箱涵進(jìn)海路對泥沙運(yùn)移環(huán)境影響研究

劉曉丹，姜宏川

(國家海洋局 北海海洋工程勘察研究院, 山東 青島 266033)

環(huán)渤海地區(qū)有1 000多km長的海岸線，1萬多km2的淺海灘涂地帶，蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源。幾十年來，遼河、冀東、大港和勝利油田進(jìn)行沿海灘涂油氣勘探開發(fā)，分別在油藏豐富、勘探清楚的區(qū)域采用封閉式圍海造陸、叢式井平臺等方式進(jìn)行開采，這些區(qū)域的油藏已開發(fā)殆盡，再向外擴(kuò)展，即進(jìn)入常年有水的海域。渤海灣區(qū)域多屬淤泥質(zhì)平原海岸類型[1]。由于河流帶來陸域細(xì)小顆粒泥沙，隨著海水流動，形成了渤海灣沖積扇地形，海灘和極淺海床十分平坦，自西向東緩降，回淤嚴(yán)重[2]。2000年，勝利油田在孤東和樁西油田外圍常年有水、地面高程為0～-3 m的極淺海域內(nèi)試探性修筑了叢式井井臺—人工島，為海油陸采探索新路。近幾年進(jìn)海路的結(jié)構(gòu)形式主要有以下幾類：1)拋石斜坡堤結(jié)構(gòu)：由砂墊層、塑料排水板、堤心石、北側(cè)護(hù)底石、墊層塊石、扭王字護(hù)面塊體、南側(cè)護(hù)底石、墊層塊石、四腳空心方塊護(hù)面塊體、路面、道路兩側(cè)的擋浪墻組成。2)大膜袋裝固化土結(jié)構(gòu)：以固化水泥土充填大型土工布膜袋為堤心,柵欄板做路堤防護(hù)，在相鄰兩層充填袋之間空隙處用袋裝碎石找平。3)板樁路結(jié)構(gòu)：采取構(gòu)件陸上預(yù)制, 海上組裝, 先筑墻, 后充填,樁深扎, 梁定位, 板擋毛石,形成鋼筋混凝土構(gòu)件護(hù)坡的毛石壩,在壩上充填加高形成進(jìn)海路。4)袋裝砂斜坡式結(jié)構(gòu)：堤身結(jié)構(gòu)采用內(nèi)外袋裝砂棱體，中間為吹填砂堤心的堤身結(jié)構(gòu)。從已建的多條進(jìn)海路情況看，由于進(jìn)海路伸入海中約幾公里，路身不透水，已導(dǎo)致路兩側(cè)出現(xiàn)不同程度的淤積，同時(shí)在端島外側(cè)出現(xiàn)沖刷現(xiàn)象，尤其是多條非透水路堤的建設(shè)，泥沙沖淤的累積效果愈加明顯。透水的新型進(jìn)海路結(jié)構(gòu)成為研究的熱點(diǎn)，其中箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)已經(jīng)開展研究并進(jìn)行試驗(yàn)。

1 研究海域背景及進(jìn)海路設(shè)計(jì)方案

研究海域?qū)俨灰?guī)則半日潮，潮差自北向南遞增，約為1～2.5 m，最高高潮位3.31 m，最低低潮位-2.14 m，最大潮差4.14 m。以風(fēng)浪為主，涌浪為輔，常浪向?yàn)镋，浪向與風(fēng)向一致，強(qiáng)浪向?yàn)镋NE。研究區(qū)域附近屬淤泥質(zhì)平原海岸類型，坡度一般為1?；赜賴?yán)重，淤泥深一般為7～19 m，表層流塑狀厚約0.5 m。0 m等深線至-8 m等深線之間的平均坡度為0.37[3]。

箱涵進(jìn)海路結(jié)構(gòu)由下部箱涵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和上部路面結(jié)構(gòu)組成。試驗(yàn)段工程共采用約115組箱涵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，構(gòu)成的進(jìn)海路總長為4 376 m，上部路面結(jié)構(gòu)寬7.0 m，路面標(biāo)高為+2.0 m。每組箱涵基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)寬3.5 m，頂板長9.0 m，底板長15.0 m，箱高3.9 m，裙板高2.0 m，總高5.9 m。箱涵結(jié)構(gòu)的斷面圖如圖1所示。

圖1 箱涵結(jié)構(gòu)橫斷面圖(mm)Fig.1 The box culvert structure section (mm)

