物理模型試驗(yàn)在確定擋沙堤布置中的應(yīng)用＊

唐筱寧,王綠卿

(海軍工程設(shè)計(jì)研究院,山東青島 266100)

在港口工程建設(shè)中,泥沙淤積一直是被受關(guān)注的問題。為防止港外泥沙對港區(qū)及航道產(chǎn)生淤積,使其喪失原有的使用功能,常常采用擋沙堤對泥沙進(jìn)行攔截,通過擋沙堤的導(dǎo)流作用,使泥沙的運(yùn)動路徑發(fā)生改變,從而減弱功能工程區(qū)的泥沙淤積問題,保證其正常的靠泊需求,降低港口的維護(hù)成本。由此可以看出,擋沙堤往往具有擋沙、導(dǎo)流雙重功能,在有些工程中,擋沙堤還具有防波堤的作用[3]。特別是,隨著我國港口建設(shè)的不斷加強(qiáng),海岸線上的適合港口建設(shè)的良址也日趨匱乏,但因經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要,往往會在一些條件相對惡劣的海區(qū)建設(shè)港口,這對進(jìn)一步研究如何避免港區(qū)及航道淤積提出了更高的要求。

在海洋工程中,外部動力環(huán)境復(fù)雜多變,不確定影響因素多,如波浪、潮流等等,特別是目前的泥沙運(yùn)動理論主要是建立在試驗(yàn)基礎(chǔ)上,不能完全適合各種環(huán)境要求,而通過理論計(jì)算或經(jīng)驗(yàn)判別,也無法全面、正確地識別海洋環(huán)境中的泥沙運(yùn)動規(guī)律。因此,在設(shè)計(jì)擋沙堤時(shí),若完全根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式或工程經(jīng)驗(yàn)判別,擋沙堤有時(shí)會無法滿足最初的防淤設(shè)計(jì)要求,需要對擋沙堤進(jìn)行二次改造施工,浪費(fèi)大量的人力、物力,甚至?xí)构δ軈^(qū)使用功能喪失,損失巨大[1,2]。

為預(yù)防在功能區(qū)內(nèi)產(chǎn)生淤積,通常采用潮流、泥沙物理模型試驗(yàn)進(jìn)行模擬研究,在物理模型試驗(yàn)中可以模擬多種動力因素的綜合作用,全面考慮各種因素的相互影響,較準(zhǔn)確地模擬出泥沙運(yùn)動規(guī)律。

目前,潮流泥沙物理模型試驗(yàn)往往用于研究一定范圍區(qū)域的泥沙沖淤問題,很少有針對單一建筑物設(shè)計(jì)進(jìn)行的潮流泥沙試驗(yàn),相應(yīng)的試驗(yàn)方法也相對匱乏,本文通過試驗(yàn)實(shí)例,介紹了利用物理模型試驗(yàn)指導(dǎo)防沙堤平面及高程設(shè)計(jì)的方法。

1 膠州灣擋沙堤物理模型試驗(yàn)

1.1 問題的提出

根據(jù)青島市規(guī)劃,將在膠州灣灣頂紅島北側(cè)建立青島市高新技術(shù)開發(fā)區(qū),為滿足高新區(qū)市政基礎(chǔ)建設(shè)需要,將從女故口大橋以北的海域內(nèi)吹填淤泥取土,挖泥區(qū)域?yàn)閳D1中粗實(shí)線所包范圍。為保護(hù)市政建筑物,將在高新區(qū)沿膠州灣一線建防潮壩,并在羊毛溝河入海口處建水閘,按照設(shè)計(jì)要求,水閘開啟頻率較少,防止水閘無法正常開啟,需要采取工程措施避免閘前泥沙淤積[3]。為全面考慮地形、岸線、潮流等因素的綜合作用,最終確定采用潮流、泥沙物理模型試驗(yàn)確定防淤工程措施[4]。

該工程雖然與典型的港口工程有一定的差異,但就問題的解決方式而言,與港口防淤有共同之處,兩者的根本目的都是避免泥沙在功能區(qū)的淤積,維護(hù)功能設(shè)施的正常使用。

