海岸工程作用下海床沖淤演變預(yù)測與應(yīng)用

周作勝

摘 要：海床沖淤演變，實(shí)質(zhì)上就是一系列因素造成床底高程出現(xiàn)的一種變化現(xiàn)象，主要分為兩種情況，即人類活動與自然演變。人類活動，主要包括填海造地、圍墾造陸、開挖航道、開挖溝槽、開挖港池、整治無序采沙、興建港口碼頭、治理水域工程等，由于水動力狀況常發(fā)生變化造成沖淤演變；自然演變，主要為泥沙環(huán)境出現(xiàn)變化，例如：上游徑流水沙條件改變、海床地質(zhì)組成、海床地形、水域風(fēng)浪等。文章主要針對海床沖淤演變的根本原因進(jìn)行深入分析，探究在海岸工程作用下海床沖淤演變預(yù)測方法與效果。

關(guān)鍵詞：海岸工程；海床沖淤演變；預(yù)測；應(yīng)用

1 海床沖淤演變的根本原因

淤泥質(zhì)海床發(fā)生的泥沙運(yùn)動，主要為懸移質(zhì)，而潮流是造成海床長周期沖淤演變的重要因素，對于海床穩(wěn)定性造成影響的因素主要有3個，即水深、含沙量以及流速；其中，流速因素具備的影響力最大，包含水體含沙量，是導(dǎo)致海床沖淤演變的關(guān)鍵因素；含沙量的決定因素為流速，含沙量會隨著流速的變化而變化，但是因?yàn)閼T性的影響，流速在發(fā)生變化一段時間之后，含沙量才會出現(xiàn)變化；海床水深變化，主要是由于泥沙沖淤產(chǎn)生的，在含沙量變化之后，延伸期較長。

水深、含沙量以及流速之間的影響比較大，而且較為復(fù)雜，任意一項(xiàng)發(fā)生變化，都會引起其它兩項(xiàng)出現(xiàn)變化，導(dǎo)致海床沖淤演變狀況，但是在處于穩(wěn)定狀態(tài)的海床上，水深、含沙量以及流速之間的關(guān)系，主要為：

Sp=apρ （1）

式子（1）中， Sp代表的是平衡含沙量，h代表的平衡水深，g代表的重力加速度，ρ代表的是水密度，ap代表的是挾沙力系數(shù)，u代表的流速，不同的海區(qū)中，環(huán)境泥沙不同，取值也不相同。

為了探究海床沖淤演變的根本原因，假設(shè)每一項(xiàng)參數(shù)在發(fā)生變化之前，海床的狀態(tài)穩(wěn)定，對每一個參數(shù)進(jìn)行協(xié)調(diào)，將其調(diào)至為平衡數(shù)值。

1.1 流速變化。因?yàn)樽匀灰蛩鼗蛘呷藶橐蛩貙?dǎo)致流速發(fā)生變化之后，將新流速挾沙力作為基礎(chǔ)，計(jì)算原含沙量與新平衡含沙量之間產(chǎn)生的差值。新平衡含沙量在低于原含沙量的時候，床面淤積、泥沙沉降，新平衡含沙量與原含沙量之差和沖刷速率呈正比；元含沙量在低于新平衡含沙量的時候，床面沖刷、底沙懸揚(yáng)，新平衡含沙量與原含沙量之差和沖刷速率呈正比。

1.2 含沙量變化。因?yàn)榄h(huán)境泥沙改變或者拋泥改變之后，含沙量出現(xiàn)變化，當(dāng)原含沙量低于新含沙量，其它參數(shù)無變化的時候，床面淤積、泥沙沉降，新平衡含沙量與原含沙量之差與淤積速率呈正比；當(dāng)新含沙量低于原含沙量，其它參數(shù)無變化的時候，床面沖刷、底沙懸揚(yáng)，新平衡含沙量與原含沙量之差和沖刷速率呈正比。

1.3 含沙量與流速均出現(xiàn)變化。因?yàn)槟骋恍┮蛩兀沉俊⒘魉倬淖儯菍⑿铝魉賿渡暗[作為基礎(chǔ)的新平衡含沙量與實(shí)際含沙量不同，新的平衡含沙量低于新的含沙量時，床面淤積、泥沙沉降，新平衡含沙量與新實(shí)際含沙量之差和淤積速率呈正比；新的平衡含沙量大于新的實(shí)際含沙量時，床面沖刷、底沙懸揚(yáng)，新實(shí)際含沙量與新平衡含沙量之差和沖刷速率呈正比。

