曹祖德，侯志強，張書莊

（交通運輸部天津水運工程科學研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456）

黃驊港位于渤海灣西南隅、大口河河口外北側，在廣闊淤泥粉沙質海灘上，由雙堤環(huán)抱而成。

粉沙質海岸是介于淤泥質海岸和沙質海岸之間的一種特殊類型海岸，床沙活動性大，在粉沙質海岸上建港，航道極易淤積，因此以往人們對粉沙質海岸建港常懷有戒心。成為影響港口發(fā)展的瓶頸。

1997 年神華黃驊煤港興建，開始航道為3.5 萬t 級，后提高至5 萬t 級，但由于整治工程不到位，淤積嚴重，航道水深始終未能達標。2003 年10 月11～13 日，渤海灣遭受45 a 一遇的寒潮大風襲擊，黃驊港航道發(fā)生災難性的驟淤，導致港口斷航停運、損失慘重，引起人們對粉沙質海岸能否建港的疑慮和畏懼。

2004 年開始，黃驊港煤港區(qū)采用延堤疏浚同時并舉的積極整治方針，取得了明顯的防沙減淤效益，港區(qū)進入正常運轉和發(fā)展狀態(tài)。

2007 年，黃驊港綜合港區(qū)、散貨港區(qū)根據煤港區(qū)航道整治的成功經驗，開辟新港區(qū)，建設10 萬t 級航道，同樣取得良好的防沙減淤效益。

2011 年，黃驊港各港區(qū)相繼提出發(fā)展港口航道的更高要求，綜合港、散貨港區(qū)計劃將航道擴建成20 萬t級，煤港區(qū)則計劃將現航道拓寬為雙向航道。

本文將在總結黃驊港航道整治經驗的基礎上，分析各港區(qū)擴建航道的可行性和合理性，揭示粉沙質海岸建港的潛在優(yōu)勢，展望粉沙質建設深水大港的美好前景。

我國有許多粉沙海岸和粉沙質港口，如莊河港、唐山港、濱州港、濰坊港、東營港、濱海港、洋口港、呂四港、蒼南港等，本文不僅對黃驊港建設與發(fā)展有重要指導意義，對其他粉沙質海港也有一定的參考價值。

1 粉沙質海岸泥沙運動和航道淤積

（1）粉沙質海岸的界定。岸灘泥沙平均中值粒徑在0.031～0.125 mm［1］，粘土含量小于25%，泥沙粒徑分選系數為中等的海岸稱為粉沙質海岸。

（2）粉沙質海岸的泥沙運動。粉沙質海岸泥沙的基本水力特性是起動流速小，沉降速度大（與淤泥相比），沉積密實快，在周期性往復流及波浪作用下，流速遍歷泥沙各特征臨界流速值（包括起動流速、懸揚流速、止懸流速、止動流速），因而出現復雜的泥沙運移形態(tài)［2-4］，有懸移質、推移質和底部高濃度含沙水體。其中底部高濃度含沙水體就其流動特性來說，是上部懸移質在底部的延伸，應屬于懸移質，但對航道淤積而言，其又與推移質相近，這種泥沙對航道淤積影響很大，為了與懸移質和推移質相一致，又便于計算和應用，本文約定將底部高濃度含沙水體命名為底移質。根據黃驊港現場觀測，底移質高度約為1 m 左右，含沙量可高達25 kg/m3，它對航道驟淤有重大影響。在粉沙質航道淤積計算中，則采用三層模式分別考慮［5］。

（3）粉沙質航道淤積特點。

①淤積嚴重。淤泥質海岸上，由于粘土的作用，泥沙運動以懸移質為主推移質很少；沙質海岸上，因泥沙懸揚流速較大，懸揚時段較短，泥沙運動以推移質為主，懸移質不發(fā)達。粉沙質海岸上，泥沙運動較復雜，既有懸移質，還有推移質和底移質，因此，同樣尺度的航道在相同工況的海洋動力作用下，粉沙質航道的淤積量要比淤泥質和沙質航道的淤積量大，在大風驟淤時，尤為明顯。

②大風驟淤與有效風能有密切關系。粉沙質海域在平時無風和微風時，水體清澈，航道基本不淤，一有風浪，則水體渾濁，航道發(fā)生淤積，小風小淤，大風大淤，狂風驟淤，航道淤積與有效風能有關。

