不同高度潜堤减淤效果水槽实验研究

庞启秀，张瑞波，杨 华

(交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

不同高度潜堤减淤效果水槽实验研究

庞启秀，张瑞波，杨 华

(交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456)

潜堤高程是淤泥质海岸潜堤设计的关键要素之一。为了确定潜堤高程，首先根据已建潜堤工程的经验分析得出潜堤减淤的主要机理，即主要是阻挡了浮泥或底部高含沙水体直接进入航道和缩短了含沙水体进入航道的时间，进而在长水槽中开展了一系列比对实验，主要研究不同堤顶高程时的水流紊动、堤前浮泥起动、浮泥层厚度变化、堤后航道泥沙落淤情况等，并以此作为比选堤顶高度的基本依据。实验结果表明当相对高度即潜堤高度与堤前水深之比为0.2～0.5时，便有较好的减淤效果。

潜堤高度;减淤措施;淤泥;水槽实验

潜堤具有调流、挡沙的功能，在满足工程实际需要的前提下，潜堤相比于出水堤还可以节省大量投资，因此工程设计和建设时往往会考虑采用潜堤代替出水堤的可行性，并研究确定潜堤高程、长度等尺度。针对潜堤附近流态或者波浪问题的研究成果相对较多:Zanuttigh和Lamberti［1］、Johnson和Karambas［2］均采用数学模型研究了潜堤附近的波浪场和流场;而Tsal和Chen［3］通过试验确定了可透水潜堤的波浪反射系数、波能衰减系数等;蒋昌波［4］利用VOF方法追踪自由表面以及采用源函数造波技术计算了流场、流线、紊动动能及紊动动能耗散率等特性;Roger和Jia［5］、Tominaga和Ijima［6］则分别在水槽内采用ADV和PIV系统测量了潜堤周围的三维流场。潜堤也是一种较为有效的泥沙减淤措施，如淤泥质海岸的日本熊本港(Kumamoto Port)和粉砂质的印度尼西亚Semen Tuban港的实际应用表明，潜堤减淤效果非常明显［7］。

潜堤减淤效果可通过模型试验作整体评估，并对工程方案进行优化，但由于比尺问题导致物理模型的水深、堤前泥层厚度和潜堤高度都较小，特别是不同堤顶高程方案在模型上差别细微(高度差值乘以垂直比尺)，导致难以很好地比选堤顶高度。数学模型可以避免比尺问题而用来模拟确定潜堤高度，蒋昌波［4］依据数模计算结果探讨了堤项水深变化的影响，认为随堤顶水深增大，潜堤的消浪作用将明显减弱，但未研究挡沙问题;Chai和Hayashi［8］采用三维泥沙输移数学模型(Mike)研究了潜堤(墩)形状如矩形和缩窄的六边形对底床淤泥输移的影响，并研究了潜堤高度由0.3 m增加到0.5 m对由潜堤所圈围而成的种植区的含沙量的影响，认为含沙量可以减小30%左右。但数学模型的潜堤处理技术和浮泥模拟技术并不非常完善，因而尚需要开展室内实验来比选潜堤高度。目前已有一些从流态和消浪角度出发来研究潜堤高度的实验，但从减淤角度来研究潜堤高度的室内实验成果相对较少。将依据淤泥质海岸潜堤减淤的机理对实验进行概化，并通过水槽实验综合研究不同高度的潜堤对应的水流状态、泥沙起悬和床面变化情况等，分析并推荐潜堤高度。

1 实验原理

文献［7］依据潜堤工程建设前后实测地形变化情况分别给出了日本的熊本港(Kumamoto Port)和印度尼西亚的Semen Tuban港的潜堤减淤效果，并分析了潜堤减淤的主要机理，即浮泥或底部高含沙水体可以经由口门直接流入港池，而无法从建有潜堤的地方直接流入，从而降低淤积量。

