生影响。
3.3 流态
1）方案1：各区水域涨潮水流基本平顺，流态单一，但在西部浅段水域，涨潮由于主通道水流受汊道水流的顶托，出现缓流区，流速明显降低，落潮水流平顺；颗珠山汊道内水域，涨潮在蒋公柱一侧、落潮在颗珠山一侧存在缓流区。
2）方案2：西部浅段贯通，水流通畅，西部浅段水域水流有所改善，但涨潮仍出现缓流区；颗珠山汊道内水域水流流态与方案1基本相同。
3）方案3：西部浅段的贯通以及港池南侧的拓宽，各区流态与方案2没有明显变化。
4）从模型观察，尽管一期东侧建有一9 m围堤，但由于导堤高度不足，在一期码头东部3组方案均有大致相同的局部回流出现。
4 泥沙回淤初步分析
4.1 西港区水域水深情况根据1998年、2004年5月、2005年4月、2005年10月共4次水深测图，划分4个区进行统计，水深统计结果为：
1）西部（小乌龟一颗珠山）长约1 640 ITI，面积128万m ，约占总水域面积的44％，该段水域平均水深基本稳定，约一9.8 m。
2）颗珠山深槽段长约680 m，面积53万mz，约占总水域的18％，该段水域平均水深呈发展趋势，自建港前一9.0 m增深至当前的一l0.4 m。
3）西部浅段，即二期疏浚工程拟开挖段，长约1 100 m，面积8O万m ，占总水域的27％，该段水域平均水深在2005年4月以前基本稳定，约一8-3 m，在近半年时间内有所淤浅，约一8.0 m。
4）工作船码头水域，~lJ-期疏浚工程边坡段，长400 m，面积31万m ， 占总水域面积的19％，该段水域平均水深变化与西部浅段大体相同。
上述分区水深的稳定、发展、淤浅的变化特征，主要是由于岛链汊道的封堵，导致颗珠山汊道进出水量增加、汊道以东水域水流动力减弱所致。同时，当二期港区疏浚工程竣工后，工作船码头水域位于边坡段，加以浚深后，西部浅段水深凸出明显，形成浅坎，必然影响一、二期工程港区水流动力。
4.2 泥沙淤积计算公式及主要参数值本期为潮流清水模型试验，回淤量只能通过半经验、半理论公式计算，现采用刘家驹淤积计算公式对各方案港区回淤进行初步估算。该公式在我国近海淤泥质港口应用较多，而且在此以前天科所曾选用杭州湾试挖槽实际淤积情况进行过检验。
_（鲁）3]sin[ 一 （ 鲁）]COS0 J （1）式中：P为年泥沙淤积厚度（m）；S为年平均水体含沙量（kg／m ）； 为泥沙絮凝沉速（m／s）；P。
为淤积泥沙干密度（t／m。）；T为年历时总秒数（S）；0为水流与码头岸线交角（。）；H ，H2分别为浚前、浚后中潮位下水深（m）； V 分别为浚前、浚后流速（m／s）；K ，K2为经验系数，分别取0.35和0.13。
4.3 西部浅段开挖后年泥沙淤积估算[41西部浅段当前水深为一8.0 m，挖深至一12.0 m，浚深4m，面积为80万m ，基建土方量为320万m 。
根据模型试验给出的潮流速变化计算结果，年平均淤强为1.7 m，年维护挖泥量为136万m，。
4.4 西部浅段开挖后一、二期工程港区年减淤量1）二期工程港区年减淤量估算。
二期工程港区淤积计算结果如表2所示。初步计算结果表明，西部浅段不开挖，二期工程疏浚后，年平均淤强为2.5 m，年维护挖泥量375万m ；西部浅段开挖，二期工程港区疏浚后，年平均淤强为2.2 m，年维护疏浚量330万rn 。年淤强减小0.30 m，年减淤量45万m ，与西部浅段不开挖年维护疏浚量相比，约减小12％。
2）一期工程港区年减淤量估算。
