天津南港工業區通海航道泥沙水力特性試驗研究

張志國，王興博，陳 純，張義豐

（1.中交天航港灣建設工程有限公司，天津300450；2.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；3.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210098）

天津南港工業區通海航道泥沙水力特性試驗研究

張志國1，王興博1，陳 純2，張義豐3

（1.中交天航港灣建設工程有限公司，天津300450；2.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；3.南京水利科學研究院水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京210098）

規劃南港工業區擬建一條通海航道，為確定航道底質泥沙屬性，為航道工程的相關研究與建設提供技術依據，根據南港地區已有資料，對航道內現場取樣的底質泥沙進行了水動力特性試驗，并與附近天津港和黃驊港航道泥沙特性進行了類比。結果表明：南港工業區泥沙“活躍性”比粉沙質海岸性質的黃驊港泥沙弱而又比天津港強，泥沙特性與天津港泥沙更接近，應劃定為淤泥質海岸。

通海航道泥沙；水力特性試驗；天津南港

天津南港工業區位于天津市獨流減河口以南、大港區海域。工程區域位置見圖1，南港工業區于2008年開工建設，根據規劃南港工業區擬建一條通海航道。圍繞天津南港工業區港口工程的開發建設，圍繞天津南港工業區港口工程的開發建設，孫連成［1］從自然條件分析和采用數值模擬對該航道形成的水動力泥沙條件進行了研究。劉仲軍等［2］對該圍海工程對天津海域水動力環境影響進行過數值分析；劉臣等［3］建立數學模型對南港工業區潮流特征及通航條件進行了分析；吳正鵬等［4］以天津南港工業區為例研究了基于多源遙感影像的圍填海監測；陳瑤泓伶等［5］采用數值模擬研究了南港污水排海工程對海域環境的影響。汪正綱［6］研究了天津南港航道測量布線設計。

本文根據南港地區已有資料，通過現場觀測底質取樣，圍繞泥沙水動力特性研究開展室內試驗（包括泥沙動水沉降、靜水密實和波浪、波流作用下的起動試驗）為確定南港航道的回淤土質，及進一步的數學模型試驗分析航道施工期回淤規律提供依據，為該航道工程的建設提供科學依據。

1 工程概況

1.1工程區自然水沙特征

工程海域海區常風向為SW，強風向為NW，多年平均風速為5.33 m/s。強浪向為NNW，其次是E向；常浪向為S。本區是以風浪為主，占68.4％，涌浪為輔，占31.6％。風、涌浪主要來向基本一致，多為（E～SE～SW向）。潮汐為不規則半日潮。潮流屬于往復流性質，潮流流向基本與等深線方向垂直，且流向相對集中，水流流向與設計航道夾角較小。

本海域的泥沙來源主要來自淺灘水域，波浪破碎會掀起淺灘泥沙，后隨潮流運動。隨著天津沿海不斷實施的圍填海工程，減少了淺灘水域的泥沙來源，含沙量總體有減小的趨勢。水體含沙量呈現從近岸至外海遞減。相對較高的含沙區域主要集中在水深較淺的水域，在-5 m等深線以外基本為低含沙區，含沙量一般小于0.05 kg/m3。工程附近海域底質沉積物主要以粘土質粉砂為主，中值粒徑在0.004～0.058 mm，泥沙顆粒較細，粘土含量在30％以上，典型的淤泥質海岸，主要懸沙落淤為主。

1.2工程方案

南港工業區布置兩個挖入式港池，航道設計等級為10萬t級單向和5萬t級雙向：航道寬300 m，深-15 m（理論最低，文中水深全部采用此基面）。由于取泥造陸需要，港內水域統一疏浚至-15 m，為保證北側防波堤安全，疏浚區底邊線擬距防波堤軸線200 m，方案布置見圖1。