有效風能是指能形成航道淤積的風能量，根據現場觀測，黃驊港海區(qū)引起泥沙懸揚并形成航道淤積的最小風級是6 級；因此一場大風過程形成大風驟淤的有效風能可用下式表示

式中：Εw為形成大風驟淤有效風能；ρa為空氣密度；f 為系數；wi為風速（i=6、7、8、9）；ti為歷時（i=6、7、8、9）；t0為閥值，現場實測為2 h。

大風的發(fā)生是隨機的，黃驊港利用當地連續(xù)20 a 以上風資料，得出大風有效風能的累積概率分布符合皮Ⅱ曲線，并由此建立不同重現期大風與航道淤積的關系［5］。

③航道淤積沿程分布不均勻。廣闊岸灘上，在沿岸輸沙不強的情況下，如果航道淤積主要是由邊灘上波浪掀沙，潮流輸沙，邊灘泥沙進入航道所形成，黃驊港航道淤積就是這種情況，則在波浪破碎帶內，為航道強淤區(qū)，如建防波堤將破波區(qū)航道掩護，則防波堤口門處航道段為高淤積區(qū)，其淤積分布情況如圖1所示。

④航道新淤土密實板結很快，極易形成鐵板沙，影響疏浚效率，必須及時清除。

2 黃驊港建設歷程

神華黃驊煤港始建于1997 年，根據天津港模式，港區(qū)由雙堤環(huán)抱而成，堤頭口門位于-2.5 m 水深處，開始開挖航道的目標是3.5 萬t 級，由于防波堤太短，未能伸出破波區(qū)，因此航道隨挖隨淤，大風驟淤，航道水深始終不能達標。2003 年10 月11～13 日，45 a 一遇的一場寒潮大風襲擊渤海灣，黃驊港航道發(fā)生了災難性的驟淤，口門航道高淤區(qū)淤回至原地面，淤厚達3.6 m，港口斷航停運，損失慘重。

2004 年5 月，在總結失敗教訓的基礎上，深入開展二期整治工程，采用延長防波堤和加強疏浚工作同時并舉的積極整治方針，以防御10 a 一遇的大風驟淤為主要整治標準。主要工程項目有：兩條防波堤各延伸10.5 km 至-5.5 m 水深處；一條5 萬t 級航道的開挖；以及口門航道段的局部增深與拓寬，來改善口門流態(tài)和減小口門橫流。

2005 年9 月，防波堤建成，淤積環(huán)境大為改善，減淤效果明顯，主要表現在以下方面：

（1）航道水深逐年穩(wěn)定增加，改變以往隨挖隨淤、大風驟淤現象；

（2）大風驟淤礙航現象消除，自2006 年至2011 年雖發(fā)生10 a 一遇甚至15 a 一遇的大風，但均未發(fā)生航道水深淤淺而斷航；

（3）口門流態(tài)改善，橫流減輕，口門航運安全得到保障；

（4）新淤積土及時清除，航道可挖性提高，疏浚效率大為提高。

在黃驊港煤港區(qū)航道整治成功的基礎上，2007 年緊鄰煤港區(qū)北側又開發(fā)了黃驊港綜合港區(qū)，該港區(qū)仍采用雙堤環(huán)抱，整治標準仍以防御10 a 一遇大風驟淤為主，雙堤平行延伸至-5.5 m 水深處，航道等級為10 萬t級，水深為-14.5 m，底寬210 m，長44 km，煤港區(qū)航道與綜合港區(qū)航道平行，航道軸線相距3.6 km。2009 年綜合港區(qū)基本建成，投入使用，航道使用正常，防波堤防沙減淤效果良好，其中值得注意的是：兩條航道有相互掩護減淤效應，上風航道對下風航道有一定減淤作用，偏東風時，煤港區(qū)航道對綜合港區(qū)航道有一定減淤作用，偏北風時綜合港區(qū)航道對煤港區(qū)航道有一定減淤作用。