圖1 工程示意圖Fig.1 The engineering sketch

1.2 工程區(qū)泥沙簡介

該工程區(qū)位于膠州灣北部,潮流動力較弱,羊毛溝河和墨水河在此進(jìn)入膠州灣,該區(qū)域的泥沙來源主要包括徑流來沙和海向來沙。

由于河道及其流域的綠化改造,徑流來沙較少。首先,墨水河是該區(qū)域的主要徑流來沙來源,1979年以前,該河每年的輸沙量達(dá)到4.76萬t(1972—1979年),在此之后,年輸沙量急劇下降,為0.587萬t;其次,白沙河也有一定的輸沙量,根據(jù)1960—1979年的統(tǒng)計(jì)資料,該河的年輸沙量為0.51萬t,而在1980—1989年間,年輸沙量減至0.126萬t;此外,羊毛溝河也會給該海域帶來一定的泥沙,但是未收集到相關(guān)數(shù)據(jù),在此不再詳細(xì)介紹。與墨水河相比,羊毛溝河流量較小,而且兩河所處的地理環(huán)境非常相似,由此推論,該河產(chǎn)生泥沙輸移量應(yīng)當(dāng)小于墨水河[5]。綜上,挖泥區(qū)海域的徑流來沙總量不大,保守估計(jì)年平均輸沙量在1萬t以下。在徑流來沙量大幅減小的情況下,該海域的泥沙運(yùn)動主要是灘面泥沙起動再分配,挖泥區(qū)所在海域的泥沙來源主要以女姑口大橋以南淺灘泥沙在潮流作用下進(jìn)行的再懸浮和再搬運(yùn)的泥沙為主。

為充分了解工程區(qū)及附近海域的底質(zhì)分布情況,共采樣底質(zhì)樣品60個(gè),分布范圍包括女姑口大橋橋體附近及以南至東大洋附近海域,樣品中值粒徑為0.007～0.049 mm,分布見圖2,從圖上看該區(qū)域底質(zhì)中值粒徑接近0.03 mm,接近粉砂質(zhì)海灘的分類界限,但由于底質(zhì)中淤泥含量較高,在30%～40%之間,可以認(rèn)定該海域的海灘類型為淤泥質(zhì)海灘。

通過上述對工程區(qū)及附近海域泥沙來源及底質(zhì)泥沙的分析,結(jié)合該工程區(qū)的水動力環(huán)境特點(diǎn),確定該海域的泥沙來源主要以海向來沙為主,輸沙方式為渾水懸沙落淤,在物理模型試驗(yàn)中采用定床渾水懸沙回淤的方法對羊毛溝閘前水域的防淤進(jìn)行研究[6]。

圖2 女姑口大橋以南至東大洋附近海域底質(zhì)中值粒徑分布(mm)Fig.2 Distribution ofmedium grain-size in the bottom sediment between Bridge Nǜgukou and Dongdayang(mm)

1.3 擋沙堤方案的確定

在潮流、泥沙物理模型試驗(yàn)[7,8]①海軍工程設(shè)計(jì)研究院綜合試驗(yàn)研究中心.青島高新區(qū)防潮壩工程挖泥區(qū)潮流泥沙物理模型試驗(yàn)報(bào)告.2009.中,首先對模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證內(nèi)容主要包括潮流驗(yàn)證和泥沙落淤驗(yàn)證兩部分,以保證模型能夠正確、合理地反映出工程所在海域的潮流、泥沙運(yùn)動特點(diǎn)。本文不再贅述驗(yàn)證方面的結(jié)論,將著重論述如何通過物理模型試驗(yàn)制定相應(yīng)的防淤措施。

通過模型的驗(yàn)證后,對工程區(qū)進(jìn)行了開挖(圖3),開挖區(qū)范圍即為圖1中的吹填取土范圍,開挖區(qū)底高程為-3.7m(理論深度基準(zhǔn)面),工程區(qū)開挖后在女姑口大橋以北形成了一個(gè)面積約170萬m2的蓄水坑,圖4為沒有采取防淤措施時(shí)開挖區(qū)的漲、落時(shí)刻的流專場圖,從圖中可以非常直觀地看出,漲急時(shí)刻漲潮流(流向?yàn)镾-N)的前進(jìn)路徑主要分為兩部分,從路徑軌跡分析,進(jìn)入到羊毛溝河水閘前水域的潮流主要以西側(cè)潮流為主,東側(cè)漲潮流在向西折向后形成了回流,并未進(jìn)入到羊毛溝閘前水域;而在落急(N-S)時(shí)刻,墨水河下泄水流有部分水流進(jìn)入到了羊毛溝閘前水域,鑒于該海域的輸沙方式主要以懸沙為主,水流的前進(jìn)方向決定了懸沙的輸移方向,因此,為避免在羊毛溝閘前造成淤積,可以加建擋沙堤,通過擋沙堤的阻擋作用,迫使潮流改變前進(jìn)路徑,進(jìn)而使泥沙輸移方向發(fā)生改變。

圖 3 試驗(yàn)中工程區(qū)開挖前(a)后(b)對比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