圖1 工程區域規劃示意圖Fig.1Sketch of project position

2 泥沙水力特性試驗

2.1泥沙靜水密實試驗

在航道沖淤計算和疏浚挖泥中，泥沙群體沉速有重要意義。本次采用試驗泥樣進行了靜水密實試驗，觀測并記錄了泥沙的密實過程，對泥沙的群體沉降特性進行研究。

2.1.1試驗方法和條件

試驗泥樣取自南港工業區在挖航道，平均中值粒徑0.024 mm，粘土含量27.2％，屬于粘土質粉砂。

靜水密實試驗在3 m和5 m沉降筒內進行，沉降筒內徑0.19 m，由透明有機玻璃管制成，外壁貼有標尺，用于記錄泥面高度變化過程。試驗時，將泥樣配制成初始容重為1.05 t/m3的泥樣，分別注入到3 m和5 m沉降筒內靜置密實，鹽度采用現場實測的32‰。

2.1.2試驗結果

沉降管灌注完成后，持續觀察、記錄清渾水界面的高度變化，繪制5 m沉降筒內淤泥重度隨時間的變化關系圖，如圖2所示。

圖2 容重隨時間變化過程（5 m）Fig.2Temporal variation of bulk density

靜水密實試驗顯示，在3 m沉降筒內，密實60 d平均容重達到1.51 t/m3；在5 m沉降筒內，密實60 d平均容重達到1.51 t/m3；泥樣在兩種高度沉降筒內的密實結果較為一致。

2.2泥沙靜動水沉降試驗

為測定泥沙在水中的沉降速度，在天津水運工程科學研究所環形水槽內進行了泥沙靜、動水沉降試驗。

2.2.1試驗方法和條件

將試驗泥樣按初始含沙量配制好并充分攪拌均勻后注入環形水槽中，開始實驗時將水槽內的水流速度調到大流速，以使試驗沙樣充分起動、懸浮，然后將流速度調到試驗流速，待水流速度穩定后，定時取水樣，將水樣過濾、洗鹽、烘干后，使用萬分之一精度天平稱重，得到水體含沙量，確定出相應泥沙顆粒的沉降速度和下沉的沙量，然后采用式（1）計算泥沙的平均沉降速度。

試驗條件為：試驗泥樣平均中值粒徑0.024 mm，粘土含量27.2％。試驗流速采用0 cm/s、20 cm/s、40 cm/s；試驗水溫約20℃；試驗鹽度值為32‰；初始含沙濃度約為0.2 kg/m3、0.4 kg/m3。

表1 靜、動水沉降試驗結果Tab.1Static and dynamic water sedimentation test results

2.2.2試驗結果

（1）靜水（流速為0 cm/s）沉速為0.057～0.059 cm/s。

（2）水流速度對泥沙沉降有較大影響，流速越大則紊動強度也越大，對泥沙沉降的阻力也越大，泥沙沉速就越小，即泥沙沉速隨水流速度的增加而減小，水流速度增大為40 cm/s時，沉速減小到0.019～0.025 cm/s（表1）。

2.3泥沙起動試驗

2.3.1起動條件的研究方法

本次試驗采用起動流速、摩阻流速、臨界起動切應力、臨界Shields參數和沙粒雷諾數等各項指標綜合表達泥沙的起動特性。相關的計算公式為

式中：ρ為水的密度，kg/m3；ρs為泥沙的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；d50為泥沙中值粒徑，m；n為運動粘滯系數，取0.01 cm2/s。

2.3.2試驗設備和條件

泥沙起動試驗在波、流水槽內進行，波浪水流槽尺寸長×寬×高為68.0 m×0.7 m×1.0 m。流速測量采用ADV流速儀，試驗布置見圖2。鋪泥段長4 m，厚10 cm，鋪泥段前方約3個波長處布置1#波高儀測量入射波要素，鋪泥段布置2#、3#波高儀測量起動波要素，鋪泥段中后方布置OBS測沙儀測量離底床約2.0 cm處的水體含沙量，并在同一位置處沿垂線布設六點懸沙采集器。為使起動的判斷標準相同，根據波浪作用起動試驗得到起動時的OBS值，然后采用同一OBS測量值對波、流作用下和水流作用下的泥沙起動進行判斷。

