濰坊壽光港區(qū)航道工程防沙堤平面布置形式研究

秦福壽，楊澤君，侯志強，劉 濤，李 姍

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222；2.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204；3.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；4.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

濰坊壽光港區(qū)航道工程防沙堤平面布置形式研究

秦福壽1，楊澤君2，侯志強3，劉 濤3，李 姍4

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，天津 300222；2.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204；3.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津 300456；4.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

采用波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗手段，對濰坊壽光港區(qū)防沙堤建設(shè)中的平面布置形式進行研究。根據(jù)研究成果，建議選擇北槽航道作為5 000 t級通海航道，航道走向63.5°～243.5°。防沙堤工程建議采用雙導(dǎo)堤形式，其中北導(dǎo)堤應(yīng)接岸。建議堤頭可先達-4.0 m水深處，觀測其堤頭附近沖淤變化后，再決定是否繼續(xù)向海延伸。

數(shù)學(xué)模型試驗；防沙堤；平面布置；航道橫流；航道淤積

Biography：QIN Fu?shou（1964-）,male,senior engineer.

擬建壽光港區(qū)5 000 t級航道工程位于山東省濰坊市壽光縣小清河河口處，具體地理區(qū)位見圖1。當前，擬在小清河口外側(cè)開挖航道。然而，規(guī)劃航道面向萊州灣、水域相對開敞，且近岸存在大片高灘。此外，由于工程海域海床底質(zhì)屬典型細沙粉沙質(zhì)，且口外有攔門沙發(fā)育，泥沙運動十分活躍。因此，航道開挖后的回淤問題是該海域建港的瓶頸條件。

為盡可能降低航道建設(shè)后的淤積量，規(guī)劃在口外建設(shè)防沙堤。然而，由于防沙堤為人工建筑，堤頭處可能形成一定挑流，造成航道內(nèi)橫流增強，應(yīng)對航道軸線選取加以論證；此外，在滿足降低航道淤積量的同時，防沙堤建設(shè)應(yīng)盡可能節(jié)省造價，以及減少對周邊海域動力環(huán)境的影響。因此，應(yīng)對防沙堤的平面布局，包括其軸線走向、口門位置等進行綜合論證。

在對粉沙質(zhì)海岸水動力泥沙相關(guān)研究中，多采用波浪、潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗手段［1-5］，在模型基礎(chǔ)上，通過布置不同設(shè)計方案，對比其相應(yīng)潮流場、泥沙淤積等關(guān)鍵參數(shù)，為方案優(yōu)選提供依據(jù)。值得指出的是，侯志強［6］等人曾針對濰坊壽光港區(qū)航道工程開展了較詳盡的數(shù)學(xué)模型試驗工作，并針對不同設(shè)計方案進行了模擬，為節(jié)省篇幅，本文重點針對其模擬成果加以深入分析，并對合理的防沙堤形態(tài)加以論證。

1 工程概況

擬建航道工程位于萊州灣西岸小清河口處，口外有攔門沙發(fā)育，圖1中示意了工程海域水下地形情況。根據(jù)攔門沙形態(tài)，入海航槽可分為南槽與北槽。據(jù)文獻［6］中對自然條件的統(tǒng)計成果，工程海域潮汐類型為不規(guī)則半日潮，由于臨近黃河口外無潮點，潮差較小，平均僅1.44 m。據(jù)萊州灣中部2008年12月至2010年1月時長1 a的波浪實際觀測資料［6］，常浪向NE向，頻率25.3%，次常浪向NNE向，頻率17.4%，強浪向為NE向。正常天氣下，海域含沙量較低，平均在0.06 kg/m3內(nèi)，并呈外海低、近岸高的平面特征，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像分析［6］，大風(fēng)條件下近岸水域含沙量可極大增高，較正常天可增大近10倍。外海及河道內(nèi)床面底質(zhì)以沙質(zhì)粉沙、細沙為主。根據(jù)資料分析，小清河徑流與輸沙對河口演變基本沒有影響，外海水域沿岸輸沙方向為自北向南。

