廈門馬鑾海堤開口建閘方案水動(dòng)力研究

崔 崢

(南京水利科學(xué)研究院,江蘇南京210024)

1 自然條件

1.1 地理位置

馬鑾灣位于廈門市西北部[1],東面與集杏輔城的杏林片相鄰,西側(cè)鄰漳州市,南側(cè)以蔡尖尾山與海滄片區(qū)相隔離。規(guī)劃中的馬鑾灣城區(qū)范圍東側(cè)邊界為新陽大橋、南側(cè)邊界為蔡尖尾山、西側(cè)邊界為廈門與漳州行政界線(第一農(nóng)場)、北側(cè)邊界為鷹廈鐵路,總面積約為55.60 km2(含水域)(見圖1)。

圖1 馬鑾灣地形

馬鑾海堤于1957年開始興建,1959年因特大臺(tái)風(fēng)襲擊等原因,曾重新修改設(shè)計(jì),于1960年6月建成,海堤全長1 655 m,堤頂高程6.76 m,頂寬約8 m,有公路通過,海堤南北兩端建有排洪閘3座;堤外有玻璃廠碼頭和滌綸廠兩座3 000 t碼頭。新陽大橋建于1998年,坐落于馬鑾海堤西側(cè),二者相距約75 m。

1.2 潮汐

廈門海域?qū)僬?guī)半日潮,潮波呈駐波形態(tài),馬鑾海堤處潮型與鼓浪嶼基本一致,相位略滯后,振幅稍大。鼓浪嶼海洋站潮位特征值如下(黃海高程,簡稱“黃零”,下同):平均高潮位2.40 m,平均低潮位-1.59 m,平均潮差3.99 m,歷年最高潮位4.54 m,歷年最低潮位-3.30 m[2]。

2 模型概況

試驗(yàn)在廈門灣整體物理模型中進(jìn)行,該模型于2001年建成[3],見圖2,東邊界至塔角附近,西至九龍江南、北、中港;南至大磐淺灘,北至東渡灣北端的杏林海堤,東西范圍30 km,南北24 km。包含水域面積近250 km2。模型水平比尺 λl=500,垂直比尺λh=70。模型對(duì)廈門西海域2003年4月大、小潮5個(gè)潮流測站和4個(gè)潮位站同步資料[4]進(jìn)行了驗(yàn)證,模型驗(yàn)證結(jié)果和現(xiàn)場資料一致,滿足規(guī)范要求。

圖2 廈門灣整體物理模型布置

3 試驗(yàn)方案[5]

圖3為馬鑾灣岸線規(guī)劃布置方案和開口位置,灣內(nèi)水域面積8 km2,開口約200 m,灣內(nèi)統(tǒng)一清淤至-3.74 m。

開口建閘方案分為過水閘和船閘,船閘為2孔×24 m,閘室位于灣內(nèi),過水閘為上、下兩片,開口寬度有兩種方案,分別為9孔×24 m、凈寬度216 m和19孔×11.5 m、凈寬度218.5 m,閘墩與新陽大橋橋墩連接并對(duì)橋墩加以保護(hù)。過水閘與船閘間設(shè)置隔流堤,過水閘南端隔流堤距滌綸碼頭北端154.2 m,閘門底高程為-5.24 m,適當(dāng)考慮下閘門關(guān)閉的情況(閘頂高程+1.0 m),灣內(nèi)、外隔流堤設(shè)計(jì)長度100 m,并適當(dāng)優(yōu)化,海堤兩側(cè)按照閘門設(shè)計(jì)[6]在灣內(nèi)、外地形中增加了護(hù)坡和防沖槽。

圖3 馬鑾灣規(guī)劃岸線布置

試驗(yàn)方案:(1)海堤開口設(shè)閘方案共兩種,即9孔×24 m及19孔×11.5 m,閘底高程黃零-5.24 m(廈零-2.0 m),并考慮下閘門關(guān)閉(閘頂高程黃零+1.0 m)情況;(2)灣內(nèi)、外隔流堤長度優(yōu)化:灣外分別為100 m、150 m和200 m,灣內(nèi)為100 m和170 m。

4 成果分析[7]

4.1 閘門方案及測點(diǎn)布置

根據(jù)研究需要,模型在灣內(nèi)、外閘門防沖槽出流處、主流區(qū)、灣外深槽區(qū)、隔流堤端部一定距離、船閘候船區(qū)、滌綸碼頭前都布置了一定數(shù)量的測流點(diǎn),布置范圍距海堤1～1.3 km,船閘位置、測點(diǎn)布置及編號(hào)見圖4。

