欽州港大欖坪1#、2#泊位水工工程基床回淤強度測算分析

【摘 要】針對欽州港大欖坪1#、2#泊位水工工程特點，對基槽內的回淤強度及對基槽面淤泥進行了測算和分析，重點對區域回淤機理、回淤過程、回淤強度測算進行了闡述。

【關鍵詞】欽州港；回淤強度；回淤預測；沉積動力學

1 工程概況

欽州港大欖坪1#、2#泊位水工工程是位于廣西欽州港淤泥質海岸上的一個在建港口，未建成前港池和航道每年均有一定數量的泥沙回淤，加上近年來欽州港深水碼頭的不斷擴建，尤其是2006年底碼頭后方大堤的建成，使欽州港地區的地形由海峽轉變為半封閉的狹長海灣，自然環境發生了根本變化，從而直接影響了灣內的回淤情況，對回淤強度的測算分析具有重要意義。

2 水文條件

該水域潮汐是不規則的半日潮，據龍門水文站統計，漲、落潮平均歷時各為7.1h和5.5h，平均潮差4.09m，最大潮差5.03m。最大垂線平均流速超過12m/s。最大渾濁帶縱向跨度約10km，主要部一般位于金鼓江大橋與金鼓江入海口之間的區段，懸泥沙濃度隨水深增加而增加，表層8米內懸沙濃度一般為8～12kg/m3，底部經常攜帶著淤泥，濃度達到32 kg/m3，從而形成一個懸沙，浮泥和淤泥的沉積體系。取樣的泥沙含量數據如下表1。

3 區域回淤機理分析

長期以來，水利及港口工程界廣泛采用挾沙能力概念來分析挖槽的沖淤機理，用實際水體含沙量S與挾沙能力S*的對比來概化沖淤過程，即對于某一水動力強度，水體含沙量高于挾沙能力S>S*時，發生淤積，至S→S*時淤積停止；當S＜S*時發生沖刷， S→S*時沖刷停止。

由上表1中可以看出，在將到達基槽底部-15.1m（處于12～16水深范圍）標高時，水體含沙量S超過了其挾沙能力S*，因此該碼頭的水下基礎部分回淤是必然的。在不同時間內對同一基槽，同一標高段的取樣結果，詳見表2。

對基槽進行近底懸沙、浮泥及床面表層的顆粒分析及粘土礦物分析，絮凝體直徑分布在0.01～0.5mm范圍內，大部分在0.01～0.2mm范圍。低流速情況下，特別是憩流期，絮凝較為顯著；而高流速情況下，例如漲急與落急期，絮散比較明顯。

由分析可知，近底懸沙、浮泥及底質在級配及礦物成份上均有較好的一致性；d10從懸沙到底質雖然逐漸變粗，即d50處于0.0123～0.0158mm，粘土礦物均以貝殼石為主占65～68%，差別不大，再次說明由于水動力不強，水體與床面的泥沙交換不劇烈。

在一次全潮過程中，當水流底切力超過沉積物的沖刷切力時，即τ=28.8N＞τc=16.3N時發生沖刷，沖刷率又與淤泥的固結程度有關；當水流底切力低于懸沙的淤積切力時，即τ=28.8N＜τd=54.1N時發生淤積。由于挖槽里有塊石，水流對塊石的作用力，使得其得流速在貼近石頭表面時大大減小，到基槽最底部的流速就更小了，趨近于0 。

挖槽與相鄰淺灘相比，淤積歷時加長且淤積率增大，沖刷歷時縮短且沖刷率減小，從而導致挖槽回淤。

4 回淤過程分析

動力學分析途徑是采用水動力作用強度指標，例如水流及波浪引起的底部切應力τ(或摩阻流速U*)，與沉積物的淤積特性和沖刷特性指標 (例如淤積切力τd、沖刷切力τc及相應的摩阻流速加以對比來界定沖淤發生的條件和衡量沖淤發生的規模。這樣做，從動力學角度更為直接。另外，當τ＞τd時，淤積可一直進行下去直至 S>0，而并無某一平衡含沙量與之相對應，沖刷也有類似情況。采用這一途徑，要求分析和表達工程所在區域的水動力作用強度，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；要考慮近岸潮波變形及波浪變形引起的水流底切力的變化和挖槽內水流強度隨流向與挖槽交角和開挖深度的變化[1]。

