不同高度潛堤減淤效果水槽實驗研究

龐啟秀，張瑞波，楊 華

(交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

不同高度潛堤減淤效果水槽實驗研究

龐啟秀，張瑞波，楊 華

(交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456)

潛堤高程是淤泥質海岸潛堤設計的關鍵要素之一。為了確定潛堤高程，首先根據已建潛堤工程的經驗分析得出潛堤減淤的主要機理，即主要是阻擋了浮泥或底部高含沙水體直接進入航道和縮短了含沙水體進入航道的時間，進而在長水槽中開展了一系列比對實驗，主要研究不同堤頂高程時的水流紊動、堤前浮泥起動、浮泥層厚度變化、堤后航道泥沙落淤情況等，并以此作為比選堤頂高度的基本依據。實驗結果表明當相對高度即潛堤高度與堤前水深之比為0.2～0.5時，便有較好的減淤效果。

潛堤高度;減淤措施;淤泥;水槽實驗

潛堤具有調流、擋沙的功能，在滿足工程實際需要的前提下，潛堤相比于出水堤還可以節省大量投資，因此工程設計和建設時往往會考慮采用潛堤代替出水堤的可行性，并研究確定潛堤高程、長度等尺度。針對潛堤附近流態或者波浪問題的研究成果相對較多:Zanuttigh和Lamberti［1］、Johnson和Karambas［2］均采用數學模型研究了潛堤附近的波浪場和流場;而Tsal和Chen［3］通過試驗確定了可透水潛堤的波浪反射系數、波能衰減系數等;蔣昌波［4］利用VOF方法追蹤自由表面以及采用源函數造波技術計算了流場、流線、紊動動能及紊動動能耗散率等特性;Roger和Jia［5］、Tominaga和Ijima［6］則分別在水槽內采用ADV和PIV系統測量了潛堤周圍的三維流場。潛堤也是一種較為有效的泥沙減淤措施，如淤泥質海岸的日本熊本港(Kumamoto Port)和粉砂質的印度尼西亞Semen Tuban港的實際應用表明，潛堤減淤效果非常明顯［7］。

潛堤減淤效果可通過模型試驗作整體評估，并對工程方案進行優化，但由于比尺問題導致物理模型的水深、堤前泥層厚度和潛堤高度都較小，特別是不同堤頂高程方案在模型上差別細微(高度差值乘以垂直比尺)，導致難以很好地比選堤頂高度。數學模型可以避免比尺問題而用來模擬確定潛堤高度，蔣昌波［4］依據數模計算結果探討了堤項水深變化的影響，認為隨堤頂水深增大，潛堤的消浪作用將明顯減弱，但未研究擋沙問題;Chai和Hayashi［8］采用三維泥沙輸移數學模型(Mike)研究了潛堤(墩)形狀如矩形和縮窄的六邊形對底床淤泥輸移的影響，并研究了潛堤高度由0.3 m增加到0.5 m對由潛堤所圈圍而成的種植區的含沙量的影響，認為含沙量可以減小30%左右。但數學模型的潛堤處理技術和浮泥模擬技術并不非常完善，因而尚需要開展室內實驗來比選潛堤高度。目前已有一些從流態和消浪角度出發來研究潛堤高度的實驗，但從減淤角度來研究潛堤高度的室內實驗成果相對較少。將依據淤泥質海岸潛堤減淤的機理對實驗進行概化，并通過水槽實驗綜合研究不同高度的潛堤對應的水流狀態、泥沙起懸和床面變化情況等，分析并推薦潛堤高度。

1 實驗原理

文獻［7］依據潛堤工程建設前后實測地形變化情況分別給出了日本的熊本港(Kumamoto Port)和印度尼西亞的Semen Tuban港的潛堤減淤效果，并分析了潛堤減淤的主要機理，即浮泥或底部高含沙水體可以經由口門直接流入港池，而無法從建有潛堤的地方直接流入，從而降低淤積量。

