长江下游河段大型挖入式港池泥沙回淤研究

周巧菊，赵雪荣

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司南京分公司，南京210016）

长江下游河段大型挖入式港池泥沙回淤研究

周巧菊，赵雪荣

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司南京分公司，南京210016）

在分析感潮河段挖入式港池泥沙淤积机理的基础上，对回流淤积、异重流淤积量及缓流淤积量的计算方法进行了研究，并对长江下游某大型挖入式港池规划方案的淤积量及淤积强度进行了估算。计算结果表明挖入式港池内以异重流淤积为主，港池口门附近的回流区淤积强度最大。文中还对挖入式港池淤积量与港池内水深变化、港池水域面积变化及来水来沙条件变化的相关性进行了总结，得出了一些规律性的结论。

感潮河段；大型挖入式港池；回淤研究；长江下游

挖入式布置是港口码头平面布置的一种常用形式，具有充分利用岸线、便于管理、不碍航和不减小河道行洪断面的特点，在内河小型码头建设中应用广泛。但是由于挖入式港池普遍存在着泥沙淤积问题，往往需要通过疏浚来维持港池水深，这影响了码头的正常使用，加大了运营成本，也在很大程度上限制了其在沿江大型码头建设中的应用。近年来，随着长江下游可用岸线资源的逐渐减少，特别是长江经济带建设正式上升为国家战略，沿江港口发展与岸线资源的矛盾愈加突出，可否利用沿江天然岸线建设大型挖入式港池成为能否解决这一矛盾的关键问题，受到了人们的广泛关注。本文结合长江下游某港口挖入式港池规划方案，对长江下游河段挖入式港池泥沙淤积机理、淤积量计算及淤积特点等进行了研究分析，研究结果可为工程设计提供有力的科学依据。

图1 3万t级挖入式港池规划布置方案Fig.1 Planning layout of excavated⁃in harbor basin for 30，000 dwt ship

1 工程概况

规划的挖入式港池位于长江下游龙潭水道北岸西坝拐头河势节点保护区至过江管线保护区之间河段。工程河段深槽贴岸，水深条件较好。平面布置采用口袋型布置方案［1］，港池通过进港航道与长江相连。规划建设12个3万t级泊位，港池宽度为482m，港池西侧长1 700m，东侧长1 630m，进港航道宽260m，长约90m，规划布置方案见图1。

2 挖入式港池淤积机理分析

挖入式港池口门开敞而内端封闭，属于典型的盲肠河道。从泥沙的淤积机理方面分析，一般将挖入式港池内的淤积分为回流淤积和异重流淤积，对于受潮汐影响河段的挖入式港池，还存在由涨落潮引起的缓流淤积。因此，感潮河段挖入式港池回淤总量等于回流淤积、异重流淤积及缓流淤积三部分淤积量之和［2-4］。

2.1 回流淤积机理分析

回流淤积是挖入式港池最为普遍的淤积形式，国内外许多学者通过概化模型、水槽实验及理论探讨等方法对挖入式回流运动进行了大量研究［5-7］，研究试验表明：河岸修建挖入式港池后，当主流通过港池时由于过水断面突然扩大,在主流与港池内静止水体之间存在流速梯度而产生切力,引起水流分离现象,形成了一个封闭的水流区，即回流（图2）。挖入式港池内外的这种水体交换作用使得从主流扩散的泥沙进入港池并在港池口门附近以及港池内淤积，是挖入式港池产生回流淤积的重要原因。在回流区水流角速度大而线速度小，饱和挟沙力远小于主流的挟沙力，使得较粗的泥沙在回流中心部位淤积。口门区的回流运动还可能会诱发次生回流，在回流区未落淤的部分悬移质细颗粒，一部分随水流返回主流区，但更多的是随浑水异重流转移到次生回流区,造成港池内部的沿程淤积。对挖入式港池泥沙淤积情况的调查结果也能反映这一特点［8］,泥沙的回流淤积主要分布在口门附近，淤积量相对较大,泥沙粒径也较大；而港池深处则淤积量小，泥沙粒径小，主要是浑水潜入内部在上溯过程中悬沙不断落淤形成的异重流淤积。

