東營港東營港區(qū)泥沙水力特性試驗(yàn)與應(yīng)用研究

薛 杰，毛 浩

（ 1.山東渤海灣港口集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250098；2.東營港務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 東營 257091）

引言

東營港區(qū)是山東省地區(qū)性重要港口東營港的核心港區(qū)，在新一輪總體規(guī)劃調(diào)整過程中，為了探明港區(qū)泥沙的動(dòng)力特性，進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)研究，開展了規(guī)劃區(qū)域泥沙水力特性試驗(yàn)，得到了該區(qū)域泥沙的主要水動(dòng)力指標(biāo)和運(yùn)移規(guī)律，相關(guān)參數(shù)應(yīng)用到泥沙運(yùn)移數(shù)學(xué)模型中，驗(yàn)證模型的適用性，為摸清區(qū)域內(nèi)泥沙運(yùn)輸規(guī)律奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器依托交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院環(huán)形水槽和波浪水流槽，見圖1。利用環(huán)形水槽開展泥沙沉降速度試驗(yàn)。最大試驗(yàn)水深50 cm，該水深下調(diào)速范圍為0～80 cm/s（水槽斷面平均流速），即水槽的最大斷面平均流速為80 cm/s。

圖1 環(huán)形水槽基本結(jié)構(gòu)

利用波浪水流槽開展泥沙起動(dòng)、止動(dòng)速度試驗(yàn)，見圖2。槽體尺寸長(zhǎng)×寬×高為68.0 m×0.7 m ×1.0 m，前端為不規(guī)則造波機(jī)及其控制系統(tǒng)，中部槽底留有長(zhǎng)4.0 m、高0.10 m的存泥槽，后端設(shè)置消波箱。試驗(yàn)水流為自循環(huán)式，水流速度由一個(gè)無極變速的電動(dòng)水泵控制。模型波浪采用不規(guī)則波造波機(jī)系統(tǒng)。波高測(cè)量采用交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院研制的2000型多點(diǎn)動(dòng)態(tài)水位儀。流速測(cè)量采用ADV流速儀。

圖2 波浪水流槽

1.2 試驗(yàn)條件

水溫采用室內(nèi)常溫，實(shí)測(cè)值在18～20℃之間。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，確定試驗(yàn)水體含鹽度為24‰。試驗(yàn)水體含沙濃度范圍為0.5 ～2.0 kg/m3。

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1 沉降速度試驗(yàn)

利用水流中平均含沙量隨時(shí)間變化過程，確定泥沙的靜、動(dòng)水沉降速度。試驗(yàn)沙樣按初始含沙量配制好，充分?jǐn)嚢杈鶆蚝笞⑷氕h(huán)形水槽中，將水槽內(nèi)的水流速度調(diào)至80 cm/s，使沙樣充分起動(dòng)、懸浮，然后調(diào)至試驗(yàn)流速，待速度穩(wěn)定后，定時(shí)取水樣并測(cè)定水體含沙量，確定相應(yīng)泥沙顆粒的沉降速度和下沉沙量。

泥沙的平均沉降速度：

1.3.2 起動(dòng)、止動(dòng)流速試驗(yàn)

從小到大逐級(jí)調(diào)節(jié)試驗(yàn)水流速度，分別測(cè)定各級(jí)流速作用下起動(dòng)的泥沙垂線平均含沙量，整理出起動(dòng)泥沙重量百分比C/CW（C為某級(jí)流速起動(dòng)的沙量，CW為總沙量）與水槽斷面流速和平均底流速的關(guān)系曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 沉降速度試驗(yàn)結(jié)果

計(jì)算得到泥沙靜水、動(dòng)水沉降速度見表1，據(jù)此繪制不同含沙量的泥沙沉降速度和水流速度關(guān)系曲線見圖3。

圖3 泥沙沉降速度和水流 速度關(guān)系曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可知：含沙量為0.5 kg/m3、1.0 kg/m3、 1.5 kg/m3和2.0 kg/m3的泥沙最大沉降速度分別為0.057 cm/s、0.058 cm/s、0.061 cm/s和0.063 cm/s；當(dāng)流速大于40 cm/s時(shí)，根據(jù)泥沙沉降速度和水流速度關(guān)系曲線，可以認(rèn)為不同含沙量下的試驗(yàn)?zāi)嗌吵两邓俣染呌诹恪?/p>