許多建設在淤泥質或粉砂質淺灘上的航道的回淤泥沙主要來源于灘面上再懸浮泥沙;在大波浪作用時段邊灘表面泥沙受擾動逐漸稀化而成浮泥狀態，此時泥沙很容易懸揚而增加水體含沙量，但垂線上仍是近底床水體含沙量明顯大于中、上層水體的［9］，這些懸沙隨漲潮或落潮流運移到航道后，由于流速突然減小即挾沙力降低而發生落淤，同時，底部高含沙水體和稀化而成其中浮泥將以異重流形式，沿邊灘斜坡向下運動而直接灌入航槽中;波浪作用后期，波浪衰減后，中上層水體中的懸沙紛紛落淤至底部高含沙水體層(浮泥)，而維持異重流運移并直接灌入航槽。修建潛堤后，可擋住其中的一部分直接進入航道或港池，達到減淤目的。另外，對一些高度較大的潛堤，低水位時堤頂可能露出水面，則經由淺灘并攜帶大量泥沙的水流無法進入航道，只有高水位淹沒潛堤時上層水體(上層水體的含沙量相對較低)能夠進入航道，即潛堤的修建大大地減小了泥沙進入航道的時間，從而減小了航道的泥沙淤積量，這也是潛堤減淤的重要機理。因此修建的潛堤主要阻擋了浮泥或底部高含沙水體直接進入航道和縮短了含沙水體進入航道的時間。

在掩護條件較好的海域，動力條件以水流為主，如在半封閉的日本有明海(Ariake Sea)研究采用潛堤來掩護種植區的效果時，動力條件僅考慮了潮流［8］;再如廈門灣海滄所在海域位于海灣內，灣口又受雞嶼的掩護，西南側大片淺灘上的再懸浮泥沙隨落潮流運移至海滄港池航道后落淤為主要的淤積模式，擬在航道邊緣順航道方向修建潛堤以減小泥沙回淤量。潛堤修建后，原來隨落潮流向航道運移的浮泥或高含沙水體會被阻擋在潛堤外側，同時堤前可能會有部分泥沙落淤，這兩部分泥沙能否起動并隨水流越過潛堤而進入航道，將是潛堤減淤成敗的關鍵。堤前泥沙再懸浮運動的形式主要有兩種:一是水位較高時，泥沙被掀起并隨水流越過潛堤進入航道;二是作順堤方向的運移。由于水槽實驗的局限性，本次實驗只模擬第一種情況，即水流運動方向垂直于潛堤。實驗主要模擬不同堤頂高度時堤前后的水流狀態、浮泥起動、泥床沖刷、航道的泥沙落淤等，作為比選堤頂高度的基本依據。

2 實驗設計和開展

2.1 泥沙的選取

實驗泥樣取自廈門港海滄航道附近淺灘，中值粒徑為0.007 8 mm，粉砂含量為52.5%，粘土含量為35.3%，屬粘土質粉砂。

泥樣初始重度的選取。考慮到堤前阻擋下來的浮泥和落淤泥沙對應的密實時間均較短，也為了保證泥沙在實驗水槽的水流用下能夠起動懸揚，堤前鋪設的浮泥初始重度選用11.8 kN/m3，而此重度的浮泥對應的密實速度相對慢一些，有利于減小水槽加水和實驗過程中因密實造成的泥面下沉量，同時也可使淤泥重度垂線分布保持較為均勻，利于比較不同流速下的泥沙懸揚情況。

2.2 潛堤型式的選取

李昌良［10］等采用VOF方法計算了矩形結構、梯形結構、半圓結構和槽形結構潛堤的波浪運動，從波能消散方面考慮，槽型潛堤結構是各結構中的最優選擇，半圓型潛堤效果最差;Isao和Nobuyuki［11］通過水槽實驗和數值模擬評估了倒T型、梯形、雨滴型等幾種形狀的潛堤減淤效果，表明在波浪條件下，潛堤遏制淤積的效果差異與波浪造成的越堤旋渦尺度存在關系，實驗證明直角梯形潛堤的航道所在側能形成高強度旋渦，減淤效果最好。參考這些研究成果，分析認為在潛堤迎水面較緩的壩體，能夠較好地削弱波浪或水流產生的旋渦發展，減弱對堤前落淤泥沙的擾動，進而減小泥沙懸揚量;另一方面，堤后側能產生強烈漩渦的潛壩，可以有效降低泥沙落淤率，進而減小泥沙淤積程度。因此本實驗采用直角梯形潛堤，如圖1中所示的形狀。

圖1 實驗布置示意Fig.1 Layout of experiment

2.3 實驗布置和設備

實驗在直水槽內進行，水槽尺寸68.0 m×0.7 m×1.0 m(長×寬×高)。實驗水流為自循環式，用水為自來水，水流速由一個無極變速的電動水泵控制。實驗段布置在水槽中部，如圖1所示，在鋪泥段末端即坡腳處和堤頂、堤后分別采用ADV測量垂線流速分布，堤后放置集沙盒用于收集落淤的泥沙。