規(guī)劃5 000 t級航道工程疏浚底高程為-7.5 m（理論基面，下同），航道底寬為90 m，在-5 m以淺時防沙堤堤頂標高+2.0 m，-5～-6 m時堤頂標高漸變至-1.0 m。考慮到方案比選，特設(shè)計多組防沙堤布置形式，其中對航道選線而言，可分為南槽與北槽兩個方案；對防沙堤布局而言，可分為無掩護、單側(cè)防沙堤和雙側(cè)防沙堤3種形式。

圖1 擬建航道工程區(qū)位、水下地形及水文測點位置示意圖Fig.1 Bathymetry and locations of observation stations

2 潮流泥沙數(shù)學(xué)模型建立及驗證

2.1 波浪數(shù)學(xué)模型

波浪模擬采用風(fēng)浪譜模式，可考慮淺水變形、折射、繞射與破碎效應(yīng)，控制方程見式（1）～（4）。

式中：N為動譜密度；t為時間；x→為笛卡爾坐標系；v→為波群速度；S為能量平衡方程中的源項；?為微分算子；s為波浪的傳播方向；θ和m為垂直于s的方向；?x→為在x→空間上的二維微分算子。

2.2 潮流數(shù)學(xué)模型

潮流數(shù)學(xué)模型理論采用平面二維淺水方程組，其基本形式見式（5）～式（7）。其中h為總水深；g為重力加速度；u和v分別為垂線平均流速在x,y方向上的分量；f為科氏力系數(shù)；ρ為水體密度；Ex和Ey分別為x,y方向的水平紊動粘性系數(shù)，可由Smagorinsky方程求解；τbx、τby分別為床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy分別為波浪輻射應(yīng)力的各向分量。

模擬中計算域剖分采用無結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格。圖2中示意了模型計算范圍與網(wǎng)格配置情況，其中最小網(wǎng)格尺度為30 m。

圖2 模型計算域及網(wǎng)格配置Fig.2 Model domain and mesh resolution

2.3 泥沙數(shù)學(xué)模型

航道工程所在海域底質(zhì)多為沙質(zhì)粉沙、細沙，因此在泥沙運動模擬中應(yīng)同時考慮懸移質(zhì)與推移質(zhì)作用。懸沙運動基本方程如式（8）

式中：S為沿深度平均的含沙量；S*為波流共同作用下的挾沙力；α為恢復(fù)飽和系數(shù)；ω為泥沙沉速；Dx和Dy分別為泥沙水平擴散系數(shù)。懸沙引起的地形沖淤變化如式（9），底沙引起的地形沖淤變化如式（10）～式（11）。式中ηb為底高程；γb為床面泥沙容重；qx和qy分別為x和y方向的單寬底沙輸移量。

2.4 模型驗證

潮位、流速流向、含沙量驗證依據(jù)2011年3月及2013年3月現(xiàn)場實測大、小潮水文測驗數(shù)據(jù)（測點位置見圖1），地形沖淤驗證采用濰坊森達美港區(qū)航道回淤數(shù)據(jù)。為節(jié)約篇幅，僅以大潮為例給出了部分測站潮位、流速流向及含沙量驗證結(jié)果，如圖3～圖4中所示，航道回淤驗證見圖5。其他驗證成果可見文獻［6］。據(jù)統(tǒng)計，計算值與實測值吻合良好，符合現(xiàn)行《海岸與河口潮流泥沙模擬技術(shù)規(guī)程》要求。

圖3 2013年3月大潮潮位、流速流向驗證Fig.3 Verification of tidal level,current speed and direction（2013.03）

圖4 2011年3月大潮含沙量驗證Fig.4 Verification of suspended sediment concentration（2011.03）

3 防沙堤平面布置形態(tài)研究

圖5 濰坊森達美港航道回淤驗證Fig.5 Verification of channel annual siltation of Weifang Harbor

3.1 航道選線

據(jù)文獻［6］中對攔門沙穩(wěn)定性的動力地貌分析結(jié)論，北槽為近30 a來新近發(fā)育，且具有良好的穩(wěn)定性；南槽為固有深槽，在近30 a來雖有一定南遷，但近期穩(wěn)定性較好。因此，北槽與南槽航道均具有一定的建設(shè)條件，本研究針對兩條航道走向進行研究論證。實際上，在航道軸線選取中，應(yīng)滿足以下兩個原則：