2.2 起動(dòng)流速試驗(yàn)結(jié)果

海床面上處于靜止?fàn)顟B(tài)的泥沙顆粒，當(dāng)水流強(qiáng)度逐漸增大到某一極值時(shí)開始啟動(dòng)，此臨界水流條件以流速表示時(shí)，稱為起動(dòng)流速[1]，可作為判斷床面沖刷的依據(jù)。

表1 沉降速度

圖4 為本次試驗(yàn)起動(dòng)沙量和水流速度關(guān)系曲線?？梢钥闯觯?dāng)水流速度小于某值時(shí)，曲線呈水平狀態(tài)，水流速度增加，但水體含沙量不變，說明底部泥沙未起動(dòng)；當(dāng)水流速度大于某值時(shí)，曲線開始上升，表明隨著水流強(qiáng)度的增加，部分泥沙開始起動(dòng)，水體含沙量增大；水流速度繼續(xù)增大，起動(dòng)沙量隨流速增長(zhǎng)而線性增加。根據(jù)這一起動(dòng)過程，得出試樣起動(dòng)斷面平均流速值約為35 cm/s，平均底流速值約為28.5 cm/s。

圖4 試樣起動(dòng)流速曲線

2.3 止動(dòng)流速試驗(yàn)結(jié)果

止動(dòng)流速指對(duì)于既定的粒徑和水深條件下運(yùn)動(dòng)著的底沙顆粒，當(dāng)垂線平均流速降到某一特定值時(shí)恰好停止運(yùn)動(dòng)，此垂線平均特征值即為該粒徑顆粒在該水深下的止動(dòng)流速[1]。確定止動(dòng)流速值比較困難，通過水流挾沙力試驗(yàn)確定其值。

泥沙來源豐富地區(qū)水體中的含沙數(shù)量與水流速度正相關(guān)，水流速度增大，泥沙從海床面啟動(dòng)，水體中含沙量增加；水流速度降低，部分懸沙落淤，水體中含沙量減小?？梢?，一定的水流條件下，水體挾帶的沙量（飽和含沙量）應(yīng)是常值，即水流挾沙能力。

通過試驗(yàn)，得到飽和含沙量和水流速度關(guān)系曲線，即挾沙能力曲線，見圖5?？梢钥闯?，隨著流速逐漸降低，水體含沙量也逐漸減小；當(dāng)流速減小至某值時(shí)，水體含沙量趨于常值，運(yùn)動(dòng)的泥沙漸趨于靜止。根據(jù)試驗(yàn)得到的水流挾沙力曲線，得出試樣止動(dòng)流速約為25 cm/s。

圖5 水流挾沙力曲線

圖6 2009年4—5月東營港區(qū)含沙量模型驗(yàn)證

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過試驗(yàn)得到了區(qū)域內(nèi)泥沙的基本水力特性。依據(jù)試驗(yàn)成果，對(duì)泥沙運(yùn)移模型相關(guān)系數(shù)進(jìn)行率定和調(diào)整，將模型計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)值比較，以驗(yàn)證模型的適用性。

利用泥沙運(yùn)移模型，計(jì)算出東營港區(qū)2009年大、小潮含沙量。計(jì)算值和實(shí)測(cè)值對(duì)比情況見圖6?？梢钥闯?，各測(cè)站含沙量計(jì)算值與實(shí)測(cè)值在連續(xù)變化過程中都比較接近，位相基本相符，工程水域內(nèi)測(cè)點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果符合《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》[2]（JTS/T 231-2-2010）要求。

4 結(jié)語

自2016年開始，東營市組織開展了東營港總體規(guī)劃的修訂工作，期間開展了東營港區(qū)波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)研究。室內(nèi)試驗(yàn)得到了東營港區(qū)泥沙沉降速度、起動(dòng)流速和止動(dòng)流速，為泥沙運(yùn)移模型提供關(guān)鍵參數(shù)，驗(yàn)證了泥沙運(yùn)移模型的適用性。利用泥沙數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，配合同步開展的波浪數(shù)學(xué)模型、潮流數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)，全面研究了東營港區(qū)規(guī)劃調(diào)整各方案工況下的波浪、潮流、泥沙等運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為規(guī)劃方案確定和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。2017年3月，調(diào)整后的東營港總體規(guī)劃方案正式獲省政府批復(fù)。