2.4 實驗工況

考慮到當水槽中的潛堤較高即淹沒水深很小時，將會產生較大的堤前壅水和堤后跌水，而與現場開闊海域上的漫堤流實際情況差別太大，因此，控制實驗的潛堤高程與水深的比值不超過0.5，即最小淹沒深度為堤前水深的一半。每組實驗的水深均為50 cm，為方便描述，參考Tominaga［6］的研究成果而定義相對高度為潛堤高度H與水深h的比值，H/h取0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，則實驗堤頂高度分別為 0、5、10、15、20、25 cm。

實驗水流速度由水泵電機變頻值來控制，并由布設在潛堤坡腳處的ADV實測得出，垂線平均流速分別為 22、28、34、39 和 48 cm/s。

2.5 實驗步驟

1)按尺寸建造某高度的直角梯形混凝土堤壩，堤壩在橫向上的兩端緊靠水槽邊壁。

2)實驗前先將配制好的泥沙攪拌均勻，再均勻鋪在潛堤坡腳處的存泥槽里并抹平，然后向水槽中緩慢注入自來水至實驗所需水深，每組實驗開始前均重新鋪泥。

3)實驗從小流速開始做起，保持某種流速持續一段時間至泥面基本達到平衡剖面時再增加到下一級流速。觀察各流速時泥沙的起動狀況和隨水流越堤及堤后擴散運移的狀態。

4)在某級流速運行平穩后，采用ADV測量坡腳處和堤頂、堤后的垂線流速(三維)分布。

5)測量不同時段的床面高度，分析床面泥沙運動情況。

6)實驗完成排掉水后，觀察堤后所放置的集沙盒內的泥沙落淤分布特征，并收集泥沙。

3 實驗結果分析

3.1 實驗現象

當水流速度較小時，鋪設在堤前泥槽中的泥沙不能起動;進一步增加電機變頻值，水流速度也隨之增加，泥沙開始起動，但在相同的電機變頻值(水流流量基本相同)時，不同堤頂高程所對應的堤前泥沙起動程度不同，如變頻值N=16(實測垂線平均流速約為22 cm/s)，當堤頂高程為0 cm(即不存在潛堤)時，泥沙已經可以大量起動、懸揚，水流作用15 min后床面便有較為明顯的下降，但潛堤高程為25 cm時，此流速作用下泥沙未能大量起動，床面也無明顯變化。從實驗現象便可看出，堤頂越高，相同流速條件下，堤前浮泥被掀起的數量就越少。

在水流作用下，泥沙呈濃煙狀懸揚，但泥沙尚未懸揚太高便被水流帶走，高濃度泥沙水體層的厚度不足5 cm，該高含沙層貼著潛堤斜坡爬行至堤頂，初始并沒有擴散(見圖2(a))，但在堤后水流強紊動作用下很快(約幾十秒的時間)就會如圖2(b)所示擴散至整個垂向斷面，但擴散至表層的泥沙仍然相對較少。隨著時間的推移，泥沙起動量會相對減小，表現為懸沙煙霧顏色變淺(即濃度降低)、床面的下降速度減慢等，如堤頂高度為20 cm時，在垂線平均流速28 cm/s的水流作用10 min后泥沙起動量便明顯減小，此時床面已沖刷形成一個基本穩定的剖面，即基本達到該動力條件下的平衡水深。但再增大流速，如流速為48 cm/s時，可以看見泥沙又會迅速起動、懸揚，黑色的濃煙狀泥沙隨水流越過潛堤，但同樣作用一段時間后也會形成該水流動力條件下的平衡水深，只是其達到平衡水深所需的時間略短。

在實驗過程中，當水流速度較小，如垂線平均流速22 cm/s時，可以清晰地看到高度為20 cm的潛堤對應的泥床面上產生了由粗顆粒泥沙形成的順(流向)紋狀堆積體，即堤前在水流作用下產生了一定的泥沙分選。但進一步增加流速后，這部分粗顆粒泥沙也懸揚起來并隨水流運動越過潛堤，堤前的粗顆粒堆積體消失。

圖2 試驗現場示意Fig.2 Photographs taken from the experiment

3.2 堤前流速分布特征

受潛堤影響，堤前水流結構，特別是近底層，明顯不同于不建潛堤時的情況，近底層流速垂線分布曲線更加平坦，而且基本上是潛堤越高，曲線平坦度越大，即近底層的流速梯度相對減小;同時，潛堤高度越大，對應的底流速也相對越小，對堤前浮泥的剪切掀動能力就越弱，泥沙懸揚量也就越少，這與試驗直觀現象一致。堤前流速分布如圖3所示。