许多建设在淤泥质或粉砂质浅滩上的航道的回淤泥沙主要来源于滩面上再悬浮泥沙;在大波浪作用时段边滩表面泥沙受扰动逐渐稀化而成浮泥状态，此时泥沙很容易悬扬而增加水体含沙量，但垂线上仍是近底床水体含沙量明显大于中、上层水体的［9］，这些悬沙随涨潮或落潮流运移到航道后，由于流速突然减小即挟沙力降低而发生落淤，同时，底部高含沙水体和稀化而成其中浮泥将以异重流形式，沿边滩斜坡向下运动而直接灌入航槽中;波浪作用后期，波浪衰减后，中上层水体中的悬沙纷纷落淤至底部高含沙水体层(浮泥)，而维持异重流运移并直接灌入航槽。修建潜堤后，可挡住其中的一部分直接进入航道或港池，达到减淤目的。另外，对一些高度较大的潜堤，低水位时堤顶可能露出水面，则经由浅滩并携带大量泥沙的水流无法进入航道，只有高水位淹没潜堤时上层水体(上层水体的含沙量相对较低)能够进入航道，即潜堤的修建大大地减小了泥沙进入航道的时间，从而减小了航道的泥沙淤积量，这也是潜堤减淤的重要机理。因此修建的潜堤主要阻挡了浮泥或底部高含沙水体直接进入航道和缩短了含沙水体进入航道的时间。

在掩护条件较好的海域，动力条件以水流为主，如在半封闭的日本有明海(Ariake Sea)研究采用潜堤来掩护种植区的效果时，动力条件仅考虑了潮流［8］;再如厦门湾海沧所在海域位于海湾内，湾口又受鸡屿的掩护，西南侧大片浅滩上的再悬浮泥沙随落潮流运移至海沧港池航道后落淤为主要的淤积模式，拟在航道边缘顺航道方向修建潜堤以减小泥沙回淤量。潜堤修建后，原来随落潮流向航道运移的浮泥或高含沙水体会被阻挡在潜堤外侧，同时堤前可能会有部分泥沙落淤，这两部分泥沙能否起动并随水流越过潜堤而进入航道，将是潜堤减淤成败的关键。堤前泥沙再悬浮运动的形式主要有两种:一是水位较高时，泥沙被掀起并随水流越过潜堤进入航道;二是作顺堤方向的运移。由于水槽实验的局限性，本次实验只模拟第一种情况，即水流运动方向垂直于潜堤。实验主要模拟不同堤顶高度时堤前后的水流状态、浮泥起动、泥床冲刷、航道的泥沙落淤等，作为比选堤顶高度的基本依据。

2 实验设计和开展

2.1 泥沙的选取

实验泥样取自厦门港海沧航道附近浅滩，中值粒径为0.007 8 mm，粉砂含量为52.5%，粘土含量为35.3%，属粘土质粉砂。

泥样初始重度的选取。考虑到堤前阻挡下来的浮泥和落淤泥沙对应的密实时间均较短，也为了保证泥沙在实验水槽的水流用下能够起动悬扬，堤前铺设的浮泥初始重度选用11.8 kN/m3，而此重度的浮泥对应的密实速度相对慢一些，有利于减小水槽加水和实验过程中因密实造成的泥面下沉量，同时也可使淤泥重度垂线分布保持较为均匀，利于比较不同流速下的泥沙悬扬情况。

2.2 潜堤型式的选取

李昌良［10］等采用VOF方法计算了矩形结构、梯形结构、半圆结构和槽形结构潜堤的波浪运动，从波能消散方面考虑，槽型潜堤结构是各结构中的最优选择，半圆型潜堤效果最差;Isao和Nobuyuki［11］通过水槽实验和数值模拟评估了倒T型、梯形、雨滴型等几种形状的潜堤减淤效果，表明在波浪条件下，潜堤遏制淤积的效果差异与波浪造成的越堤旋涡尺度存在关系，实验证明直角梯形潜堤的航道所在侧能形成高强度旋涡，减淤效果最好。参考这些研究成果，分析认为在潜堤迎水面较缓的坝体，能够较好地削弱波浪或水流产生的旋涡发展，减弱对堤前落淤泥沙的扰动，进而减小泥沙悬扬量;另一方面，堤后侧能产生强烈漩涡的潜坝，可以有效降低泥沙落淤率，进而减小泥沙淤积程度。因此本实验采用直角梯形潜堤，如图1中所示的形状。

图1 实验布置示意Fig.1 Layout of experiment

2.3 实验布置和设备

实验在直水槽内进行，水槽尺寸68.0 m×0.7 m×1.0 m(长×宽×高)。实验水流为自循环式，用水为自来水，水流速由一个无极变速的电动水泵控制。实验段布置在水槽中部，如图1所示，在铺泥段末端即坡脚处和堤顶、堤后分别采用ADV测量垂线流速分布，堤后放置集沙盒用于收集落淤的泥沙。

