淤泥質(zhì)海岸防波堤布置潮流泥沙數(shù)值分析

王 震，張春鳳，趙明志，張長(zhǎng)寬

（河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210098）

在淤泥質(zhì)海岸建筑防波堤時(shí)，港內(nèi)泥沙淤積是一個(gè)突出的問(wèn)題［1-4］。過(guò)多的泥沙淤積不僅會(huì)增加營(yíng)運(yùn)期的維護(hù)費(fèi)用，甚至?xí)?dǎo)致港口淤?gòu)U。因此，探討淤泥質(zhì)海岸防波堤的合理布置以減少港內(nèi)泥沙回淤量，具有重要的意義。

本文以坎門漁港三期防波堤工程為例，根據(jù)地形和水文泥沙實(shí)測(cè)資料，分析工程水域的地形和水文泥沙特征；采用潮流數(shù)學(xué)模型和泥沙沖淤半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算分析2 種防波堤布置對(duì)潮流和泥沙淤積的影響；從港內(nèi)泥沙淤積方面，提出淤泥質(zhì)海岸防波堤的合理布置要求。

1 坎門灣地形和水文泥沙特征

坎門漁港為國(guó)家級(jí)中心漁港，位于浙江省玉環(huán)縣東南端的坎門灣。二期防波堤2005 年建成后，坎門漁港可滿足各類漁船的卸港、補(bǔ)給等需要，尤其在臺(tái)風(fēng)季節(jié)能容納3 000 余艘各類漁船的錨泊避風(fēng)。

1.1 地形特征

坎門灣岸線曲折，多岙口；灣口有南排山和黃門山，形成東、西、南3 個(gè)口門與外海相通（圖1）。在二期防波堤以內(nèi)水域（內(nèi)港），等深線呈現(xiàn)以二期防波堤口門為中心的弧形，口門附近水深最深，離口門愈遠(yuǎn)，水深愈淺，西北部水深大多不足0 m（理論最低潮面，下同）。東口門，介于南排山與北側(cè)坎門頭之間，寬約0.7 km，最小水深6 m，其間有寬約0.3 km、水深大于10 m 的深槽。西口門，介于黃門山與小門仔之間，寬約0.5 km，水深多大于10 m。南口門，介于黃門山與南排山之間，寬約2.5 km，一個(gè)東西走向、水深10～14 m 的深槽在南口門的媽祖印礁穿過(guò)。

1.2 水文泥沙特征

1.2.1 潮位

根據(jù)坎門海洋站多年實(shí)測(cè)潮位資料分析，坎門灣的潮汐屬正規(guī)半日潮；潮差較大，多年平均潮差為4.05 m；漲潮歷時(shí)比落潮歷時(shí)略長(zhǎng)，多年平均漲潮歷時(shí)為6 h18 min，多年平均落潮歷時(shí)為6 h7 min。

1.2.2 潮流

坎門灣的潮流有往復(fù)流、旋轉(zhuǎn)流和混合流三種類型。東、西口門比較狹窄，潮流呈往復(fù)流；東口門的漲潮流向集中在270°±10°之間，落潮流向集中在80°±10°之間；西口門的漲潮流向集中在230°±10°之間，落潮流向集中在50°±10°之間。南口門雖受南排山、黃門山的約束，但口門比較寬，潮流既具有往復(fù)流的特點(diǎn)又具有旋轉(zhuǎn)流的特點(diǎn)，是混合型潮流；漲潮流向?yàn)槠飨颍飨虻姆稚⒊潭燃s為50°，媽祖印礁以東的落潮流向?yàn)闁|南向，馬祖印以西的落潮流向?yàn)闁|北向，落潮流向的分散程度也在50°左右；內(nèi)港水域比較寬闊，潮流呈旋轉(zhuǎn)流。

坎門灣的潮流屬駐波型。漲、落急出現(xiàn)在中潮位附近，漲、落憩出現(xiàn)在高、低潮位前后。

1.2.3 泥沙

坎門灣為淤泥質(zhì)海灣，懸移質(zhì)造床。東口門和西口門的底質(zhì)相對(duì)較粗，中值粒徑分別為0.018 mm 和0.022 mm，其他水域的底質(zhì)中值粒徑為0.007～0.008 mm。懸移質(zhì)中值粒徑為0.008 mm 左右。

坎門灣含沙量大小按大、中、小潮的順序依次遞減，漲潮含沙量大于落潮含沙量；在灣口的3 個(gè)口門中，南口門的含沙量最大，西口門次之，東口門最小；坎門灣灣口的平均含沙量為0.3 kg/m3左右。