3.3 堤后懸沙落淤情況和紊動強度分析

懸沙隨水流越過堤頂后，不僅隨水流繼續前行，同時還受強紊動作用而在垂線上擴散，因此盡管堤前、堤頂處的高含沙層厚度很薄，但堤后航道上方的懸沙層厚度可占整個斷面的一半以上，如圖2所示。堤后的懸浮泥沙主要隨水流前行而很難迅速落淤，布設在堤后的集沙盒也很少有泥沙存留。堤后泥沙基本不落淤，主要是因為直角梯形潛堤后方產生了較強的紊動造成的。

為了了解堤后的水流紊動情況，采用ADV測量了垂線上不同深度處的三維流速(u，v，w)，并計算紊動強度［12-13］，然后繪制紊動強度垂線分布圖，如圖4所示為堤頂高度為20 cm、流速為39 cm/s的條件下的紊動強度。可知，紊動強度垂線分布并不均勻，而是存在某個高度處的紊動強度最大，這個高度隨潛堤高度的變化而變化，大體來說，紊動強度最大值發生在與堤頂平齊的高度處，這與白玉川［14］采用圓管得到紊動強度的峰值出現在圓管附近的實驗成果相同，即堤頂高度處的紊動作用最強，因此當泥沙沿潛堤斜坡上爬至堤頂時，泥沙仍基本保持在較薄近底(潛堤頂部)層中，一旦越過潛堤后，便受到強紊動作用而在水體中混摻、垂向擴散而不落淤(堤后的集沙盒基本上沒有泥沙落淤)，并被水流攜帶至下游。說明本實驗采用的直角梯形潛堤，一定距離內可以很好地減小細顆粒泥沙落淤量，因此推薦該型式的潛堤。

3.4 堤前床面變化

在水流作用下床面將發生沖刷現象，隨著沖刷坑的不斷加深和擴大，坑內的水流流速減小，掀沙能力也隨之下降，與此同時，沖刷坑內的泥沙發生粗化現象，留下粗顆粒泥沙，鋪蓋在沖刷坑表面上，增大了泥沙的抗沖能力和坑底面粗糙度，一直到水流對床面泥沙的沖刷作用與床面的抗沖作用達到平衡時，沖刷則停止。這時床面會達到一種穩定狀態，即隨時間的推移，床面基本保持不變，從泥沙大量起動、床面明顯沖刷至床面基本穩定而形成的平衡狀態所需時間，不同堤頂高度、不同流速條件均有所不同，從本次實驗來看，堤頂高度越小、流速越大則達到沖刷平衡狀態所需的時間越短。

待床面達到平衡后，測量床面高度。為了對比不同潛堤高度時的沖刷情況，將相同垂線平均流速對應的平衡床面繪制在同一幅圖中，如圖5所示為垂線平均流速為39 cm/s時的床面變化情況(當沒有潛堤即H=0 cm，此流速時大部分泥沙已經沖刷流失，故圖中無此平衡床面線)。可知整個床面的沖刷深度并不均勻，一般在距離潛堤較遠的中前部存在凹槽，即該位置沖刷最大。不同潛堤高度對比可知，隨潛堤高度的增加，泥面沖刷減弱;不同流速間對比，則表現出流速大，對應的沖刷坑深度也大。

圖3 同一流速不同潛堤高度時的堤前流速分布Fig.3 Velocity distribution before the submerged dike with different heights at the same velocity

4 堤頂高20 cm，流速為39 cm/s時潛堤后方紊動強度分布Fig.4 Distribution of turbulent intensity behind the submerged dike with height of 20 cm at the velocity of 39 cm/s

3.5 潛堤高度的選取

根據以往經驗，泥沙沖刷狀況與泥床的容重(或密實度)、水流動力條件等有很大的關系，限于實驗條件，實驗室內難以完全模擬現場情況，但為了能夠使實驗成果應用到現場中，考慮采用相對比值來進行推算，如采用相對深度d/d0，即不同堤頂高度對應沖刷深度d與無潛堤時的沖刷深度d0之比;相對高度H/h，潛堤高度H與堤前水深h的比值。繪制相對深度d/d0與相對高度H/h的關系圖如圖6所示，可知:

