西太阳沙和烂沙洋海域深水港开发涉海关键技术问题李孟国，杨树森（交通运输部天津水运工程科学研究所，工程泥沙交通行业重点实验室，天津３００４５６）摘要：江苏如东西太阳沙和烂沙洋海域水下地形和水动力泥沙条件非常复杂。
针对该海域深水港开发建设，进行了水动力泥沙系统研究。
文中对该研究成果进行了介绍，包括要解决的关键技术问题、开展的主要科研工作、技术创新和研究结论。
为深水港的开发建设提供了科学依据。
关键词：辐射沙洲；西太阳沙；烂沙洋；波浪；潮流；泥沙中图分类号：Ｐ７３１．２文献标志码：Ａ文章编号：１００３－３６８８（２０１１）０１－０００１－０４Marine Key Techniques in the Development of Deepwater Portin Xitaiyangsha and Lanshayang Sea AreaLI Meng-guo ，YANG Shu-sen（Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering ，Key Laboratory of Engineering Sediment of the Ministry ofTransport ，Tianjin 300456，China ）Abstract ：ＴｈｅｔｏｐｏｇｒａｐｈｙａｎｄｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｅｄｉｍｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎＸｉｔａｉｙａｎｇｓｈａａｎｄＬａｎｓｈａｙａｎｇｓｅａａｒｅａｏｆＲｕｄｏｎｇＣｏｕｎｔｙａｒｅｖｅｒｙｃｏｍｐｌｅｘ．Ｉｎａｌｌｕｓｉｏｎｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｄｅｅｐｗａｔｅｒｐｏｒｔｉｎｔｈｉｓｓｅａａｒｅａ，ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎｄｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｓｔｕｄｉｅｓｏｎｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｅｄｉｍｅｎｔｐｒｏｂｌｅｍｓｗｅｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｔｏｂｅｓｏｌｖｅｄ，ｔｈｅｍａｉｎｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋｓｔｏｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓａｎｄｒｅｓｅａｒｃｈｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ，ａｎｄｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｄｅｅｐｗａｔｅｒｐｏｒｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｗｉｔｈｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓ．Key words ：ｒａｄｉａｌｓａｎｄｂａｎｋｓ；Ｘｉｔａｉｙａｎｇｓｈａ；Ｌａｎｓｈａｙａｎｇ；ｗａｖｅ；ｔｉｄａｌｃｕｒｒｅｎｔ；ｓｅｄｉｍｅｎｔ收稿日期：２０１０－０９－０６作者简介：李孟国（１９６４—），男，天津市人，博士，研究员，港口航道工程专业。
