黃驊港綜合港區(qū)單、雙堤延伸防沙堤方案減淤效果分析

張文杰

（滄州港務(wù)集團(tuán)有限公司，滄州061113）

黃驊港綜合港區(qū)單、雙堤延伸防沙堤方案減淤效果分析

張文杰

（滄州港務(wù)集團(tuán)有限公司，滄州061113）

在分析工程海區(qū)水沙條件基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)模型試驗的方法對黃驊港綜合港區(qū)單、雙堤延伸防沙堤方案減淤效果進(jìn)行研究，論證了單堤延伸防沙堤的合理性、可行性，單獨(dú)延伸綜合港區(qū)北防沙堤至-8 m等深線位置能夠起到較好的減淤效果，先期單堤延伸防沙堤不失為一種好的起步方式。

數(shù)學(xué)模型試驗；單堤；雙堤；減淤效果

黃驊海域為中國典型的粉砂質(zhì)海岸，泥沙活躍，航道回淤嚴(yán)重。根據(jù)神華煤碳港區(qū)的經(jīng)驗，目前綜合港區(qū)航道已達(dá)20萬噸級，且正考慮雙向航道建設(shè)的可能性。隨著航道規(guī)模的持續(xù)增大，其泥沙年回淤量及維護(hù)疏浚量也隨之增大，每年的疏浚土方都在2 000萬m3以上，對港口運(yùn)營來說負(fù)擔(dān)較重，需要采取防淤減淤措施。以往相關(guān)研究成果［文獻(xiàn)3-6］表明，對于20萬噸級航道而言，防沙堤堤頭宜設(shè)于-8 m水深附近是較為適宜的，延堤長度8.8 km，堤頂高程由-1 m漸變至-3 m（當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵?，下同），本研究以此為基本前提，對黃驊港綜合港區(qū)單、雙堤延伸方案減淤效果采用數(shù)學(xué)模型試驗的方法進(jìn)行論證。

1 黃驊海域基本水動力條件

本海區(qū)潮汐屬不正規(guī)半日潮，平均高潮位為3.58 m，平均低潮位為1.28 m，平均潮差為2.30 m。本海區(qū)潮流屬規(guī)則半日潮型，從總的平面分布趨勢看，外海流速大于近岸流速，漲潮流速大于落潮流速。漲潮潮段平均流速在0.29～0.42 m/s之間，流向為240o～300o；落潮潮段平均流速在0.25～0.37 m/s之間，流向為46o～97o。

本海區(qū)的波浪是以風(fēng)浪為主，涌浪為輔。純風(fēng)浪頻率為66.81%，涌浪為主的混合浪頻率為27.1%，風(fēng)浪為主的混合浪頻率為4.64%，風(fēng)涌混合浪頻率為0.12%。全年常浪向為E向，頻率為10.06%，次常浪向為ENE向，頻率為9.38%，強(qiáng)浪向為NE～E向。ENE為平均最大波高向，該向累年平均波高為0.97 m。

2 黃驊海域泥沙環(huán)境

黃驊海域為典型的粉砂質(zhì)海岸，-10 m以內(nèi)泥沙平均中值粒徑在0.03 mm左右，粘土含量在20%以內(nèi)，泥沙活躍性很強(qiáng)。

黃驊港海域泥沙運(yùn)動主要受風(fēng)浪控制，風(fēng)浪越大含沙量越大。在含沙量平面分布上，近岸含沙量明顯大于遠(yuǎn)岸，同時近岸泥沙在落潮流帶動下向外海輸移，在口門處形成懸沙濃度較高區(qū)域，對航道局部淤積起著重要作用。從實測值來看：正常天氣下，-6 m、-10 m、-14 m、-16 m、-19 m水深處，漲潮潮段平均含沙量分別為0.107 kg/m3、0.110 kg/m3、0.098 kg/m3、0.065 kg/m3、0.064 kg/m3；落潮潮段平均含沙量分別為0.165 kg/m3、0.157 kg/m3、0.120 kg/m3、0.091 kg/m3、0.108 kg/m3；有明顯的隨水深增加而減小的趨勢，并且落潮含沙量大于漲潮含沙量。大風(fēng)浪作用下，海區(qū)含沙量隨風(fēng)浪變化而變化，對黃驊港口門附近進(jìn)行底部含沙量觀測時發(fā)現(xiàn)，灘面以上0.5 m水層處曾觀測到10 kg/m3以上含沙濃度。含沙量的變化與波浪的變化過程有密切關(guān)系，當(dāng)波高達(dá)到1.0 m以上后底層含沙量的增長迅速；當(dāng)波高達(dá)到最大時，含沙量并未達(dá)到峰值，含沙量峰值置后于波高峰值約3 h；當(dāng)波高開始衰減以后，底層含沙量衰減不明顯，仍維持一段時間。