經取樣分析，小于32μm的細顆粒泥沙占80％以上，懸沙單顆粒粒徑均值為3．6～6．8μm。細顆粒泥沙絮凝環境良好，實測平均絮凝顆粒粒徑為61.5μm，是分散單顆粒粒徑的10倍多，最小絮凝顆粒粒徑為27.4μm，最大為107μm，最大絮凝顆粒出現在0.4～0.7m／s的中等流速時段，而南北槽最大渾濁帶區域絮凝顆粒粒徑最大，均值為57.3～79.2μm。實測回淤過程年均31.7mm/d，與下面的半經驗公式計算基本一致。

5 回淤強度測算

5.1 淤積計算方法

按照《海港水文規范》[2]中淤泥質海岸港池淤積計算公式進行，其計算表達式具體如下：

（1）

式中：PA為航道年平均回淤強度，m；Sk為波、流作用下挖槽內平均含沙量，kg/m3；ωk為泥沙下沉速率，m/s；γ0為淤積物干容重，kg/m3；K1、K2為航道淤積經驗系數，分別取值為0.35 和0.12；t為總淤積時間，通常取1年，即31536000s；d1 、d2為開挖前后平均水深，m；θ為水流方向與航道軸向的夾角(銳角)，由潮流數學模型得到。

5.2 挖槽淤積計算

挖槽為雙堤環抱布局的封閉型港池，港內各水域僅能通過口門與外界進行水沙交換，含沙水體隨浪、流進入掩護區內航道及港池各個泊位時間將有先后順序，港內位置不同，淤積部位和程度也有差異。對于這種掩護型港池回淤問題，依據類似港口研究及實踐經驗，由于動力條件的逐步衰減，一般靠近口門區域回淤強度較大，而遠離口門回淤強度較小。因此，港池以及擋砂堤內的航道(內航道) 淤積計算，將按照潮流流路經過先后順序進行，分別確定各區淤積強度。根據《海港水文規范》[2]中淤泥質海岸港池淤積計算公式，并根據該工程特點改寫為如下形式：

（2）

（3）

式中：PB(i+1)為掩護區內第i + 1區域的回淤強度，m；K0為淤積經驗系數，取值0.15；d1′、d2′(i+ 1)分別為口門前局部水域平均水深和港內第i+1區開挖后水深，m；S(i+1)′相應于港池內第i+1區范圍對應的含沙量，其中港池口門附近含沙量根據實測結果取平均值，kg/m3；t為總淤積時間，s；A(i+1)為港內第i+1區水下淺灘水域面積，m2；A0(i+1)為港內第i+1區總水域面積，m2；ΔH 為平均潮差，取統計平均潮差4.09m；N為相應于淤積歷時t 內的潮數。

5.3 淤積計算

按照設計通航要求，進港航道底高程為-15.1m，采用式(1)～(3)計算，即可得到該挖槽年均淤積量結果，全航道平均淤強為32.5m/a ，最大淤強約41.8m/a。

6 結語

河口海岸大型港口工程及海岸演變的預測與控制，都應對工程引起的泥沙沖淤過程進行定量模擬，即進行動力學分析。為了能科學的指導施工，在施工前期要對基槽及附近的水域進行采集水流速度，泥沙含量數據等，并建立合理反映沖淤物理過程的數學模型，進行綜合測算與分析，以掌握開挖基槽內的回淤強度。

參考文獻：

[1]馮會芳，胡旭躍，張冠群.天津中心漁港進港航道尺度論證與航道泥沙回淤研究[J].水道港口.2009，6.

[2]《海港水文規范》(JTJ213-98).