長江下游河段大型挖入式港池泥沙回淤研究

周巧菊，趙雪榮

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司南京分公司，南京210016）

長江下游河段大型挖入式港池泥沙回淤研究

周巧菊，趙雪榮

（中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司南京分公司，南京210016）

在分析感潮河段挖入式港池泥沙淤積機(jī)理的基礎(chǔ)上，對回流淤積、異重流淤積量及緩流淤積量的計算方法進(jìn)行了研究，并對長江下游某大型挖入式港池規(guī)劃方案的淤積量及淤積強(qiáng)度進(jìn)行了估算。計算結(jié)果表明挖入式港池內(nèi)以異重流淤積為主，港池口門附近的回流區(qū)淤積強(qiáng)度最大。文中還對挖入式港池淤積量與港池內(nèi)水深變化、港池水域面積變化及來水來沙條件變化的相關(guān)性進(jìn)行了總結(jié)，得出了一些規(guī)律性的結(jié)論。

感潮河段；大型挖入式港池；回淤研究；長江下游

挖入式布置是港口碼頭平面布置的一種常用形式，具有充分利用岸線、便于管理、不礙航和不減小河道行洪斷面的特點，在內(nèi)河小型碼頭建設(shè)中應(yīng)用廣泛。但是由于挖入式港池普遍存在著泥沙淤積問題，往往需要通過疏浚來維持港池水深，這影響了碼頭的正常使用，加大了運(yùn)營成本，也在很大程度上限制了其在沿江大型碼頭建設(shè)中的應(yīng)用。近年來，隨著長江下游可用岸線資源的逐漸減少，特別是長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)正式上升為國家戰(zhàn)略，沿江港口發(fā)展與岸線資源的矛盾愈加突出，可否利用沿江天然岸線建設(shè)大型挖入式港池成為能否解決這一矛盾的關(guān)鍵問題，受到了人們的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合長江下游某港口挖入式港池規(guī)劃方案，對長江下游河段挖入式港池泥沙淤積機(jī)理、淤積量計算及淤積特點等進(jìn)行了研究分析，研究結(jié)果可為工程設(shè)計提供有力的科學(xué)依據(jù)。

圖1 3萬t級挖入式港池規(guī)劃布置方案Fig.1 Planning layout of excavated?in harbor basin for 30，000 dwt ship

1 工程概況

規(guī)劃的挖入式港池位于長江下游龍?zhí)端辣卑段鲏喂疹^河勢節(jié)點保護(hù)區(qū)至過江管線保護(hù)區(qū)之間河段。工程河段深槽貼岸，水深條件較好。平面布置采用口袋型布置方案［1］，港池通過進(jìn)港航道與長江相連。規(guī)劃建設(shè)12個3萬t級泊位，港池寬度為482m，港池西側(cè)長1 700m，東側(cè)長1 630m，進(jìn)港航道寬260m，長約90m，規(guī)劃布置方案見圖1。

2 挖入式港池淤積機(jī)理分析

挖入式港池口門開敞而內(nèi)端封閉，屬于典型的盲腸河道。從泥沙的淤積機(jī)理方面分析，一般將挖入式港池內(nèi)的淤積分為回流淤積和異重流淤積，對于受潮汐影響河段的挖入式港池，還存在由漲落潮引起的緩流淤積。因此，感潮河段挖入式港池回淤總量等于回流淤積、異重流淤積及緩流淤積三部分淤積量之和［2-4］。

2.1 回流淤積機(jī)理分析

回流淤積是挖入式港池最為普遍的淤積形式，國內(nèi)外許多學(xué)者通過概化模型、水槽實驗及理論探討等方法對挖入式回流運(yùn)動進(jìn)行了大量研究［5-7］，研究試驗表明：河岸修建挖入式港池后，當(dāng)主流通過港池時由于過水?dāng)嗝嫱蝗粩U(kuò)大,在主流與港池內(nèi)靜止水體之間存在流速梯度而產(chǎn)生切力,引起水流分離現(xiàn)象,形成了一個封閉的水流區(qū)，即回流（圖2）。挖入式港池內(nèi)外的這種水體交換作用使得從主流擴(kuò)散的泥沙進(jìn)入港池并在港池口門附近以及港池內(nèi)淤積，是挖入式港池產(chǎn)生回流淤積的重要原因。在回流區(qū)水流角速度大而線速度小，飽和挾沙力遠(yuǎn)小于主流的挾沙力，使得較粗的泥沙在回流中心部位淤積。口門區(qū)的回流運(yùn)動還可能會誘發(fā)次生回流，在回流區(qū)未落淤的部分懸移質(zhì)細(xì)顆粒，一部分隨水流返回主流區(qū)，但更多的是隨渾水異重流轉(zhuǎn)移到次生回流區(qū),造成港池內(nèi)部的沿程淤積。對挖入式港池泥沙淤積情況的調(diào)查結(jié)果也能反映這一特點［8］,泥沙的回流淤積主要分布在口門附近，淤積量相對較大,泥沙粒徑也較大；而港池深處則淤積量小，泥沙粒徑小，主要是渾水潛入內(nèi)部在上溯過程中懸沙不斷落淤形成的異重流淤積。