在本期试验边界条件下，一期工程码头东部白地，涨潮存在有回流，从模型试验观察上来看，西部浅段是否开挖回流强度和范围基本相同，作为减淤量来讲，主要从水流变化引起的泥沙淤积进行计算。初步计算结果，西部浅段开挖，由于潮流动力的增强，一期工程港区年淤强减小0.13 m，年减淤量16万ms。一、二期工程港区年回淤量约减小60万m 。
4.5 西部浅段开挖、港池加宽后一、二期工程港区年减淤量1）二期工程港区年减淤量估算。
二期工程港区淤积计算结果表明：西部浅段不开挖、调头区不加宽条件下，二期港区年平均淤强为2.5 m，年维护挖泥量375万m。；西部浅段开挖、调头区加宽，二期工程港区年平均淤强为2.1 m，年维护疏浚量365万m 。两者相抵，港区年平均淤强减低0.4 m，年减淤量约1O万m 。应该指出，表2中的减淤量包含有港池拓宽所应增加的淤积量（约60万m ）。
2）一期工程港区减淤量。
一期工程港区减淤量系根据水流强度变化得出的。试验结果表明，西部浅滩开挖，港池拓宽与否，水流强度不变，表明其减淤效益基本为零。
综上计算结果说明：
① 西部浅段开挖后，年平均淤强为1.70 In，年维护疏浚量约136万m 。
② 西部浅段开挖、港区不加宽，一、二期工程港区年回淤量约减小60万m ，二期工程港区约减淤12％。
③ 西部浅段开挖、港区加宽，仅二期工程港区年减淤量约1O万In……
5 对二期工程港区疏浚方案综合评价
5.1 西部浅段开挖势在必行1）从洋山深水港区纵向水深分布来看，当二期工程港区疏浚工程竣工后，紧邻港区西部有一条高达8 In的边坡和浅滩，在底部高浓度浑水尚未完全探明情况下，如遇大风浪天气，很有可能潜在骤淤的威胁。
2）从试验、计算结果来看，西部浅段开挖有约6O万Ins的减淤效果，虽然相对总淤积量来讲所占比值不大，但对减轻二期工程港区水深维护的压力显然有利。
3）西部浅段开挖对大型耙吸式挖泥船来讲，疏浚长度增加可以提高一定的挖泥效益。
5.2 港池加宽300 m减淤作用不大从减淤角度来看，港池加宽300 m减淤量值很小，不足以抵消港池加宽所产生的增加淤积。
是否加宽主要应从船舶航行条件考虑。
5.3 应辅以整治工程措施西部浅段开挖后的维护疏浚量大于一、二期工程港区减淤量，从整体经济效益来看，不尽合理。因此，下一步应结合西港区规划方案辅以工程整治措施，增强西部浅段水流动力，减轻回淤，以求整体经济效益的完善。
5.4 预报与实测回淤量值比较
5.4.1 预报回淤量值二期工程港池疏浚开挖方案潮流物理模型试验研究中，对二期工程港池浚后泥沙淤积的预报结果如表3所示。
5.4.2 浚后实测回淤隋况上海航道局提供了2006年12月1日一2008年6月9日历时近18个月的水深及工程维护量：淤积量26万m。，工程维护298万in。， 回淤总量324万m ，淤强2.97 m。
把以上数据折算为年际变化值，二期工程港池年实际平均淤强1.98 m，淤积总量约216万m 。
5.4.3 预报与实测回淤量值比较现将预报与实测回淤量值进行比较，其结果如表4所示。从表4比较结果可以看出，二期港池实测年淤强为1.98 m，回淤量为216万m ；预报的淤强为2.19 m，回淤量为240万m。，预报值偏大约10％，两者基本一致，相差无几，说明预报是比较准确的。
6 结语
1）模型试验目的是从潮动力、泥沙淤积的角度，试验分析二期港池向西至颗珠山深槽间浅滩挖通对一、二期工程港区减淤作用，一、二期港池拓宽300 m对一、二期工程港区减淤作用。
2）西部浅段挖深4 ITI，平均流速减小6％，年平均淤强1.7 m，年维护挖泥量136万m……3）西部浅段开挖方案实施后，一、二期工程港区平均流速增大4％，年回淤量减小60万In 。
4）港池加宽方案实施后，水流强度基本没有进一步增强，其减淤效果也就没有进一步明显扩大。