3 黃驊港航道整治經驗

總結黃驊港航道整治經驗有以下幾點：

（1）首先必須掌握工程海區(qū)的基本自然條件，包括：海岸類型、海洋動力特征、泥沙運動特征、航道淤積原因及航道淤積特點。這是港口建設和航道整治的基石和依據。

（2）粉沙質航道整治應采用堤防工程和疏浚工程同時并舉的方針，兩手同時抓兩手都要硬。在粉沙質航道整治中，疏浚既是清除維護土方、保證通航道水深的主要手段，也是開挖航道及時清除新淤土、增深拓寬、防沙減淤的重要整治手段，黃驊煤港早認識到這一點，在建港開始就自備了一條大型現代化耙吸式挖泥船，在航道整治中發(fā)揮了積極作用。

（3）要確定合適的整治標準，粉沙質航道整治目標主要是大風驟淤，這與大風重現期有關。黃驊港航道的整治標準為：重現期為10 a 的大風作用下仍能保證設計船型可自由通航。經多年實踐證明，該標準對黃驊港是合適的。

（4）建設有效的防沙減淤堤防工程，防波堤是最常用的工程，有防波防沙功能。在修建防波堤前，必先仔細研究航道淤積的原因和泥沙運動情況，對于有沿岸輸沙和沿堤流的情況，還須增加挑流丁壩或翼壩等附加構筑物，在黃驊港工程區(qū)，沿岸流和沿堤流均不發(fā)育，造成航道淤積的原因是波浪掀沙、潮流輸沙、邊灘局部泥沙再搬運所形成，因此，在航道兩側邊灘修建防波堤就可以了。防波堤的主要尺度如下：

①防波堤長度。這是決定防淤效果和影響投資的最重要尺度，根據減淤要求，防波堤必須從岸邊起向外海延伸，伸出波浪破碎區(qū)，堤頭具體位置則應根據整治標準來定。黃驊港研究，整治標準為25 a 一遇時，堤長要延伸到-8 m 水深處，整治標準為15 a 一遇時，堤長應延伸至-7 m 水深處，整治標準為10 a 一遇時，堤長應延伸至-6 m 水深處。經綜合經濟分析黃驊港采用10 a 一遇整治標準，堤頭延伸至-5.5 m 水深處，減淤效果良好。

②防波堤頂高度，在波浪破碎區(qū)內，必須采用出水堤，才有良好的減淤效果，至堤頭時，為了改善口門流態(tài)，堤頭高程為-1 m，在堤頭段2.5 km 長度內堤頂從出水高程降至堤頭高程，堤頂縱坡約為2‰～2.5‰。

③雙堤間距，由于堤身很長，雙堤內水域狹長，從航運安全和波浪傳播考慮，雙堤間距應大一些，但從泥沙淤積考慮，堤間距應小，經綜合考慮堤間距宜在1～6 km。

④雙堤平面布置。從航行安全、消浪、減淤、減小沿堤流和港口發(fā)展等多種因素考慮，雙堤內設置緩沖區(qū)，布置成葫蘆形是十分必要的，最寬處為6 km，最窄處為1 km，口門在-5.5 m 水深處，防波堤平面布置如圖2所示。

（5）疏浚整治、拓寬增深，在粉沙質航道整治中，疏浚是重要整治手段。防波堤工程只能對該堤掩護的航道段起到防沙減淤作用，但對新淤土的快速密實板結和雙堤口門外新增的高淤積和駝峰淤積體卻無能為力，疏浚工程可起到一定作用。黃驊港煤港區(qū)從二期整治工程開始就十分重視疏浚工程，在整治和維護整個過程中，積極組織疏浚力量，及時清除新淤土，對大風驟淤后的高淤積區(qū)的新淤土清除，尤為重視，保證了疏浚的高效快速運轉。對于口門外高淤積區(qū)，則采用局部拓寬、加深，在口門9～12 km 段內，將航道從140 m 拓寬至210 m，水深從-11.5 m 增深至-14.5 m，備淤深度超過整治標準中預估的最大淤積厚度，保證航道在整治標準的大風驟淤后的通航水深。

由此可知，在粉沙質航道中，防波堤和疏浚是同樣重要的兩種整治手段，各有優(yōu)勢，互相補充，才能保證航道的安全航行。

4 評價黃驊港航道擴建效益

2011 年黃驊港各港區(qū)相繼提出港口發(fā)展和航道擴建的要求，綜合港提出將現有航道從10 萬t 級提高到20 萬t 級，水深從-14.5 m 浚深至-18.0 m，底寬從210 m 拓寬至250 m，煤港區(qū)則將現有單向航道拓寬為雙向航道，底寬從235 m 拓寬至270 m。