圖4 馬鑾海堤開口設(shè)閘方案測流點(diǎn)布置

4.2 建閘方案對(duì)潮位和納潮量的影響

進(jìn)行建閘方案研究時(shí),首先需考慮各建閘方案對(duì)納潮量的影響,這是馬鑾灣開口的主要目的之一。對(duì)比不同建閘方案,閘底坎高程-5.24 m時(shí),9孔和19孔方案灣內(nèi)、外潮位基本一致,略有滯后。9孔×24 m方案下閘門關(guān)閉(閘頂高程+1.0 m)時(shí),灣內(nèi)最低潮位略高于+1.0 m,高潮位也有所降低,相位滯后,納潮量明顯減小,圖5為9孔×24 m方案閘頂高程黃零+1.0 m時(shí)灣內(nèi)、外潮位過程線。

圖5 灣內(nèi)、外潮位過程線(9孔×24 m,閘頂高程+1.0 m)

馬鑾灣開口建閘后,大潮條件下9孔方案增加納潮量4.4×107m3,19孔納潮量比9孔減少5×104m3～10×104m3。在9孔條件下,下閘門關(guān)閉時(shí),納潮量約為1.2×107m3左右,灣內(nèi)納潮量將有較大幅度的減小。

4.3 閘門附近灣內(nèi)、外水流形態(tài)

馬鑾海堤開口后,進(jìn)出灣內(nèi)的水流從閘門集中通過會(huì)現(xiàn)成類似射流形態(tài),灣內(nèi)、外水流較為復(fù)雜。圖6為9孔閘底高程-5.24 m條件下,閘門附近灣內(nèi)、外水流漲、落急流態(tài)?？梢钥闯?漲潮時(shí),灣外主流沿南側(cè)深槽斜向進(jìn)入閘孔,位于隔流堤南側(cè)的滌綸碼頭前有一定的橫流出現(xiàn),最大流速近50 cm/s,交角為20°～30°,對(duì)滌綸碼頭和船閘航道段船舶有一定的影響。進(jìn)入灣內(nèi)的水流方向基本上沿灣內(nèi)隔流堤方向運(yùn)動(dòng),主流兩側(cè)分別形成不同方向的回流,但流速不大。落潮時(shí),灣內(nèi)為歸槽水流,灣外水流沿隔流堤向前流動(dòng),水流平順。

圖6 閘門附近漲、落急水流流態(tài)(9孔、閘底高程-5.24 m)

4.4 灣內(nèi)主流區(qū)流速

表1為不同建閘方案條件下馬鑾灣內(nèi)主流區(qū)平均流速沿程分布,測點(diǎn)布置見圖4?？梢钥闯?灣內(nèi)漲潮流速明顯大于落潮,漲半潮平均流速最大1.5 m/s,最大流速達(dá)2.5 m/s,落半潮平均流速最大不足0.8 m/s。在閘底坎高程-5.24 m條件下,兩方案灣內(nèi)水域流速分布相近,閘門附近9孔方案流速稍大;9孔閘門底坎+1.0 m時(shí),灣內(nèi)平均流速減小至40 cm/s左右。

表1 不同建閘方案灣內(nèi)主流區(qū)平均流速沿程分布 單位:m/s

4.5 灣外流速分布

灣外沿閘孔(主流區(qū))和深槽布置兩排測流點(diǎn),表2為9孔方案灣外主流區(qū)平均流速沿程分布,起始點(diǎn)b2位于馬鑾海堤閘門拋石護(hù)坡處?？偟目磥?從閘門處向?yàn)惩?沿程流速逐漸減小,靠近閘門處流速最大。與灣內(nèi)相反,灣外落潮流速大于漲潮,落半潮平均流速從1.4 m/s左右逐漸減小至1m/s左右,兩方案水流相近,9孔閘門底坎+1.0 m時(shí),灣外主流區(qū)平均流速不足0.6 m/s。

表2 不同建閘方案灣外主流區(qū)平均流速沿程分布 單位:m/s

表3為灣外深槽區(qū)平均流速沿程分布情況?？梢钥闯?由于處于掩護(hù)區(qū),深槽處流速明顯小于主流區(qū)流速,漲半潮平均流速為0.5 m/s左右,落半潮不足0.4 m/s,19孔與9孔方案水流相近,9孔閘門底坎+1.0 m時(shí),深槽區(qū)平均流速減小至不足 0.2 m/s。

馬鑾海堤建閘方案的實(shí)施、隔流堤的設(shè)置,使主流尤其是落潮流偏向北側(cè),原航道段深槽區(qū)流速降低,對(duì)船舶航行有利,但會(huì)造成北側(cè)淺灘沖刷和航道段的泥沙回淤。

