天津南港工業(yè)區(qū)通海航道泥沙水力特性試驗(yàn)研究

張志國，王興博，陳 純，張義豐

（1.中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津300450；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

天津南港工業(yè)區(qū)通海航道泥沙水力特性試驗(yàn)研究

張志國1，王興博1，陳 純2，張義豐3

（1.中交天航港灣建設(shè)工程有限公司，天津300450；2.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456；3.南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

規(guī)劃南港工業(yè)區(qū)擬建一條通海航道，為確定航道底質(zhì)泥沙屬性，為航道工程的相關(guān)研究與建設(shè)提供技術(shù)依據(jù)，根據(jù)南港地區(qū)已有資料，對(duì)航道內(nèi)現(xiàn)場取樣的底質(zhì)泥沙進(jìn)行了水動(dòng)力特性試驗(yàn)，并與附近天津港和黃驊港航道泥沙特性進(jìn)行了類比。結(jié)果表明：南港工業(yè)區(qū)泥沙“活躍性”比粉沙質(zhì)海岸性質(zhì)的黃驊港泥沙弱而又比天津港強(qiáng)，泥沙特性與天津港泥沙更接近，應(yīng)劃定為淤泥質(zhì)海岸。

通海航道泥沙；水力特性試驗(yàn)；天津南港

天津南港工業(yè)區(qū)位于天津市獨(dú)流減河口以南、大港區(qū)海域。工程區(qū)域位置見圖1，南港工業(yè)區(qū)于2008年開工建設(shè)，根據(jù)規(guī)劃南港工業(yè)區(qū)擬建一條通海航道。圍繞天津南港工業(yè)區(qū)港口工程的開發(fā)建設(shè)，圍繞天津南港工業(yè)區(qū)港口工程的開發(fā)建設(shè)，孫連成［1］從自然條件分析和采用數(shù)值模擬對(duì)該航道形成的水動(dòng)力泥沙條件進(jìn)行了研究。劉仲軍等［2］對(duì)該圍海工程對(duì)天津海域水動(dòng)力環(huán)境影響進(jìn)行過數(shù)值分析；劉臣等［3］建立數(shù)學(xué)模型對(duì)南港工業(yè)區(qū)潮流特征及通航條件進(jìn)行了分析；吳正鵬等［4］以天津南港工業(yè)區(qū)為例研究了基于多源遙感影像的圍填海監(jiān)測；陳瑤泓伶等［5］采用數(shù)值模擬研究了南港污水排海工程對(duì)海域環(huán)境的影響。汪正綱［6］研究了天津南港航道測量布線設(shè)計(jì)。

本文根據(jù)南港地區(qū)已有資料，通過現(xiàn)場觀測底質(zhì)取樣，圍繞泥沙水動(dòng)力特性研究開展室內(nèi)試驗(yàn)（包括泥沙動(dòng)水沉降、靜水密實(shí)和波浪、波流作用下的起動(dòng)試驗(yàn)）為確定南港航道的回淤土質(zhì)，及進(jìn)一步的數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)分析航道施工期回淤規(guī)律提供依據(jù)，為該航道工程的建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

1.1工程區(qū)自然水沙特征

工程海域海區(qū)常風(fēng)向?yàn)镾W，強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹W，多年平均風(fēng)速為5.33 m/s。強(qiáng)浪向?yàn)镹NW，其次是E向；常浪向?yàn)镾。本區(qū)是以風(fēng)浪為主，占68.4％，涌浪為輔，占31.6％。風(fēng)、涌浪主要來向基本一致，多為（E～SE～SW向）。潮汐為不規(guī)則半日潮。潮流屬于往復(fù)流性質(zhì)，潮流流向基本與等深線方向垂直，且流向相對(duì)集中，水流流向與設(shè)計(jì)航道夾角較小。

本海域的泥沙來源主要來自淺灘水域，波浪破碎會(huì)掀起淺灘泥沙，后隨潮流運(yùn)動(dòng)。隨著天津沿海不斷實(shí)施的圍填海工程，減少了淺灘水域的泥沙來源，含沙量總體有減小的趨勢。水體含沙量呈現(xiàn)從近岸至外海遞減。相對(duì)較高的含沙區(qū)域主要集中在水深較淺的水域，在-5 m等深線以外基本為低含沙區(qū)，含沙量一般小于0.05 kg/m3。工程附近海域底質(zhì)沉積物主要以粘土質(zhì)粉砂為主，中值粒徑在0.004～0.058 mm，泥沙顆粒較細(xì)，粘土含量在30％以上，典型的淤泥質(zhì)海岸，主要懸沙落淤為主。

