粉沙基础港区工程减淤方法研究

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[摘要]本文结合港区建港工程实际情况，对港区附近的泥沙运动及港口航道泥沙淤积机理进行分析，为解决港口航道特别是外航道的泥沙淤积问题，提出粉沙基础海岸港区航道挡沙和固沙的工程措施，结果表明挡沙和固沙工程方案对航道泥沙减淤效果很明显。

[关键字]粉沙基础海岸 航道 减淤

[中图分类号] E951 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-4-233-2

0 引言

粉沙基础海岸的泥沙运动十分活跃，在波浪、潮流等海洋动力作用下，泥沙极易起动和沉积，泥沙运移形态十分复杂。粉沙基础海岸局部地区的骤淤和剧冲是该海区港口建设和海岸开发面临的严峻挑战。本文笔者以下结合实例对其应用进行分析。

1 工程概况

某港区地处海湾北岸的交汇口，是一个海岸建设大型挖入式港池的港口，同时也是中国第一个在泥沙运动较活跃的粉沙基础海岸建设的大型港口。该港口工程于1992年8月开工建设，1994年7月投产，其相应航道与挡沙堤一期工程同期完成，1997年开始了挡沙堤二期工程建设。建港以来曾出现过3次比较严重航道泥沙集中淤积（骤淤），分别为1993年11月、1994年12月和2007年10月，其中以2007年10月航道淤积最严重。2007年10月发生强风暴潮骤淤后，为配合港区10万吨级航道的建设，基于挡沙堤一、二期工程的经验，开始进一步对港区泥沙淤积开展研究，逐步完成了港区挡沙堤二期工程改造和三期工程设计建设。多年来，该港区工程开展了粉沙基础海岸方面的大量的观测、分析和实验，数次关于港区航道挡沙、固沙减淤工程试验研究，对在粉沙基础海岸港区航道挡沙、固沙减淤的有效工程措施进行了总结，获得的成果对粉沙基础海岸的港口建设有着重要的意义。

2 港区海岸泥沙骤淤机理特征

港区外航道在典型风暴潮过程骤淤机理： 东西挡沙堤南北两侧岸滩在平常海浪作用下淤积的粒径相对较细的泥沙，一部分被较强的横向输沙输向较深水域，使岸滩在剖面上有较大的调整，挡沙堤北侧岸滩上较细的另一部分泥沙随上游较强的沿岸海流（波生沿岸流和海流合成）挟带沿着东环抱堤轴线方向输向航道。与此同时，东挡沙堤外侧平常浪作用下淤积在滩地上的泥沙，在堤前较强的反射波和沿堤流共同作用下被掀起，并随沿堤流输移，在跨越外航道时沉降落淤，这两部分泥沙综合作用的结果使航道产生骤淤。在这个过程中，就泥沙而言由两部分组成： 其一，是平常浪作用落淤在挡沙堤北侧岸滩及挡沙堤外侧滩地泥沙，这部分泥沙称为就地搬运泥沙； 其二，是由沿岸流和海流挟带的上游来沙，可称之为过境泥沙。从严格意义上来讲，就地搬运泥沙也来自于上游沿岸输沙，只是在平常风浪作用过程中完成。因此，从根本上说，港区航道骤淤的泥沙来源主要是港口东北侧海岸侵蚀所提供的。

3 沿岸挡沙堤工程

3.1 挡沙堤二期工程方案

港区工程（一期）挡沙堤采用环抱式长短堤平面布置呈倒锥形，东挡沙堤堤头至-4.0m，西堤堤头至-3.0m，基本延伸至泥沙剧烈活动带的边缘，可以对吨级航道形成有效的掩护。其间针对航道集中淤积的问题，挡沙堤的平面布置进行过多次调整，东堤堤头沿至-5.0m，总长约840m，并在东堤1+500m处增加挑流堤，挑流堤长750 m，其中300m出水，450m为潜堤。

挡沙堤二期工程包括： 东挑流堤750m全部出水；增加920m环抱堤，其中环抱堤堤根150 m为出水堤，其余770 m为动态平衡潜堤（其高度自海床面以上3m）；在环抱堤堤根处增加二次挑流潜堤，堤长300m；西堤也相应延长出水堤500m和动态平衡潜堤800m（其高度同上）。在挡沙堤二期工程建设期间，京唐港航道扩建到5万吨级规模，受渤海风暴潮影响，航道产生较大淤积，航道（底宽160m）淤积总量约150万m3，航道沿程平均淤厚约为1.9m，最大淤厚5.5m，淤积部位位于东环抱潜堤延长线与航道中心线的交点处，对应航道里程在3+200附近。在这次强风暴潮航道淤积中，发现二期工程东挡沙堤挑流堤、东挡沙堤环抱潜堤的挡沙作用不太理想，挑流堤没有使集中淤积部位外移，环抱潜堤也没有明显减轻它所掩护范围内的航道的淤积强度[1]。

