唐筱寧,王綠卿

(海軍工程設(shè)計(jì)研究院,山東青島 266100)

在港口工程建設(shè)中,泥沙淤積一直是被受關(guān)注的問(wèn)題。為防止港外泥沙對(duì)港區(qū)及航道產(chǎn)生淤積,使其喪失原有的使用功能,常常采用擋沙堤對(duì)泥沙進(jìn)行攔截,通過(guò)擋沙堤的導(dǎo)流作用,使泥沙的運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生改變,從而減弱功能工程區(qū)的泥沙淤積問(wèn)題,保證其正常的靠泊需求,降低港口的維護(hù)成本。由此可以看出,擋沙堤往往具有擋沙、導(dǎo)流雙重功能,在有些工程中,擋沙堤還具有防波堤的作用[3]。特別是,隨著我國(guó)港口建設(shè)的不斷加強(qiáng),海岸線上的適合港口建設(shè)的良址也日趨匱乏,但因經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,往往會(huì)在一些條件相對(duì)惡劣的海區(qū)建設(shè)港口,這對(duì)進(jìn)一步研究如何避免港區(qū)及航道淤積提出了更高的要求。

在海洋工程中,外部動(dòng)力環(huán)境復(fù)雜多變,不確定影響因素多,如波浪、潮流等等,特別是目前的泥沙運(yùn)動(dòng)理論主要是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,不能完全適合各種環(huán)境要求,而通過(guò)理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)判別,也無(wú)法全面、正確地識(shí)別海洋環(huán)境中的泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。因此,在設(shè)計(jì)擋沙堤時(shí),若完全根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或工程經(jīng)驗(yàn)判別,擋沙堤有時(shí)會(huì)無(wú)法滿足最初的防淤設(shè)計(jì)要求,需要對(duì)擋沙堤進(jìn)行二次改造施工,浪費(fèi)大量的人力、物力,甚至?xí)构δ軈^(qū)使用功能喪失,損失巨大[1,2]。

為預(yù)防在功能區(qū)內(nèi)產(chǎn)生淤積,通常采用潮流、泥沙物理模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬研究,在物理模型試驗(yàn)中可以模擬多種動(dòng)力因素的綜合作用,全面考慮各種因素的相互影響,較準(zhǔn)確地模擬出泥沙運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

目前,潮流泥沙物理模型試驗(yàn)往往用于研究一定范圍區(qū)域的泥沙沖淤問(wèn)題,很少有針對(duì)單一建筑物設(shè)計(jì)進(jìn)行的潮流泥沙試驗(yàn),相應(yīng)的試驗(yàn)方法也相對(duì)匱乏,本文通過(guò)試驗(yàn)實(shí)例,介紹了利用物理模型試驗(yàn)指導(dǎo)防沙堤平面及高程設(shè)計(jì)的方法。

1 膠州灣擋沙堤物理模型試驗(yàn)

1.1 問(wèn)題的提出

根據(jù)青島市規(guī)劃,將在膠州灣灣頂紅島北側(cè)建立青島市高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū),為滿足高新區(qū)市政基礎(chǔ)建設(shè)需要,將從女故口大橋以北的海域內(nèi)吹填淤泥取土,挖泥區(qū)域?yàn)閳D1中粗實(shí)線所包范圍。為保護(hù)市政建筑物,將在高新區(qū)沿膠州灣一線建防潮壩,并在羊毛溝河入?？谔幗ㄋl,按照設(shè)計(jì)要求,水閘開(kāi)啟頻率較少,防止水閘無(wú)法正常開(kāi)啟,需要采取工程措施避免閘前泥沙淤積[3]。為全面考慮地形、岸線、潮流等因素的綜合作用,最終確定采用潮流、泥沙物理模型試驗(yàn)確定防淤工程措施[4]。

該工程雖然與典型的港口工程有一定的差異,但就問(wèn)題的解決方式而言,與港口防淤有共同之處,兩者的根本目的都是避免泥沙在功能區(qū)的淤積,維護(hù)功能設(shè)施的正常使用。