2.2 异重流淤积机理分析

异重流是两种密度相差不大、可以相混的流体，在条件适宜时因密度差异而产生的相对运动，它通常出现在水库、盲肠河段、挖入式港池等处。对于挖入式港池，港池内的水体经过沉淀含沙量很小，而主流具有一定的含沙量，两部分水体在交界面上将因密度差而形成压力差，当压力差达到一定的数值时，港池外含沙量高的水体将沿着底部潜入港池形成异重流。异重流形成后，较粗的泥沙首先沉淀，较细的泥沙将沿程淤积在港池内部，通过淤积而逐渐变清的潜流到达一定位置后转而上升到水面成为面流，以相反的方向流向口门。这样便在港池内形成一个流速不大的纵向环流，使浑水源源不断地挟带泥沙沿港池底部潜入，而清水源源不断地沿水面流出，循环往复不已的输沙造成港池的淤积，如图2所示。实测资料表明，有异重流产生的挖入式港的淤积较没有异重流的挖入式港池大得多［2］，因此挖入式港池必须考虑异重流淤积的问题。对于感潮河段的挖入式港池是否产生异重流淤积一直是工程界有争议的问题，一种观点认为感潮河段受潮汐影响不能产生异重流淤积或淤积量很小，可以忽略；另一种观点认为感潮河段挖入式港池是否产生异重流应与潮汐影响的强弱有关，当涨落潮的回荡作用相对较弱时，港池内有可能产生异重流淤积。笔者较认同后一种说法，由于本工程河段潮汐作用相对较弱，落潮时间较长，流速很小，有利于异重流发生，因此本文结合工程河段的水位、地形及潮位等资料首先对是否会产生异重流进行判别后再进行淤积量计算。

2.3 缓流淤积机理分析

缓流淤积是感潮河段挖入式港池特有的淤积形式，受潮汐的影响，港池水位受涨落潮潮位的变化而变化，由于潮波变形涨潮历时短而落潮历时长，即涨潮进入港池水域的水流速度大于落潮时退出港池水域的水流速度，因而涨潮时的水流挟沙力大于落潮时的水流挟沙力。涨潮时水位抬升，港池外高含沙量水体进入港池中，由于港内流速较小，加上港池水域突然扩大，故由涨潮带入的较粗颗粒泥沙将一部分淤积下来，即为缓流淤积，而另一部分较细的未落淤泥沙将随落潮水体带出港池。

图2 挖入式港池水流分布示意图Fig.2 Sketch of water flow distribution in excavated⁃in harbor basin

3 淤积量计算方法

3.1 回流淤积量计算方法

许多学者通过系统观测和大量的实测资料分析研究得到了河渠盲肠河段的回流淤积率计算经验公式［9-11］。对于感潮河段，回流的形成及淤积机理与无潮河段相近，回流淤积一般可参考盲肠河段回流淤积率计算公式计算。目前，常用的有谢鉴衡经验公式及刘青泉经验公式。

（1）谢鉴衡公式。谢鉴衡根据长江青山运河等原体观测及水槽试验资料，建立单位时间内回流淤积量计算公式为

式中：GS1为单位时间内回流泥沙淤积量，kg/s；φ为综合系数，与回流区侧向阻力系数、港池航道轴线与主流夹角、主流流速、含沙量横向分布及粒配有关，一般情况下φ值可取0.003 7；L为主流与回流交界面长度，m；h为主流与回流交界面平面水深，m；U为主流断面平均流速，m/s；S为口门平均含沙量，kg/m3。

（2）刘青泉公式。刘青泉通过大量的试验和分析，在谢鉴衡等人的研究基础上得到单位时间内回流淤积量计算公式为

式中：ψ为修正系数，可根据实测资料进行分析，一般大于1，但接近于1；P＞dc为泥沙中大于分界粒径dc的泥沙含量（重量比），根据淤积机理，认为只有大于分界粒径的粗颗粒才会在回流区落淤，小于分界粒径的细颗粒则转移到异重流区落淤；Sm*为主流含沙量，kg/m3；Sr*为回流饱和挟沙力，kg/m3。

K0、m为经验系数、经验指数，当m取1.0时，K0取2.0；ω为泥沙沉降速度，cm/s；g为重力加速度，m/s2；Urm为回流强度（回流横轴上的平均流速），m/s；

式中：K为系数，取0.16；

关于分界粒径dc，可采用徐建益的试验经验公式；

式中：d0为标准粒径，取1mm；ν为水流粘性系数；γs、γ分别为泥沙及水的重度。

3.2 异重流淤积计算方法

3.2.1 异重流产生条件分析

目前，关于河渠挖入式港池的异重流淤积情况的研究成果较少，主要借助水库异重流的有关理论来进行分析判断。对于水库是否产生异重流的判断公式为［9］

式中：v0为异重流潜入点的临界流速，m/s；Δγ为港池内外水体重度差，Δγ=γ′-γ，N/m3；γ′、γ为港池内、外的水体重度，γ′＝1 000＋0.622S1、γ＝1 000＋0.622S2。