3.2 挡沙堤三期工程方案

鉴于风暴潮暴露出挡沙堤二期工程存在的问题，为保证10万吨级航道的通航安全和为航道和码头提供掩护条件，必须采取完善挡沙堤的工程措施，减轻航道泥沙骤淤的强度。在深入开展风暴潮泥沙骤淤机理和完善挡沙堤工程的物理模型试验研究的基础上，提出了挡沙堤二期改造和三期工程方案。

根据对航道泥沙淤积的研究，为了增强挡沙堤的挡沙效果，挡沙堤三期工程考虑在现有挡沙堤建设的基础上，东西挡沙堤向深水延伸。鉴于已建成的二期挡沙堤的东挡沙堤环抱潜堤堤头离航道轴线约260m，三期挡沙堤轴线只能选择平行航道或者是偏离航道向深水延伸。采取挡沙堤偏离航道方向延伸的方案，将使现有航道口门加宽，涨落急时在口门附近一定范围形成回流，对航道泥沙淤积产生不利影响。因此在三期工程中采取平行航道向深水延伸。根据建挡沙堤布置，选取不同的位置延伸挡沙堤的3个有代表性的方案进行了物理模型试验，其中方案1-1中东挡沙堤与航道轴线距离为397m，方案1-2为594m，方案1-3为806m，具体见图1[2]。

三个方案的区别只是口门宽度和西堤长度不同，根据流态图分析，在无波浪情况下，口门窄的情况下口门区流态要好些，方案1-3的大尺度回流已在双导堤挡砂堤外侧。方案1-2虽然挑流作用更加明显，但堤头的流速进一步增大，这将会导致挑流堤堤头附近滩地泥沙侵蚀，对航道减淤不利。另外还进行了有波浪情况下的流场试验，试验结果同样显示窄口门比宽口门有利。因此，在本次工程设计时采取平行航道向深水延伸的方案1-1。

根据试验结果和对航道泥沙淤积的研究，综合分析不同口门宽度条件下对航道泥沙淤积、口门流态、以及考虑港口未来发展规模等诸多因素，最终确定了挡沙堤平面布置优化方案为东堤646m环抱出水堤接700m导流出水堤，堤头至-8.0m水深； 西堤：240m出水堤，堤头水深-9.0m，口门宽度为700m，可满足未来建设10万吨级散货船双向航道标准。

3.3 挡沙堤三期工程方案减淤预测分析

3.3.1 平常风浪年航道回淤预报

根据平常风浪作用下航道回淤验证试验确定的有关参数，对挡沙堤三期工程方案实施条件下，进行平常风浪条件回淤预报，结果表明平常风浪年条件下，航道年最大回淤厚度为0.56m，平均为0.25m，淤积量为27万m3，应当认为这种淤积量是比较小的。

3.3.2 关于典型风暴潮历时长度对骤淤影响分析

2007年10月中旬风暴潮过程历时较长，按照现场观察、资料分析和风暴潮过后航道检测可知，这次风暴潮起风时间大致在10月10 日下午，当日夜里风速持续增大，潮位开始超高至11日上午风生波浪达到最大值。据后报的H1/10≈4.7m，这种大浪约持续了20多小时，波浪从增大到衰减经历了80多小时，潮位偏离90多小时，航道检测时间是10月16日开始到21日结束。因此，整个风暴潮历时对泥沙回淤的影响前后在3～ 5天之间。

为了分析讨论风暴潮历时对骤淤的影响，在挡沙堤三期工程方案的条件下，将风暴潮过程时段分成3段，且假设在1 /3时段内，波浪达到最大值且风暴潮潮位及流场影响趋于稳定状态，这样风暴潮骤淤验证依然有效。在此前提下，风暴潮骤淤试验只进行1/3时段，测量航道骤淤量。然后重新从头开始进行2/3时段骤淤试验，结果见表1。由该表可知，相当于2007年10月风暴潮1/3时段（相当于整个过程为1.33天作用），其最大淤厚、平均淤厚、淤积量与全时段相比为40%左右。而2/3时段（相当于2.7天）的平均淤厚和最大淤积量与全时段比不足80%。该结果表明，风暴潮作用历时越长，淤积厚度和淤积量成正比增加。换言之，如果风暴潮作用时间为2.7天左右，那么骤淤的最大淤厚约为2.5m，平均淤厚约1m，淤积量约140万m3。这样的风暴潮过程在京唐港出现的概率是比较高的。可见，在挡沙堤三期工程实施后，在遭遇强风暴潮时，可有效降低航道淤对港口生产的影响。

4 小结

通过对港区工程附近海岸演变、泥沙运动和港口航道泥沙淤积机理的分析和模型试验研究，为解决粉沙质海岸港口航道特别是外航道的泥沙淤积问题提出了挡沙和固沙等减淤工程措施。挡沙方案目前已应用到二期挡沙堤改造、三期挡沙堤的设计和建设工程中，取得了良好的挡沙减淤作用，对港口未来的研究和建设有着重要的意义。

参考文献

[1]吴今权.防沙导流堤平面设计的研究[J].中国港湾建设，2001（2） ：13-17.

[2]季则舟.粉沙质海岸港口水域平面布局特点[J].海洋工程，2006，24（4）：81-85.

[3]谢世楞.离岸堤在海岸工程中的应用[J].海洋技术，1999（12） ：39-45.