澳门内港挡潮闸工程泥沙淤积特征分析

靳高阳，易 灵，陈 飞

(中水珠江规划勘测设计有限公司，广东 广州 510610)

在径流、潮汐、波浪等往复流作用下，泥沙运动不仅影响着河口海岸地区的地形地貌及环境演化，也是影响挡潮闸、航道建设等工程安全的重要因素。淤泥质海岸主要分为平原型和港湾型，前者由江河携带的大量细颗粒泥沙在波浪和潮流的作用下输运沉积形成，后者则是由沿岸流搬运的细颗粒泥沙在海湾堆积而成。研究往复流作用下淤泥质海床海岸工程建设后的区域泥沙特征、泥沙淤积速率以及板结状态等，对工程建设具有十分重要的意义。

目前，研究方法主要有经验公式法、现场资料分析法、物理模型试验法、数值模拟法、无人机航测等，它们均能对工程建设后的泥沙回淤情况进行分析，并基于此，可提出在工程设计中能有效减少泥沙淤积的措施方案。本文以珠江河口湾仔水道出口位置建设澳门内港挡潮闸工程为研究对象，通过试挖槽原型试验、标准水槽内淤沙抗冲流速试验等方法，分析其泥沙特征，为工程建设及运行管理提供基础支撑。

1 研究概况

澳门内港挡潮闸设计总净宽为304m，由6孔泄水孔(单孔净宽30m)、2孔通航孔(单孔净宽62m)组成，如图1所示。闸址位置上承湾仔水道径流，下纳南海潮流，受洪潮交汇作用影响，其水文情势相当复杂。工程区域是典型的往复流作用下的淤泥质海岸，其泥沙主要来自水域西侧的洪湾水道和伶仃洋西滩水域，在风浪和潮流等动力作用下经二次搬运输移至工程附近水域。工程所在水域现状河床底高程为-1.18～(-4.12m)，平均高程约为-2.65m。内港挡潮闸泄水孔及通航孔均采用下卧式弧形钢闸门，孔口尺寸分别为(宽×高)30.0m×5.35m、62m×7.35m，采用平底宽顶堰型，通航孔底板高程为-6m，泄水孔底板高程为-1.5和-3.5m。挡潮闸闸门平时全开过流，外江高潮位时关闸挡潮，当闸门关闭或在某开度的状态时，在往复流作用下，整个闸室及护坦段泥沙淤积严重。闸门下部及其周围水较深、流速较小，泥沙极易在该区域沉降淤积，当泥沙沉降淤积至一定高度时，闸门开启和正常运行将会严重受阻。

图1 澳门内港挡潮闸工程位置示意图

2 试验方法

本文在闸址位置泄水孔中间开展试挖槽原型观测试验和泥沙取样，通过分析泥沙淤积厚度、固结程度及抗冲流速等主要数据，为工程设计优化和减淤对策提供基础支撑。

2.1 泥沙淤积试验

试挖槽原型观测以设计的单孔泄水闸方案(长16m、宽30m)为依据，采用铁板材料制作试验模型，模型顺水流方向为20m、垂直水流方向取10m、闸底板高程按-3.5m、弧形钢闸门底高程为-5.15m，在下卧式弧形闸底部中间垂直水流方向开挖一条梯形槽，底宽2m、深1m、边坡以利于泥沙落淤为控制。为了便于观测和防止横向泥沙运动落入开挖的观测坑槽，底部和两侧铺设钢板，模型共使用钢材13.46t。在5#泄水孔中间海床按照模型尺寸开挖深槽，将制作好的模型放入坑中。原型观测试验于2018年5月24日安装完毕，自2018年6月开始每月20日左右进行一次地形观测，持续时间为期一年。泥沙淤积原型观测试验采用GNSS RTK同测深仪组成自动定位测深系统，同步进行测深定位采集水下地形点的三维坐标。每次观测都采用同一测深装置、同一基准点、同一定位仪器，数据定位测深采集间隔按每秒1次，确保每次观测模型的数据量，便于分析泥沙淤积情况，如图2—3所示。

图2 挡潮闸平面布置及原型观测试验位置

图3 原型观测试验模型结构

2.2 泥沙起动流速试验

泥沙起动流速是反映水流动能带动泥沙运动的重要指标。珠江河口地区近海岸的泥沙起动流速一般在0.5～1.0m/s左右。但闸址泥沙特征特别是淤沙速率和板结特征等数据资料尚待考证和掌握。为此，本文采集工程位置处的海床泥沙样本进行了泥沙起动流速试验。淤沙抗冲流速试验在标准水槽内依次进行，试验前由工程现场取回3个海床淤沙土样，带水进行封装并运输至试验现场进行试验。试验布置如图4所示，试验时在标准水槽底部预开一个矩形坑，将取回的土样置于定做的矩形盒内，上部抹平，整体置于静水中浸泡3～6h后，连盒取出水平放置于标准水槽底部预留的矩形坑内，使得淤沙土样表面与水槽池底齐平。3个土样放置到位后，依次进行流速从零开始逐步分阶提升的详细试验。

