張亞敬，譚忠華，周志博，徐亞男，陳漢寶

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院，港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室&工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456）

孟加拉灣整體呈喇叭口狀，開口向南，面向印度洋，潮流動(dòng)力強(qiáng)，屬于典型的強(qiáng)潮海灣，涌浪作用頻繁又是熱帶氣旋的多發(fā)海域，是世界上受風(fēng)暴潮災(zāi)害最為嚴(yán)重的地方。北部灣頂分布著豐水多沙的強(qiáng)潮河口——恒河-布拉馬普特拉河口，高含沙水體及復(fù)雜的岸灘地貌在強(qiáng)潮強(qiáng)浪條件下，將會(huì)給港口、濱海電站配套海工工程帶來(lái)巨大的泥沙淤積風(fēng)險(xiǎn)[1]，主要體現(xiàn)在泥沙淤積會(huì)對(duì)港池航道的通航水深和電站取排水口地形的過(guò)流斷面帶來(lái)不利影響。

電廠工程取排水口泥沙淤積研究很多，郭慶超、謝靈運(yùn)等[2-3]采用潮流泥沙數(shù)學(xué)模型對(duì)港池泥沙淤積問(wèn)題進(jìn)行研究，張旭金、黃衛(wèi)東等[4-5]采用潮流泥沙物理模型對(duì)取排水口泥沙問(wèn)題進(jìn)行分析。但是類似孟加拉東海岸這樣惡劣的建港條件并不多見，前人研究的成果不能直接套用。針對(duì)孟加拉灣強(qiáng)浪強(qiáng)潮高含沙量的水動(dòng)力條件，本文分別采用泥沙數(shù)學(xué)模型和波浪潮流泥沙物理模型對(duì)某燃煤電站泥沙淤積問(wèn)題進(jìn)行研究。研究得到了工程設(shè)計(jì)方案各部位的淤積結(jié)果，為工程擬建碼頭及取排水平面布置、水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和今后運(yùn)營(yíng)管理提供了可靠依據(jù)，為類似工程問(wèn)題的研究提供參考和借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

1 工程簡(jiǎn)介

某燃煤電站廠址位于孟加拉灣東海岸吉大港南側(cè)，距吉大港市中心約45 km。工程位置如圖1所示。工程附近有眾多大小河流入海，北有Karnaphuli河，Sangu河，南有Matamohori河，這些河流攜帶大量泥沙入海，近岸水體常年渾濁，工程區(qū)域海域來(lái)沙是主要的泥沙來(lái)源，懸沙中值粒徑在6.32～8.79μm之間。擬建工程海岸由近岸向深水區(qū)域呈灘-槽-脊相間的水下地形特征，近岸北側(cè)區(qū)域?yàn)榉凵胺植紖^(qū)，中值粒徑在0.011～0.099 mm之間；離岸深槽外側(cè)粗細(xì)砂相間中值粒徑在0.181～0.399 mm之間。強(qiáng)浪強(qiáng)潮高含沙量的水動(dòng)力特點(diǎn)較為明顯。

圖1 工程地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of the project

港池布置為垂直于岸的環(huán)抱型，南防波堤長(zhǎng)為2 535 m，北防波堤長(zhǎng)為2 190 m，航道及港池挖深至-6.4 m。碼頭長(zhǎng)度共199 m，采用高樁結(jié)構(gòu)，由473 m棧橋與岸相連。采用港內(nèi)取水，取水明渠與港池相連，明渠底高程為-4.68 m，總長(zhǎng)430 m，底寬65 m，排水為管涵離岸排水，布置在北防波堤北側(cè)，取排水流量為59.1 m3/s[6-7]。工程平面布置見圖2。

2 泥沙數(shù)學(xué)模型計(jì)算分析

2.1 泥沙起動(dòng)流速計(jì)算

圖2 港池平面布置圖Fig.2 Plane layout of the harbor basin

根據(jù)底質(zhì)取樣分析結(jié)果，中值粒徑在0.011～0.399 mm之間，粗顆粒啟動(dòng)流速采用沙莫夫公式計(jì)算[8]，細(xì)顆粒起動(dòng)流速采用竇國(guó)仁[9]泥沙起動(dòng)流速公式計(jì)算。港池、防波堤及取水工程位于-5 m等深線以內(nèi)，粗顆粒泥沙的起動(dòng)流速可超過(guò)0.43 m/s，細(xì)顆粒泥沙的起動(dòng)流速在0.60～1.95 m/s的范圍內(nèi)，結(jié)合水文實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，大潮期海域最大流速大于此數(shù)值，海床泥沙較易在單純潮流作用下發(fā)生起動(dòng)和輸移。