中国港湾建设China Harbour Engineering２０１１年２月第１期总第１７２期Ｆｅｂ．，２０１１Ｔｏｔａｌ１７２，Ｎｏ．１图1辐射沙洲全貌图1概述江苏省的射阳河口至长江口北岸近岸浅水区的地貌形态为以弶港为中心的辐射沙洲形态（图1）。
辐射沙洲是一种为世所罕见的独特的海岸地貌形态，南北延伸200km ，东西横跨90km ，共有70多条水下沙脊，各条沙脊高低不等，形态各异，沙脊之间有深槽相隔，深槽坡陡水深。
该辐射沙洲是全世界最特殊的海底沙脊群，被称为“海上迷宫”，在海岸学和海洋地质学上均有重大科学意义。
由于自然条件所限，在如此长的海岸线上至今尚没有一个5万吨级以上的深水港口[1]。
该辐射沙洲处于山东半岛南部的旋转潮波系统与自东海进入黄海的前进潮波系统相交汇的地方。
由于潮波辐聚，波能集中，使得该区潮差大、潮流强，为强潮区。
辐射沙洲海域潮汐以正规半日潮为主，潮流为半日强潮流，且大致以弶港为顶点作辐射状的辐聚、辐散运动。
辐射沙黄沙洋烂沙洋弶港中国港湾建设２０１１年第１期烂沙洋水道和黄沙洋水道具有开发成10万吨级以上深水航道的前景和潜力，与黄沙洋水道深槽相比，烂沙洋水道深槽离岸更近些，更便于开发利用。
烂沙洋水道和黄沙洋水道所在的如东海域岸滩平坦宽阔，其中滩面平均坡度为1∶2000，宽度可达7～10km 。
由于深水区离岸相对较远，港池和码头需要建设人工岛来实现，而人工岛与岸上陆地连接又涉及到建设陆岛通道（实体堤和桥梁）问题。
从图1和图2可见，烂沙洋北水道南侧的西太阳沙和小西太阳沙浅滩和烂沙洋南水道南侧的岸滩可以考虑建设人工岛，也就是说烂沙洋水道及其附近浅滩是可以建设深水航道和深水码头的地方。
烂沙洋水道开辟成深水航道和其附近浅滩建设人工岛将涉及到与水动力、泥沙和滩槽稳定等有关的若干技术问题，本文介绍了采用多种先进的研究手段对这些问题进行的较为系统和全面的研究论证，包括要解决的关键技术问题、开展的主要科研工作、技术创新[1-7]和研究结论。
2关键技术问题西太阳沙和烂沙洋海域深水港开发建设的主要问题和技术如下。
1）滩槽的稳定性问题：即水道改道、滩槽格局明显变化，等等。
2）人工岛建设问题：即人工岛的基础（底座）稳定问题。
3）潮流动力与泥沙条件：人工岛工程对周围环境（潮流场泥沙场）的影响程度，人工岛的建设对周围各水道的潮流场产生影响问题。
4）波浪条件：波浪状况的了解与设计波浪要素的确定。
5）波流共同作用下人工岛周围的冲刷问题与技术。
6）陆岛通道研究：实体堤与桥梁的合理搭配比例，实体堤的最佳轴线与合理长度的确定。
7）陆岛通道中桥梁的桥墩冲刷问题与技术。
8）烂沙洋水道的开挖：开挖后有无骤淤碍航问题。
3开展的主要科研工作针对在西太阳沙建设人工岛、在烂沙洋建设深水航道问题，本研究做了如下10个方面的工作：1）自然条件分析。
根据大量的水文泥沙实测资料，详细分析了工程海区的水动力泥沙特征。
2）滩槽的稳定性分析。
根据工程海区历次水深测图，对工程海区大范围海域的滩槽冲淤演变特征进行了分析，对黄沙洋水道、小洋港水道、烂沙洋北水道、中水道、南水道的稳定性进行分析，西太阳沙的稳定性分析、烂沙洋南水道南侧浅滩的稳定性进行了详细分析，通过波浪作用下西太阳沙断面水槽试验研究，对西太阳沙浅滩在波浪作洲海域的强潮汐、潮流，尤其是辐聚、辐散的强潮流构成了辐射沙洲形成和发育的有利的水动力环境，辐射沙洲在强潮流的持久作用下处于稳定状态。
在辐射沙洲中，处于如东海域的烂沙洋水道和黄沙洋水道是两个主要的潮汐通道深槽，两条水道槽宽水深，呈垂直于岸线状，是可能开发建设深水港的理想地方（图2）。
大量研究表明黄沙洋—烂沙洋是沿古河谷发育、晚更新世以来位置基本未发生变化的深水道，巨大的纳潮量使之近百年来沉积速率小，适于建深水航道。
烂沙洋被火星沙、大洪埂子、太阳沙分成了烂沙洋南水道、烂沙洋中水道、烂沙洋北水道；黄沙洋水道被河豚沙分成了黄沙洋南水道和黄沙洋北水道。
在烂沙洋南水道的西端、烂沙洋北水道南侧为西太阳沙和小西太阳沙浅滩。