（1）從通航安全角度，應(yīng)保證航道軸線方向與大潮的潮流運動主向交角盡可能小，以降低堤頭處橫跨流的挑流效應(yīng)，保證較低的口門航道橫流水平。

（2）從降低航道疏?；üこ塘拷嵌龋瑧?yīng)盡量依托固有深槽，并應(yīng)兼顧航道與對應(yīng)底標高處（-7.5m）等深線具有最小距離。

圖6中給出了大潮作用下的漲落急潮流矢量圖。據(jù)分析，如采用航道軸向63.5°～243.5°時，其與潮流主向交角較小，且相對垂直于等深線。因此，航道走向可按上述選取。

圖6 工程海域大潮漲落急流速矢量圖Fig.6 Current fields of the maximum flood current and ebb current

3.2 不同掩護形式整治效果

航道軸線確定后，為分析不同防沙堤整治思路的相應(yīng)效果，特分別針對南、北槽設(shè)計3種防沙堤形式，分別為無掩護方案（S0-1#、S0-2#）、單側(cè)防沙堤方案（S1-1#、S1-2#）、雙側(cè)防沙堤方案（S2-1#、S2-2#）。值得指出的是，由于當?shù)睾Ｓ蜓匕遁斏撤较驗樽员毕蚰?，從而單堤方案?yīng)建設(shè)北側(cè)防沙堤；至于雙側(cè)防沙堤方案，取堤身間距500 m。比選中均將防沙堤堤頭位置布置在-6 m等深線處。圖7中給出了不同整治形式防沙堤平面分布形式。在整治效果評估中，采用口門橫流及航道正常年淤積量作為指標，見圖8和表1。經(jīng)分析，得到以下主要結(jié)論。

（1）不建防沙堤時，無論北槽還是南槽方案，其航道最大橫流均在0.5 m/s以內(nèi)，橫流問題不顯著。然而，由于小清河海域位處細沙、粉沙質(zhì)海岸，且水深較淺，較易在風(fēng)浪作用下起動懸揚；此外，在近岸區(qū)域亦有強度不可小覷的推移質(zhì)沿岸輸沙。因此，在缺乏防沙堤掩護的條件下，攔門沙航段處最大年維護強度可達到4 m/a左右，總淤積量亦超過400萬m3/a。對于5 000 t級航道而言，此等強度的淤積較難承受，不應(yīng)作為推薦方案。

（2）對單堤方案而言，由于航道選線與潮流主向基本平行，從而堤頭挑流不強，航道最大橫流僅較不建堤時增加0.05 m/s左右。至于淤積情況，由于來自北側(cè)的優(yōu)勢輸沙得到一定程度阻擋，最大淤強位置發(fā)生在口門外側(cè)，航道正常年淤積量降低至211萬m3/a、227萬m3/a。當?shù)填^布置于-6 m等深線時，與無掩護條件相比，對年淤積量的減淤率達到50%左右。

（3）對雙堤方案而言，航道最大橫流亦在0.5 m/s以內(nèi)。至于淤積情況，由于泥沙僅可自狹窄口門內(nèi)傳入，從而堤間航段可得到較好掩護，最大淤強位置發(fā)生在口門外側(cè)，航道正常年淤積量大幅度降低至112萬m3/a、118萬m3/a。當?shù)填^布置于-6 m等深線時，與無掩護條件相比，對年淤積量的減淤率可達到70%左右，效果良好。

圖7 不同掩護形式方案平面布置示意圖Fig.7 Planar layout of scenarios of different regulation ideas

圖8 不同掩護形式航道正常年淤強沿程分布Fig.8 Annual siltation rate along the channel of different regulation ideas

表1 不同掩護形式航道潮流泥沙特征參數(shù)Tab.1 Characteristic hydro?sedimentological parameters for different regulation ideas

圖9 雙堤方案不同堤頭位置平面布置示意圖Fig.9 Planar layout of scenarios with different breakwater tip locations