2 預(yù)測模擬

水動力及泥沙運(yùn)移模擬采用MIKE21二維水動力軟件，模型計(jì)算采用三角形網(wǎng)格，有限元解法。模型選取曹妃甸和濱州港之間連線為開邊界，根據(jù)兩點(diǎn)潮位調(diào)和分析所得調(diào)和常數(shù)計(jì)算潮位，中間水位點(diǎn)模型內(nèi)部作現(xiàn)行插值作為邊界條件。根據(jù)工程附近的氣象水文觀測資料，本區(qū)常浪向?yàn)镋向，因此模擬了常浪向一年的海底沖淤情況，并進(jìn)行對比分析。

2.1 模擬驗(yàn)證

利用上述模式對研究海域進(jìn)行潮流場數(shù)值模擬。采用2004-07-19-20和28-29日該海域測流點(diǎn)4號 (117° 52′ E，38° 31′N)流速、流向模擬計(jì)算值與實(shí)測值的比較。流場的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)變化基本一致，吻合較好，表明該計(jì)算模式能較好的再現(xiàn)該海區(qū)的實(shí)際潮流狀況。

2.2 方案設(shè)置

方案設(shè)置為三種情形：1)方案1(現(xiàn)狀)：未修建箱涵通井路；2)方案2(實(shí)體路)：修建約5 km實(shí)體路；3)方案3(箱涵結(jié)構(gòu))：間隔0.3 m設(shè)置一段5 m長的過流段的箱涵結(jié)構(gòu)。

2.3 流場模擬結(jié)果

圖2～圖4給出了3種方案下在落急、漲急4個(gè)時(shí)刻的流場圖(橫軸、縱軸單位：km)。從圖中可以看出，漲急時(shí)流向基本為向岸流動，落急時(shí)為離岸流動。各方案對該區(qū)流場整體趨勢沒有大的改變。

2.4 泥沙沖淤模擬結(jié)果

泥沙沖淤的預(yù)測結(jié)果顯示：

1)岸邊向海約4 km，各種方案預(yù)測影響相似(圖5)。與現(xiàn)狀相比，路A和路B兩側(cè)淤積的范圍發(fā)生變化，路A北側(cè)淤積范圍與現(xiàn)狀相比略有加強(qiáng)，路B北側(cè)淤積范圍率有減?。幌浜Y(jié)構(gòu)方案與實(shí)體路相比，路A北側(cè)淤積減弱，路B北側(cè)淤積率有加強(qiáng)。

2)不同的方案主要影響分布在4 km起向海路段。與現(xiàn)狀相比，各種方案對海底沖刷均有加強(qiáng)；透流結(jié)構(gòu)和實(shí)體路比較，路A向海端處處北側(cè)沖刷范圍減小，強(qiáng)度有所減緩，南側(cè)沖刷有所增強(qiáng)。

3)路A(箱涵結(jié)構(gòu))北側(cè)沿路出現(xiàn)帶狀淤積，對箱涵通水結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定影響，經(jīng)過一段時(shí)間的累積，會降低箱涵的過水量。

圖2 潮落、漲急流場方案1Fig.2 The scheme 1 for the current field in the middle of ebb, flood tide

圖3 潮落、漲急流場方案2Fig.3 The scheme 2 for the current field in the middle of ebb, flood tide

工程的建設(shè)改變了海岸線泥沙運(yùn)動規(guī)律和分布特征，箱涵結(jié)構(gòu)的影響小于實(shí)體路，足夠的透流過程段對于改善工程對海洋環(huán)境的影響起到至關(guān)重要的作用。

圖4 潮落、漲急流場方案3Fig.4 The scheme 3 for the current field in the middle of ebb, flood tide

圖5 年沖淤預(yù)測Fig.5 Years siltation prediction

3 結(jié) 論

根據(jù)目前的預(yù)測手段和技術(shù)水平可知箱涵結(jié)構(gòu)進(jìn)海路對環(huán)境的影響小于實(shí)體路，尤其是針對本海區(qū)在4 km以遠(yuǎn)向海區(qū)域， 箱涵結(jié)構(gòu)本身可能產(chǎn)生的淤積問題不容忽視，是能否應(yīng)用于實(shí)際的關(guān)鍵。建議在今后的工作中對箱涵進(jìn)海路試驗(yàn)段的淤積情況進(jìn)行跟蹤，進(jìn)一步評價(jià)其適應(yīng)性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳宜瑜，中國濕地研究[M]，吉林：吉林科學(xué)技術(shù)出版社，1995.

[2] 楊書遂,盛立云.渤海灣西岸灘海地區(qū)沉積相特征及其物理力學(xué)性質(zhì)[J]. 水文地質(zhì)與工程地質(zhì),2004，31(3):93-95.

[3] 樊社軍,虞志英,金镠,等.淤泥質(zhì)岸灘侵蝕堆積動力機(jī)制及剖面模式[J]. 海洋學(xué)報(bào),1997,19(3)：66-75.