物理模型试验在确定挡沙堤布置中的应用＊

唐筱宁,王绿卿

(海军工程设计研究院,山东青岛 266100)

在港口工程建设中,泥沙淤积一直是被受关注的问题。为防止港外泥沙对港区及航道产生淤积,使其丧失原有的使用功能,常常采用挡沙堤对泥沙进行拦截,通过挡沙堤的导流作用,使泥沙的运动路径发生改变,从而减弱功能工程区的泥沙淤积问题,保证其正常的靠泊需求,降低港口的维护成本。由此可以看出,挡沙堤往往具有挡沙、导流双重功能,在有些工程中,挡沙堤还具有防波堤的作用[3]。特别是,随着我国港口建设的不断加强,海岸线上的适合港口建设的良址也日趋匮乏,但因经济发展需要,往往会在一些条件相对恶劣的海区建设港口,这对进一步研究如何避免港区及航道淤积提出了更高的要求。

在海洋工程中,外部动力环境复杂多变,不确定影响因素多,如波浪、潮流等等,特别是目前的泥沙运动理论主要是建立在试验基础上,不能完全适合各种环境要求,而通过理论计算或经验判别,也无法全面、正确地识别海洋环境中的泥沙运动规律。因此,在设计挡沙堤时,若完全根据经验公式或工程经验判别,挡沙堤有时会无法满足最初的防淤设计要求,需要对挡沙堤进行二次改造施工,浪费大量的人力、物力,甚至会使功能区使用功能丧失,损失巨大[1,2]。

为预防在功能区内产生淤积,通常采用潮流、泥沙物理模型试验进行模拟研究,在物理模型试验中可以模拟多种动力因素的综合作用,全面考虑各种因素的相互影响,较准确地模拟出泥沙运动规律。

目前,潮流泥沙物理模型试验往往用于研究一定范围区域的泥沙冲淤问题,很少有针对单一建筑物设计进行的潮流泥沙试验,相应的试验方法也相对匮乏,本文通过试验实例,介绍了利用物理模型试验指导防沙堤平面及高程设计的方法。

1 胶州湾挡沙堤物理模型试验

1.1 问题的提出

根据青岛市规划,将在胶州湾湾顶红岛北侧建立青岛市高新技术开发区,为满足高新区市政基础建设需要,将从女故口大桥以北的海域内吹填淤泥取土,挖泥区域为图1中粗实线所包范围。为保护市政建筑物,将在高新区沿胶州湾一线建防潮坝,并在羊毛沟河入海口处建水闸,按照设计要求,水闸开启频率较少,防止水闸无法正常开启,需要采取工程措施避免闸前泥沙淤积[3]。为全面考虑地形、岸线、潮流等因素的综合作用,最终确定采用潮流、泥沙物理模型试验确定防淤工程措施[4]。

该工程虽然与典型的港口工程有一定的差异,但就问题的解决方式而言,与港口防淤有共同之处,两者的根本目的都是避免泥沙在功能区的淤积,维护功能设施的正常使用。

图1 工程示意图Fig.1 The engineering sketch

1.2 工程区泥沙简介

该工程区位于胶州湾北部,潮流动力较弱,羊毛沟河和墨水河在此进入胶州湾,该区域的泥沙来源主要包括径流来沙和海向来沙。

由于河道及其流域的绿化改造,径流来沙较少。首先,墨水河是该区域的主要径流来沙来源,1979年以前,该河每年的输沙量达到4.76万t(1972—1979年),在此之后,年输沙量急剧下降,为0.587万t;其次,白沙河也有一定的输沙量,根据1960—1979年的统计资料,该河的年输沙量为0.51万t,而在1980—1989年间,年输沙量减至0.126万t;此外,羊毛沟河也会给该海域带来一定的泥沙,但是未收集到相关数据,在此不再详细介绍。与墨水河相比,羊毛沟河流量较小,而且两河所处的地理环境非常相似,由此推论,该河产生泥沙输移量应当小于墨水河[5]。综上,挖泥区海域的径流来沙总量不大,保守估计年平均输沙量在1万t以下。在径流来沙量大幅减小的情况下,该海域的泥沙运动主要是滩面泥沙起动再分配,挖泥区所在海域的泥沙来源主要以女姑口大桥以南浅滩泥沙在潮流作用下进行的再悬浮和再搬运的泥沙为主。