1.2工程方案

南港工業(yè)區(qū)布置兩個(gè)挖入式港池，航道設(shè)計(jì)等級(jí)為10萬t級(jí)單向和5萬t級(jí)雙向：航道寬300 m，深-15 m（理論最低，文中水深全部采用此基面）。由于取泥造陸需要，港內(nèi)水域統(tǒng)一疏浚至-15 m，為保證北側(cè)防波堤安全，疏浚區(qū)底邊線擬距防波堤軸線200 m，方案布置見圖1。

圖1 工程區(qū)域規(guī)劃示意圖Fig.1Sketch of project position

2 泥沙水力特性試驗(yàn)

2.1泥沙靜水密實(shí)試驗(yàn)

在航道沖淤計(jì)算和疏浚挖泥中，泥沙群體沉速有重要意義。本次采用試驗(yàn)?zāi)鄻舆M(jìn)行了靜水密實(shí)試驗(yàn)，觀測并記錄了泥沙的密實(shí)過程，對(duì)泥沙的群體沉降特性進(jìn)行研究。

2.1.1試驗(yàn)方法和條件

試驗(yàn)?zāi)鄻尤∽阅细酃I(yè)區(qū)在挖航道，平均中值粒徑0.024 mm，粘土含量27.2％，屬于粘土質(zhì)粉砂。

靜水密實(shí)試驗(yàn)在3 m和5 m沉降筒內(nèi)進(jìn)行，沉降筒內(nèi)徑0.19 m，由透明有機(jī)玻璃管制成，外壁貼有標(biāo)尺，用于記錄泥面高度變化過程。試驗(yàn)時(shí)，將泥樣配制成初始容重為1.05 t/m3的泥樣，分別注入到3 m和5 m沉降筒內(nèi)靜置密實(shí)，鹽度采用現(xiàn)場實(shí)測的32‰。

2.1.2試驗(yàn)結(jié)果

沉降管灌注完成后，持續(xù)觀察、記錄清渾水界面的高度變化，繪制5 m沉降筒內(nèi)淤泥重度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖，如圖2所示。

圖2 容重隨時(shí)間變化過程（5 m）Fig.2Temporal variation of bulk density

靜水密實(shí)試驗(yàn)顯示，在3 m沉降筒內(nèi)，密實(shí)60 d平均容重達(dá)到1.51 t/m3；在5 m沉降筒內(nèi)，密實(shí)60 d平均容重達(dá)到1.51 t/m3；泥樣在兩種高度沉降筒內(nèi)的密實(shí)結(jié)果較為一致。

2.2泥沙靜動(dòng)水沉降試驗(yàn)

為測定泥沙在水中的沉降速度，在天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所環(huán)形水槽內(nèi)進(jìn)行了泥沙靜、動(dòng)水沉降試驗(yàn)。

2.2.1試驗(yàn)方法和條件

將試驗(yàn)?zāi)鄻影闯跏己沉颗渲坪貌⒊浞謹(jǐn)嚢杈鶆蚝笞⑷氕h(huán)形水槽中，開始實(shí)驗(yàn)時(shí)將水槽內(nèi)的水流速度調(diào)到大流速，以使試驗(yàn)沙樣充分起動(dòng)、懸浮，然后將流速度調(diào)到試驗(yàn)流速，待水流速度穩(wěn)定后，定時(shí)取水樣，將水樣過濾、洗鹽、烘干后，使用萬分之一精度天平稱重，得到水體含沙量，確定出相應(yīng)泥沙顆粒的沉降速度和下沉的沙量，然后采用式（1）計(jì)算泥沙的平均沉降速度。

試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)?zāi)鄻悠骄兄盗?.024 mm，粘土含量27.2％。試驗(yàn)流速采用0 cm/s、20 cm/s、40 cm/s；試驗(yàn)水溫約20℃；試驗(yàn)鹽度值為32‰；初始含沙濃度約為0.2 kg/m3、0.4 kg/m3。

表1 靜、動(dòng)水沉降試驗(yàn)結(jié)果Tab.1Static and dynamic water sedimentation test results

2.2.2試驗(yàn)結(jié)果

（1）靜水（流速為0 cm/s）沉速為0.057～0.059 cm/s。

（2）水流速度對(duì)泥沙沉降有較大影響，流速越大則紊動(dòng)強(qiáng)度也越大，對(duì)泥沙沉降的阻力也越大，泥沙沉速就越小，即泥沙沉速隨水流速度的增加而減小，水流速度增大為40 cm/s時(shí)，沉速減小到0.019～0.025 cm/s（表1）。

