孟加拉湾东海岸某沿海电厂泥沙淤积问题

张亚敬，谭忠华，周志博，徐亚男，陈汉宝

（交通运输部天津水运工程科学研究院，港口水工建筑技术国家工程实验室&工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456）

孟加拉湾整体呈喇叭口状，开口向南，面向印度洋，潮流动力强，属于典型的强潮海湾，涌浪作用频繁又是热带气旋的多发海域，是世界上受风暴潮灾害最为严重的地方。北部湾顶分布着丰水多沙的强潮河口——恒河-布拉马普特拉河口，高含沙水体及复杂的岸滩地貌在强潮强浪条件下，将会给港口、滨海电站配套海工工程带来巨大的泥沙淤积风险[1]，主要体现在泥沙淤积会对港池航道的通航水深和电站取排水口地形的过流断面带来不利影响。

电厂工程取排水口泥沙淤积研究很多，郭庆超、谢灵运等[2-3]采用潮流泥沙数学模型对港池泥沙淤积问题进行研究，张旭金、黄卫东等[4-5]采用潮流泥沙物理模型对取排水口泥沙问题进行分析。但是类似孟加拉东海岸这样恶劣的建港条件并不多见，前人研究的成果不能直接套用。针对孟加拉湾强浪强潮高含沙量的水动力条件，本文分别采用泥沙数学模型和波浪潮流泥沙物理模型对某燃煤电站泥沙淤积问题进行研究。研究得到了工程设计方案各部位的淤积结果，为工程拟建码头及取排水平面布置、水工结构设计和今后运营管理提供了可靠依据，为类似工程问题的研究提供参考和借鉴的经验。

1 工程简介

某燃煤电站厂址位于孟加拉湾东海岸吉大港南侧，距吉大港市中心约45 km。工程位置如图1所示。工程附近有众多大小河流入海，北有Karnaphuli河，Sangu河，南有Matamohori河，这些河流携带大量泥沙入海，近岸水体常年浑浊，工程区域海域来沙是主要的泥沙来源，悬沙中值粒径在6.32～8.79μm之间。拟建工程海岸由近岸向深水区域呈滩-槽-脊相间的水下地形特征，近岸北侧区域为粉砂分布区，中值粒径在0.011～0.099 mm之间；离岸深槽外侧粗细砂相间中值粒径在0.181～0.399 mm之间。强浪强潮高含沙量的水动力特点较为明显。

图1 工程地理位置示意图Fig.1 Geographical location of the project

港池布置为垂直于岸的环抱型，南防波堤长为2 535 m，北防波堤长为2 190 m，航道及港池挖深至-6.4 m。码头长度共199 m，采用高桩结构，由473 m栈桥与岸相连。采用港内取水，取水明渠与港池相连，明渠底高程为-4.68 m，总长430 m，底宽65 m，排水为管涵离岸排水，布置在北防波堤北侧，取排水流量为59.1 m3/s[6-7]。工程平面布置见图2。

2 泥沙数学模型计算分析

2.1 泥沙起动流速计算

图2 港池平面布置图Fig.2 Plane layout of the harbor basin

根据底质取样分析结果，中值粒径在0.011～0.399 mm之间，粗颗粒启动流速采用沙莫夫公式计算[8]，细颗粒起动流速采用窦国仁[9]泥沙起动流速公式计算。港池、防波堤及取水工程位于-5 m等深线以内，粗颗粒泥沙的起动流速可超过0.43 m/s，细颗粒泥沙的起动流速在0.60～1.95 m/s的范围内，结合水文实测和数值计算结果，大潮期海域最大流速大于此数值，海床泥沙较易在单纯潮流作用下发生起动和输移。

2.2 泥沙起动水深计算

海底泥沙在波浪作用下的起动水深与波浪的波高、周期以及泥沙粒径的大小有关。为进一步分析波浪作用下泥沙的起动程度，使用佐藤-田中计算式[10]对泥沙起动波高进行计算。

计算结果表明，波高为1.0 m的波浪分别能使5.0 m（常年代表波浪平均周期T=8.2 s）和6.0 m（重现期50 a波浪平均周期T=13.8 s）水深以浅的泥沙中值粒径在0.02 mm内细颗粒泥沙海床泥沙产生全面推移。