（4）由于北槽與南槽距離僅2 km以內(nèi)，潮流泥沙特征參數(shù)變化甚微，因此2條航線的最大橫流及淤積情況均無明顯差異。

3.3 不同口門位置整治效果

圖10 雙導(dǎo)堤不同口門位置航道正常年淤強沿程分布Fig.10 Annual channel siltation rate of scenarios with different breakwater tip locations

小清河河口治理原則是“整治與疏浚相結(jié)合”，完全依靠整治工程不可行。然而，考慮到工程造價，應(yīng)對防沙堤長度進行比選優(yōu)化。除航道橫流和正常年淤積外，防范大風(fēng)驟淤應(yīng)是標準之一。因此，在對堤頭位置的優(yōu)化中，增加5 a一遇驟淤量作為另一個比選指標。在驟淤模擬中，采用NE向?qū)?yīng)波浪5 a一遇重現(xiàn)期作為代表條件。

根據(jù)以上對無堤、單堤和雙堤方案的比選，雙堤方案減淤效果顯著，可作為建議形式。在本節(jié)中，以雙堤方案為基礎(chǔ)，特設(shè)計方案S2-3#～S2-6#，將堤頭分別后撤至-5 m、-4 m、-3 m和-2 m，平面布置形式見圖9。潮流泥沙特征參數(shù)見圖10和表2。經(jīng)分析得到以下主要結(jié)論：

（1）當?shù)填^向岸后撤時，由于逐漸接近破波帶，含沙量增高，且灘槽挖深比不斷增大。因此，無論正常年淤積量還是5 a一遇驟淤量均有所增加。

（2）然而，考慮到降低工程造價，當?shù)填^位于-4 m時，5 a一遇驟淤強度為0.50 m。如將備淤深度設(shè)置為0.5 m時，可滿足一次較大重現(xiàn)期驟淤條件下不發(fā)生礙航。

綜合以上分析，推薦將口門位置設(shè)置于-4 m等深線處進行起步，并隨后續(xù)監(jiān)測決定是否向海延伸。

3.4 防沙堤布置形式討論

總體而言，對壽光港區(qū)5 000 t級航道工程而言，當航道走向選取適當時，橫流問題不大，可保證正常通航，但由于位于典型粉砂細沙質(zhì)海岸，且有一定沿岸輸沙，從而航道開挖后的淤積是整治中的控制性因素。

（1）航道選線應(yīng)遵循：一要符合河道深槽發(fā)展規(guī)律，水流漲、落潮流路基本一致；二要盡量順直、通暢，減少拐彎點；三要挖槽疏浚維護量和整治工程投資力求達到最少。

（2）僅開辟航槽、河口不建設(shè)導(dǎo)堤的情況下：無論采用北槽方案還是南槽方案，攔門沙段航道處最大年維護強度均可達到4 m/a左右，總淤積量超過400萬m3/a。對于5 000 t級航道而言，此等強度的淤積程度難以承受，必須通過持續(xù)性維護疏浚方能維持，不建議作為推薦方案。

（3）開挖航槽后，航槽北側(cè)建設(shè)單導(dǎo)堤，堤頭位于-6 m水深的情況下：北槽方案年淤積量211萬m3/a，南槽方案年淤積量227萬m3/a；與不加掩護相比減淤率可達50%左右。

（4）開往航槽后，建設(shè)雙導(dǎo)堤進行掩護，堤頭位于-6 m水深的情況：北槽方案年淤積量112萬m3，南槽方案年淤積量118萬m3；與不加掩護相比減淤率接近70%。

（5）雙堤方案下，堤越長掩護效果越好。雙堤堤頭位于-4 m時，5 a一遇驟淤最大淤厚約0.5 m，在航道設(shè)0.5 m備淤積條件下，驟淤后不礙航。

表2 雙導(dǎo)堤方案不同口門位置航道潮流泥沙特征參數(shù)Tab.2 Characteristic hydro?sedimentological parameters for different breakwater tip locations

4 結(jié)論

本文采用波浪潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗手段，對濰坊壽光港區(qū)防沙堤建設(shè)中的平面布局形式進行研究，經(jīng)總結(jié)得到以下主要結(jié)論。