圖3 波、流水槽起動試驗布置圖Fig.3Starting test layout of wave and current tank

進行純波浪作用下的起動試驗時，在保持水深、輸入波浪周期不變的情況下，從小波高波浪作用開始，逐步加大輸入波浪高度，直至泥沙普遍起動。

進行波、流共同作用下的泥沙起動試驗時，保持水深、波浪周期、水流流速不變，從小波高波浪作用開始，逐步加大輸入波浪高度，直至泥沙普遍起動。

2.3.3起動試驗結果分析

（1）波浪作用下的起動。

波浪作用下的起動條件采用起動流速Uw和摩阻流速U*w來表達，Uw和U*w的定義如下

式中：ρ為水的密度，kg/m3；fw為波浪摩阻系數；Ubm為底部最大軌跡速度。波浪作用下泥沙起動流速試驗結果見表2。

（2）波流共同作用下的起動。

波流共同作用下的起動條件采用綜合起動流速Uwc和摩阻流速U*wc來表達，Uwc和U*wc的定義如下

式中：τwc為波流共同作用下的底部剪應力；fcw為波流共同作用的摩阻系數。波、流共同作用下泥沙起動試驗結果見表3。

表2 波浪作用下起動試驗結果Tab.2Starting test results under wave action

表3 波、流共同作用下起動流速試驗結果Tab.3Starting test results under wave and current action

3 與其他港口對比分析

本工程北側和南側的天津港和黃驊港航道均已建成并正常運營多年，將本試驗結果與天津港和黃驊港的泥沙特性以往研究成果［7-11］進行對比，借鑒其成功經驗，以分析本航道工程的可行性。

3.1靜水密實試驗資料對比

表4為靜水密實試驗結果對比：本次實驗泥樣最粗為0.024 mm，黃驊港泥樣次之為0.020 mm，天津港泥沙中值粒徑最小為0.005 mm。由初始容重密實至1.30 t/m3所需時間本次實驗泥樣需要143 h，天津港泥樣要400 h，黃驊港泥樣只需要1 h，即本次泥樣的沉降及密實速度要介于黃驊港與天津港之間。總體上，南港工業區航道泥樣沉降密實速度更接近與天津港的泥樣。

表4 靜水密實試驗資料對比（3 m管）Tab.4Comparison of hydrostatic compaction test data（3 m tube）

3.2泥沙動水沉降試驗資料對比

本次實驗泥樣泥沙平均中值粒徑為0.024 mm，根據以往對細顆粒泥沙的研究，本次實驗泥樣動水沉降以不絮凝沉降為主。表5為動水沉降試驗資料對比，對比分析可知：本泥樣沉降速度介于天津港和黃驊港之間，總體上更接近于天津港泥樣的沉速。

表5 動水沉降試驗資料對比Tab.5Comparison of settlement test data

3.3泥沙起動試驗資料對比

表6為泥沙起動試驗結果對比，如表6所示：南港工業區起動流速為0.298 m/s，天津港為0.682 m/s，黃驊港為0.128 m/s。

表6 泥沙起動實驗資料對比Tab.6Comparison of sediment starting test data

綜合以上對比可知，本次試驗泥樣的密實速度、沉降速度及起動摩阻流速均介于黃驊港和天津港泥樣之間，密實速度和沉速大于天津港泥樣而小于黃驊港泥樣，起動摩阻流速大于黃驊港泥樣而小于天津港泥樣，這表明：南港工業區泥沙“活躍性”比粉沙質海岸性質的黃驊港泥沙弱而又比天津港強；與黃驊港泥沙相比更不容易產生驟淤，泥沙特性與天津港泥沙更接近。根據沙質海岸、粉沙質海岸、淤泥質海岸的界定標準及泥沙所表現的基本特性，南港工業區航道的泥沙更多地表現出淤泥質海岸的性質，應劃定為淤泥質海岸。

4 結語

南港航道泥沙水力特性試驗研究結果表明：

（1）靜水密實試驗顯示，在3 m和5 m沉降筒內，試驗泥樣初始容重為1.05 t/m3密實60 d平均容重達到1.51 t/m3。

（2）靜水（流速為0 cm/s）沉速為0.057～0.059 cm/s。泥沙沉速隨水流速度的增加而減小，水流速度增大為40 cm/s時，沉速減小到0.019～0.025 cm/s。