2.2 異重流淤積機(jī)理分析

異重流是兩種密度相差不大、可以相混的流體，在條件適宜時因密度差異而產(chǎn)生的相對運(yùn)動，它通常出現(xiàn)在水庫、盲腸河段、挖入式港池等處。對于挖入式港池，港池內(nèi)的水體經(jīng)過沉淀含沙量很小，而主流具有一定的含沙量，兩部分水體在交界面上將因密度差而形成壓力差，當(dāng)壓力差達(dá)到一定的數(shù)值時，港池外含沙量高的水體將沿著底部潛入港池形成異重流。異重流形成后，較粗的泥沙首先沉淀，較細(xì)的泥沙將沿程淤積在港池內(nèi)部，通過淤積而逐漸變清的潛流到達(dá)一定位置后轉(zhuǎn)而上升到水面成為面流，以相反的方向流向口門。這樣便在港池內(nèi)形成一個流速不大的縱向環(huán)流，使渾水源源不斷地挾帶泥沙沿港池底部潛入，而清水源源不斷地沿水面流出，循環(huán)往復(fù)不已的輸沙造成港池的淤積，如圖2所示。實測資料表明，有異重流產(chǎn)生的挖入式港的淤積較沒有異重流的挖入式港池大得多［2］，因此挖入式港池必須考慮異重流淤積的問題。對于感潮河段的挖入式港池是否產(chǎn)生異重流淤積一直是工程界有爭議的問題，一種觀點認(rèn)為感潮河段受潮汐影響不能產(chǎn)生異重流淤積或淤積量很小，可以忽略；另一種觀點認(rèn)為感潮河段挖入式港池是否產(chǎn)生異重流應(yīng)與潮汐影響的強(qiáng)弱有關(guān)，當(dāng)漲落潮的回蕩作用相對較弱時，港池內(nèi)有可能產(chǎn)生異重流淤積。筆者較認(rèn)同后一種說法，由于本工程河段潮汐作用相對較弱，落潮時間較長，流速很小，有利于異重流發(fā)生，因此本文結(jié)合工程河段的水位、地形及潮位等資料首先對是否會產(chǎn)生異重流進(jìn)行判別后再進(jìn)行淤積量計算。

2.3 緩流淤積機(jī)理分析

緩流淤積是感潮河段挖入式港池特有的淤積形式，受潮汐的影響，港池水位受漲落潮潮位的變化而變化，由于潮波變形漲潮歷時短而落潮歷時長，即漲潮進(jìn)入港池水域的水流速度大于落潮時退出港池水域的水流速度，因而漲潮時的水流挾沙力大于落潮時的水流挾沙力。漲潮時水位抬升，港池外高含沙量水體進(jìn)入港池中，由于港內(nèi)流速較小，加上港池水域突然擴(kuò)大，故由漲潮帶入的較粗顆粒泥沙將一部分淤積下來，即為緩流淤積，而另一部分較細(xì)的未落淤泥沙將隨落潮水體帶出港池。

圖2 挖入式港池水流分布示意圖Fig.2 Sketch of water flow distribution in excavated?in harbor basin

3 淤積量計算方法

3.1 回流淤積量計算方法

許多學(xué)者通過系統(tǒng)觀測和大量的實測資料分析研究得到了河渠盲腸河段的回流淤積率計算經(jīng)驗公式［9-11］。對于感潮河段，回流的形成及淤積機(jī)理與無潮河段相近，回流淤積一般可參考盲腸河段回流淤積率計算公式計算。目前，常用的有謝鑒衡經(jīng)驗公式及劉青泉經(jīng)驗公式。

