淤泥质海岸挖槽回淤预测的沉积动力学途径-以杭州湾试挖槽为例
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摘要：在淤泥质河口、海岸地区，港池和航道开挖后，挖槽内外经历着冲淤交替过程，在挖槽中由于水流作用的弱化，使得槽内淤积增加而冲刷减少，并随槽内深度增加而产生净淤积(即回淤)。挖槽回淤的沉积动力学途径，是建立在对冲淤机理分析和冲淤过程的合理概化基础上，可以构造半经验的回淤预报公式，也可为冲淤数学模型提供合理的结构和参数，关键是采用水动力强度指标，即水流及波浪引起的底部切应力τ(或摩阻流U)来界定冲淤发生的条件和衡量冲淤发生的规模；此外还必需分析和表达挖槽工程区域水体含沙量的时空分布；工程区沉积物的平面及柱状分布及其物理力学指标、沉速、淤积切力、冲刷切力、固结过程、流变参数等的实验测定。
1 前言
在淤泥质河口、海岸地区，港池和航道人工开挖后，挖槽内外都经历着冲淤交替的过程；在挖槽中由于水流作用的弱化，使得槽内淤积增加而冲刷减少，与槽外相比，产生了因加深引起的净淤积，即“回淤”。
挖槽回淤的沉积动力学途径，是建立在对冲淤机理的分析和冲淤过程的合理概化基础上的。通过分析与概化，可以构造半经验的回淤预报公式，也可为冲淤数学模型提供合理的结构和参数，或为动床物理模型提供确定比尺关系的依据。
长期以来，水利及港口工程界广泛采用挟沙能力概念来分析挖槽的冲淤机理，用实际水体含沙量与挟沙能力的对比来概化冲淤过程，即对于某一水动力强度，水体含沙量高于挟沙能力(S＞S*)时，发生淤积，至SS*时淤积停止；当S＜S*时发生冲刷，SS*时冲刷停止。由于挟沙能力S*是与水动力强度联系在一起的，因此用实际水体含沙量与S*的对比来概化冲淤过程，可以认为其实质上是一种动力学的分析途径。
另一种动力学分析途径是采用水动力作用强度指标，例如水流及波浪引起的底部切应力τ(或摩阻流速U*),与沉积物的淤积特性和冲刷特性指标(例如淤积切力τd、冲刷切力τc及相应的摩阻流速)加以对比来界定冲淤发生的条件和衡量冲淤发生的规模。这样做，从动力学角度似乎更为直接。另外，当τ＜τd时，淤积可一直进行下去直至S0，而并无某一平衡含沙量与之相对应[1]；冲刷也有类似情况。采用这一途径，要求：
1.1 分析和表达工程所在区域的水动力作用强度，在河口、海岸工程中，一般用水流或波浪引起的底切力(或摩阻流速)表示；要考虑近岸潮波变形及波浪变形引起的水流底切力的变化和挖槽内水流强度随流向与挖槽交角和开挖深度的变化。
1.2 分析和表达工程区域水体含沙量的时、空分布。
1.3 了解工程区域现场沉积物的平面及柱状分布，对代表性泥样进行物理、力学指标、沉速、淤积切力、冲刷切力、固结过程、流变参数等的实验测定。
1.4 建立反映冲淤过程的半经验预报公式或数学模型。
国外在这一途径上的工作较多，早期有代表性的如Krone[2]、Patheniades[1]和Migniot.c[3]等。国内，较早的有天津塘沽新港新港回淤研究(内部资料)第一期。天津新港回研究组，1964年。、连云港等地区的工作[4]。对杭州湾试挖槽的回淤预测、分析也是按这一途径进行的，以此为例，简要分析如下。
2 挖槽冲淤过程的概化及表达
淤泥质浅滩挖槽中的泥沙冲淤，取决于潮流及波浪底切力与沉积物水动力特性之间的对比，冲淤量是滩槽几何因子、水力因子和泥沙因子的综合结果，具体地：
2.1 在海岸浅滩场合，水体含沙量主要来源于浅滩波浪掀沙。波浪掀沙主要发生在破波带，破波带外则主要来自近岸潮流对破波带内浑水的平流——扩散输运[5]。在河口场合，流的输沙是主要的。
2.2 在一全潮过程中，当水流底切力超过沉积物的冲刷切力时，即τ＞τc时发生冲刷，冲刷率又与淤泥的固结程度有关；当水流底切力低于悬沙的淤积切力时，即τ＜τd时发生淤积。挖槽与相邻浅滩相比，淤积历时加长且淤积率增大，冲刷历时缩短且冲刷率减小，从而导致挖槽回淤[6]。综合考虑挖槽中淤积历时T和冲刷历时T′随水动力、泥沙特性、滩槽水深比H/H0和流向交角的变化，可写出T和T′的表达式
(1)
，仅限于湾口偏北，落潮流时扩展到金山咀以下的湾中至湾口区，落潮流水流动力强于涨潮流。U*0.e和U*0.f的平面分布比流速峰值的平面分布能更确切地反映水流动力场的面貌。
图3 杭州湾潮流底切力(U*.0分布)
图4 流速()与水深(H/H0)关系曲线
前已述及，实测槽内外Sb/S=1.6～3.0,即S/Sb=0.4～0.6，由此可确定εs=30～40cm2/s。
7 挖槽回淤量的计算
早在杭州湾航道试挖工程的立项论证阶段，我们利用当地的水力、泥沙的测验资料和泥沙特性的实验测定结果，按(1)～(4)式对试挖槽回淤进行预测[10]，主要结论是，由于天然海床物质和未来槽内沉积物的沉积密度不同，抗冲性也就不同。虽然挖槽内水流动力下降，但在一定的浚深范围内仍能与槽内回淤物质的抗冲性相匹配，这一挖深就能较长时间得以维持。由(1)～(4)式并利用前述各项实验测定的参数，计算给出这一深度约1.5m左右。超过这一深度的挖槽部分，将带来较快的回淤。由这一预测计算模式计算试挖槽的淤积过程，亦与实际过程基本一致(图10)。
图10 试挖槽内外回淤预测值和实测值对比