（1）對航道選線而言，無論是采用北槽方案還是南槽方案，在水流動力及航道淤積上沒有本質(zhì)差別，但北槽獨具有如下特點：航道短，短約2.5 km；航道順直，較南槽少一個拐點，且轉(zhuǎn)彎角度?。粚?dǎo)堤工程量少；北槽處于沖刷發(fā)展趨勢，如航道經(jīng)人工疏通后，自然水深將不會低于現(xiàn)南槽水深狀況；北槽整治工程為單堤時切斷了北側(cè)淺灘泥沙進入航道淤積的泥沙來源。南側(cè)淺灘的泥沙不會越過南槽對其造成淤積，從而增加了北槽水深的穩(wěn)定性。因此，選擇北槽航道作為5 000 t級通海航道較為恰當，建議航道走向63.5°～243.5°。

（2）防沙堤工程建議采用雙導(dǎo)堤形式，其中北導(dǎo)堤應(yīng)接岸。建議堤頭可先達-4.0 m水深處，觀測其堤頭附近沖淤變化后，再決定是否繼續(xù)向海延伸。同樣的，南導(dǎo)堤施工堤頭亦可先建至-4.0 m水深處，然后再確定堤頭伸長的程度。

［1］Lumborg U.Modelling the deposition,erosion,and flux of cohesive sediment through ?resund［J］.Journal of Marine Systems,2005（56）：179-193.

［2］馬福喜,李文新.河口水流、波浪、潮流、泥沙、河床變形二維數(shù)學(xué)模型［J］.水利學(xué)報,1999（5）：39-44.

MA F X,LI W X.2?D mathematical model for sediment transport in estuary［J］.Journal of Hydraulic Engineering，1999（5）：39-44.

［3］張慶河,侯鳳林,夏波,等.黃驊港外航道淤積的二維數(shù)學(xué)模擬［J］.中國港灣建設(shè),2006,5（145）：6-9.

ZHANG Q H,HOU F L,XIA B,et al.Two Dimensional Numerical simulation of Siltation in Outer Channel of Huanghua Harbour［J］.China Harbor Engineering,2006,5（145）：6-9.

［4］解鳴曉,張瑋,黃志揚,等.淤泥質(zhì)海岸泥沙運動及進港航道回淤強度數(shù)值研究［J］.中國港灣建設(shè),2007,4（150）：1-4.

XIE M X,ZHANG W,HUANG Z Y,et al.Numerical Modeling of Mud Transportation and Silting on Approach Channel in Muddy Coast［J］.China Harbor Engineering,2007,4（150）：1-4.

［5］解鳴曉,張瑋.連云港口門防沙堤建設(shè)對航道回淤影響數(shù)值研究［J］.泥沙研究,2008（5）：20-24.

XIE M X,ZHANG W.Numerical modeling of silting features in approach channel under the influence of entrance breakwaters in Lianyungang Harbour［J］.Journal of Sediment Research,2008（5）：20-24.

［6］侯志強,劉濤,解鳴曉.壽光港5000噸級航道工程潮流泥沙數(shù)學(xué)模型試驗研究報告［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所,2013.

Study on planar layout of breakwaters of Shouguang Harbor,Weifang

QIN Fu?shou1,YANG Ze?jun2,HOU Zhi?qiang3,LIU Tao3,LI Shan4
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin300222,China;2.Tianjin Water Survey and Design Institute,Tianjin300204,China;3.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering
Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China;4.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.,Tianjin300222,China）

Based on the wave,hydrodynamic and sediment transport simulations,the planar layout of the breakwaters for Shouguang Harbor,Weifang was studied.The results show that the north canal can be used as the 5 000 t approach channel,and the channel trend is suggested as 63.5°～243.5°.As to the layout of the breakwaters,the double breakwaters are suggested,where the north breakwater should be linked to the shoreline.The breakwater tips should be located at-4.0 m at first,and then decide whether an extension is necessity.

numerical modelling;breakwater;planar layout;cross flow;channel sedimentation

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2014）02-0141-07

2013-04-02；

2013-10-16

秦福壽（1964-），男，河北省保定人，高級工程師，主要從事港口航道工程設(shè)計研究。