2.3泥沙起動(dòng)試驗(yàn)

2.3.1起動(dòng)條件的研究方法

本次試驗(yàn)采用起動(dòng)流速、摩阻流速、臨界起動(dòng)切應(yīng)力、臨界Shields參數(shù)和沙粒雷諾數(shù)等各項(xiàng)指標(biāo)綜合表達(dá)泥沙的起動(dòng)特性。相關(guān)的計(jì)算公式為

式中：ρ為水的密度，kg/m3；ρs為泥沙的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d50為泥沙中值粒徑，m；n為運(yùn)動(dòng)粘滯系數(shù)，取0.01 cm2/s。

2.3.2試驗(yàn)設(shè)備和條件

泥沙起動(dòng)試驗(yàn)在波、流水槽內(nèi)進(jìn)行，波浪水流槽尺寸長×寬×高為68.0 m×0.7 m×1.0 m。流速測量采用ADV流速儀，試驗(yàn)布置見圖2。鋪泥段長4 m，厚10 cm，鋪泥段前方約3個(gè)波長處布置1#波高儀測量入射波要素，鋪泥段布置2#、3#波高儀測量起動(dòng)波要素，鋪泥段中后方布置OBS測沙儀測量離底床約2.0 cm處的水體含沙量，并在同一位置處沿垂線布設(shè)六點(diǎn)懸沙采集器。為使起動(dòng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)相同，根據(jù)波浪作用起動(dòng)試驗(yàn)得到起動(dòng)時(shí)的OBS值，然后采用同一OBS測量值對(duì)波、流作用下和水流作用下的泥沙起動(dòng)進(jìn)行判斷。

圖3 波、流水槽起動(dòng)試驗(yàn)布置圖Fig.3Starting test layout of wave and current tank

進(jìn)行純波浪作用下的起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，在保持水深、輸入波浪周期不變的情況下，從小波高波浪作用開始，逐步加大輸入波浪高度，直至泥沙普遍起動(dòng)。

進(jìn)行波、流共同作用下的泥沙起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，保持水深、波浪周期、水流流速不變，從小波高波浪作用開始，逐步加大輸入波浪高度，直至泥沙普遍起動(dòng)。

2.3.3起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）波浪作用下的起動(dòng)。

波浪作用下的起動(dòng)條件采用起動(dòng)流速Uw和摩阻流速U*w來表達(dá)，Uw和U*w的定義如下

式中：ρ為水的密度，kg/m3；fw為波浪摩阻系數(shù)；Ubm為底部最大軌跡速度。波浪作用下泥沙起動(dòng)流速試驗(yàn)結(jié)果見表2。

（2）波流共同作用下的起動(dòng)。

波流共同作用下的起動(dòng)條件采用綜合起動(dòng)流速Uwc和摩阻流速U*wc來表達(dá)，Uwc和U*wc的定義如下

式中：τwc為波流共同作用下的底部剪應(yīng)力；fcw為波流共同作用的摩阻系數(shù)。波、流共同作用下泥沙起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表2 波浪作用下起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.2Starting test results under wave action

表3 波、流共同作用下起動(dòng)流速試驗(yàn)結(jié)果Tab.3Starting test results under wave and current action

3 與其他港口對(duì)比分析

本工程北側(cè)和南側(cè)的天津港和黃驊港航道均已建成并正常運(yùn)營多年，將本試驗(yàn)結(jié)果與天津港和黃驊港的泥沙特性以往研究成果［7-11］進(jìn)行對(duì)比，借鑒其成功經(jīng)驗(yàn)，以分析本航道工程的可行性。

3.1靜水密實(shí)試驗(yàn)資料對(duì)比

表4為靜水密實(shí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比：本次實(shí)驗(yàn)?zāi)鄻幼畲譃?.024 mm，黃驊港泥樣次之為0.020 mm，天津港泥沙中值粒徑最小為0.005 mm。由初始容重密實(shí)至1.30 t/m3所需時(shí)間本次實(shí)驗(yàn)?zāi)鄻有枰?43 h，天津港泥樣要400 h，黃驊港泥樣只需要1 h，即本次泥樣的沉降及密實(shí)速度要介于黃驊港與天津港之間?？傮w上，南港工業(yè)區(qū)航道泥樣沉降密實(shí)速度更接近與天津港的泥樣。

表4 靜水密實(shí)試驗(yàn)資料對(duì)比（3 m管）Tab.4Comparison of hydrostatic compaction test data（3 m tube）