圖1 工程示意圖Fig.1 The engineering sketch

1.2 工程區(qū)泥沙簡(jiǎn)介

該工程區(qū)位于膠州灣北部,潮流動(dòng)力較弱,羊毛溝河和墨水河在此進(jìn)入膠州灣,該區(qū)域的泥沙來(lái)源主要包括徑流來(lái)沙和海向來(lái)沙。

由于河道及其流域的綠化改造,徑流來(lái)沙較少。首先,墨水河是該區(qū)域的主要徑流來(lái)沙來(lái)源,1979年以前,該河每年的輸沙量達(dá)到4.76萬(wàn)t(1972—1979年),在此之后,年輸沙量急劇下降,為0.587萬(wàn)t;其次,白沙河也有一定的輸沙量,根據(jù)1960—1979年的統(tǒng)計(jì)資料,該河的年輸沙量為0.51萬(wàn)t,而在1980—1989年間,年輸沙量減至0.126萬(wàn)t;此外,羊毛溝河也會(huì)給該海域帶來(lái)一定的泥沙,但是未收集到相關(guān)數(shù)據(jù),在此不再詳細(xì)介紹。與墨水河相比,羊毛溝河流量較小,而且兩河所處的地理環(huán)境非常相似,由此推論,該河產(chǎn)生泥沙輸移量應(yīng)當(dāng)小于墨水河[5]。綜上,挖泥區(qū)海域的徑流來(lái)沙總量不大,保守估計(jì)年平均輸沙量在1萬(wàn)t以下。在徑流來(lái)沙量大幅減小的情況下,該海域的泥沙運(yùn)動(dòng)主要是灘面泥沙起動(dòng)再分配,挖泥區(qū)所在海域的泥沙來(lái)源主要以女姑口大橋以南淺灘泥沙在潮流作用下進(jìn)行的再懸浮和再搬運(yùn)的泥沙為主。

為充分了解工程區(qū)及附近海域的底質(zhì)分布情況,共采樣底質(zhì)樣品60個(gè),分布范圍包括女姑口大橋橋體附近及以南至東大洋附近海域,樣品中值粒徑為0.007～0.049 mm,分布見(jiàn)圖2,從圖上看該區(qū)域底質(zhì)中值粒徑接近0.03 mm,接近粉砂質(zhì)海灘的分類界限,但由于底質(zhì)中淤泥含量較高,在30%～40%之間,可以認(rèn)定該海域的海灘類型為淤泥質(zhì)海灘。

通過(guò)上述對(duì)工程區(qū)及附近海域泥沙來(lái)源及底質(zhì)泥沙的分析,結(jié)合該工程區(qū)的水動(dòng)力環(huán)境特點(diǎn),確定該海域的泥沙來(lái)源主要以海向來(lái)沙為主,輸沙方式為渾水懸沙落淤,在物理模型試驗(yàn)中采用定床渾水懸沙回淤的方法對(duì)羊毛溝閘前水域的防淤進(jìn)行研究[6]。

圖2 女姑口大橋以南至東大洋附近海域底質(zhì)中值粒徑分布(mm)Fig.2 Distribution ofmedium grain-size in the bottom sediment between Bridge Nǜgukou and Dongdayang(mm)

1.3 擋沙堤方案的確定

在潮流、泥沙物理模型試驗(yàn)[7,8]①海軍工程設(shè)計(jì)研究院綜合試驗(yàn)研究中心.青島高新區(qū)防潮壩工程挖泥區(qū)潮流泥沙物理模型試驗(yàn)報(bào)告.2009.中,首先對(duì)模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證內(nèi)容主要包括潮流驗(yàn)證和泥沙落淤驗(yàn)證兩部分,以保證模型能夠正確、合理地反映出工程所在海域的潮流、泥沙運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。本文不再贅述驗(yàn)證方面的結(jié)論,將著重論述如何通過(guò)物理模型試驗(yàn)制定相應(yīng)的防淤措施。