2 潮流數(shù)學(xué)模型

2.1 模型建立與驗(yàn)證

2.1.1 二維潮流數(shù)學(xué)模型［5］

二維潮流的基本方程包括水體連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程，即

上述基本方程是一個(gè)初邊值問(wèn)題，求解需要適當(dāng)?shù)某跏紬l件和邊界條件。

模型邊界分為兩類，一類是岸邊界，另一類是水邊界。在岸邊界，法向速度為零，即

如果在水邊界設(shè)置已知的潮位過(guò)程，則水邊界上的全水深可寫(xiě)為

式中：dΓ為水邊界上的水深；ζΓ（t）為水邊界上的潮位過(guò)程。

初始條件與潮位和流速的初始分布有關(guān)。若在憩流時(shí)刻開(kāi)始計(jì)算，則初始條件可寫(xiě)為

式中：d（x,y）為計(jì)算域內(nèi)的水深；ζ0為初始潮位，取計(jì)算開(kāi)始時(shí)刻、水邊界上的平均潮位。

采用有限差分法離散基本方程。通過(guò)離散得到的線性代數(shù)方程組，用高斯消去法求解。

2.1.2 計(jì)算范圍、網(wǎng)格剖分和邊界條件

圖2 為潮流數(shù)模的計(jì)算范圍，其南起北緯27°58′22″，北至北緯28°11′45″，南北間距24.8 km；西起東經(jīng)121°10′46″，東至東經(jīng)121°23′15″，東西間距20.5 km；其面積為508.4 km2。計(jì)算域被正方形網(wǎng)格剖分，網(wǎng)格尺寸為20 m×20 m。模型的水邊界采用潮位控制，潮位過(guò)程由東中國(guó)海潮波數(shù)學(xué)模型提供。對(duì)于隨潮位變化的淺灘動(dòng)邊界，采用網(wǎng)格干、濕判斷法進(jìn)行處理。

2.1.3 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證利用坎門漁港2009 年11 月3 日～11 月10 日大、中、小潮實(shí)測(cè)水文資料。水文測(cè)量的測(cè)站位置如圖2 所示，W1～W2為潮位測(cè)站，V1～V6為潮流測(cè)站。比較這些驗(yàn)證點(diǎn)的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，結(jié)果表明，無(wú)論是潮位還是潮流，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差較小，過(guò)程吻合較好（限于篇幅，潮位及流速驗(yàn)證曲線從略）。

2.2 工程前后流場(chǎng)分析

2.2.1 三期防波堤工程布置方案

為了促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，玉環(huán)縣政府?dāng)M在坎門灣的南口門（南排山與黃門山之間）建設(shè)三期防波堤，將坎門漁港建成深水港。根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛病⒉ɡ颂攸c(diǎn)和港內(nèi)水域布置要求，擬定了2 個(gè)防波堤平面布置方案。方案一為完全封閉南口門方案，三期防波堤的兩端分別與南排山和黃門山相連，東偏北25°走向，2 310 m 長(zhǎng)。方案二為部分封堵南口門方案，三期防波堤位于黃門山一側(cè)（堤根在黃門山，堤頭在媽祖印礁），東偏北25°走向，1 473 m 長(zhǎng)；它保留了媽祖印礁與南排山之間的潮流通道。

2.2.2 工程前后流場(chǎng)分析

圖3-a 和圖3-b 分別為工程前大潮漲、落急流場(chǎng)圖。圖3 顯示，漲潮時(shí)，潮水由東口門和南口門進(jìn)入坎門灣；以后，主要部分通過(guò)西口門流出坎門灣，其余部分經(jīng)過(guò)二期防波堤口門進(jìn)入坎門漁港現(xiàn)有港區(qū)（內(nèi)港區(qū)）。落潮時(shí)，分別來(lái)自西口門、南口門西側(cè)（媽祖印礁至黃門山之間）和內(nèi)港區(qū)的潮水由南口門東側(cè)（媽祖印礁至南排山之間）和東口門退出坎門灣。

方案一實(shí)施后，南口門被完全封堵，坎門灣只有東口門和西口門與外海相通。漲潮時(shí)，潮水由東口門進(jìn)入港內(nèi)，由西口門流出；落潮時(shí)，潮水由西口門流入港內(nèi)，由東口門退出。與工程前比較，港內(nèi)流速變化大。如圖4 所示，方案二實(shí)施后，坎門灣仍有3 個(gè)口門（即東口門、南口門東側(cè)和西口門）與外海相通，流路與工程前相近，港內(nèi)流速變化小。

3 泥沙淤積分析

3.1 計(jì)算方法

根據(jù)潮汐水流中的懸沙運(yùn)動(dòng)方程，可得海岸工程引起的床面沖淤?gòu)?qiáng)度［6］，即

式中：p 為年沖淤?gòu)?qiáng)度，m/a；α 為沉降機(jī)率；ω 為泥沙沉速，m/s；γd為泥沙干容重，kg/m3；t 為一年中的沖淤歷時(shí)，s；S*1、S*2為工程前、后的水流挾沙力，kg/m3。