根据水库产生异重流的临界条件，推导感潮河段挖入式港池产生异重流的判别条件［2］。设T1为一个潮周期内涨潮历时，T2为落潮历时，A0为低潮位时港池口门断面面积，A为港池水域面积，B为港池口门宽度，潮差为△H，则涨潮周期内，t时刻港池口门断面面积为

涨潮时港池口门断面平均流速为

类似方法可得落潮港池口门断面平均流速为

结合水库异重流的潜入条件，因涨潮时向港内流进的水流类似于水库入流，故对于涨潮可用式（6）进行判别是否产生异重流，只是流速采用v+，即

由于落潮时港池的流速与异重流运动速度相反，故当v-＞U′时，异重流遭到破坏，因此，在一个全潮过程中，只有当或v-＜U′时形成异重流。

异重流运动速度U′可用下式进行计算

式中：K2为综合常数，根据水槽试验资料取0.46，根据青山运河野外观测资料取0.415，根据长江某盲肠河段野外观测资料取0.405。

3.2.2 异重流淤积计算公式（1）谢鉴衡公式［9］。异重流形成后，单位时间内由异重流带入港池的沙量为

式中：ϕ为综合系数，由水槽试验资料分析为0.014，青山运河实测资料反求为0.019 1，对于感潮河段，由于涨落潮的回荡作用，不同程度地限制了异重流的发生发展，故取0.014为宜。

（2）刘青泉公式［11］。刘青泉在其回流淤积计算方法的基础上，得到P＜dc，则港池内异重流淤积量为

式中：P＜dc为泥沙中小于分界粒径的泥沙含量。

3.3 缓流淤积计算方法［2］

缓流淤积实质上是涨落潮引起的悬沙淤积，目前对于缓流淤积还没有公认的成熟的计算方法。由于涨落潮流速较小，由涨潮带入港池的泥沙沉降造成淤积。一般挖入式港池纵深不长，故可按静水沉降的方法进行计算。设涨潮带入港池的水体含沙量为s，则由涨潮所带入的泥沙重量为W＝ΔHAS，这部分泥沙一部分在港池内淤积，另一部分随落潮水体带出。设泥沙沉降机率为α（一般取0.65），则一次涨落潮港池缓流淤积量为

4 挖入式港池淤积量计算

根据上述计算公式可知，挖入式港池淤积量与工程河段来水来沙密切相关，而河段来水来沙条件年际间均存在一定的变化，为了解一般水文年挖入式港池的淤积情况，计算水文泥沙资料采用长江下游大通水文站三峡水库蓄水后2003～2012年的多年月平均流量及含沙量，结合工程河段河工模拟试验得到的水位-流量及流速-流量的相关曲线得到多年月平均流量下工程所在位置的水位、流速值（表1）。根据挖入式港池规划尺度及水文、泥沙等参数，分别利用谢鉴衡及刘青泉经验公式计算得到港池回淤强度及回淤量结果见表2。

计算表明，谢鉴衡经验公式计算得到的年淤积量约为81.2万m3，刘青泉经验公式计算得到的年淤积量约为76.6万m3。二者计算结果存在一定的差异，其中刘青泉经验公式回流淤积量计算值较谢鉴衡经验公式计算值小，但其异重流淤积量计算值均较刘青泉经验公式计算值大，但二者计算得到的淤积总量较为接近，差异不到6%。

5 计算结果分析

通过对上述计算结果进行总结分析，挖入式港池泥沙淤积的主要特点有：

（1）挖入式港池内会产生异重流淤积，且主要以异重流淤积为主，其次是回流淤积量，缓流淤积量最小。根据异重流产生的判别条件，挖入式港池内能产生异重流淤积，且异重流淤积量占总淤积量的75%以上，其次是回流淤积量，缓流淤积量最少，不到总淤积量的5%。这与前面所述回流、异重流及缓流的淤积机制及特性也是相符的，工程河段水流含沙量较小，泥沙组成细颗粒比例高，潮差小，因此回流淤积量及缓流淤积量小，而港池开挖深度大，水深值大，异重流临界流速大，有利于异重流的产生，因此异重流淤积量较大。

（2）港池口门回流区淤积强度较大，港池内部淤积强度相对较小。由于回流淤积主要集中在港池口门回流区，而异重流淤积及缓流淤积则发生在整个港池范围内，因此回流区淤积强度大，根据谢鉴衡经验公式及刘青泉经验公式计算得到的回流区淤积强度分别为1.78m及1.34m，异重流及缓流淤积强度较小，年均淤积厚度约0.776m。因此，挖入式港池建成后，泥沙将在港池口门处局部淤积形成口门沙包，口门附近的回流区是淤积最为严重的区域。