2.2 泥沙起動(dòng)水深計(jì)算

海底泥沙在波浪作用下的起動(dòng)水深與波浪的波高、周期以及泥沙粒徑的大小有關(guān)。為進(jìn)一步分析波浪作用下泥沙的起動(dòng)程度，使用佐藤-田中計(jì)算式[10]對(duì)泥沙起動(dòng)波高進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算結(jié)果表明，波高為1.0 m的波浪分別能使5.0 m（常年代表波浪平均周期T=8.2 s）和6.0 m（重現(xiàn)期50 a波浪平均周期T=13.8 s）水深以淺的泥沙中值粒徑在0.02 mm內(nèi)細(xì)顆粒泥沙海床泥沙產(chǎn)生全面推移。

2.3 模型建立及驗(yàn)證

圖3 模型計(jì)算地形圖Fig.3 Model computational topographic map

圖4 工程局部網(wǎng)格圖Fig.4 Mesh grid for local area of project

潮流泥沙數(shù)值模擬采用大小模型嵌套的方法進(jìn)行計(jì)算，如圖3、圖4所示，大模型計(jì)算域東西方向長(zhǎng)約2 660 km，南北方向長(zhǎng)約2 240 km。小模型計(jì)算域東西方向長(zhǎng)約280 km，南北方向長(zhǎng)約170 km，開邊界約為1 km，工程區(qū)域空間步長(zhǎng)約為10 m，計(jì)算節(jié)點(diǎn)43 858個(gè)，網(wǎng)格85 707個(gè)。

針對(duì)工程所在海域的特點(diǎn)，在潮流數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，使用MIKE21軟件包中的MT泥沙模塊建立考慮波浪作用的泥沙數(shù)學(xué)模型，研究工程實(shí)施后泥沙運(yùn)動(dòng)和地形沖淤情況[11]。

潮流模型建立和驗(yàn)證的基礎(chǔ)是5個(gè)實(shí)測(cè)點(diǎn)大潮及小潮的實(shí)測(cè)水深及垂向平均流速流向資料以及含沙量。大潮和小潮期潮位對(duì)比曲線見圖5，潮位實(shí)測(cè)值與計(jì)算值吻合較好[6-7]。

圖5 大潮期測(cè)站潮位對(duì)比曲線Fig.5 Comparison curveof tidal elevation of stationsduring spring tide

為考慮全年平均淤積情況，采用基于經(jīng)實(shí)測(cè)全潮過(guò)程驗(yàn)證的潮流、泥沙場(chǎng)，工程外海區(qū)域SSE～W向年均代表波浪H1/3=0.93 m，平均周期為8.2 s，合成波向?yàn)槠玈SW，模型運(yùn)算全年后統(tǒng)計(jì)沖淤結(jié)果。不同區(qū)域年沖淤?gòu)?qiáng)度統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，取排水設(shè)計(jì)方案的年沖淤?gòu)?qiáng)度分布見圖6。

表1 不同區(qū)域年沖淤?gòu)?qiáng)度統(tǒng)計(jì)表Table1 Statistical table of annual erosion and siltation in different regions

圖6 工程后年沖淤?gòu)?qiáng)度分布圖Fig.6 Thedistribution of annual erosion and siltation map

取水明渠沿程及取水口附近的淤?gòu)?qiáng)在0.48～2.98 m/a之間變化，平均淤積強(qiáng)度為2.54 m/a，年均淤積量約7.36萬(wàn)m3/a。港池水域的淤?gòu)?qiáng)在1.78～5.82 m/a之間變化，平均淤積強(qiáng)度為3.96 m/a，年均淤積量約57.04萬(wàn)m3/a。泊位水域的淤?gòu)?qiáng)在1.98～4.41 m/a之間變化，平均淤積強(qiáng)度為3.02 m/a，年均淤積量約4.89萬(wàn)m3/a。航道水域的淤?gòu)?qiáng)在1.04～5.33 m/a之間變化，平均淤積強(qiáng)度為3.63 m/a，年均淤積量約60.80萬(wàn)m3/a。工程建設(shè)后總水域的淤?gòu)?qiáng)在0.48～5.82 m/a之間變化，平均淤積強(qiáng)度為3.68 m/a，年均淤積量約125.31萬(wàn)m3/a。