表3 不同建閘方案灣外深槽區(qū)平均流速沿程分布 單位:m/s

4.6 閘孔流速

模型中采用直讀式流速儀,對(duì)不同建閘方案實(shí)施后閘孔流速進(jìn)行了測量,采集時(shí)間間隔為10 s,結(jié)果見表4。由表4可以看出,建閘后最大流速均發(fā)生在漲潮期間,上部流速大于底部流速,中部和南側(cè)閘孔流速較大,北側(cè)相對(duì)較小。閘頂高程-5.24 m時(shí),9孔和19孔方案流速相當(dāng),19孔稍大;9孔、閘頂高程為+1 m時(shí),閘孔下部最大流速增加至 4.8 m/s。從試驗(yàn)結(jié)果看,馬鑾海堤開口建閘后,閘孔流速較大,需要采取相應(yīng)的工程保護(hù)措施。

表4 不同建閘方案條件下閘孔最大流速 單位:m/s

4.7 隔流堤堤頭流速

設(shè)置隔流堤后,堤頭水流幾乎與隔流堤垂直,流速較大,對(duì)堤頭的沖刷較為強(qiáng)烈。模型中對(duì)堤頭流速進(jìn)行了觀測,測流點(diǎn)距堤頭5 m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,灣外堤頭最大1.7 m/s,灣內(nèi)最大1.3 m/s,與隔流堤交角80°,幾乎垂直。距隔流堤越遠(yuǎn),流速越小,水流與隔流堤的夾角也逐漸減小。

4.8 滌綸碼頭前流速

馬鑾海堤建閘方案實(shí)施后,對(duì)滌綸碼頭影響主要發(fā)生在漲潮期間,在此期間一部分水流繞過滌綸碼頭進(jìn)入閘門,觀測到最大流速0.5 m/s左右,與滌綸碼頭夾角約30°,其它時(shí)間滌綸碼頭前水流大多比較平緩,流速較小,但由于存在回流,流向較為復(fù)雜,仍需要加以關(guān)注。

4.9 灣內(nèi)、外閘門拋石護(hù)坡坡腳處流速

表5為不同工況時(shí)灣內(nèi)、外坡腳處最大流速。

由表5可看出,閘門底高程-5.24 m時(shí),9孔時(shí)灣內(nèi)最大流速2.3 m/s,發(fā)生在漲潮,灣外最大流速2.1 m/s,發(fā)生在落潮,其中19孔時(shí)灣內(nèi)、外最大流速均為2.0 m/s,9孔、閘門底高程+1 m時(shí),灣內(nèi)、外最大流速0.6 m/s～0.7 m/s。

表5 不同建閘方案條件下灣內(nèi)外坡腳最大流速單位:m/s

5 結(jié) 語

馬鑾灣規(guī)劃岸線9孔×24 m建閘方案實(shí)施后,大潮時(shí)納潮量為4.4×107m3,閘孔流速最大4.4 m/s,下閘門關(guān)閉后,納潮量為1.2×107m3;19孔×11.5 m方案閘孔流速稍大,納潮量略有減少。9孔和19孔兩種方案,灣內(nèi)、外水流情況相近。設(shè)置隔流堤后,主流偏北,可能造成灣外淺灘沖刷,同時(shí)南側(cè)深槽處流速減小,對(duì)船閘航道、滌綸碼頭是有利的,適當(dāng)延伸隔流堤,可以增加掩護(hù)的范圍。

[1]王向峰.馬鑾海堤開口改造防滲技術(shù)研究[D].成都:西南交通大學(xué),2009:1-2.

[2]崔 崢,佘小建,林云光,等.廈門港劉五店港區(qū)岸線規(guī)劃試驗(yàn)研究[J].中國港灣建設(shè),2011,4(2):21-26.

[3]徐 嘯.廈門灣港口總體布局規(guī)劃九龍江河口灣港口岸線利用總體規(guī)劃整體物理模型試驗(yàn)研究[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,2001:37-52.

[4]廈門海洋開發(fā)研究院.廈門西海域水動(dòng)力和懸浮泥沙全潮變化調(diào)查研究現(xiàn)場調(diào)查與數(shù)據(jù)分析報(bào)告[R].廈門:廈門海洋開發(fā)研究院.2003.

[5]徐 嘯,崔 崢,等.廈門馬鑾灣綜合整治與開發(fā)工程物理模型試驗(yàn)研究[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,2004.

[6]張建春.馬鸞海堤開口改造工程建閘方案閘門型式的創(chuàng)新設(shè)計(jì)[J].水利建設(shè)與管理,2009,29(4):29-31.

[7]崔 崢.廈門馬鑾海堤開口改造工程建閘方案物理模型試驗(yàn)研究成果[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,2004:14-43.