1)三種流速狀態下，均表現出相對沖刷深度d/d0隨相對高度H/h的增加而減小，即潛堤高度增加，堤前浮泥沖刷深度減小。

2)在相同H/h時，不同垂線平均流速對應的相對沖刷深度不同，垂線平均流速28、33、39 cm/s對應的相對沖刷深度(d/d0)依次減小(但絕對沖刷深度隨流速的增大而增大)，即對某一固定高度的潛堤而言，流速越大，潛堤阻擋沖刷的效果越明顯。

3)擬合d/d0與H/h的關系，如圖6中的曲線所示，可知相對沖刷深度d/d0并非隨潛堤的相對高度H/h和垂線平均流速V線性減小，而是成負指數關系:

式中:d/d0為相對沖刷度;d為不同堤頂高度對應沖刷深度;d0為無潛堤時的沖刷深度;H/h為相對高度;H為潛堤高度;h為堤前水深;V為垂線平均流速(m/s)。

圖5 流速為39 cm/s時不同潛堤高度(H)對應的平衡床面Fig.5 The equilibrium mud bed with dikes of different heights when the vertical average velocity equals to 39 cm/s

圖6 H/h與d/d0的關系Fig.6 The relation of H/h and d/d0

4 潛堤高程的推薦值

結合已建工程確定潛堤高程。日本的熊本港，流速小于0.5 m/s，航道段對應灘面自然水深為2～4.5 m(低潮位)，潛堤高度 H=1.0 m，H/h=0.5 ～0.22，流速取0.5 m/s，則由公式(1)計算得到相對沖刷度 d/d0=0.2～0.5，即在水流沖刷作用下能夠懸揚并越堤的泥沙量將僅占堤前攔下的浮泥總量的20% ～50%，這也與文獻［7］所述的“當潛壩高度超過1 m時就會產生相當好減淤效果”一致。

印度尼西亞的Semen Tuban港的潛堤主要用來阻擋底部高含沙水體直接進入港池和回旋水域，潛堤所在處的灘面水深為6～9 m(低潮位)，潛堤高H=2 m，則H/h=0.3～0.2，結合日本的熊本港H/h=0.5～0.2可知，潛堤高度與水深的比值H/h一般可取在0.2～0.5之間。這將為數學模型和物理模型試驗中的潛堤高程初步設計提供基本依據。

5 結 語

1)在淤泥質海岸應用潛堤來減小泥沙淤積量是可行的，潛堤減淤的機理主要是阻擋了底部浮泥直接進入航道和縮短了含沙水體進入航道的時間。

2)潛堤越高，對應的堤前底流速相對越小，對泥沙的掀動能力更弱;隨潛堤高度的增加，泥面沖刷減弱;不同流速間對比，表現出流速大，對應的沖刷坑深度也大。

3)實驗表明，細顆粒泥沙在直角梯形潛堤后的強紊動作用下難以落淤，因此設計時應盡可能地增加堤后的紊動強度，推薦直角梯形潛堤。

4)當相對高度即潛堤高度與堤前水深之比為H/h=0.2～0.5時，便可有較好的減淤效果。

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Flume experimental study on the heights of submerged dike to diminish siltation

PANG Qi-xiu，ZHANG Rui-bo，YANG Hua
(Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Transport，Tianjin 300456，China)

The height of submerged dike employed to diminish sedimentation in muddy coast is one of important factors for the design.The experiments conducted in a long flume are designed based on the main principle of using the submerged dike to eliminate sedimentation，which is to prevent fluid mud from entering the channel directly，and shorten the time of high silt-laden water entering the channel.The flow disturbing，motion of fluid mud，depth variation of fluid mud and siltation in the channel behind the submerged dike are selected as the main parameters for the comparison of different heights of the dike.The results show that the submerged dike is efficient to decrease the erosion of fluid mud existing in front of the dike when the relative height，the ratio of height of dike to water depth，equals to 0.2 ～0.5.

heights of submerged dike;countermeasures against siltation;mud;flume experiments

TV148

A

1005-9865(2012)02-0066-06

2011-05-31

國家高技術研究發展計劃(863)資助項目(2012AA112509);天津市濱海新區重大科技支撐項目(2010-Bk1400011)

龐啟秀(1977－)，男，山東濰坊人，博士，助理研究員，主要從事港口、海岸及近海工程水動力和工程泥沙研究。

E-mail:pangqixiu@tiwte.ac.cn