3 潮流波浪泥沙物理模型試驗(yàn)

3.1 模型設(shè)計(jì)

根據(jù)平面布置，波浪潮流泥沙物理模型試驗(yàn)采用變態(tài)模型，模型尺寸為75 m×45 m，水平比尺200，垂直比尺80，模型試驗(yàn)的主要比尺匯總見表2。模型布置見圖7。

表2 物理模型主要比尺Table2 Main scale of physical model

圖7 模型布置圖Fig.7 Physical model layout

3.2 模型沙選擇

根據(jù)當(dāng)?shù)睾^(qū)泥沙沉降速度和泥沙沉降相似比尺關(guān)系確定。原型沙沉速按張瑞謹(jǐn)[8]的粗細(xì)顆粒通用公式計(jì)算原型懸沙和底沙的沉速分別為0.35 mm/s和2.25 mm/s。根據(jù)模型沙對(duì)比，選擇γs=1.195 g/cm3，中值粒徑d50=0.250 mm的聚氨酯模型沙模擬底沙。采用γs=1.123 g/cm3，d50=0.069 mm的聚苯乙烯模型沙模擬懸沙。

3.3 模型試驗(yàn)條件

采用已驗(yàn)證的大、小潮組合潮型作為潮流邊界條件，波浪邊界選取同數(shù)學(xué)模型。取排水流量按原型59.1 m3/s給定。采用已驗(yàn)證的潮流期間的含沙量作為本次試驗(yàn)的常年浪含沙量。

3.4 模型驗(yàn)證

在進(jìn)行模型試驗(yàn)之前需對(duì)物理模型的潮位和潮流、水體含沙量以及地形演變趨勢(shì)進(jìn)行驗(yàn)證，以保證模型模擬的工程建設(shè)后地形變化趨勢(shì)是正確的。

1）潮位驗(yàn)證采用T1站點(diǎn)的潮位過(guò)程（測(cè)站分布見圖1）。大小潮過(guò)程分別進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證試驗(yàn)潮位過(guò)程曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖8。同時(shí)進(jìn)行流速流向驗(yàn)證，模型模擬的大小潮流速流向過(guò)程與實(shí)測(cè)基本一致。

圖8 T1站大潮潮位過(guò)程驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較Fig.8 Comparison of verification results of tidal level processesat measured point T1 with measured data

2）含沙量驗(yàn)證

圖9 C1站大潮含沙量過(guò)程驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較Fig.9 Comparison of verification resultsof sediment concentration processesat measured point C1 with measured data

含沙量驗(yàn)證采用同時(shí)段已驗(yàn)證潮位的含沙量，模型模擬的大小潮含沙量過(guò)程與實(shí)測(cè)基本一致，驗(yàn)證試驗(yàn)C1大潮含沙量過(guò)程曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比見圖9。年海圖間地形變化吻合較好，見圖10。從試驗(yàn)結(jié)果看，模型運(yùn)行4 d后，模型中的地形沖淤情況與實(shí)測(cè)值吻合良好，滿足規(guī)范要求[12]，模型能夠用來(lái)模擬工程建設(shè)后的泥沙沖淤情況。本次模型的沖淤時(shí)間比尺最后調(diào)整為1∶547.5，即模型運(yùn)行16 h相當(dāng)于原體1 a。

圖10 典型斷面地形驗(yàn)證結(jié)果Fig.10 Verification resultsof typical section terrain

3）地形驗(yàn)證

地形驗(yàn)證試驗(yàn)采用大小潮循環(huán)的組合潮型，含沙量過(guò)程采用對(duì)應(yīng)的已驗(yàn)證的大小潮含沙量過(guò)程。試驗(yàn)波浪條件同數(shù)學(xué)模型。在連續(xù)試驗(yàn)4 d后，模型中斷面地形變化與2017年實(shí)測(cè)和2011