粉沙質海岸泥沙運移形態(tài)雖然很復雜，但從航道淤積來分類，主要是兩類，一類是懸沙淤積，懸移質越過航道時因流速降低而形成的落淤；另一類是底沙淤積，底移質和推移質遇到航道后的淤積。今應用三層模式理論計算邊灘水深為-6 m 時不同航道等級（即不同水深和不同底寬）時的淤積情況，計算結果見圖3，為了比較方便起見，圖3 中的淤強和淤積量均以3.5 萬t 級的淤強和淤積量為比較單位1 的相對值。

今利用圖3 結果來評價和分析黃驊港航道擴建的技術可行性和經濟合理性。

（1）技術可行性。從圖3-b 可知，懸沙淤強△s隨航道等級提高，水深增大而增大，開始時增速很快，至10萬t 級后增加很慢，底沙淤強△b則隨航道等級提高、底寬加快而減小，合成淤強△o=△s+△b隨航道等級提高而減小，開始時減小很慢，至10 萬t 經后，航道淤強減小速度才較明顯，從10 萬t 級提高至20 萬t 級后，淤強將減少7%，由此可知航道等級的提高對于減小大風驟淤是有利的。

表1 承受系數η 分類表Tab.1 Classification of bearing coefficient η

今利用圖3 和負擔系數η 來分析黃驊港航道擴建的經濟合理性。

黃驊港綜合港區(qū)當航道為10 萬t 級時，預計值為0.2～0.3，屬于重負擔，航道擴建成20 萬t 級預計年淤積量為1 850 萬m3，年吞吐量為15 700 萬t，η=0.11，雖然仍為重負擔范圍，但已接近下限，如經進一步整治，據科研單位研究［6］，采用潛堤減淤，潛堤延伸至-7 m 水深處，淤積可減小至1 500 萬m3，由此得η=0.095,達到輕負擔水平，有良好經濟效益。

現進一步分析煤港區(qū)航道擴建效果，目前煤港區(qū)航道底標高達-14.0～14.5 m，底寬235 m，實際上已達到10 萬t 級航道，多年實踐證明，該航道在10 a 一遇大風甚至15 a 一遇大風襲擊下，大風驟淤后的航道仍可保證國內各種船型煤船自由進出，港口經營效益良好。擴建成雙航道，底寬從235 m 變成270 m，經計算淤強將減小8%，大風驟淤威脅進一步減小，而淤積量則增加10%，但航道變成雙向后，通過能力和港口吞吐量將成倍增加，港口負擔系數η 將大幅減小，達到輕負擔水平，港口效益更加良好。

綜上所述，黃驊港各港區(qū)近期提出的航道擴建計劃，將大大提高港口效益，進一步促進港口發(fā)展。

5 展望粉沙質港口發(fā)展前景

根據黃驊港發(fā)展歷程和圖3 所示航道淤積變化過程，粉沙質海岸港口發(fā)展可分為3 個階段。即起步階段、快速發(fā)展階段和興旺騰飛階段，今分別介紹。

（1）起步階段，港口從無到有，這個階段港口規(guī)模很小，吞吐量只有幾千萬噸，碼頭泊位只有幾個，航道等級在5 萬t 級以下，但必須將減淤防波堤建造到位，將淤積區(qū)航道段拓寬浚深到位，要負擔嚴重的疏浚維護費用，要承受大風驟淤帶來的災害性風險，個別港口曾因此而停建，有些港口因此而蒙受慘重損失，這階段是粉沙質海岸上建港時最艱難的階段，“粉沙質海岸不能建港”、“聞粉色變”等情況都是在這階段形成的。

（2）快速發(fā)展階段，航道整治成功后進入本階段，港口規(guī)模得到發(fā)展，吞吐量逐漸達到1 億t，航道等級由5 萬t 級提高到20 萬t 級，大風驟淤風險基本得到控制，航道淤積維護不再是港口的嚴重負擔，淤積問題不成為港口發(fā)展的障礙，港口得到迅速發(fā)展。