（1）謝鑒衡公式。謝鑒衡根據(jù)長江青山運(yùn)河等原體觀測及水槽試驗資料，建立單位時間內(nèi)回流淤積量計算公式為

式中：GS1為單位時間內(nèi)回流泥沙淤積量，kg/s；φ為綜合系數(shù)，與回流區(qū)側(cè)向阻力系數(shù)、港池航道軸線與主流夾角、主流流速、含沙量橫向分布及粒配有關(guān)，一般情況下φ值可取0.003 7；L為主流與回流交界面長度，m；h為主流與回流交界面平面水深，m；U為主流斷面平均流速，m/s；S為口門平均含沙量，kg/m3。

（2）劉青泉公式。劉青泉通過大量的試驗和分析，在謝鑒衡等人的研究基礎(chǔ)上得到單位時間內(nèi)回流淤積量計算公式為

式中：ψ為修正系數(shù)，可根據(jù)實測資料進(jìn)行分析，一般大于1，但接近于1；P＞dc為泥沙中大于分界粒徑dc的泥沙含量（重量比），根據(jù)淤積機(jī)理，認(rèn)為只有大于分界粒徑的粗顆粒才會在回流區(qū)落淤，小于分界粒徑的細(xì)顆粒則轉(zhuǎn)移到異重流區(qū)落淤；Sm*為主流含沙量，kg/m3；Sr*為回流飽和挾沙力，kg/m3。

K0、m為經(jīng)驗系數(shù)、經(jīng)驗指數(shù)，當(dāng)m取1.0時，K0取2.0；ω為泥沙沉降速度，cm/s；g為重力加速度，m/s2；Urm為回流強(qiáng)度（回流橫軸上的平均流速），m/s；

式中：K為系數(shù)，取0.16；

關(guān)于分界粒徑dc，可采用徐建益的試驗經(jīng)驗公式；

式中：d0為標(biāo)準(zhǔn)粒徑，取1mm；ν為水流粘性系數(shù)；γs、γ分別為泥沙及水的重度。

3.2 異重流淤積計算方法

3.2.1 異重流產(chǎn)生條件分析

目前，關(guān)于河渠挖入式港池的異重流淤積情況的研究成果較少，主要借助水庫異重流的有關(guān)理論來進(jìn)行分析判斷。對于水庫是否產(chǎn)生異重流的判斷公式為［9］

式中：v0為異重流潛入點的臨界流速，m/s；Δγ為港池內(nèi)外水體重度差，Δγ=γ′-γ，N/m3；γ′、γ為港池內(nèi)、外的水體重度，γ′＝1 000＋0.622S1、γ＝1 000＋0.622S2。

根據(jù)水庫產(chǎn)生異重流的臨界條件，推導(dǎo)感潮河段挖入式港池產(chǎn)生異重流的判別條件［2］。設(shè)T1為一個潮周期內(nèi)漲潮歷時，T2為落潮歷時，A0為低潮位時港池口門斷面面積，A為港池水域面積，B為港池口門寬度，潮差為△H，則漲潮周期內(nèi)，t時刻港池口門斷面面積為

漲潮時港池口門斷面平均流速為

類似方法可得落潮港池口門斷面平均流速為

結(jié)合水庫異重流的潛入條件，因漲潮時向港內(nèi)流進(jìn)的水流類似于水庫入流，故對于漲潮可用式（6）進(jìn)行判別是否產(chǎn)生異重流，只是流速采用v+，即

由于落潮時港池的流速與異重流運(yùn)動速度相反，故當(dāng)v-＞U′時，異重流遭到破壞，因此，在一個全潮過程中，只有當(dāng)或v-＜U′時形成異重流。

異重流運(yùn)動速度U′可用下式進(jìn)行計算

式中：K2為綜合常數(shù)，根據(jù)水槽試驗資料取0.46，根據(jù)青山運(yùn)河野外觀測資料取0.415，根據(jù)長江某盲腸河段野外觀測資料取0.405。

3.2.2 異重流淤積計算公式（1）謝鑒衡公式［9］。異重流形成后，單位時間內(nèi)由異重流帶入港池的沙量為

式中：?為綜合系數(shù)，由水槽試驗資料分析為0.014，青山運(yùn)河實測資料反求為0.019 1，對于感潮河段，由于漲落潮的回蕩作用，不同程度地限制了異重流的發(fā)生發(fā)展，故取0.014為宜。

