某粉沙質(zhì)海岸深水航道的回淤分析

◎ 林俊龍 中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司

1.工程概況

1.1 工程方案

（1）航道工程

本工程采用單向航道，航道規(guī)模按80000DWT散貨船乘潮進(jìn)出港設(shè)計。設(shè)計航道寬度為166m，邊坡1：8，底寬為262m。航道設(shè)計底高程為-17.5m。見方案圖1。

（2）攔沙堤

本工程須在波浪破碎區(qū)范圍內(nèi)航道兩側(cè)建立攔沙堤，避免被泥沙在航道內(nèi)落淤。攔沙堤口門位置要在破碎區(qū)外一定距離。由于攔沙堤長度和堤頂高程是航道泥沙回淤的主要控制因素，同時也是工程造價的控制因素。因此，本工程設(shè)計了2個攔沙堤方案，并通過計算這2個方案的年回淤量，結(jié)合造價，推出最優(yōu)方案。攔沙堤的長度和堤頂高程各異，現(xiàn)分述如下：

方案1：西攔沙堤長3000m，堤頂高程為9.0m；東攔沙堤長4000m，堤頂高程為9.0m。堤頂寬度均為7.0m。

方案2：西攔沙堤共長6488m。其中堤跟段長2000m，堤頂高程為5.0m；堤身段長3494m，堤頂高程為2.0m；堤頭段長994m，堤頂高程為-1.0m。東攔沙堤共長6210m。其中堤跟段長2000m，堤頂高程為9.0m；堤身段長3186m，堤頂高程為2.0m；堤頭段長1024m，堤頂高程為-1.0m。

2.泥沙特性

2.1 泥沙輸移

擬建工程所在河道受往復(fù)性潮流的控制，Namacurra河及下游河網(wǎng)沿線沼澤濕地產(chǎn)生的淤泥為主的懸移質(zhì)泥沙主體隨落潮流輸出外海，來自口門外廣袤海灘的粉細(xì)沙也隨漲潮流以推移質(zhì)為主輸入口門內(nèi)，并在沿河各緩流低洼地沉積。同時，由于口門外海灘的粉細(xì)沙主要受沿岸波浪破碎掀沙及波生流影響，總體呈現(xiàn)從西南向東北方向輸移的趨勢。淤泥質(zhì)懸沙輸出量略大于粉細(xì)沙推移質(zhì)輸入量。

2.2 懸沙特征

河口內(nèi)測點含沙量無論大小潮均遠(yuǎn)大于外海測點含沙量，平均含沙量分別為0.07～0.1kg/m3（河口內(nèi)）和0.004～0.04 kg/m3（外海）。

2.3 底質(zhì)特征

在擬建港口航道及附近海域進(jìn)行底質(zhì)取樣及分析。工程海域的底質(zhì)泥沙特征如下：

（1）河口內(nèi)底質(zhì)泥沙粒徑較粗，以砂質(zhì)為主，砂質(zhì)（包括礫石）含量均超過90%。河道中間樣品粒徑遠(yuǎn)大于兩側(cè)淺灘，河道中央樣品中值粒徑在0.2-1mm之間，河道兩側(cè)樣品中值粒徑為0.1-0.3mm之間。

（2）河口位置由于水流較大，將河道里粗顆粒泥沙沖到河口外，所以河口處顯示為中細(xì)砂為主，粒徑較河口內(nèi)為細(xì)，中值粒徑在0.07-0.2mm之間，中值粒徑較兩側(cè)為粗，約為0.14mm。沙質(zhì)成分均超過90%，基本不含有粉砂和粘土。

（3）除了河口處，整個海岸以粘土、粉砂為主，含少量砂質(zhì)成分。按照砂質(zhì)及粘土質(zhì)含量不同分為砂質(zhì)粉砂、粉砂、及粘土質(zhì)粉砂。中值粒徑約為0.02mm。樣品含水量高，呈淤泥狀?？梢?，該海岸類型整體表現(xiàn)為粉砂質(zhì)海岸。

3.模型建立

本項目采用MIKE21 ST沙模型（非粘性沙）和MIKE21 MT泥模型（粘性沙）相結(jié)合進(jìn)行計算。

3.1 模型范圍和網(wǎng)格

模型網(wǎng)格及水下地形見圖3。

3.2 模型條件

（1）潮流

計算年回淤量時，模型通過計算一個全潮過程（小潮-大潮-小潮）的回淤量，再根據(jù)一年的全潮過程數(shù)得到一年的回淤量。

（2）波浪

根據(jù)模型邊界處得到的外海波要素統(tǒng)計表，計算整個研究領(lǐng)域內(nèi)的波浪場，將計算得到的波浪輻射應(yīng)力場輸入水動力模塊，將及時所得的波浪場輸入ST模塊。

3.3 計算結(jié)果與分析

3.3.1 年回淤厚度計算與分析

對各波浪要素下的進(jìn)入航道的沙量進(jìn)行加權(quán)平均后得到兩個方案沿航道年回淤厚度（圖4）。綠線為方案1，紫線為方案2，最大淤積厚度均出現(xiàn)在防波堤前沿。從年均回淤厚度結(jié)果來看，方案1大于方案2，且最大淤厚位置靠近河口，最大淤厚為1.86m/yr。方案2與方案1相比，最大淤厚位置更靠近外海，最大淤厚為2.69m/yr。平均淤厚為0.46m/yr（方案1）和0.33m/yr（方案2）。全航道由于底沙推運造成的回淤量分別為248.53和172.25萬立方米。

由以上結(jié)果可知：方案1攔沙堤堤頂高程為9.0m，為出水堤，可以完全阻擋攔沙堤外側(cè)泥沙進(jìn)入航道內(nèi)，但是堤頭位置在波浪破碎區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致破碎區(qū)范圍內(nèi)的航道段仍存在較大淤積，若要加長攔沙堤，工程造價將大大提高。因此，方案2在加長攔沙堤的基礎(chǔ)上，將攔沙堤做成潛堤的形式。主要是考慮粉沙質(zhì)海岸懸沙的垂線分布特點，底部存在高濃度含沙水體。將攔沙堤做成潛堤，不但能有效防止底部高濃度含沙水體進(jìn)入航道內(nèi)落淤，還能很大程度上節(jié)約成本，控制造價。從以上兩個方案對比，可看出，對攔沙堤加長，航道內(nèi)泥沙回淤可以得到有效控制。

4.結(jié)論與建議

（1）除了河口處，整個海岸以粘土、粉砂為主，含少量砂質(zhì)成分。中值粒徑約為0.02mm。樣品含水量高，呈淤泥狀。可見，該海岸類型整體表現(xiàn)為粉砂質(zhì)海岸。

（2）本工程須在波浪破碎區(qū)范圍內(nèi)航道兩側(cè)建立攔沙堤，避免被泥沙在航道內(nèi)落淤。攔沙堤口門位置要在破碎區(qū)外一定距離。

（3）方案1由于堤頭口門位置位于水下沙壩上，該處波浪破碎導(dǎo)致泥沙運動非?；钴S，因此在堤頭位置泥沙輸運率要比方案2大，并且輸運率大的面積較方案2大。

從以上兩個方案對比，就可以看出，對攔沙堤加長，航道內(nèi)泥沙回淤可以得到有效控制。而目前方案2仍存在繼續(xù)優(yōu)化的可能，這要求對底部高濃度含沙水體的厚度和波浪破碎區(qū)范圍有更準(zhǔn)確的了解。