图2辐射沙洲中烂沙洋和黄沙洋海区示意图2··２０１１年第１期用下的冲刷特点进行了研究和分析。
3）悬沙运动的遥感分析、西太阳沙浅滩和近岸浅滩演变遥感分析。
4）泥沙水力特性试验。
对现场泥沙进行了水槽试验，包括波、流作用下泥沙起动及推移质输沙、悬沙分布试验、泥沙静水沉速试验、泥沙静水沉积密实试验等。
5）人工岛及配套码头方案的潮流泥沙数值模拟研究。
分析了工程对周围海区潮流泥沙场的影响，及各水道潮量的影响，模拟了烂沙洋北水道人工开挖后的潮流场的变化。
6）波浪场数学模型研究。
使用SWAN模型对本海区的风浪进行了模拟和分析，复演了“麦莎”台风过程；使用抛物型缓坡方程进行了大范围平均波浪和重现期波浪场计算；使用Boussinesq方程进行了人工岛及配套码头工程的多向不规则波计算，分析了人工岛周围的波浪场特征，为人工岛及其配套码头设计提供了设计波要素。
7）人工岛周边波流冲刷物理模型试验。
为工程设计提供了不同方向大浪作用下人工岛周围的冲刷坑形态和冲刷坑深度。
8）烂沙洋北水道开挖的可行性分析。
由于烂沙洋深槽局部段天然水深还不能完全满足30万吨级油轮正常进出的要求，需要人工疏浚。
烂沙洋深槽能否进行人工疏浚，疏浚后能否维护得住是需要研究的。
本部分内容对烂沙洋深槽局部段挖深后的泥沙回淤量进行计算与分析，对骤淤的可能性进行分析。
9）陆岛通道研究。
西太阳沙人工岛建成后，岛与陆地有一定的距离，需要建设陆岛通道工程。
通过潮流泥沙数学模型研究，论证了实体堤的最佳轴线与合理长度。
10）陆岛通道中桥梁的桥墩冲刷试验研究。
通过水槽试验，研究了波浪、潮流在不同组合情况下的桥墩冲刷问题。
研究内容包括①在正常波流组合及50年一遇波浪作用下深水区、浅水区各1个桥墩断面的冲刷深度与范围；②应用两个断面试验结果分析各桥墩的冲刷深度；③桥墩的防冲措施。
这些研究为工程设计提供了科学依据。
4技术创新1）开发了使用卫星遥感卫片定量分析水中浅滩面积变化实用技术。
可以用卫星遥感卫片分析近岸浅滩的长年演变过程，提出了沙洲或浅滩具有“维护其稳定的恢复周期”的概念[2]。
该项技术可通过多时像的遥感资料判读不同潮位下沙洲或岸滩的出露面积，并结合实测水深地形建立沙洲及岸滩出露面积与潮位的相关关系，由此可定量分析同一潮位下各时期沙洲及浅滩的面积变化，以研究其长时期的演变规律以及台风前后的变化情况。
另外，通过相关软件的处理将各时期卫片的岸滩边界复演至同一基面，以研究其边界形态的变化情况。
应用该技术成功地研究分析了西太阳沙及近岸浅滩的长年演变过程，特别是台风前后的演变。
提出了沙洲或浅滩具有“维护其稳定的恢复周期”的概念，并得出了西太阳沙的恢复周期以及制约其演变的主要动力因素等结论。
为人工岛工程的稳定性分析提供了重要证据。
2）深入开发了使用系列模型试验法进行建筑物波流冲刷试验技术[3-4]，使该技术工程应用实用化。
系列模型试验是利用几何及水流运动相似而泥沙运动不相似的模型取得试验结果的一种有效方法，利用此方法，模型沙的重率可以较大，粒径可以较粗，可以使用原型沙，而模型不必做得很大。
模型和原型沙运动不相似而带来的试验结果的偏差可通过一系列由小到大的模型试验结果外延加以消除。
模型的实际应用表明，采用原型沙进行试验是适宜的，系列模型试验只要做两个比尺差距较大的模型就能通过外延得到所需要的试验结果，并能保证一定的精度。
通过试验研究了西太阳沙自身的波浪冲刷问题、人工岛周围的冲刷问题和陆岛通道桥墩冲刷问题。
本研究使系列模型试验技术进一步发展，达到实用化。
3）使用SWAN模型模拟了工程海区的风浪，复演了影响本海区的“麦莎”台风过程，得出了工程海区年均波浪不大，“麦莎”台风产生的浪接近于重现期为10a的强度的结论。
4）使用缓坡方程对辐射沙洲海区的波浪场进行了模拟研究，得出了工程海域辐射沙洲对波浪的传播变化影响很大，工程浅滩区域地形对外海来浪的衰减作用明显的重要结论。