2.4 实验工况

考虑到当水槽中的潜堤较高即淹没水深很小时，将会产生较大的堤前壅水和堤后跌水，而与现场开阔海域上的漫堤流实际情况差别太大，因此，控制实验的潜堤高程与水深的比值不超过0.5，即最小淹没深度为堤前水深的一半。每组实验的水深均为50 cm，为方便描述，参考Tominaga［6］的研究成果而定义相对高度为潜堤高度H与水深h的比值，H/h取0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，则实验堤顶高度分别为 0、5、10、15、20、25 cm。

实验水流速度由水泵电机变频值来控制，并由布设在潜堤坡脚处的ADV实测得出，垂线平均流速分别为 22、28、34、39 和 48 cm/s。

2.5 实验步骤

1)按尺寸建造某高度的直角梯形混凝土堤坝，堤坝在横向上的两端紧靠水槽边壁。

2)实验前先将配制好的泥沙搅拌均匀，再均匀铺在潜堤坡脚处的存泥槽里并抹平，然后向水槽中缓慢注入自来水至实验所需水深，每组实验开始前均重新铺泥。

3)实验从小流速开始做起，保持某种流速持续一段时间至泥面基本达到平衡剖面时再增加到下一级流速。观察各流速时泥沙的起动状况和随水流越堤及堤后扩散运移的状态。

4)在某级流速运行平稳后，采用ADV测量坡脚处和堤顶、堤后的垂线流速(三维)分布。

5)测量不同时段的床面高度，分析床面泥沙运动情况。

6)实验完成排掉水后，观察堤后所放置的集沙盒内的泥沙落淤分布特征，并收集泥沙。

3 实验结果分析

3.1 实验现象

当水流速度较小时，铺设在堤前泥槽中的泥沙不能起动;进一步增加电机变频值，水流速度也随之增加，泥沙开始起动，但在相同的电机变频值(水流流量基本相同)时，不同堤顶高程所对应的堤前泥沙起动程度不同，如变频值N=16(实测垂线平均流速约为22 cm/s)，当堤顶高程为0 cm(即不存在潜堤)时，泥沙已经可以大量起动、悬扬，水流作用15 min后床面便有较为明显的下降，但潜堤高程为25 cm时，此流速作用下泥沙未能大量起动，床面也无明显变化。从实验现象便可看出，堤顶越高，相同流速条件下，堤前浮泥被掀起的数量就越少。

在水流作用下，泥沙呈浓烟状悬扬，但泥沙尚未悬扬太高便被水流带走，高浓度泥沙水体层的厚度不足5 cm，该高含沙层贴着潜堤斜坡爬行至堤顶，初始并没有扩散(见图2(a))，但在堤后水流强紊动作用下很快(约几十秒的时间)就会如图2(b)所示扩散至整个垂向断面，但扩散至表层的泥沙仍然相对较少。随着时间的推移，泥沙起动量会相对减小，表现为悬沙烟雾颜色变浅(即浓度降低)、床面的下降速度减慢等，如堤顶高度为20 cm时，在垂线平均流速28 cm/s的水流作用10 min后泥沙起动量便明显减小，此时床面已冲刷形成一个基本稳定的剖面，即基本达到该动力条件下的平衡水深。但再增大流速，如流速为48 cm/s时，可以看见泥沙又会迅速起动、悬扬，黑色的浓烟状泥沙随水流越过潜堤，但同样作用一段时间后也会形成该水流动力条件下的平衡水深，只是其达到平衡水深所需的时间略短。

在实验过程中，当水流速度较小，如垂线平均流速22 cm/s时，可以清晰地看到高度为20 cm的潜堤对应的泥床面上产生了由粗颗粒泥沙形成的顺(流向)纹状堆积体，即堤前在水流作用下产生了一定的泥沙分选。但进一步增加流速后，这部分粗颗粒泥沙也悬扬起来并随水流运动越过潜堤，堤前的粗颗粒堆积体消失。

图2 试验现场示意Fig.2 Photographs taken from the experiment

3.2 堤前流速分布特征

受潜堤影响，堤前水流结构，特别是近底层，明显不同于不建潜堤时的情况，近底层流速垂线分布曲线更加平坦，而且基本上是潜堤越高，曲线平坦度越大，即近底层的流速梯度相对减小;同时，潜堤高度越大，对应的底流速也相对越小，对堤前浮泥的剪切掀动能力就越弱，泥沙悬扬量也就越少，这与试验直观现象一致。堤前流速分布如图3所示。