（3）興旺騰飛階段，當港口吞吐量超過1 億t，航道等級超過20 萬t 級后，港口進一步發(fā)展，大風驟淤風險進一步降低，淤積負擔越來越小，粉沙質海岸建港的優(yōu)勢越來越明顯，港口將獲得迅速發(fā)展，帶動臨港工業(yè)和臨海產業(yè)的發(fā)展，成為地區(qū)經濟發(fā)展的新增長點。

6 結語

（1）黃驊港海岸為淤泥粉沙質，海岸泥沙運動活躍，建港后航道淤積嚴重，大風驟淤威脅很大，航道回淤成為港口發(fā)展的瓶頸。

（2）黃驊港采用整治和疏浚同時并舉的積極整治方針，航道兩側修葫蘆形擋沙防波堤，堤頭伸出破波帶；高淤區(qū)航道采用局部拓寬增深；新回淤土及時快速清除。整治后減淤效果明顯，大風驟淤威脅減輕，航道可挖性得到改善，疏浚效率成倍提高，航道水深逐年穩(wěn)步提高。

（3）航道回淤由懸沙落淤和底沙淤積兩部分組成，由于懸沙落淤，增量隨航道深度增加而減小，底沙淤積為常量，淤強隨航道寬度增加而減小，因此航道淤強隨航道等級提高而減小。

（5）根據黃驊港建設歷程可分為3 個階段，即起步階段，快速發(fā)展階段和興旺騰飛階段。起步階段承受嚴重淤積和大風驟淤威脅，并負擔整治工程建設的壓力，這是最艱辛階段?？焖侔l(fā)展階段則負擔著巨大建設任務。興旺騰飛階段中整治工程已完成，粉沙質海岸建港優(yōu)勢已明顯體現出來，泥沙回淤不再是威脅港口發(fā)展的因素，港口將得到巨大發(fā)展。

（6）目前，黃驊港的起步階段已成過去，正處在快速發(fā)展階段，粉沙質海岸建港優(yōu)勢已逐漸體現出來，興旺騰飛階段的旭光已經出現，不久將來，在渤海灣內，將出現一個耀眼的黃驊深水綜合大港，帶動臨港產業(yè)發(fā)展，成為該地區(qū)經濟迅速發(fā)展的增長點。

（7）黃驊港航道整治成功不僅保證黃驊港健康正常發(fā)展，也為其他粉沙質海岸建港提供有益的參考。

［1］曹祖德，楊樹森，楊華.粉沙質海岸的界定及其泥沙運動特點［J］.水運工程，2003，352（5）:1-4.CAO Z D，YANG S S，YANG H. Definition of silt-sandy beach and its characteristics of sediment movement［J］.Port ＆ Waterway Engineering，2003，352（5）：1-4.

［2］曹祖德，孔令雙，焦桂英.往復流作用下粉沙的起懸和沉降過程［J］.水道港口，2005，26（1）：6-11.CAO Z D，KONG L S，JIAO G Y.Sediment movement under the effect of periodic reciprocating current［J］.Journal of Waterway and Harbor，2005，26（1）：6-11.

［3］曹祖德，孔令雙.粉沙質海岸泥沙運動特點的研究［J］.海洋學報，2011，33（5）：152-162.CAO Z D，KONG L S. Sediment problems of harbor on silt-sandy beach［J］.Acta oceanological sinica，2011，33（5）：152-162.

［4］李孟國，曹祖德.粉沙質海岸泥沙問題研究及進展［J］.泥沙研究，2009，4（2）：72-80.LI M G，CAO Z D. Review on the study of sediment problems on the silt-sandy coast［J］.Journal of Sediment Reseach，2009，4（2）：72-80.

［5］曹祖德，焦桂英，趙沖久.粉沙質海岸泥沙運動和淤積分析計算［J］.海洋工程，2004，22（1）：59-65.CAO Z D，JIAO G Y，ZHAO C J.Sediment movement along silt sandy beach and calculation of siltation［J］.The Ocean Engineering，2004，22（1）：59-65.

［6］張書莊，侯志強.黃驊港綜合港區(qū)20 萬噸級航道工程防沙堤防淤斷面物理模型試驗研究［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2009.