（2）劉青泉公式［11］。劉青泉在其回流淤積計算方法的基礎(chǔ)上，得到P＜dc，則港池內(nèi)異重流淤積量為

式中：P＜dc為泥沙中小于分界粒徑的泥沙含量。

3.3 緩流淤積計算方法［2］

緩流淤積實質(zhì)上是漲落潮引起的懸沙淤積，目前對于緩流淤積還沒有公認(rèn)的成熟的計算方法。由于漲落潮流速較小，由漲潮帶入港池的泥沙沉降造成淤積。一般挖入式港池縱深不長，故可按靜水沉降的方法進(jìn)行計算。設(shè)漲潮帶入港池的水體含沙量為s，則由漲潮所帶入的泥沙重量為W＝ΔHAS，這部分泥沙一部分在港池內(nèi)淤積，另一部分隨落潮水體帶出。設(shè)泥沙沉降機(jī)率為α（一般取0.65），則一次漲落潮港池緩流淤積量為

4 挖入式港池淤積量計算

根據(jù)上述計算公式可知，挖入式港池淤積量與工程河段來水來沙密切相關(guān)，而河段來水來沙條件年際間均存在一定的變化，為了解一般水文年挖入式港池的淤積情況，計算水文泥沙資料采用長江下游大通水文站三峽水庫蓄水后2003～2012年的多年月平均流量及含沙量，結(jié)合工程河段河工模擬試驗得到的水位-流量及流速-流量的相關(guān)曲線得到多年月平均流量下工程所在位置的水位、流速值（表1）。根據(jù)挖入式港池規(guī)劃尺度及水文、泥沙等參數(shù)，分別利用謝鑒衡及劉青泉經(jīng)驗公式計算得到港池回淤強(qiáng)度及回淤量結(jié)果見表2。

計算表明，謝鑒衡經(jīng)驗公式計算得到的年淤積量約為81.2萬m3，劉青泉經(jīng)驗公式計算得到的年淤積量約為76.6萬m3。二者計算結(jié)果存在一定的差異，其中劉青泉經(jīng)驗公式回流淤積量計算值較謝鑒衡經(jīng)驗公式計算值小，但其異重流淤積量計算值均較劉青泉經(jīng)驗公式計算值大，但二者計算得到的淤積總量較為接近，差異不到6%。

5 計算結(jié)果分析

通過對上述計算結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析，挖入式港池泥沙淤積的主要特點有：

（1）挖入式港池內(nèi)會產(chǎn)生異重流淤積，且主要以異重流淤積為主，其次是回流淤積量，緩流淤積量最小。根據(jù)異重流產(chǎn)生的判別條件，挖入式港池內(nèi)能產(chǎn)生異重流淤積，且異重流淤積量占總淤積量的75%以上，其次是回流淤積量，緩流淤積量最少，不到總淤積量的5%。這與前面所述回流、異重流及緩流的淤積機(jī)制及特性也是相符的，工程河段水流含沙量較小，泥沙組成細(xì)顆粒比例高，潮差小，因此回流淤積量及緩流淤積量小，而港池開挖深度大，水深值大，異重流臨界流速大，有利于異重流的產(chǎn)生，因此異重流淤積量較大。

（2）港池口門回流區(qū)淤積強(qiáng)度較大，港池內(nèi)部淤積強(qiáng)度相對較小。由于回流淤積主要集中在港池口門回流區(qū)，而異重流淤積及緩流淤積則發(fā)生在整個港池范圍內(nèi)，因此回流區(qū)淤積強(qiáng)度大，根據(jù)謝鑒衡經(jīng)驗公式及劉青泉經(jīng)驗公式計算得到的回流區(qū)淤積強(qiáng)度分別為1.78m及1.34m，異重流及緩流淤積強(qiáng)度較小，年均淤積厚度約0.776m。因此，挖入式港池建成后，泥沙將在港池口門處局部淤積形成口門沙包，口門附近的回流區(qū)是淤積最為嚴(yán)重的區(qū)域。

（3）挖入式港池回淤量受港池水深影響較大，受港池面積影響較小。由于挖入式港池內(nèi)以異重流淤積為主，根據(jù)異重流的產(chǎn)生條件及異重流淤積量的計算公式可以看出，水深增大時異重流臨界流速越大，越有利于異重流的產(chǎn)生，異重流流速也越大，因此異重流淤積量也越大；而港池水域面積增大時對異重流及回流淤積基本沒有影響，僅緩流淤積量會增大，但因緩流淤積量很小，因此，水深增大時泥沙淤積總量明顯增長，港池水域面積增大時泥沙淤積總量變化很小。分別對不同水深及不同水域面積情況下挖入式港池的淤積量進(jìn)行了計算（圖3），計算結(jié)果也表明了這一特點。