（3）挖入式港池回淤量受港池水深影响较大，受港池面积影响较小。由于挖入式港池内以异重流淤积为主，根据异重流的产生条件及异重流淤积量的计算公式可以看出，水深增大时异重流临界流速越大，越有利于异重流的产生，异重流流速也越大，因此异重流淤积量也越大；而港池水域面积增大时对异重流及回流淤积基本没有影响，仅缓流淤积量会增大，但因缓流淤积量很小，因此，水深增大时泥沙淤积总量明显增长，港池水域面积增大时泥沙淤积总量变化很小。分别对不同水深及不同水域面积情况下挖入式港池的淤积量进行了计算（图3），计算结果也表明了这一特点。

（4）工程河段来水来沙条件对挖入式港池淤积量影响很大。根据港池内泥沙淤积的机制及淤积计算公式可知，挖入式港池淤积量与工程河段的来水来沙条件是息息相关，因此年际间随来水来沙条件的不同港池淤积量也将存在一定的差异。根据三峡蓄水后至今大通水文站水沙资料分析，2005年属于典型丰沙年，利用2005年各月水文资料计算得到挖入式港池的淤积总量约128万m3，较多年月均流量及含沙量条件下淤积总量增幅达50%，计算结果表明来水来沙条件的变化对挖入式港池的淤积量影响较大。

表1 淤积计算水文泥沙参数取值Tab.1 Hydrological and sediment parameters for siltation calculation

表2 3万t级挖入式港池规划方案回淤计算结果Tab.2 Calculation results of siltation amount in planning excavated⁃in harbor basin for 30，000 dwt ship

图3 回淤量-水深变化关系图Fig.3 Relationship diagram of siltation amount and water depth of basin

图4 回淤量-港池水域面积变化关系图Fig.4 Relationship diagram of siltation amount and water area of basin

6 结语

（1）在潮汐作用较弱的河段建设大型挖入式港池，港池内会产生异重流淤积，且异重流淤积所占比重最大，其次是回流淤积，缓流淤积量很小。因此，消除异重流是减小挖入式港池总淤积量的关键。

（2）挖入式口门回流区淤积强度最大，即泥沙将在回流区形成沙包，港池内淤积强度明显小于口门回流区淤积强度。

（3）挖入式港池回淤量受港池水深影响较大，受港池面积影响较小。因此，挖入式港池建设应合理确定港池设计水深，在船型一定的情况下建议在有一定规模需求情况下再进行挖入式港池建设，可通过建设规模来降低单个泊位的维护成本，保证港口的实际运营效益。

（4）河段来水来沙条件对挖入式港池淤积量影响较大，来水含沙量大时港池内淤积量较大，含沙量较小时港池内淤积量则明显减小。近年来受三峡工程的影响，长江中下游河段来水含沙量显著减小，为沿江挖入式港池的建设创造了有利条件。

（5）挖入式港池淤积量大小还与港池轴线与口外主流的交角、进港航道宽度等因素息息相关，考虑到问题的复杂性以及挖入式港池建设方案的千差万别，本文未作这方面的分析，后续有待进一步研究。

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Research on siltation in large excavated⁃in harbor basin of lower Yangtze River

ZHOU Qiao⁃ju,ZHAO Xue⁃rong
（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Nanjing branch,Nanjing 210016,China）

Based on analysis of the siltationmechanism in excavated⁃in harbor basin of the tidal reach,themethod for calculating the siltation amount induced by circulating flow,density flow and the wave rise and fall was discussed in this paper.The amount and intensity of siltation for a planning project of a large excavated⁃in harbor basin in the lower reaches of the Yangtze River was also estimated.The calculation results show that siltation of den⁃sity flow is amajor part of the total amount of siltation,whereas the circulating flow zone of the entrance of excavated⁃in harbor basin has the largest siltation intensity.This paper gets some universal conclusions by summarizing the correlation relationships between the siltation amount and harbor water depth,harbor water area,as well as the char⁃acteristic of incoming flow and sediment.

tidal reach;large excavated⁃in harbor basin;siltation;the lower Yangtze River

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）03-0214-06

2015-03-25；

2015-05-05

周巧菊(1980-),女,湖北省人，工程师，主要从事港口航道设计及研究工作。

Biography：ZHOU Qiao⁃ju(1980-)，female，engineer．