为充分了解工程区及附近海域的底质分布情况,共采样底质样品60个,分布范围包括女姑口大桥桥体附近及以南至东大洋附近海域,样品中值粒径为0.007～0.049 mm,分布见图2,从图上看该区域底质中值粒径接近0.03 mm,接近粉砂质海滩的分类界限,但由于底质中淤泥含量较高,在30%～40%之间,可以认定该海域的海滩类型为淤泥质海滩。

通过上述对工程区及附近海域泥沙来源及底质泥沙的分析,结合该工程区的水动力环境特点,确定该海域的泥沙来源主要以海向来沙为主,输沙方式为浑水悬沙落淤,在物理模型试验中采用定床浑水悬沙回淤的方法对羊毛沟闸前水域的防淤进行研究[6]。

图2 女姑口大桥以南至东大洋附近海域底质中值粒径分布(mm)Fig.2 Distribution ofmedium grain-size in the bottom sediment between Bridge Nǜgukou and Dongdayang(mm)

1.3 挡沙堤方案的确定

在潮流、泥沙物理模型试验[7,8]①海军工程设计研究院综合试验研究中心.青岛高新区防潮坝工程挖泥区潮流泥沙物理模型试验报告.2009.中,首先对模型的准确性进行验证,验证内容主要包括潮流验证和泥沙落淤验证两部分,以保证模型能够正确、合理地反映出工程所在海域的潮流、泥沙运动特点。本文不再赘述验证方面的结论,将着重论述如何通过物理模型试验制定相应的防淤措施。

通过模型的验证后,对工程区进行了开挖(图3),开挖区范围即为图1中的吹填取土范围,开挖区底高程为-3.7m(理论深度基准面),工程区开挖后在女姑口大桥以北形成了一个面积约170万m2的蓄水坑,图4为没有采取防淤措施时开挖区的涨、落时刻的流专场图,从图中可以非常直观地看出,涨急时刻涨潮流(流向为S-N)的前进路径主要分为两部分,从路径轨迹分析,进入到羊毛沟河水闸前水域的潮流主要以西侧潮流为主,东侧涨潮流在向西折向后形成了回流,并未进入到羊毛沟闸前水域;而在落急(N-S)时刻,墨水河下泄水流有部分水流进入到了羊毛沟闸前水域,鉴于该海域的输沙方式主要以悬沙为主,水流的前进方向决定了悬沙的输移方向,因此,为避免在羊毛沟闸前造成淤积,可以加建挡沙堤,通过挡沙堤的阻挡作用,迫使潮流改变前进路径,进而使泥沙输移方向发生改变。

图 3 试验中工程区开挖前(a)后(b)对比Fig.3 Comparison between the photoes taken in theexperiments respectively(a)before the d redging engineering starts,(b)after the dredging engineering has been comp leted

根据潮流的前进方向确定挡沙堤的平面位置,其基本原则就是阻断挟沙潮流的路径,图5是根据涨落潮流及落潮流的路径确定的挡沙堤平面布置图,其中单堤方案主要以阻断涨潮流输沙路径为主,双堤方案能够同时阻断涨、落潮流的输沙路径。

挡沙堤的高程可以根据不同潮位时的流速确定,例如,当在某一潮位时,若没有明显的挟沙流进入到闸前水域,则可不阻断该潮位下的潮流路径,利用该方法可以比较直观地确定出挡沙堤的合理高程,既可以起到挡沙导流的作用,又能降低挡沙堤的建造成本。为此,需要实时追踪工程区的潮流场分布。在本研究中,通过实时追踪潮位、流速,最终确定采用顶高程为+2.0 m(理论深度基准面)的潜堤作为挡沙堤,该高程满足阻断主要涨潮输沙路径的要求,从试验现象看,虽然在水位高于潜堤高程后,仍有部分潮流进入到闸前水域,但此时的流速较低,输沙量较少。

