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        東營市濱海防潮堤潮流泥沙模型試驗研究

        2020-04-02 09:26:12張正華
        山東水利 2020年1期
        關(guān)鍵詞:廣利落潮拐角處

        張正華

        (東營市水務(wù)局,山東 東營257091)

        隨著東營市沿海經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展不斷加快,搞好濱海生態(tài)防潮堤建設(shè),對于增強(qiáng)自然災(zāi)害防御能力,提升濱海城市形象,增強(qiáng)城市綜合競爭力具有重要意義。本文主要采用潮流、泥沙數(shù)值模擬方法,對濱海生態(tài)城防潮堤水動力泥沙條件進(jìn)行研究,通過收集分析有關(guān)歷史、實測資料,掌握本工程附近水域水動力和泥沙特征,并使用二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型對工程實施前后潮流場、泥沙場變化進(jìn)行了分析研究,研究結(jié)果可為設(shè)計提供依據(jù)和支持。擬建的東營市濱海生態(tài)城防潮堤位于東營市中心城以東,北起永豐河口,南到小清河與廣饒防潮堤南端相接,主海堤長度30.8 km,壩體圍墾海域面積約140 km2。

        1 二維潮流泥沙數(shù)學(xué)模型

        1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

        1)基本方程:

        連續(xù)性方程:

        動量方程:

        懸移質(zhì)不平衡輸沙方程:

        河床變形方程:

        式中:t 為時間;u 和v 為沿x、y 方向上的流速分量;h 為總水深;f 為科氏力系數(shù);g 為重力加速度;k 為海底摩擦系數(shù);Ax和Ay為沿x、y 方向的水平渦動黏性系數(shù);S 為沿深度平均的含沙量;S*為波流共同作用下的挾沙力;a 為沉降幾率或恢復(fù)飽和系數(shù);ω 為泥沙沉速;η 為底高程;γ0為泥沙容重。

        2)模型設(shè)置及網(wǎng)格劃分。本工程處于萊州灣西側(cè),潮流運(yùn)動較為復(fù)雜,模型采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行剖分和計算。為精確模擬本工程海域潮流運(yùn)動,建立了包含整個渤海灣、遼東灣和萊州灣大尺度整體數(shù)學(xué)模型,該模型開界位于大連老虎灘至煙臺連線上,相鄰網(wǎng)格節(jié)點最大間距為10 000 m,在工程附近水域進(jìn)行局部加密,最小間距為10 m,計算時間步長0.5 s。潮流數(shù)學(xué)模型開邊界由中國海潮汐模型提供,波浪模型和泥沙模型開邊界由天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所根據(jù)實測資料經(jīng)調(diào)試給出。

        1.2 模型驗證

        為驗證模型的合理性,在工程海域順擬建工程方向布置3 個全潮測站。采用2011 年6 月大、小潮水文全潮資料,廣利河口附近海域2008 年10 月15 日~16 日、2008 年10 月18 日~19 日和2008 年10 月24 日~25 日大、中、小潮的全潮歷史水文數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。

        本海域無實測波浪、海床底質(zhì)資料,SWAN風(fēng)浪模型采用臨近的黃驊港、濰坊港等海域?qū)崪y資料驗證,模型計算時采用與黃驊港、濰坊港海域風(fēng)浪計算時相同的參數(shù)。

        本文根據(jù)全潮水文現(xiàn)場觀測資料對泥沙運(yùn)動模型進(jìn)行了驗證計算,采用大潮2011 年6 月20 日12 時、2008 年10 月15 日11 時,中潮2008年10 月18 日11 時,小潮2011 年6 月28 日12時、2008 年10 月24 日11 時實測含沙量與模型計算結(jié)果進(jìn)行比較驗證。

        經(jīng)驗證,數(shù)模計算結(jié)果與實測結(jié)果有較好的一致性。所建模型較好地反映了潮流作用下工程附近海域的潮流、泥沙運(yùn)動規(guī)律,滿足交通運(yùn)輸部《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》規(guī)范要求,并可進(jìn)一步為風(fēng)浪和泥沙運(yùn)動模擬提供必要的水流動力條件。

        2 工程建設(shè)前后流場情況

        2.1 年常規(guī)動力作用

        工程實施前:1)海域等深線和岸線接近平行,潮流以往復(fù)流形式運(yùn)動。水流主體漲急時刻為向岸運(yùn)動,落急時刻為離岸運(yùn)動;水流主體漲、落急流速等值線分布基本與岸線平行,且由岸向海流速逐漸增大。2)漲潮流速最大為0.69 m/s,平均流速最大為0.33 m/s,均出現(xiàn)在大堤東南拐角附近;落潮最大流速0.55 m/s,平均流速最大為0.30 m/s,均出現(xiàn)在大堤東南拐角附近。3)從漲、落潮流速來看,漲潮流速略大于落潮流速;從流速分布來看,大堤沿線流速分布基本均勻。