3.2 參數(shù)確定

3.2.1 沉降機(jī)率

根據(jù)水流的脈動(dòng)符合高斯分布，竇國(guó)仁導(dǎo)得沉降機(jī)率，即

羅肇森［7］認(rèn)為，根據(jù)式（10），當(dāng)d50＜0.03 mm 時(shí)，α=0.67。

3.2.2 水流挾沙力

在河口、海岸地區(qū)，水流挾沙力可表示為［6］

式中：v 為流速，m/s；h 為水深，m；g 為重力加速度，m/s2；k、m 分別為系數(shù)和指數(shù)。

根據(jù)2009 年11 月坎門漁港水文泥沙測(cè)驗(yàn)資料，按全潮平均分別統(tǒng)計(jì)水流要素v2/gh 和含沙量S，然后采用最小二乘法進(jìn)行回歸分析，得到k=2.437，m=0.348。

3.2.3 泥沙沉速在穩(wěn)定含鹽度條件下，包括水溫、沉距、粒徑和含沙量等因素影響的靜水絮凝沉速可按下式計(jì)算［8］

根據(jù)坎門漁港實(shí)測(cè)資料，經(jīng)計(jì)算，ωF=0.000 4 m/s。

3.2.4 泥沙干容重

泥沙的干容重主要與泥沙的粒徑有關(guān)，可按下式計(jì)算［7］

式中：d50為懸沙的中值粒徑，mm。

坎門漁港的懸沙中值粒徑d50為0.008 mm，代入式（13），γd=723.28 kg/m3。

3.3 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)潮流數(shù)值模擬結(jié)果，采用泥沙沖淤半理論半經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算坎門漁港三期防波堤工程實(shí)施后的水下地形沖淤變化，結(jié)果表明，方案一實(shí)施后，內(nèi)港地形不變，外港地形發(fā)生變化（圖5-a）；南排山與二期防波堤的西堤堤頭連線以東至東口門為沖刷區(qū)，連線以西至西口門為淤積區(qū)，面積339.22 萬(wàn)m2，年淤積量170.40 萬(wàn)m3；方案二實(shí)施后，港內(nèi)泥沙主要在三期防波堤前沿水域淤積（圖5-b），淤積范圍109.35 萬(wàn)m2，年淤積量24.98 萬(wàn)m3。因此，與方案一相比較，方案二的港內(nèi)泥沙淤積范圍和淤積量顯著減小。

4 結(jié)語(yǔ)

防波堤的平面布置，除了要求方便船舶進(jìn)出港和港池水面波動(dòng)小外，還要求盡可能減少港內(nèi)泥沙淤積。從港內(nèi)泥沙淤積的角度看，在淤泥質(zhì)海岸布置防波堤時(shí)宜盡可能保持工程前的流路。

［1］李孟國(guó)，時(shí)鐘，吳以喜.溫州中心漁港防波堤工程海域潮流數(shù)值模擬及底床沖淤計(jì)算［J］.中國(guó)港灣建設(shè)，2004（3）:20-23.LI M G，SHI Z，WU Y X.Tidal flow numerical simulation and calculation of seabed erosion and siltation in breakerwater project sea area for Wenzhou Central Fishing Port［J］.China Harbour Engineering，2004（3）:20-23.

［2］沈瑩.金山咀港區(qū)各規(guī)劃方案的港內(nèi)泥沙淤積［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1997（1）:32-39.SHEN Y.Silt accumulation of each planning scheme for Jinshanzui Harbor Reach［J］. Hydro-Science and Engineering，1997（1）:32-39.

［3］蔣雎耀，溫令平，馮學(xué)英，等.天津港回淤現(xiàn)狀與回淤規(guī)律研究［J］.水道港口，2000（1）:1-13.JIANG J Y，WEN L P，F(xiàn)ENG X Y，et al.Study on Silting Status and Patterns of Tianjin Port［J］.Journal of Waterway and Harbor，2000（1）:1-13.

［4］吳興來(lái).連云港泥沙回淤研究綜述［J］.水運(yùn)工程，1987（7）:31-36.WU X L.Review of studies on silting of the Lianyungang Port［J］.Port & Waterway Engineering，1987（7）:31-36.

［5］WANG Zhen，WEI Youxing，ZHANG Changkuan.A method to calculate design tide levels on the basis of numerical model of tidal current and its application［J］.Acta Oceanol. Sin.，2012，31（4）:24-30.

［6］王義剛，林祥，吳中.河口邊灘圍墾后淤積計(jì)算方法研究［J］.海洋工程，2000，18（3）:67-70.WANG Y G，LIN X，WU Z.A method for calculating depositional rate after warping the bank in the silty estuary［J］.The Ocean Engineering，2000，18（3）:67-70.

［7］羅肇森.河口航道開(kāi)挖后的回淤計(jì)算［J］.泥沙研究，1987（2）:13-20.LUO Z S.Computation of siltation in dredged channels in estuaries［J］.Journal of Sediment Research，1987（2）:13-20.

［8］黃建維.粘性泥沙在靜水中沉降特性的試驗(yàn)研究［J］.泥沙研究，1981（2）:30-40.HUANG J W.Experimental study of settling properties of cohesive sediment in still water［J］.Journal of Sediment Research，1981（2）:30-40.