通過(guò)模型的驗(yàn)證后,對(duì)工程區(qū)進(jìn)行了開(kāi)挖(圖3),開(kāi)挖區(qū)范圍即為圖1中的吹填取土范圍,開(kāi)挖區(qū)底高程為-3.7m(理論深度基準(zhǔn)面),工程區(qū)開(kāi)挖后在女姑口大橋以北形成了一個(gè)面積約170萬(wàn)m2的蓄水坑,圖4為沒(méi)有采取防淤措施時(shí)開(kāi)挖區(qū)的漲、落時(shí)刻的流專場(chǎng)圖,從圖中可以非常直觀地看出,漲急時(shí)刻漲潮流(流向?yàn)镾-N)的前進(jìn)路徑主要分為兩部分,從路徑軌跡分析,進(jìn)入到羊毛溝河水閘前水域的潮流主要以西側(cè)潮流為主,東側(cè)漲潮流在向西折向后形成了回流,并未進(jìn)入到羊毛溝閘前水域;而在落急(N-S)時(shí)刻,墨水河下泄水流有部分水流進(jìn)入到了羊毛溝閘前水域,鑒于該海域的輸沙方式主要以懸沙為主,水流的前進(jìn)方向決定了懸沙的輸移方向,因此,為避免在羊毛溝閘前造成淤積,可以加建擋沙堤,通過(guò)擋沙堤的阻擋作用,迫使潮流改變前進(jìn)路徑,進(jìn)而使泥沙輸移方向發(fā)生改變。

圖 3 試驗(yàn)中工程區(qū)開(kāi)挖前(a)后(b)對(duì)比Fig.3 Comparison between the photoes taken in theexperiments respectively(a)before the d redging engineering starts,(b)after the dredging engineering has been comp leted

根據(jù)潮流的前進(jìn)方向確定擋沙堤的平面位置,其基本原則就是阻斷挾沙潮流的路徑,圖5是根據(jù)漲落潮流及落潮流的路徑確定的擋沙堤平面布置圖,其中單堤方案主要以阻斷漲潮流輸沙路徑為主,雙堤方案能夠同時(shí)阻斷漲、落潮流的輸沙路徑。

擋沙堤的高程可以根據(jù)不同潮位時(shí)的流速確定,例如,當(dāng)在某一潮位時(shí),若沒(méi)有明顯的挾沙流進(jìn)入到閘前水域,則可不阻斷該潮位下的潮流路徑,利用該方法可以比較直觀地確定出擋沙堤的合理高程,既可以起到擋沙導(dǎo)流的作用,又能降低擋沙堤的建造成本。為此,需要實(shí)時(shí)追蹤工程區(qū)的潮流場(chǎng)分布。在本研究中,通過(guò)實(shí)時(shí)追蹤潮位、流速,最終確定采用頂高程為+2.0 m(理論深度基準(zhǔn)面)的潛堤作為擋沙堤,該高程滿足阻斷主要漲潮輸沙路徑的要求,從試驗(yàn)現(xiàn)象看,雖然在水位高于潛堤高程后,仍有部分潮流進(jìn)入到閘前水域,但此時(shí)的流速較低,輸沙量較少。

圖4 無(wú)防淤措施時(shí)開(kāi)挖坑內(nèi)的模擬流場(chǎng)圖Fig.4 Modelexperiment showing the tidal current field in the dredging area without any measures against sand-deposition

圖5 擋沙堤平面布置圖Fig.5 Plane layouts o f the sand-barrier design

2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)中,分別對(duì)兩種擋沙堤平面布置方案進(jìn)行了潮流及懸沙落淤試驗(yàn),從流場(chǎng)圖(圖6,圖7)可以直觀地發(fā)現(xiàn),雙潛堤方案閘前水域的水動(dòng)力在漲、落急時(shí)刻均略強(qiáng)于單堤方案,這是因?yàn)樵陔p潛堤方案中由兩潛堤形成的口門對(duì)于進(jìn)入閘前水域的水流具有一定的束流作用,使得兩潛堤口門處的流速有所增大,從而帶動(dòng)整個(gè)閘前水域的流速有所增加,當(dāng)流速增大后,落淤量會(huì)有一定的減少,從試驗(yàn)結(jié)果中也得出了相同的結(jié)論[4,9]。