图4 无防淤措施时开挖坑内的模拟流场图Fig.4 Modelexperiment showing the tidal current field in the dredging area without any measures against sand-deposition

图5 挡沙堤平面布置图Fig.5 Plane layouts o f the sand-barrier design

2 试验结果

在试验中,分别对两种挡沙堤平面布置方案进行了潮流及悬沙落淤试验,从流场图(图6,图7)可以直观地发现,双潜堤方案闸前水域的水动力在涨、落急时刻均略强于单堤方案,这是因为在双潜堤方案中由两潜堤形成的口门对于进入闸前水域的水流具有一定的束流作用,使得两潜堤口门处的流速有所增大,从而带动整个闸前水域的流速有所增加,当流速增大后,落淤量会有一定的减少,从试验结果中也得出了相同的结论[4,9]。

图6 建挡沙堤后涨急时刻模拟流场图Fig.6 Tidal current fields at flood strength in themodels after the sand-barrier has been comp leted

图7 建挡沙堤后落急时刻模拟流场图Fig.7 Tidal current fields at ebb strength in themodels after the sand-barrier has been comp leted

通过不同方案时的悬沙落淤量等值线分布图(图8)可以看出,在未建挡沙堤之前,闸前水域的淤积量达到了0.12m/a,挖泥区的淤积分布比较均匀,形成了两个较为明显的淤积中心;在单堤方案时,闸前淤积量明显减弱,从等值线分布看,闸前水域在单堤方案时淤积量小于0.10 m/a,基本在0.05 m/a左右,挖泥区内只有一个较为明显的淤积中心,位于单堤堤头东侧;而在双潜堤方案中,口门以内水域的淤积量小于0.10 m/a,闸前水域淤积量较单堤方案有所减少,淤积中心与单堤方案类似。

图8 悬沙落淤模拟结果对比(m◦a-1)Fig.8 Com parison among the resu lts respectively from models after suspended-sand has been deposited comp letly(m◦a-1)

3 结 语

通过对比不同方案的悬沙落淤试验结果可以看出,依据潮流场运动路径及潮位流速关系所确定的挡沙堤方案防淤效果比较明显,闸前水域的淤积量明显减少,淤积中心也从两个减至一个。这主要是因为通过潜堤的挡流输沙作用,使得挖泥区内淤积分布更加集中,有利于疏浚挖泥。

对于港口工程的防淤、治淤,可以借鉴该工程的研究方法,通过潮流物理模型试验识别功能区潮流的输沙路径及主要的输沙瞬时潮位,以此为设计依据确定防沙堤的平面位置及高程高度,加建导流挡沙堤,阻断或改变其输沙路径。改变潮流的输移路径,不仅可以使功能区淤积量减弱,还可以使泥沙淤积更加集中,为将来的清淤疏浚创造条件,降低疏浚成本。

[1] 宓宝勇.汕头港外导流堤拦沙堤BC段加高设计简介[J].水运工程,2002,2：19-21.

[2] 张伟豪.拦沙堤施工高程确定方法[J].水运工程,2002,2：79-82.

[3] 吴今权.防沙导流堤平面设计的研究[J].中国港湾建设,2001,1：13-17.

[4] 于泳,孙波,孙林云.唐山港京唐港区挡沙堤三期方案对比研究[C]∥中国海洋工程学会.第十三届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集.北京：海洋出版社,2007：388-341.

[5] 王文海.中国海湾志(第四分册)[M].北京：海洋出版社,1993：206-227.

[6] 黄炳彪,王理许,张春义,等.白河堡水库泥沙淤积及治理的试验研究[J].泥沙研究,2002,6：74-80.

[7] 叶小敏,纪育强,刘自力,等.胶州湾物理模型地图制作方法[J].海岸工程,2008,27(4)：77-82.

[8] JTJ/T233-98海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程[S].北京：中国标准出版社,1998.

[9] 时钟,李世森,李艳红.近海与河口粘性泥沙输移过程(第六届 INTERCOH 200综述)[J].泥沙研究 ,2002,3：74-80.