造成黃驊港外航道泥沙淤積物的來源主要是灘面泥沙運(yùn)動。波浪是本海區(qū)泥沙起動的主要動力，潮流為灘面物質(zhì)的運(yùn)動提供了條件。大風(fēng)浪天氣在破波帶可形成高含沙區(qū)，高濃度泥沙隨潮流運(yùn)動時在穿越航道的過程中，泥沙落淤，對外航道局部區(qū)域回淤帶來較大影響。

3 數(shù)學(xué)模型的建立和驗證

本模型風(fēng)浪場模型采用SWAN模型，其基本控制方程可參考SWAN用戶手冊。水動力模型合理考慮了波浪對水流的影響，這些影響主要包括波浪輻射應(yīng)力、波浪破碎引起的表面水滾應(yīng)力、波浪存在引起水流底部摩阻的變化（底部剪切應(yīng)力隨著底摩阻變化而變化）等。

3.1 水動力模型

式中：x,y,z為笛卡爾坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)，分別為東西方向、南北方向以及垂向的坐標(biāo)；u,v分別為水平方向的東分量速度和北分量速度；w為垂向速度；g為重力加速度；t為時間；ρ0為平均密度；f為科氏參數(shù)；Km為垂向渦粘系數(shù)，F(xiàn)u和Fv為水平動量擴(kuò)散系數(shù)。

3.2 泥沙運(yùn)動模型

（1）控制方程

非粘性泥沙運(yùn)動以懸移質(zhì)為主，控制方程為對流-擴(kuò)散方程

式中：AH和Kh分別為水平和垂向泥沙質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)，AH由Mellor-Yamada 2.5階模式［2］計算得到，Kh采用van Rijn的泥沙摻混系數(shù)公式計算得到；u,v,w分別為x、y、z向水流速度；C為懸浮泥沙濃度；ws為泥沙沉速。

由于黃驊港區(qū)域泥沙運(yùn)動同時受波浪和潮流兩種動力因素的影響，本研究在對原有模型進(jìn)行了改進(jìn)，即采用van Rijn的模式計算波流共同作用下懸沙垂向擴(kuò)散系數(shù)，將波流共同作用下垂向擴(kuò)散系數(shù)表示為潮流和波浪單獨(dú)作用時擴(kuò)散系數(shù)的非線性疊加。

（2）邊界條件

自由水面要求含沙量的凈通量為零，即在z=ζ時，

底部邊界條件表示為

式中：Ei和Di分別為淤積率和沖刷率。當(dāng)?shù)撞考魬?yīng)力超過臨界沖刷應(yīng)力時，則產(chǎn)生沖刷。沖刷率表示為

式中：E是沖刷率；E0是河床侵蝕強(qiáng)度；Fi是第i組份泥沙在所有組份中所占的百分比；單組份時，F(xiàn)i取1；Pb是表層泥沙的孔隙率；τb是床面剪切應(yīng)力；τe是臨界沖刷應(yīng)力。

泥沙的沉積作用由以下方程控制

計算沉積通量和沉積物濃度更新需要滿足SLIP限制。它具有二階計算精度，對濃度的局部劇烈變化能夠比較準(zhǔn)確的進(jìn)行計算。

3.3 模型網(wǎng)格剖分

為準(zhǔn)確掌握工程所在海域水動力特性，波浪和潮流均采用二重嵌套的方法進(jìn)行計算。大模型計算范圍北起40°55′N，南至37°07′N，東至122°29′E，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。小模型范圍北起39°12′N，南至38°00′N，東至119°00′E，采用局部加密的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格空間步長最大為4 500 m，最小為30 m。大、小模型計算網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 模型計算網(wǎng)格Fig.1 Computational scope and grid

3.4 數(shù)學(xué)模型的驗證

圖2為各測站位置示意圖。

圖2 各測站位置示意圖Fig.2 Sketch of measuring location

圖3 2003年10月溫帶風(fēng)暴過程風(fēng)速、風(fēng)向驗證結(jié)果Fig.3 Verification of wind magnitude and direction in 2003-10