根據(jù)潮流的前進(jìn)方向確定擋沙堤的平面位置,其基本原則就是阻斷挾沙潮流的路徑,圖5是根據(jù)漲落潮流及落潮流的路徑確定的擋沙堤平面布置圖,其中單堤方案主要以阻斷漲潮流輸沙路徑為主,雙堤方案能夠同時(shí)阻斷漲、落潮流的輸沙路徑。

擋沙堤的高程可以根據(jù)不同潮位時(shí)的流速確定,例如,當(dāng)在某一潮位時(shí),若沒有明顯的挾沙流進(jìn)入到閘前水域,則可不阻斷該潮位下的潮流路徑,利用該方法可以比較直觀地確定出擋沙堤的合理高程,既可以起到擋沙導(dǎo)流的作用,又能降低擋沙堤的建造成本。為此,需要實(shí)時(shí)追蹤工程區(qū)的潮流場分布。在本研究中,通過實(shí)時(shí)追蹤潮位、流速,最終確定采用頂高程為+2.0 m(理論深度基準(zhǔn)面)的潛堤作為擋沙堤,該高程滿足阻斷主要漲潮輸沙路徑的要求,從試驗(yàn)現(xiàn)象看,雖然在水位高于潛堤高程后,仍有部分潮流進(jìn)入到閘前水域,但此時(shí)的流速較低,輸沙量較少。

圖4 無防淤措施時(shí)開挖坑內(nèi)的模擬流場圖Fig.4 Modelexperiment showing the tidal current field in the dredging area without any measures against sand-deposition

圖5 擋沙堤平面布置圖Fig.5 Plane layouts o f the sand-barrier design

2 試驗(yàn)結(jié)果

在試驗(yàn)中,分別對兩種擋沙堤平面布置方案進(jìn)行了潮流及懸沙落淤試驗(yàn),從流場圖(圖6,圖7)可以直觀地發(fā)現(xiàn),雙潛堤方案閘前水域的水動力在漲、落急時(shí)刻均略強(qiáng)于單堤方案,這是因?yàn)樵陔p潛堤方案中由兩潛堤形成的口門對于進(jìn)入閘前水域的水流具有一定的束流作用,使得兩潛堤口門處的流速有所增大,從而帶動整個(gè)閘前水域的流速有所增加,當(dāng)流速增大后,落淤量會有一定的減少,從試驗(yàn)結(jié)果中也得出了相同的結(jié)論[4,9]。

圖6 建擋沙堤后漲急時(shí)刻模擬流場圖Fig.6 Tidal current fields at flood strength in themodels after the sand-barrier has been comp leted

圖7 建擋沙堤后落急時(shí)刻模擬流場圖Fig.7 Tidal current fields at ebb strength in themodels after the sand-barrier has been comp leted

通過不同方案時(shí)的懸沙落淤量等值線分布圖(圖8)可以看出,在未建擋沙堤之前,閘前水域的淤積量達(dá)到了0.12m/a,挖泥區(qū)的淤積分布比較均勻,形成了兩個(gè)較為明顯的淤積中心;在單堤方案時(shí),閘前淤積量明顯減弱,從等值線分布看,閘前水域在單堤方案時(shí)淤積量小于0.10 m/a,基本在0.05 m/a左右,挖泥區(qū)內(nèi)只有一個(gè)較為明顯的淤積中心,位于單堤堤頭東側(cè);而在雙潛堤方案中,口門以內(nèi)水域的淤積量小于0.10 m/a,閘前水域淤積量較單堤方案有所減少,淤積中心與單堤方案類似。

圖8 懸沙落淤模擬結(jié)果對比(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 結(jié) 語

通過對比不同方案的懸沙落淤試驗(yàn)結(jié)果可以看出,依據(jù)潮流場運(yùn)動路徑及潮位流速關(guān)系所確定的擋沙堤方案防淤效果比較明顯,閘前水域的淤積量明顯減少,淤積中心也從兩個(gè)減至一個(gè)。這主要是因?yàn)橥ㄟ^潛堤的擋流輸沙作用,使得挖泥區(qū)內(nèi)淤積分布更加集中,有利于疏浚挖泥。

對于港口工程的防淤、治淤,可以借鑒該工程的研究方法,通過潮流物理模型試驗(yàn)識別功能區(qū)潮流的輸沙路徑及主要的輸沙瞬時(shí)潮位,以此為設(shè)計(jì)依據(jù)確定防沙堤的平面位置及高程高度,加建導(dǎo)流擋沙堤,阻斷或改變其輸沙路徑。改變潮流的輸移路徑,不僅可以使功能區(qū)淤積量減弱,還可以使泥沙淤積更加集中,為將來的清淤疏浚創(chuàng)造條件,降低疏浚成本。

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