1.4 水深變化。因?yàn)槟骋恍┮蛩兀玳_挖溝槽、航道以及港池等，導(dǎo)致流速、水深出現(xiàn)變化，將新水深挾沙能力與流速挾沙能力作為基礎(chǔ)的新平衡挾沙力產(chǎn)生，當(dāng)新平衡含沙量低于原有含沙量的時候，床面預(yù)計(jì)、泥沙沉降，新平衡挾沙力與原實(shí)際含沙量之差和淤積速率呈正比；新平衡含沙量大于原實(shí)際含沙量的時候，床面沖刷、底沙懸揚(yáng)，原實(shí)際含沙量與新平衡含沙量之差和沖刷速率呈正比。

因此，導(dǎo)致各項(xiàng)參數(shù)發(fā)生變化的因素呈現(xiàn)多樣化，海床沖淤演變較為復(fù)雜，但是造成床面沖淤的原因大致相同。綜上所述，可以建立海床沖淤演變預(yù)防方法與計(jì)算公式。

2 海岸工程作用下海床沖淤演變預(yù)測方法

2.1 平衡含沙量。平衡含沙量，實(shí)質(zhì)上就是海床沖淤演變處于穩(wěn)定狀態(tài)時的含沙量，主要將水流挾沙能力作為基礎(chǔ)，并且受到環(huán)境泥沙、初始含沙量以及泥沙粒徑影響的結(jié)果。

水深一定的情況下，一定的水流強(qiáng)度具備相應(yīng)的挾沙能力，但是在不同的海域，因?yàn)榄h(huán)境泥沙、泥沙特性存在差異，海床處于穩(wěn)定狀態(tài)下的平衡含沙量并不一致，所以單單通過挾沙能力，無法將海床沖淤演變的整個過程闡述出來。平衡含沙量，主要考慮的是泥沙水利特性之后其具備的水流挾沙能力，能夠有效的預(yù)測海床沖淤演變，實(shí)際含沙量與平衡含沙量之差是造成海床沖淤演變的重要原因。

怎樣通過現(xiàn)場資料，對平衡含沙量進(jìn)行確定，是一個需要解決的重要問題。由于實(shí)際測量的含沙量通常滯后于挾沙能力，流速逐漸增加的時候，挾沙能力大于實(shí)測含沙量，處于一個平衡狀態(tài)；流速逐漸降低的時候，挾沙能力低于實(shí)測含沙量，處于一個超平衡狀態(tài)。同步情況下，挾沙力與實(shí)測含沙量之間不存在相關(guān)關(guān)系，落潮時段與漲潮時段的平均含沙量與挾沙能力之間也不存在相關(guān)關(guān)系。但是，挾沙能力變化周期與實(shí)測含沙量變化周期一致，挾沙能力與實(shí)測含沙量在歷時過程中處于直線重合狀態(tài)；但是，挾沙能力變化幅度大于含沙量變化幅度，挾沙能力與含沙量滯后的相位差與其幅度差呈現(xiàn)正相關(guān)，所以可以采用全潮時段中的挾沙能力與平均含沙量建立一個相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，計(jì)算出平衡含沙量。

平衡含沙量主要包括2種類型，一種為起懸型，另一種為沉降型。起懸型平衡含沙量，主要通過亞平衡含沙量底沙逐步起懸而形成的，沉降型平航含沙量，主要是通過超平衡含沙量逐步沉降而形成的。根據(jù)相關(guān)的研究報道顯示，在相同的初始含沙量、流速情況下，起懸型平衡含沙量低于沉降型平衡含沙量10%-50%。

綜上所述，通過在處于穩(wěn)定狀態(tài)的海區(qū)現(xiàn)場中實(shí)際測量的資料，可以獲取平衡含沙量的表達(dá)式，即

沉降型 Sp1=ap1ρ （2）

起懸型 Sp2=ap2ρ （3）

平均 Sp0=ap0ρ （4）

式子（2）、（3）、（4）中的ap1、ap2、ap3，主要通過實(shí)際測量的資料確定。

2.2 海床沖淤指標(biāo)。實(shí)測含沙量與平衡含沙量之比，是對海床沖淤進(jìn)行判別的基礎(chǔ)。實(shí)測含沙量大于平衡含沙量的時候，海床淤積；實(shí)測含沙量低于平均含沙量的時候，海床沖刷；實(shí)測含沙量與平均含沙量相同的時候，海床處于穩(wěn)定狀態(tài)。

按照上述原理，通過式子（2）、（3）、（4），可以得出以下式子：

<時，海床淤積 （5）

≤≤ 時，海床微沖微淤 （6）

>時，海床沖刷 （7）

代表的是海床沖淤指標(biāo)，可以將其用來對海床沖淤情況進(jìn)行判別與預(yù)測。

3 結(jié)語

綜上所述，通過對海床淤積沖刷演變過程與泥沙沉降起懸機(jī)理進(jìn)行分析與研究，闡述了平衡含沙量海床沖淤指標(biāo)概念，根據(jù)平衡水深概念與實(shí)測含量與平衡含沙量之差，建立了海床沖淤演變預(yù)測公式，預(yù)測方法簡單、便捷，在實(shí)際工程中具有良好的應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)

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