圖4 2009年11月溫帶風(fēng)暴過程風(fēng)速、風(fēng)向驗證結(jié)果Fig.4 Verification of wind magnitude and direction in 2009-11

（1）風(fēng)場模型的驗證。

本研究通過2003年10月份和2009年11月份溫帶風(fēng)暴對風(fēng)場模型進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果見圖3、圖4?？梢姳撅L(fēng)場模型能很好的反應(yīng)大風(fēng)的的發(fā)展、成長、衰減過程，可用于為波浪模擬提供風(fēng)場動力條件。

（2）波浪模型的驗證。

本研究通過2003年10月和2009年11月溫帶風(fēng)暴實測波浪過程進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果見圖5。由圖可見，本風(fēng)浪模型能很好的反應(yīng)工程海域波浪的發(fā)展、成長、衰減過程，可用于本研究波浪模擬，并為后續(xù)泥沙模型提供動力條件。

（3）潮流模型的驗證。

本研究采用黃驊港海域2003年10月10日～14日風(fēng)暴潮觀測潮位資料和2007年8月29日～30日大潮水文資料對潮流模型進(jìn)行驗證，限于篇幅只給出部分測點數(shù)據(jù)，驗證結(jié)果見圖6、圖7。由圖可知，計算結(jié)果與實測符合良好，可為后續(xù)泥沙模型提供動力場。

（4）泥沙運(yùn)動模型的驗證。

圖5 實測與計算有效波高、周期的比較Fig.5 Verification of wave height and period

圖6 潮位驗證結(jié)果Fig.6 Verification of tidal level

圖7 2007年8月29～30日實測與計算平均流速、流向比較Fig.7 Verification of flow magnitude and direction in 2007-08-29～2007-08-30

采用2007年8月29日～30日水文全潮含沙量資料進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果見圖8。由驗證結(jié)果可見，本模型能夠良好的闡述工程海域泥沙運(yùn)動情況，可用于工程海域泥沙運(yùn)動模擬。

（5）大風(fēng)驟淤強(qiáng)度的驗證。

采用2003年10月10日和2009年11月黃驊港航道實測回淤驗證，驗證結(jié)果符合良好，見圖9，本泥沙回淤模型可用于本航道回淤計算。

圖8 2007年8月29日～30日垂向平均含沙量驗證結(jié)果Fig.8 Verification of sediment concentration in 2007-08-29～2007-08-30

圖9 溫帶風(fēng)暴潮過程煤港航道回淤計算與實測結(jié)果Fig.9 Verification of channel deposition

4 論證方案

4.1 計算方案

綜合港區(qū)防沙堤分雙堤延伸或單堤（北堤）延伸兩種方案，延伸至－8 m（從當(dāng)?shù)乩碚撟畹统泵嫫鹚悖郎车桃詽摰绦问狡叫袨┟嫦蛲夂Ｑ由?，潛堤高度?1 m漸變至-3 m，進(jìn)出港航道按20萬t級考慮（航道底寬250 m、-19 m深）。綜合港建港時航道設(shè)計水深以10 a一遇驟淤不礙航作為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，本研究延續(xù)此標(biāo)準(zhǔn)，以10 a一遇大風(fēng)驟淤作為單雙堤減淤效果對比條件。計算方案見圖10。

圖10 計算方案布置示意圖Fig.10 Sketch of calculation scheme

4.2 計算結(jié)果及分析

（1）流場情況。

計算結(jié)果表明：單堤（北堤）或雙堤延伸后，港池及航道內(nèi)水流平順，未出現(xiàn)明顯回流情況，水流延堤向沒有明顯增大趨勢。防沙堤延伸前后，漲、落急時刻平均流速大部分觀測點基本相同，僅新、老口門處有所不同。

圖11 單堤延伸方案流速矢量圖Fig.11 Flow vector diagram of single dike project

圖12 延堤前后航道內(nèi)橫流分布Fig.12 Cross flow distribution of each program

圖13 單、雙堤延伸方案10 a一遇大風(fēng)淤積比較Fig.13 Comparison of two extension schemes

原口門附近Z4點最大橫流由延伸潛堤前的0.45 m/s減小到單堤延伸方案的0.39 m/s和雙堤延伸方案的0.35 m/s；新口門附近Z22點最大橫流由延伸潛堤前的0.24 m/s增大到單堤延伸方案的0.34 m/s和雙堤延伸方案的0.37 m/s，呈現(xiàn)新口門外側(cè)附近橫流有所增大趨勢；新掩護(hù)段內(nèi)其它觀測點最大橫流相差不多。圖11為單堤延伸方案流速矢量圖，圖12為延堤前后航道內(nèi)橫流分布。