3.2泥沙動(dòng)水沉降試驗(yàn)資料對(duì)比

本次實(shí)驗(yàn)?zāi)鄻幽嗌称骄兄盗綖?.024 mm，根據(jù)以往對(duì)細(xì)顆粒泥沙的研究，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)鄻觿?dòng)水沉降以不絮凝沉降為主。表5為動(dòng)水沉降試驗(yàn)資料對(duì)比，對(duì)比分析可知：本泥樣沉降速度介于天津港和黃驊港之間，總體上更接近于天津港泥樣的沉速。

表5 動(dòng)水沉降試驗(yàn)資料對(duì)比Tab.5Comparison of settlement test data

3.3泥沙起動(dòng)試驗(yàn)資料對(duì)比

表6為泥沙起動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，如表6所示：南港工業(yè)區(qū)起動(dòng)流速為0.298 m/s，天津港為0.682 m/s，黃驊港為0.128 m/s。

表6 泥沙起動(dòng)實(shí)驗(yàn)資料對(duì)比Tab.6Comparison of sediment starting test data

綜合以上對(duì)比可知，本次試驗(yàn)?zāi)鄻拥拿軐?shí)速度、沉降速度及起動(dòng)摩阻流速均介于黃驊港和天津港泥樣之間，密實(shí)速度和沉速大于天津港泥樣而小于黃驊港泥樣，起動(dòng)摩阻流速大于黃驊港泥樣而小于天津港泥樣，這表明：南港工業(yè)區(qū)泥沙“活躍性”比粉沙質(zhì)海岸性質(zhì)的黃驊港泥沙弱而又比天津港強(qiáng)；與黃驊港泥沙相比更不容易產(chǎn)生驟淤，泥沙特性與天津港泥沙更接近。根據(jù)沙質(zhì)海岸、粉沙質(zhì)海岸、淤泥質(zhì)海岸的界定標(biāo)準(zhǔn)及泥沙所表現(xiàn)的基本特性，南港工業(yè)區(qū)航道的泥沙更多地表現(xiàn)出淤泥質(zhì)海岸的性質(zhì)，應(yīng)劃定為淤泥質(zhì)海岸。

4 結(jié)語

南港航道泥沙水力特性試驗(yàn)研究結(jié)果表明：

（1）靜水密實(shí)試驗(yàn)顯示，在3 m和5 m沉降筒內(nèi)，試驗(yàn)?zāi)鄻映跏既葜貫?.05 t/m3密實(shí)60 d平均容重達(dá)到1.51 t/m3。

（2）靜水（流速為0 cm/s）沉速為0.057～0.059 cm/s。泥沙沉速隨水流速度的增加而減小，水流速度增大為40 cm/s時(shí)，沉速減小到0.019～0.025 cm/s。

（3）容重1.48，水深0.3 m波周期1.8 s情況下，波浪作用下的泥沙起動(dòng)流速為0.298 m/s，波流共同作用下的綜合起動(dòng)流速為0.33 m/s。

（4）與周邊天津港和黃驊港相關(guān)水力特性試驗(yàn)結(jié)果比較顯示：南港工業(yè)區(qū)泥沙“活躍性”比粉沙質(zhì)海岸性質(zhì)的黃驊港泥沙弱而又比天津港強(qiáng)，泥沙特性與天津港泥沙更接近，應(yīng)劃定為淤泥質(zhì)海岸。

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Experimental study of sediment hydraulic characteristics on Tianjin Nangang seaward channel

ZHANG Zhi?guo1,WANG Xing?bo1,CHEN Chun2,ZHANG Yi?feng3
（1.CCCC Tianhang Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;3. State Key Laboratory of Hydrology?Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210098,China）

A seaward channel is planned in Nangang industrial zone.In order to determine the bottom sedi?ment properties and provide technical basis for waterway engineering research and construction,based on the exist?ing data of Nangang District,the sediment water dynamic properties were tested and compared to that of the Tianjin port and Huanghua harbor.The results show that the sediment active degree in Nangang industrial zone is weaker than that of the silty coast in Huanghua harbor,and stronger than that of Tianjin port,and the sediment characteris?tics are more close to the sediment in Tianjin port,which should be designated as the muddy coast.

sediment of seaward channel;hydraulic characteristics experiment;Tianjin Nangang

TV 142

A

1005-8443（2016）02-0142-05

2015-05-13；

2015-11-20

水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（2013491611）；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“深水波浪非線性及不穩(wěn)定性演變機(jī)理研究”（41306034）

張志國(1977-)，男，天津市寶坻人，工程師，主要從事港航工程及軟基處理工程施工管理工作。

Biography：ZHANG Zhi?guo（1977-），male，engineer.