        工程實施后:1)工程區(qū)海域流速整體上呈減小趨勢,局部區(qū)域流速略有增加,流速增大區(qū)域主要集中在廣利河口附近及大堤東南、東北拐角處。從流向上看,工程區(qū)以外流向變化較小,隨著逐漸靠近工程區(qū),水流流向開始逐漸偏轉(zhuǎn),到堤前時水流流向由近乎東西向往復(fù)流變成沿堤的往復(fù)流。2)漲潮流速最大為0.98 m/s 左右,漲潮平均流速最大為0.48 m/s;落潮最大流速0.74 m/s,落潮平均流速最大為0.43 m/s。漲、落潮最大流速及最大平均流速均出現(xiàn)在大堤東南拐角附近。3)由于堤頭繞流的存在,堤東南、東北兩側(cè)拐角處測點,流速略有增大;其余測點流速均有所減小,特別是東側(cè)迎海面,流速最大減小0.33 m/s,落潮最大減小0.29 m/s。4)大堤東北拐角處,漲潮時流速最大增大0.06 m/s,落潮流速最大增大0.02 m/s;大堤東南拐角處,漲潮時流速最大增大0.29 m/s,落潮流速最大增大0.19 m/s。由于防潮大堤東南、東北拐角處流速增加,需注意拐角處堤腳的沖刷。

        對比漲、落潮流速來看,工程實施前后,流場變化主要在工程區(qū)附近,海域區(qū)域外潮流運(yùn)動基本不變。工程區(qū)域漲、落潮流速整體上基本相當(dāng);從流速分布來看,堤東南、東北兩側(cè)拐角處流速較大,其余部位流速較小。

        2.2 風(fēng)暴潮作用

        選擇了給當(dāng)?shù)貛韲?yán)重影響的9711 號臺風(fēng)作為大風(fēng)動力條件,分析一次較大的風(fēng)浪過程后防潮堤附近的變化。本次風(fēng)暴潮發(fā)生時:1)工程區(qū)域風(fēng)向基本為90°,為向岸風(fēng)。2)大堤附近增水較大,堤前最大增水約0.96 m,由南向北整個堤前增水基本相同,該風(fēng)暴潮過程中堤前基本無減水。3)由于大風(fēng)的作用,大堤附近水流沿風(fēng)向發(fā)生偏轉(zhuǎn)(大堤附近風(fēng)向約90°,東風(fēng)),沿堤流趨勢減緩,水流變?yōu)橄虻谭较?,堤前壅水?yán)重,水深變大,堤前部分區(qū)域水流流速減小。防潮堤附近漲潮流速最大為0.74 m/s,漲潮平均流速最大為0.37 m/s,落潮平均流速最大為0.41 m/s,大流速主要集中在廣利河口附近及堤南、北兩側(cè)拐角處。

        3 工程建設(shè)前后地形變化

        利用經(jīng)過驗證的泥沙運(yùn)動數(shù)學(xué)模型代表波浪場的計算,對防潮堤工會曾實施后附近地形變化進(jìn)行了分析。

        3.1 年常規(guī)動力條件

        工程實施前:防潮堤工程海地貌基本穩(wěn)定,未來的一段時間內(nèi),在自然動力作用下防潮堤海域不會有較大的地貌變遷過程。

        工程實施后:1)防潮堤外側(cè),大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近出現(xiàn)沖刷。其中大堤東南拐角處,沖刷深度最大為0.55 m/a;大堤東北拐角處,沖刷深度最大為0.10 m/a;另外,棧橋附近大堤突起處,地形也有輕微侵蝕。2)防潮大堤外側(cè),其余區(qū)域基本呈淤積狀態(tài)。廣利河口以南攔門沙附近泥淤積厚度最大,淤積厚度約0.15 m/a,其余部位防潮大堤附近地形變化不大。

        3.2 風(fēng)暴潮作用

        9711 號臺風(fēng)作用下,防潮大堤外側(cè),大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近出現(xiàn)沖刷。其中,廣利河口附近沖刷最為嚴(yán)重,一場大風(fēng)沖刷厚度最大為0.11 m;其次為大堤東南、東北拐角處,一場大風(fēng)最大沖刷厚度分別為0.03 m、0.04 m;大堤其余區(qū)域基本呈淤積狀態(tài)。

        4 結(jié) 語

        1)濱海防潮堤工程實施后,漲、落潮流速整體上基本相當(dāng),以往復(fù)流形式運(yùn)動,流速變化不大,局部流速增加,主要在防潮大堤東南、東北拐角處,需注意拐角處堤腳的沖刷。

        2)在常規(guī)動力作用下,在防潮堤外側(cè),大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近會出現(xiàn)沖刷,其中大堤東南、東北拐角處沖刷深度最大為每年0.55 m、0.10 m,在棧橋附近大堤突起處,地形也有輕微侵蝕。其余區(qū)域基本呈淤積狀態(tài)。

        3)在風(fēng)暴潮作用下,一場如9711 號臺風(fēng)的大風(fēng)會引起嚴(yán)重沖刷,主要集中在大堤東南、東北拐角處及廣利河口附近,應(yīng)引起防潮堤規(guī)劃建設(shè)部門的高度重視。

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