（2）泥沙回淤情況。

10年一遇大風(fēng)作用下，綜合港區(qū)防沙堤雙堤延伸至-8 m情況時，20萬t級航道內(nèi)最大淤積強(qiáng)度1.04 m；全航道淤積總量為585萬m3，其中掩護(hù)段內(nèi)為228萬m3，掩護(hù)段外357萬m3；綜合港區(qū)北防沙堤單堤伸至-8 m情況下，20萬t級航道內(nèi)最大淤積強(qiáng)度1.05 m，全航道淤積總量為621萬m3，其中掩護(hù)段內(nèi)266萬m3，掩護(hù)段外355萬m3。大風(fēng)淤積分布見圖13。

對比雙堤掩護(hù)及北側(cè)單堤掩護(hù)效果，掩護(hù)段內(nèi)延伸單堤減淤率能到達(dá)延伸雙減淤率的70%以上，可見在已形成航道相互掩護(hù)的基礎(chǔ)上，單獨(dú)延伸北堤單堤掩護(hù)效果良好，可作為20萬t級航道減淤整治工程的起步。

若神華南側(cè)防沙堤也延伸至-8 m，與綜合港區(qū)北堤一起對該港兩航道形成掩護(hù)，其減淤效果會更好。

5 結(jié)語

（1）單獨(dú)延伸綜合港區(qū)北防沙堤至-8 m等深線位置能夠起到較好的減淤效果?？紤]到-6 m水深以往建設(shè)防沙堤的高額造價，先期單堤延伸防沙堤不失為一種好的起步方式。

（2）在綜合港區(qū)北堤延伸情況下，若神華煤碳港區(qū)南防沙堤也延伸至-8 m，其減淤效果應(yīng)會更佳。

［1］JTS145-2015，《港口與航道水文規(guī)范》.

［2］TJS/T231-2-2010，《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》.

［3］劉國亭.黃驊港海岸泥沙特性及防沙減淤工程措施的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2005.

［4］季則舟.粉砂質(zhì)海岸港口水域平面布局特點［J］.海洋工程，2006，24（4）81-85. JI Z Z.The layout arrangement features for water areas of port on silty beach［J］.The Ocean Engineering，2006，24（4）81-85.

［5］曹祖德，楊樹森，楊華.粉砂質(zhì)海岸的界定及其泥沙運(yùn)動特點［J］.水運(yùn)工程，2009（1）：108-111. CAO Z D，YANG S S，YANG H.Definition of silt?sandy beach and its characteristics of sediment movement［J］.Port&Waterway Engineering，2009（1）：108-111.

［6］嚴(yán)冰，劉濤.黃驊港綜合港區(qū)單側(cè)延伸防沙堤潮流泥沙數(shù)模研究報告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2012.

［7］侯志強(qiáng)，劉濤.黃驊港綜合港區(qū)10萬噸級航道工程波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗研究報告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2010.

［8］侯志強(qiáng)，劉濤，張書莊.黃驊港綜合港區(qū)20萬噸級航道工程防沙堤減淤效果分析研究報告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2009.

［9］侯志強(qiáng).黃驊港綜合港區(qū)港池、航道泥沙淤積數(shù)學(xué)模型試驗研究報告［R］.天津：交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所，2008.

Deposition reduction effect study of single?double sediment?protecting dyke with numerical model test

ZHANG Wen?jie
（Cangzhou Port Group Co.,Ltd.,Cangzhou 061113,China）

Based on the analysis of water and sediment conditions in the engineering sea area,the rationality and feasibility of extending single sediment?protecting dyke were demonstrated through deposition reduction effect study of single?double sediment?protecting dyke with numerical model method.This will save the construction cost and improve the comprehensive social benefits.

mathematical model test;single dike;double dike;deposition reduction effect

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0247-08

2016-04-21；

2016-05-12

張文杰（1982-），男，河北省南皮人，工程師，主要從事港口與航道工程建設(shè)管理工作。

Biography：ZHANG Wen?jie（1982-），male，engineer.