3.5 物理模型試驗(yàn)結(jié)果分析

在代表潮型、常年浪、含沙量及設(shè)計(jì)取排水量條件下模擬運(yùn)行1 a時(shí)間，港內(nèi)各區(qū)沖淤?gòu)?qiáng)度及淤積量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。1 a后港內(nèi)沖淤分布見圖11。

表3 港內(nèi)各區(qū)年淤積強(qiáng)度及淤積量統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table3 Statistical table of annual siltation intensity and amount in different regions

圖11 年沖淤分布圖Fig.11 Thedistribution of anunnal erosion and siltation

工程方案泥沙動(dòng)床試驗(yàn)結(jié)果表明：取水明渠內(nèi)淤積強(qiáng)度在0.72～2.25 m/a之間，平均淤積強(qiáng)度為1.97 m/a，總淤積量為5.81萬(wàn)m3/a；港池區(qū)域淤積強(qiáng)度在1.39～5.32 m/a之間，平均淤積強(qiáng)度為3.73 m/a，總淤積量為53.5萬(wàn)m3/a；泊位處淤積強(qiáng)度在2.55～5.20 m/a之間，平均淤積強(qiáng)度為3.58 m/a，總淤積量為4.55萬(wàn)m3/a；航道內(nèi)淤積強(qiáng)度在1.36～5.81 m/a之間，平均淤積強(qiáng)度為4.36 m/a，總淤積量為55.67萬(wàn)m3/a。工程區(qū)內(nèi)的年淤積強(qiáng)度在0.72～5.81 m/a之間，平均淤?gòu)?qiáng)可以達(dá)到3.35 m/a，港內(nèi)總淤積量為119.53萬(wàn)m3/a。

防波堤堤頭附近出現(xiàn)了不同程度的沖刷。其中，南堤堤頭附近沖刷范圍由南堤轉(zhuǎn)彎角向東約50 m至堤頭處，沖刷寬度約30～50 m，沖刷深度約0.5～5 m（未防護(hù)情況下），堤頭位置沖刷最嚴(yán)重；北堤斜坡堤堤頭段內(nèi)外兩側(cè)均有沖刷，其中北側(cè)沖刷范圍約30～50 m，沖刷深度0.5～2 m，南側(cè)即口門內(nèi)區(qū)域由于堤頭挑流以及波浪折射作用也出現(xiàn)了沖刷，沖刷深度均小于0.5 m。數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表4。

表4 數(shù)學(xué)模型計(jì)算結(jié)果與物理模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table4 Comparisonsresultsbetween mathematical model and physical model test

4 結(jié)語(yǔ)

1）采用泥沙數(shù)學(xué)模型及潮流波浪泥沙動(dòng)床物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ头治龉こ虒?shí)施后港池、航道及取水口的沖淤情況，模型均進(jìn)行了潮位、流速、流向、含沙量等驗(yàn)證。物理模型還進(jìn)行了沖刷和淤積地形驗(yàn)證。結(jié)果表明，無(wú)論是數(shù)學(xué)模型還是物理模型，均能反映工程建設(shè)后各部位的泥沙淤積情況。

2）電廠取水量大，口門外水體含沙量高，大量泥沙在航道、港池和取水明渠落淤?？陂T處向港內(nèi)一段范圍內(nèi)淤積最嚴(yán)重，航道和取水明渠沿程淤積逐漸減小。同時(shí)也應(yīng)注意防波堤堤頭的沖刷問(wèn)題。

3）數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗(yàn)結(jié)果表明工程區(qū)內(nèi)平均淤?gòu)?qiáng)分別為3.68 m/a、3.35 m/a，淤積強(qiáng)度較大，對(duì)工程建設(shè)提出挑戰(zhàn)，建議備淤深度按照2 m考慮，在電站運(yùn)行期間每年清淤2次，以確保電站安全運(yùn)營(yíng)。同時(shí)對(duì)港池及航道的淤積進(jìn)行監(jiān)測(cè)，關(guān)注防波堤堤頭的沖刷問(wèn)題。

4）工程海域水體含沙量高，所在海域常有風(fēng)暴潮發(fā)生，風(fēng)暴潮期間引起的港池驟淤應(yīng)引起重視。

5）研究成果可為在孟加拉灣東海岸建港提供技術(shù)參考。研究采用的技術(shù)路線和方法可為類似工程提供參考和借鑒。