強浪條件下沙質海岸施工期泥沙淤積特征研究

張先武，陳松貴，陳漢寶

(1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430071；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津 300456)

強浪條件下沙質海岸施工期泥沙淤積特征研究

張先武1，陳松貴2，陳漢寶2

(1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，武漢 430071；2.交通運輸部天津水運工程科學研究所 港口水工建筑技術國家工程實驗室 工程泥沙交通行業重點實驗室,天津 300456)

基于印度尼西亞爪洼島南岸的水動力條件和泥沙特征分析，對強浪作用下沙質海岸施工期泥沙運動規律進行了研究。以Adipala工程為例，通過沿岸輸沙和泥沙向岸運移凈堆積計算，分析了不同防波堤施工時序對泥沙淤積的影響。結果表明采用潛堤預拋的施工方式能夠有效地減少施工期泥沙淤積量。

泥沙淤積;強浪;沙質海岸;施工期

印度尼西亞是中國東盟最大的貿易伙伴，作為“一帶一路”戰略的重要節點，也是中國海外港口項目的主要所在地。爪洼島作為印尼最重要的地區，不僅集中60%的人口，還是首都雅加達、經濟特區日惹和主要經濟城市泗水、萬隆、三寶壟所在地，因此在面向印度洋的印尼爪洼島南岸面有著越來越多的港口工程項目正在或即將建設。海岸建港首先應搞清沿岸輸沙的特性和岸灘演變的趨勢，研究淤積強度的分布，從而估算淤積量。即使在相對穩定的這類岬間弧形灣海岸建港，防波堤、碼頭等水工建筑物的建設破壞了原有的輸沙平衡，加之鄰近徑流充沛的河口，如果平面布置不當或是施工順序不合理，會導致嚴重的泥沙淤積問題。例如，在爪哇島南岸Pacitan[1]港口的建設中，首先形成連岸的西防波堤，泥沙在南向波浪作用下，快速在掩護區內堆積，3個月內，原有-3 m水深的掩護水域被泥沙淤滿，平均淤高至+1 m以上，泥沙淤積量約8萬m3[1]；隨著東防波堤堤根的建設，泥沙從深水向淺水推高，原-20 m水深處沖刷至-22 m水深，泥沙淤積進一步加重，達6萬m3。清淤和防波堤施工工程量的增加直接加大工程費用約七千萬元。因此，需加強沙質海岸強浪作用下的沙質海岸泥沙運動規律研究，解決施工期嚴重淤積問題。

本文基于印度尼西亞爪洼島南岸的水動力條件和泥沙特征進行了分析，對強浪作用下沙質海岸施工期泥沙運動規律進行了系統地研究，并提出了減少泥沙淤積的施工工序優化措施。本文的研究成果能夠為今后類似工程的施工提供重要的借鑒意義。

1 爪哇島南岸海岸水動力條件和泥沙特征

1.1波浪動力條件

爪洼島南岸面對這廣闊的印度洋，波浪條件惡劣。本文選取了Adipala, Gama和Pacitan 3個典型的區域[2-6]，對爪洼島南岸的波浪特征進行分析。其位置分別如圖1所示，其中三角形和圓點分別對應著相應區域的潮流和波浪測站位置。根據3個地區的工程實測資料，波高超過1.3 m和2.0 m的出現頻率如圖2所示。從圖中可以看出，印度洋環境下每月均會出現2 m高以上大浪，5～9月受季風的影響，表現特別突出，出現2～3 m波高波浪的天數達70%以上，1～4月份及11～12月份出現2～3 m波高波浪的天數仍維持在20%～30%的比例。

除了波高，印尼爪洼島南岸的波浪表現出明顯的涌浪特征。季風期外海涌浪與風成浪相互疊加，非季風期波浪主要表現為外海環境變化所引起的長周期涌浪，從Adipala的實測資料可知，涌浪的周期一般大于10 s，平均周期大于13 s，最大周期達21 s。波高與周期之間沒有明顯的大小關系。波浪集中在SSW、S和SSE方向，呈現一定的季節特征。

圖1 爪洼島南岸三個典型區域地理位置圖2 三個區域波高超過1.3 m和2.0 m的出現頻率Fig.1 Locations of three projects in the south of JAWA island Fig.2 Frequency when wave height overpasses 1.3 m and 2.0 m at three projects