（3）容重1.48，水深0.3 m波周期1.8 s情況下，波浪作用下的泥沙起動流速為0.298 m/s，波流共同作用下的綜合起動流速為0.33 m/s。

（4）與周邊天津港和黃驊港相關水力特性試驗結果比較顯示：南港工業區泥沙“活躍性”比粉沙質海岸性質的黃驊港泥沙弱而又比天津港強，泥沙特性與天津港泥沙更接近，應劃定為淤泥質海岸。

［1］孫連成.天津南港通海航道形成水動力泥沙研究［J］.水運工程，2010（3）：91-96. SUN L C.Feasibility study on formation of a seaward channel of the south port industrial area in Tianjin［J］.Port&Waterway Engi?neering，2010（3）：91-96.

［2］劉仲軍，劉愛珍，于可忱.圍填海工程對天津海域水動力環境影響的數值分析［J］.水道港口，2012，33（4）：310-314. LIU Z J，LIU A Z，YU K C.Influence of land reclamation on hydrodynamic environment in Tianjin area［J］.Journal of Waterway and Harbor，2012，33（4）：310-314.

［3］劉臣，平克軍，王緒亭.天津南港工業區潮流特征及通航條件分析［J］.中國水運，2012，12（4）：136-137.

［4］吳正鵬，奚歌，王健潔.基于多源遙感影像的圍填海監測——以天津南港工業區為例［J］.城市勘測，2012（6）：77-80. WU Z P，XI G，WANG J J.Reclamation Monitoring Based on the Multi?Source Remote Sensing Image—As an Example of Tianjin Nangang Industrial Zone［J］.Urban Geotechnical Investigation＆Surveying，2012（6）：77-80.

［5］陳瑤泓伶，袁洪濤.天津南港污水排海工程對海域環境影響的數值模擬［J］.水道港口，2014，35（5）：539-544. CHEN Y H L，YUAN H T.Modeling study on effect of marine disposal on water environment in Tianjin Nangang［J］.Journal of Wa?terway and Harbor，2014，35（5）：539-544.

［6］汪正綱.天津南港航道測量布線設計［J］.交通職業教育，2015（2）：46-49.

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［8］蔣睢耀，徐宏明.天津港港內水沙分布特征值分析［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2000.

［9］蔣睢耀.天津港泥沙問題綜合研究（1994-2003年泥沙研究成果總結）［R］.天津：天津港港務設施處，2004.

［10］侯志強.黃驊港外航道回淤物質沉積密實實驗報告［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2003.

［11］張慶河，楊華.波浪作用下黃驊港泥沙起動實驗研究［R］.天津：交通部天津水運工程科學研究所，2002.

Experimental study of sediment hydraulic characteristics on Tianjin Nangang seaward channel

ZHANG Zhi?guo1,WANG Xing?bo1,CHEN Chun2,ZHANG Yi?feng3
（1.CCCC Tianhang Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;3. State Key Laboratory of Hydrology?Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210098,China）

A seaward channel is planned in Nangang industrial zone.In order to determine the bottom sedi?ment properties and provide technical basis for waterway engineering research and construction,based on the exist?ing data of Nangang District,the sediment water dynamic properties were tested and compared to that of the Tianjin port and Huanghua harbor.The results show that the sediment active degree in Nangang industrial zone is weaker than that of the silty coast in Huanghua harbor,and stronger than that of Tianjin port,and the sediment characteris?tics are more close to the sediment in Tianjin port,which should be designated as the muddy coast.

sediment of seaward channel;hydraulic characteristics experiment;Tianjin Nangang

TV 142

A

1005-8443（2016）02-0142-05

2015-05-13；

2015-11-20

水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室開放基金項目（2013491611）；國家自然科學基金項目“深水波浪非線性及不穩定性演變機理研究”（41306034）

張志國(1977-)，男，天津市寶坻人，工程師，主要從事港航工程及軟基處理工程施工管理工作。

Biography：ZHANG Zhi?guo（1977-），male，engineer.