3.3 堤后悬沙落淤情况和紊动强度分析

悬沙随水流越过堤顶后，不仅随水流继续前行，同时还受强紊动作用而在垂线上扩散，因此尽管堤前、堤顶处的高含沙层厚度很薄，但堤后航道上方的悬沙层厚度可占整个断面的一半以上，如图2所示。堤后的悬浮泥沙主要随水流前行而很难迅速落淤，布设在堤后的集沙盒也很少有泥沙存留。堤后泥沙基本不落淤，主要是因为直角梯形潜堤后方产生了较强的紊动造成的。

为了了解堤后的水流紊动情况，采用ADV测量了垂线上不同深度处的三维流速(u，v，w)，并计算紊动强度［12-13］，然后绘制紊动强度垂线分布图，如图4所示为堤顶高度为20 cm、流速为39 cm/s的条件下的紊动强度。可知，紊动强度垂线分布并不均匀，而是存在某个高度处的紊动强度最大，这个高度随潜堤高度的变化而变化，大体来说，紊动强度最大值发生在与堤顶平齐的高度处，这与白玉川［14］采用圆管得到紊动强度的峰值出现在圆管附近的实验成果相同，即堤顶高度处的紊动作用最强，因此当泥沙沿潜堤斜坡上爬至堤顶时，泥沙仍基本保持在较薄近底(潜堤顶部)层中，一旦越过潜堤后，便受到强紊动作用而在水体中混掺、垂向扩散而不落淤(堤后的集沙盒基本上没有泥沙落淤)，并被水流携带至下游。说明本实验采用的直角梯形潜堤，一定距离内可以很好地减小细颗粒泥沙落淤量，因此推荐该型式的潜堤。

3.4 堤前床面变化

在水流作用下床面将发生冲刷现象，随着冲刷坑的不断加深和扩大，坑内的水流流速减小，掀沙能力也随之下降，与此同时，冲刷坑内的泥沙发生粗化现象，留下粗颗粒泥沙，铺盖在冲刷坑表面上，增大了泥沙的抗冲能力和坑底面粗糙度，一直到水流对床面泥沙的冲刷作用与床面的抗冲作用达到平衡时，冲刷则停止。这时床面会达到一种稳定状态，即随时间的推移，床面基本保持不变，从泥沙大量起动、床面明显冲刷至床面基本稳定而形成的平衡状态所需时间，不同堤顶高度、不同流速条件均有所不同，从本次实验来看，堤顶高度越小、流速越大则达到冲刷平衡状态所需的时间越短。

待床面达到平衡后，测量床面高度。为了对比不同潜堤高度时的冲刷情况，将相同垂线平均流速对应的平衡床面绘制在同一幅图中，如图5所示为垂线平均流速为39 cm/s时的床面变化情况(当没有潜堤即H=0 cm，此流速时大部分泥沙已经冲刷流失，故图中无此平衡床面线)。可知整个床面的冲刷深度并不均匀，一般在距离潜堤较远的中前部存在凹槽，即该位置冲刷最大。不同潜堤高度对比可知，随潜堤高度的增加，泥面冲刷减弱;不同流速间对比，则表现出流速大，对应的冲刷坑深度也大。

图3 同一流速不同潜堤高度时的堤前流速分布Fig.3 Velocity distribution before the submerged dike with different heights at the same velocity

4 堤顶高20 cm，流速为39 cm/s时潜堤后方紊动强度分布Fig.4 Distribution of turbulent intensity behind the submerged dike with height of 20 cm at the velocity of 39 cm/s

3.5 潜堤高度的选取

根据以往经验，泥沙冲刷状况与泥床的容重(或密实度)、水流动力条件等有很大的关系，限于实验条件，实验室内难以完全模拟现场情况，但为了能够使实验成果应用到现场中，考虑采用相对比值来进行推算，如采用相对深度d/d0，即不同堤顶高度对应冲刷深度d与无潜堤时的冲刷深度d0之比;相对高度H/h，潜堤高度H与堤前水深h的比值。绘制相对深度d/d0与相对高度H/h的关系图如图6所示，可知:

1)三种流速状态下，均表现出相对冲刷深度d/d0随相对高度H/h的增加而减小，即潜堤高度增加，堤前浮泥冲刷深度减小。

2)在相同H/h时，不同垂线平均流速对应的相对冲刷深度不同，垂线平均流速28、33、39 cm/s对应的相对冲刷深度(d/d0)依次减小(但绝对冲刷深度随流速的增大而增大)，即对某一固定高度的潜堤而言，流速越大，潜堤阻挡冲刷的效果越明显。

3)拟合d/d0与H/h的关系，如图6中的曲线所示，可知相对冲刷深度d/d0并非随潜堤的相对高度H/h和垂线平均流速V线性减小，而是成负指数关系:

式中:d/d0为相对冲刷度;d为不同堤顶高度对应冲刷深度;d0为无潜堤时的冲刷深度;H/h为相对高度;H为潜堤高度;h为堤前水深;V为垂线平均流速(m/s)。

图5 流速为39 cm/s时不同潜堤高度(H)对应的平衡床面Fig.5 The equilibrium mud bed with dikes of different heights when the vertical average velocity equals to 39 cm/s

图6 H/h与d/d0的关系Fig.6 The relation of H/h and d/d0

4 潜堤高程的推荐值

结合已建工程确定潜堤高程。日本的熊本港，流速小于0.5 m/s，航道段对应滩面自然水深为2～4.5 m(低潮位)，潜堤高度 H=1.0 m，H/h=0.5 ～0.22，流速取0.5 m/s，则由公式(1)计算得到相对冲刷度 d/d0=0.2～0.5，即在水流冲刷作用下能够悬扬并越堤的泥沙量将仅占堤前拦下的浮泥总量的20% ～50%，这也与文献［7］所述的“当潜坝高度超过1 m时就会产生相当好减淤效果”一致。

印度尼西亚的Semen Tuban港的潜堤主要用来阻挡底部高含沙水体直接进入港池和回旋水域，潜堤所在处的滩面水深为6～9 m(低潮位)，潜堤高H=2 m，则H/h=0.3～0.2，结合日本的熊本港H/h=0.5～0.2可知，潜堤高度与水深的比值H/h一般可取在0.2～0.5之间。这将为数学模型和物理模型试验中的潜堤高程初步设计提供基本依据。

5 结 语

1)在淤泥质海岸应用潜堤来减小泥沙淤积量是可行的，潜堤减淤的机理主要是阻挡了底部浮泥直接进入航道和缩短了含沙水体进入航道的时间。

2)潜堤越高，对应的堤前底流速相对越小，对泥沙的掀动能力更弱;随潜堤高度的增加，泥面冲刷减弱;不同流速间对比，表现出流速大，对应的冲刷坑深度也大。

3)实验表明，细颗粒泥沙在直角梯形潜堤后的强紊动作用下难以落淤，因此设计时应尽可能地增加堤后的紊动强度，推荐直角梯形潜堤。

4)当相对高度即潜堤高度与堤前水深之比为H/h=0.2～0.5时，便可有较好的减淤效果。

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Flume experimental study on the heights of submerged dike to diminish siltation

PANG Qi-xiu，ZHANG Rui-bo，YANG Hua
(Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Transport，Tianjin 300456，China)

The height of submerged dike employed to diminish sedimentation in muddy coast is one of important factors for the design.The experiments conducted in a long flume are designed based on the main principle of using the submerged dike to eliminate sedimentation，which is to prevent fluid mud from entering the channel directly，and shorten the time of high silt-laden water entering the channel.The flow disturbing，motion of fluid mud，depth variation of fluid mud and siltation in the channel behind the submerged dike are selected as the main parameters for the comparison of different heights of the dike.The results show that the submerged dike is efficient to decrease the erosion of fluid mud existing in front of the dike when the relative height，the ratio of height of dike to water depth，equals to 0.2 ～0.5.

heights of submerged dike;countermeasures against siltation;mud;flume experiments

TV148

A

1005-9865(2012)02-0066-06

2011-05-31

国家高技术研究发展计划(863)资助项目(2012AA112509);天津市滨海新区重大科技支撑项目(2010-Bk1400011)

庞启秀(1977－)，男，山东潍坊人，博士，助理研究员，主要从事港口、海岸及近海工程水动力和工程泥沙研究。

E-mail:pangqixiu@tiwte.ac.cn