图4 淤沙起动流速试验标准水槽

在水槽底板挖槽水平铺沙试验基础上，进行堆砌淤沙块状的抗冲试验，进一步研究淤泥试样在全暴露状态下受到水流冲刷后其周边冲刷剥落情况，如图5所示。

图5 堆砌淤沙块状抗冲试验(试验水流流速v=0.84m/s时)

3 试验结果

3.1 泥沙特征与淤积速率分析

3.1.1泥沙特征

从泥沙分布上看，往内港航道上游段中值粒径较粗，下游段较细；滩地上床沙略粗于航道，但总体上差别不大。根据泥沙采样资料，泥沙的颗分数据显示，除洪湾水道出口处中值粒径较大外(0.203mm)，其它各处床沙中值粒径均较小。其中西湾大桥至友谊大桥之间水域的床沙粒径稍微较大，介于0.06～0.09mm之间；友谊大桥下游水域，沉积物中值粒径较小，大部分区域小于0.06mm；西湾大桥上游水域床沙中值粒径也较小，大部分粒径小于0.05mm。工程附近海床悬移质中值粒径约为0.013～0.022mm，床沙中值粒径约为0.022～0.024mm，两者差别不大。由此可见，工程所在区域泥沙属于典型的悬移质沉降淤泥性质。

根据澳门附近水域多年遥感信息资料及澳门附近水域内浅海区实测断面含沙量及输沙量统计成果，洪季澳门水域泥沙主要来源于洪湾水道径流输沙，含沙量中心出现在汇流区和氹仔岛北侧，在落潮动力作用下，悬沙由汇流区至澳门内海区直至输出口外沿程扩散，悬沙含量不断降低。枯季由于径流来量小，从洪湾水道进入澳门水域的悬沙也较少，该水域内较高含沙区主要分布在氹仔岛北侧浅滩区及东部近岸水域。浅滩水体含沙量较高的形成原因，主要是由于风浪对浅滩底质泥沙的掀扬，加上潮流进退的扰动，在得不到泥沙充分补给的情况下，浅滩处形成的相对较高的含沙水流也不断随潮流进退而发生泥沙再迁移。从洪湾水道至澳门水道出口，悬沙分布呈自西向东递增之势。工程所在的湾仔水道出口洪期最大含沙量为0.19kg/m3，平均含沙量为0.074～0.084kg/m3，悬沙中值粒径约为0.012mm；枯期最大含沙量为0.13kg/m3，平均含沙量为0.044kg/m3，悬沙中值粒径约为0.008mm。西边的洪湾水道出口位置，洪期最大含沙量约为0.85kg/m3，平均含沙量约为0.20～0.49kg/m3，悬沙中值粒径约为0.022mm；枯期最大含沙量约为0.13kg/m3，平均含沙量约为0.12kg/m3，悬沙中值粒径约为0.013mm。

研究分析表明，工程区域的含沙量与上游湾仔水道径流关系密切。洪水期上游径流大，含沙量亦大；枯水期受潮流影响，径流减少，含沙量也减小。而涨、落潮不同时期的含沙量相比，无论洪季或枯季，落潮含沙量均大于涨潮含沙量。

3.1.2泥沙淤积速率

根据2018年6月—2019年5月期间的试挖槽试验观测数据，进行冲淤分析计算，得出相邻时段内的淤积厚度在0.05～0.24m，平均每月淤积厚度约为0.12m。试验一年间，闸底板平均淤积厚度达到1.25m。

试验观测数据表明，试验初期泥沙淤积速率明显快于后期，汛期大于枯期，如图6—7所示。主要原因是试挖槽初期水流、地形出现调整，受局部水流、潮汐、波浪、台风等复杂动力作用，淤积相对严重，试验前4个月正处于汛期(6—9月)，平均每月淤积厚度达到0.16m，枯期(10月—翌年3月)平均每月淤积厚度则为0.08m。

图6 试验初期7—8月冲淤分布

图7 试验中后期11—12月冲淤分布

为厘清泥沙淤积速率与流速关系，本文采用常用的能够反映流速变化的罗肇森公式计算进行泥沙回淤估算：

(1)