圖6 建擋沙堤后漲急時(shí)刻模擬流場(chǎng)圖Fig.6 Tidal current fields at flood strength in themodels after the sand-barrier has been comp leted

圖7 建擋沙堤后落急時(shí)刻模擬流場(chǎng)圖Fig.7 Tidal current fields at ebb strength in themodels after the sand-barrier has been comp leted

通過(guò)不同方案時(shí)的懸沙落淤量等值線分布圖(圖8)可以看出,在未建擋沙堤之前,閘前水域的淤積量達(dá)到了0.12m/a,挖泥區(qū)的淤積分布比較均勻,形成了兩個(gè)較為明顯的淤積中心;在單堤方案時(shí),閘前淤積量明顯減弱,從等值線分布看,閘前水域在單堤方案時(shí)淤積量小于0.10 m/a,基本在0.05 m/a左右,挖泥區(qū)內(nèi)只有一個(gè)較為明顯的淤積中心,位于單堤堤頭東側(cè);而在雙潛堤方案中,口門以內(nèi)水域的淤積量小于0.10 m/a,閘前水域淤積量較單堤方案有所減少,淤積中心與單堤方案類似。

圖8 懸沙落淤模擬結(jié)果對(duì)比(m?a-1)Fig.8 Com parison among the resu lts respectively from models after suspended-sand has been deposited comp letly(m?a-1)

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)比不同方案的懸沙落淤試驗(yàn)結(jié)果可以看出,依據(jù)潮流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)路徑及潮位流速關(guān)系所確定的擋沙堤方案防淤效果比較明顯,閘前水域的淤積量明顯減少,淤積中心也從兩個(gè)減至一個(gè)。這主要是因?yàn)橥ㄟ^(guò)潛堤的擋流輸沙作用,使得挖泥區(qū)內(nèi)淤積分布更加集中,有利于疏浚挖泥。

對(duì)于港口工程的防淤、治淤,可以借鑒該工程的研究方法,通過(guò)潮流物理模型試驗(yàn)識(shí)別功能區(qū)潮流的輸沙路徑及主要的輸沙瞬時(shí)潮位,以此為設(shè)計(jì)依據(jù)確定防沙堤的平面位置及高程高度,加建導(dǎo)流擋沙堤,阻斷或改變其輸沙路徑。改變潮流的輸移路徑,不僅可以使功能區(qū)淤積量減弱,還可以使泥沙淤積更加集中,為將來(lái)的清淤疏浚創(chuàng)造條件,降低疏浚成本。

[1] 宓寶勇.汕頭港外導(dǎo)流堤攔沙堤BC段加高設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介[J].水運(yùn)工程,2002,2：19-21.

[2] 張偉豪.攔沙堤施工高程確定方法[J].水運(yùn)工程,2002,2：79-82.

[3] 吳今權(quán).防沙導(dǎo)流堤平面設(shè)計(jì)的研究[J].中國(guó)港灣建設(shè),2001,1：13-17.

[4] 于泳,孫波,孫林云.唐山港京唐港區(qū)擋沙堤三期方案對(duì)比研究[C]∥中國(guó)海洋工程學(xué)會(huì).第十三屆中國(guó)海洋(岸)工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京：海洋出版社,2007：388-341.

[5] 王文海.中國(guó)海灣志(第四分冊(cè))[M].北京：海洋出版社,1993：206-227.

[6] 黃炳彪,王理許,張春義,等.白河堡水庫(kù)泥沙淤積及治理的試驗(yàn)研究[J].泥沙研究,2002,6：74-80.

[7] 葉小敏,紀(jì)育強(qiáng),劉自力,等.膠州灣物理模型地圖制作方法[J].海岸工程,2008,27(4)：77-82.

[8] JTJ/T233-98海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,1998.

[9] 時(shí)鐘,李世森,李艷紅.近海與河口粘性泥沙輸移過(guò)程(第六屆 INTERCOH 200綜述)[J].泥沙研究 ,2002,3：74-80.