2.3 模型建立及验证

图3 模型计算地形图Fig.3 Model computational topographic map

图4 工程局部网格图Fig.4 Mesh grid for local area of project

潮流泥沙数值模拟采用大小模型嵌套的方法进行计算，如图3、图4所示，大模型计算域东西方向长约2 660 km，南北方向长约2 240 km。小模型计算域东西方向长约280 km，南北方向长约170 km，开边界约为1 km，工程区域空间步长约为10 m，计算节点43 858个，网格85 707个。

针对工程所在海域的特点，在潮流数学模型的基础上，使用MIKE21软件包中的MT泥沙模块建立考虑波浪作用的泥沙数学模型，研究工程实施后泥沙运动和地形冲淤情况[11]。

潮流模型建立和验证的基础是5个实测点大潮及小潮的实测水深及垂向平均流速流向资料以及含沙量。大潮和小潮期潮位对比曲线见图5，潮位实测值与计算值吻合较好[6-7]。

图5 大潮期测站潮位对比曲线Fig.5 Comparison curveof tidal elevation of stationsduring spring tide

为考虑全年平均淤积情况，采用基于经实测全潮过程验证的潮流、泥沙场，工程外海区域SSE～W向年均代表波浪H1/3=0.93 m，平均周期为8.2 s，合成波向为偏SSW，模型运算全年后统计冲淤结果。不同区域年冲淤强度统计结果见表1，取排水设计方案的年冲淤强度分布见图6。

表1 不同区域年冲淤强度统计表Table1 Statistical table of annual erosion and siltation in different regions

图6 工程后年冲淤强度分布图Fig.6 Thedistribution of annual erosion and siltation map

取水明渠沿程及取水口附近的淤强在0.48～2.98 m/a之间变化，平均淤积强度为2.54 m/a，年均淤积量约7.36万m3/a。港池水域的淤强在1.78～5.82 m/a之间变化，平均淤积强度为3.96 m/a，年均淤积量约57.04万m3/a。泊位水域的淤强在1.98～4.41 m/a之间变化，平均淤积强度为3.02 m/a，年均淤积量约4.89万m3/a。航道水域的淤强在1.04～5.33 m/a之间变化，平均淤积强度为3.63 m/a，年均淤积量约60.80万m3/a。工程建设后总水域的淤强在0.48～5.82 m/a之间变化，平均淤积强度为3.68 m/a，年均淤积量约125.31万m3/a。

3 潮流波浪泥沙物理模型试验

3.1 模型设计

根据平面布置，波浪潮流泥沙物理模型试验采用变态模型，模型尺寸为75 m×45 m，水平比尺200，垂直比尺80，模型试验的主要比尺汇总见表2。模型布置见图7。

表2 物理模型主要比尺Table2 Main scale of physical model

图7 模型布置图Fig.7 Physical model layout

3.2 模型沙选择

根据当地海区泥沙沉降速度和泥沙沉降相似比尺关系确定。原型沙沉速按张瑞谨[8]的粗细颗粒通用公式计算原型悬沙和底沙的沉速分别为0.35 mm/s和2.25 mm/s。根据模型沙对比，选择γs=1.195 g/cm3，中值粒径d50=0.250 mm的聚氨酯模型沙模拟底沙。采用γs=1.123 g/cm3，d50=0.069 mm的聚苯乙烯模型沙模拟悬沙。

3.3 模型试验条件

采用已验证的大、小潮组合潮型作为潮流边界条件，波浪边界选取同数学模型。取排水流量按原型59.1 m3/s给定。采用已验证的潮流期间的含沙量作为本次试验的常年浪含沙量。

3.4 模型验证

在进行模型试验之前需对物理模型的潮位和潮流、水体含沙量以及地形演变趋势进行验证，以保证模型模拟的工程建设后地形变化趋势是正确的。

1）潮位验证采用T1站点的潮位过程（测站分布见图1）。大小潮过程分别进行验证，验证试验潮位过程曲线与实测数据对比见图8。同时进行流速流向验证，模型模拟的大小潮流速流向过程与实测基本一致。

图8 T1站大潮潮位过程验证结果与实测数据比较Fig.8 Comparison of verification results of tidal level processesat measured point T1 with measured data