1.2潮流動力條件

根據3個典型區域潮流觀測經計算分析，印尼爪洼島南岸的潮型為以半日潮為主的混合潮，Adipala的典型潮位過程如圖 3所示。即每天有2個高潮位和2個低潮位，潮高和潮時存在明顯的日潮不等現象。漲潮歷時稍大于落潮歷時。

3個典型工程所在海域現場觀測潮流流速如表 1，由表中數據可知，爪哇島南岸潮差流速在0.04～0.306 ms，潮流動力較弱，僅潮流作用下的泥沙基本處于穩定狀態，泥沙運動則主要由波浪引起。

表1 爪哇島南岸3個工程潮流流速統計Tab.1 Tidal current statistics at three projects ms

表1 爪哇島南岸3個工程潮流流速統計Tab.1 Tidal current statistics at three projects ms

項目位置最大垂線平均流速最小垂線平均流速測點水深備注Pacitan0．3060．125-12．0～-18．0mAdipala0．260．04-3．0～-15．0mGama0．250．1-4．1～-16．3m

圖3 Adipala工程2008年12月份典型潮位過程圖Fig.3 Time serials of tide in December 2008 at Adipala

中值粒徑PacitanAdipalaGama范圍0．16～0．700．0063～0．77780．01～0．414平均值0．350．0960．09

1.3泥沙特征

3個工程區的底質泥沙中值粒徑范圍及平均值如表 2所示。可以看出，爪洼島南岸的大部分海岸的底質泥沙粒徑較粗，Pacitan的平均中值粒徑可達0.35 mm[7-8]，海岸性質為沙質或粉沙質海岸，顆粒間無粘結力或粘結力較弱，呈分散狀態。中值粒徑也呈現出從岸向海由粗到細的分布規律，如圖 4所示。

爪洼島南岸的水體含沙量隨位置的不同有著明顯的變化。從縱向分布來看，河口附近的含沙量要明顯大于非河口地區，可達到1 kgm3以上；從橫向分別來看，波浪破碎帶以內的含沙量要明顯大于非破碎區，也可達到0.1 kgm3以上；其他區域的水體含沙量較小，均在0.01 kgm3以下。水體含沙量也呈現出明顯的季節性變化，雨季河流水量充沛，攜帶大量泥沙入海，近岸含沙量增加，反之，旱季近岸水體含沙量會相對較小。

2 強浪條件下沙質海岸的泥沙運移規律

2.1泥沙的起動分析

首先，結合爪洼島南岸的底沙沉積物性質與波浪、潮流水動力條件，分析該地區的泥沙起動條件，并判斷泥沙運動情況。

2.1.1 起動流速

泥沙起動時的垂線平均流速稱為泥沙的起動流速。爪哇島南岸水域中值粒徑范圍為0.0 063～0.236 mm，近岸水域的中值粒徑平均值為0.1 mm。粒徑大于0.03 mm，因而選用竇國仁的不考慮粘結力的泥沙起動公式

(1)

式中：Vc為起動流速,ms；H為水深,m；D50為泥沙中值粒徑；Ks為糙率參數，當D50小于0.5 mm時，取0.5 mm，當D50大于0.5 mm時，取Ks=D50；γs和γ分別為泥沙和水的重度,kgm3；g為重力加速度,gm·s2；εk為粘著力參數，通常為2.56 cm3s2；δ為薄膜水厚度，取為0.213×10-4m。

根據計算，-10 m等深線處的泥沙起動流速要達到1.84 ms，而爪洼島南岸的潮流流速較小，遠小于各等深線處的起動流速計算值，這說明單一水流動力難以使泥沙發生輸移，由此判斷水流并非本區泥沙運動的主要動力因素。

圖4 Adipala沉積物采樣中值粒徑分布圖Fig.4 Distribution of median size at Adipala

等深線(m)0124681012．515Uc(m∕s)1．461．541．601．681．751．791．841．881．91

2.1.2 起動波高

采用佐騰·田中公式計算該區的起動波高，并考慮不同粒徑的泥沙完全起動的情況，結果如圖5所示。

(2)