式中，p—年平均淤积强度，m；α—淤积经验系数；ω—泥沙沉降速度，cm/s；S*—工程前水流挟沙力；t—泥沙沉降时间，按一年的总秒数计；r0—淤积物的干容重，kg/m3；H1及H2—港池或回旋水域加深前、后平均水面下水深，m；θ—水流方向与航道轴线的交角，(°)；n—水流通过挖深航槽的转向系数。

计算时，假定试挖槽段单宽流量不变，由现状河床高程和开挖高程计算试挖槽开挖前后的水深和流速变化，由试挖槽的淤积强度率定淤积经验系数α。保持除流速项外的各项参数不变，工程建设后由于闸址断面流速增大，回淤强度为0.70m/a。

从上可以看出，试挖槽试验年淤积强度远大于采用经验公式法计算结果，其原因主要是工程建设后闸孔和试验挖槽的水流条件存在差异，现场淤积试验是在现状河床上进行开挖，断面面积增大，局部流速因而减小，悬浮泥沙更多地回淤于此处；而工程建设后由于闸墩及船闸泵站等建设，占用了现状河道的过流面积，致使闸址断面流速增大，泥沙随着水流迅速向前流动，回淤量减少。

3.2 泥沙起动流速分析

泥沙起动流速试验以及在此基础上进行的堆砌淤沙块状抗冲试验结果见表1。

表1 泥沙起动流速试验和堆砌淤沙块状抗冲试验结果

试验结果表明，泥沙起动流速试验中，各土样在流速v=0.60m/s以下均未发生淤沙冲刷现象，除顶部零散颗粒被冲走外，试验淤沙基本保持原形态，试验泥沙起动流速约为0.76～1.10m/s。土样一在试验流速达0.76m/s以上时发生淤沙被冲移剥蚀现象，土样二试验在试验流速达0.88m/s以上时发生淤沙被冲移剥蚀现象，土样三试验在试验流速达1.10m/s以上时发生淤沙被冲移剥蚀现象。

堆砌淤沙块状抗冲试验结果表明，当试验流速达0.6m/s及以上时各土样堆砌淤沙开始进行微量剥蚀冲移，其中在试验流速达0.75m/s时，土样一被整体冲移至下游；在试验流速达0.84m/s时，土样二被整体冲移至下游；在试验流速达0.93m/s时，土样三被整体冲移至下游。故可认为在本试验条件下，珠江河口淤沙抗冲流速约在0.7～0.9m/s之间变化。试验同时显示随着流速的增加，土样冲刷逐渐严重，但槽装土样并没有全部冲刷干净，即使试验流速达1.5m/s依然未全部剥蚀。其原因主要是珠江河口淤沙板结后粘结强度较大，抗剪切能力增大，抗冲能力增强。

出现上述现象的原因可能是：由于越接近河床表面的泥沙粒径越小，自身所受重力以及摩擦力就越小，泥沙起动时所需临界上举力也就越小，泥沙起动流速相对就小；而随着泥沙粒径的增大，自身所受重力以及摩擦力就越大，泥沙起动时临界上举力也就增大。同时，由于接近河床表面的泥沙板结程度低，粘接强度较低，抗冲能力不强，起动流速就会很小；反之，随着泥沙淤积深度的加深，泥沙板结的程度变高，粘接强度大，起动流速就会加大，试验取得的泥沙起动流速数据很好地反映了泥沙淤积板结的特征。根据现场试挖槽泥沙淤积分析，平均每月淤积厚度约为0.12m，即本闸址泥沙淤积速率12cm/月。当然建闸后的泥沙淤积情况会随着河势改变而有所变化。

总体上说，表层泥沙抗冲流速约在0.8m/s左右；板结速率将受到淤积厚度不同而变化，按10cm的取芯厚度试样估算，由于泥沙淤积厚度增加出现的板结力增加(或抗冲流速的增加)的速率约为0.14(m/s)/月。

4 结语

澳门内港挡潮闸工程所在的珠江河口澳门附近水域受径流、潮汐、波浪等往复流作用，泥沙淤积相对较为严重，且容易产生板结，这对工程建设与运行极为不利。澳门内港挡潮闸工程采用了下卧式钢闸门，闸门只有在台风暴潮及高潮期间关闭，平时大部分时间处于打开状态，长期的不运行可能会导致泥沙淤积在闸门上并且板结，大大增加了启闭风险。可在不影响通航的前提下，在风暴潮发生相对频繁的(6—10)月份，适当增加通航闸和泄水闸闸门日常维护调度运行次数，每月运行(3～4)次，其余月份可维持每月运行1次。

本次现场试挖槽试验期间的分析数据未经历台风暴潮引起的骤淤情况，对于台风引起的骤淤还需要持续进行长期的观测研究。考虑到区域泥沙淤积严重，如何解决泥沙淤积及板结问题，后续还应开展专门的冲淤试验研究。