2）含沙量验证

图9 C1站大潮含沙量过程验证结果与实测数据比较Fig.9 Comparison of verification resultsof sediment concentration processesat measured point C1 with measured data

含沙量验证采用同时段已验证潮位的含沙量，模型模拟的大小潮含沙量过程与实测基本一致，验证试验C1大潮含沙量过程曲线与实测数据对比见图9。年海图间地形变化吻合较好，见图10。从试验结果看，模型运行4 d后，模型中的地形冲淤情况与实测值吻合良好，满足规范要求[12]，模型能够用来模拟工程建设后的泥沙冲淤情况。本次模型的冲淤时间比尺最后调整为1∶547.5，即模型运行16 h相当于原体1 a。

图10 典型断面地形验证结果Fig.10 Verification resultsof typical section terrain

3）地形验证

地形验证试验采用大小潮循环的组合潮型，含沙量过程采用对应的已验证的大小潮含沙量过程。试验波浪条件同数学模型。在连续试验4 d后，模型中断面地形变化与2017年实测和2011

3.5 物理模型试验结果分析

在代表潮型、常年浪、含沙量及设计取排水量条件下模拟运行1 a时间，港内各区冲淤强度及淤积量统计结果见表3。1 a后港内冲淤分布见图11。

表3 港内各区年淤积强度及淤积量统计结果Table3 Statistical table of annual siltation intensity and amount in different regions

图11 年冲淤分布图Fig.11 Thedistribution of anunnal erosion and siltation

工程方案泥沙动床试验结果表明：取水明渠内淤积强度在0.72～2.25 m/a之间，平均淤积强度为1.97 m/a，总淤积量为5.81万m3/a；港池区域淤积强度在1.39～5.32 m/a之间，平均淤积强度为3.73 m/a，总淤积量为53.5万m3/a；泊位处淤积强度在2.55～5.20 m/a之间，平均淤积强度为3.58 m/a，总淤积量为4.55万m3/a；航道内淤积强度在1.36～5.81 m/a之间，平均淤积强度为4.36 m/a，总淤积量为55.67万m3/a。工程区内的年淤积强度在0.72～5.81 m/a之间，平均淤强可以达到3.35 m/a，港内总淤积量为119.53万m3/a。

防波堤堤头附近出现了不同程度的冲刷。其中，南堤堤头附近冲刷范围由南堤转弯角向东约50 m至堤头处，冲刷宽度约30～50 m，冲刷深度约0.5～5 m（未防护情况下），堤头位置冲刷最严重；北堤斜坡堤堤头段内外两侧均有冲刷，其中北侧冲刷范围约30～50 m，冲刷深度0.5～2 m，南侧即口门内区域由于堤头挑流以及波浪折射作用也出现了冲刷，冲刷深度均小于0.5 m。数学模型计算结果与物理模型试验结果对比见表4。

表4 数学模型计算结果与物理模型试验结果对比Table4 Comparisonsresultsbetween mathematical model and physical model test

4 结语

1）采用泥沙数学模型及潮流波浪泥沙动床物理试验模型分析工程实施后港池、航道及取水口的冲淤情况，模型均进行了潮位、流速、流向、含沙量等验证。物理模型还进行了冲刷和淤积地形验证。结果表明，无论是数学模型还是物理模型，均能反映工程建设后各部位的泥沙淤积情况。

2）电厂取水量大，口门外水体含沙量高，大量泥沙在航道、港池和取水明渠落淤。口门处向港内一段范围内淤积最严重，航道和取水明渠沿程淤积逐渐减小。同时也应注意防波堤堤头的冲刷问题。

3）数学模型和物理模型试验结果表明工程区内平均淤强分别为3.68 m/a、3.35 m/a，淤积强度较大，对工程建设提出挑战，建议备淤深度按照2 m考虑，在电站运行期间每年清淤2次，以确保电站安全运营。同时对港池及航道的淤积进行监测，关注防波堤堤头的冲刷问题。

4）工程海域水体含沙量高，所在海域常有风暴潮发生，风暴潮期间引起的港池骤淤应引起重视。

5）研究成果可为在孟加拉湾东海岸建港提供技术参考。研究采用的技术路线和方法可为类似工程提供参考和借鉴。