（4）工程河段來水來沙條件對挖入式港池淤積量影響很大。根據(jù)港池內(nèi)泥沙淤積的機(jī)制及淤積計算公式可知，挖入式港池淤積量與工程河段的來水來沙條件是息息相關(guān)，因此年際間隨來水來沙條件的不同港池淤積量也將存在一定的差異。根據(jù)三峽蓄水后至今大通水文站水沙資料分析，2005年屬于典型豐沙年，利用2005年各月水文資料計算得到挖入式港池的淤積總量約128萬m3，較多年月均流量及含沙量條件下淤積總量增幅達(dá)50%，計算結(jié)果表明來水來沙條件的變化對挖入式港池的淤積量影響較大。

表1 淤積計算水文泥沙參數(shù)取值Tab.1 Hydrological and sediment parameters for siltation calculation

表2 3萬t級挖入式港池規(guī)劃方案回淤計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of siltation amount in planning excavated?in harbor basin for 30，000 dwt ship

圖3 回淤量-水深變化關(guān)系圖Fig.3 Relationship diagram of siltation amount and water depth of basin

圖4 回淤量-港池水域面積變化關(guān)系圖Fig.4 Relationship diagram of siltation amount and water area of basin

6 結(jié)語

（1）在潮汐作用較弱的河段建設(shè)大型挖入式港池，港池內(nèi)會產(chǎn)生異重流淤積，且異重流淤積所占比重最大，其次是回流淤積，緩流淤積量很小。因此，消除異重流是減小挖入式港池總淤積量的關(guān)鍵。

（2）挖入式口門回流區(qū)淤積強(qiáng)度最大，即泥沙將在回流區(qū)形成沙包，港池內(nèi)淤積強(qiáng)度明顯小于口門回流區(qū)淤積強(qiáng)度。

（3）挖入式港池回淤量受港池水深影響較大，受港池面積影響較小。因此，挖入式港池建設(shè)應(yīng)合理確定港池設(shè)計水深，在船型一定的情況下建議在有一定規(guī)模需求情況下再進(jìn)行挖入式港池建設(shè)，可通過建設(shè)規(guī)模來降低單個泊位的維護(hù)成本，保證港口的實際運(yùn)營效益。

（4）河段來水來沙條件對挖入式港池淤積量影響較大，來水含沙量大時港池內(nèi)淤積量較大，含沙量較小時港池內(nèi)淤積量則明顯減小。近年來受三峽工程的影響，長江中下游河段來水含沙量顯著減小，為沿江挖入式港池的建設(shè)創(chuàng)造了有利條件。

（5）挖入式港池淤積量大小還與港池軸線與口外主流的交角、進(jìn)港航道寬度等因素息息相關(guān)，考慮到問題的復(fù)雜性以及挖入式港池建設(shè)方案的千差萬別，本文未作這方面的分析，后續(xù)有待進(jìn)一步研究。

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Research on siltation in large excavated?in harbor basin of lower Yangtze River

ZHOU Qiao?ju,ZHAO Xue?rong
（CCCC Second Harbor Consultants Co.,Ltd.,Nanjing branch,Nanjing 210016,China）

Based on analysis of the siltationmechanism in excavated?in harbor basin of the tidal reach,themethod for calculating the siltation amount induced by circulating flow,density flow and the wave rise and fall was discussed in this paper.The amount and intensity of siltation for a planning project of a large excavated?in harbor basin in the lower reaches of the Yangtze River was also estimated.The calculation results show that siltation of den?sity flow is amajor part of the total amount of siltation,whereas the circulating flow zone of the entrance of excavated?in harbor basin has the largest siltation intensity.This paper gets some universal conclusions by summarizing the correlation relationships between the siltation amount and harbor water depth,harbor water area,as well as the char?acteristic of incoming flow and sediment.

tidal reach;large excavated?in harbor basin;siltation;the lower Yangtze River

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2015）03-0214-06

2015-03-25；

2015-05-05

周巧菊(1980-),女,湖北省人，工程師，主要從事港口航道設(shè)計及研究工作。

Biography：ZHOU Qiao?ju(1980-)，female，engineer．