式中：H0和L0分別為深水波高和波長；H和L分別為計算處的波高和波長；dm為泥沙平均粒徑；hc為臨界作用水深；α為泥沙全面起動系數，取2.4。

從圖 5可知，0.5 m的波高就能使小于10 m水深處的不同粒徑起動，而爪哇島南岸常年處于較強的波浪動力條件下，每月均會出現1.3 m以上的大浪，可見波浪是本區泥沙運動的主要動力因素，可以滿足泥沙的起動條件。

圖5 不同粒徑泥沙起動波高與掀沙水深的關系曲線(T=12 s)Fig.5 Relationship between wave height and water depth when sediment starts(T=12 s)

2.1.3 爪哇島南岸泥沙運移規律

基于爪哇島南岸的水動力條件和泥沙起動分析可以得到，強浪作用下爪洼島南岸的沙質海岸泥沙運移規律有如下的基本特征。一方面，在波浪的作用下，泥沙會發生沿岸運動和輸移，由于波浪的季節性變化，年凈運移量會基本平衡，但是防波堤的建設會阻斷泥沙的沿岸運動，有可能造成泥沙的淤積或沖刷問題。另一方面，近岸沙灘在破碎波浪和潮流的共同作用下，會發生“掀揚—搬運”的向岸輸運，由于防波堤的建設會降低掩護區的波高和潮流流速，使得泥沙在港池或航道內發生落淤，向岸運移凈堆積，進而造成了港池、航道的嚴重淤積問題。

2.2泥沙輸運計算方法

2.2.1 沿岸輸沙計算方法

沿岸輸沙采用我國《港口與航道水文規范》(JTS145-2015)[9]中公式進行計算，方法如下

(3)

(4)

(5)

Qs=Σ(+)qt+Σ(-)qt

(6)

QN=Σ(+)qt-Σ(-)qt

(7)

式中：q為沿岸輸沙率,m3s；δ0=H0L0為深水坡陡；Hb為破碎波高,m；Cb=LbT為破碎波速,ms；αb為波浪破碎時波峰線與等深線間的夾角,(°)，αb小于90°；D為泥沙中值粒徑,mm；H0為深水波高,m；L0為深水波長,m；Lb為破碎波長,m；T為周期,s；db為破碎水深,m；Qs為年總輸沙量；QN為年凈輸沙量。

2.2.2 泥沙向岸運移凈堆積計算方法

在印度洋中長周期的波浪作用下，泥沙在20 m水深處也能夠啟動，尤其在大浪情況更加顯著。因此，強浪條件下沙質海岸的泥沙向岸運移凈堆積的強度遠大于沿岸輸沙的強度。在無建筑物影響時，近底流速為向岸-離岸的往復運動，泥沙會保持平衡。但當施工至直堤拐彎段后，出現了波浪掩護區域，港池內的波高會明顯減小，使得波谷作用下的離岸速度明顯減小，而泥沙一旦輸移至該區域，由于波浪動力的減弱，泥沙不再運動而快速堆積。在這種向岸速度大離岸速度小的非平衡狀態作用下，泥沙會出現較為明顯的向岸運動。

由于泥沙的橫向輸移表現為單位寬度范圍內的輸移強度，而且一般情況下只是表達泥沙的凈輸移。參考沿岸輸沙的計算方法，可以表達為沿岸流與水體夾帶泥沙的乘積。在一個周期內，只有12的時間泥沙是向岸運動，所以向岸運動的平均輸移速度為

(8)

(9)

單寬輸沙率可采用如下公式

(10)

式中:Q為單寬輸沙率，m3h·m；s為底流含沙量， kgm3；hs為含沙層厚度，m。

一個很重要的因素是有多少寬度的泥沙會繞過堤頭在掩護區內淤積下來，理論上可以通過繞射波形來進行分析計算。從現場淤積的形狀判斷，寬度達到0.5～0.75倍波長，但是淤積率在堤頭背浪側最大，沿射線逐步減少，折合成單寬單向輸沙率約為0.08倍深水波長。本文基于印度洋上述工程的實測資料，平均波高取2.72 m，平均周期取13.64 s，對應的深水波長為290 m。

3 施工期泥沙淤積特征分析

本文以Adipala港口防波堤施工為例，探討不同施工期以及施工時序對泥沙淤積的影響。工程平面布置如圖 6所示。Adipala工程的水文條件和泥沙特性如本文第2章所示。Adipala工程的防波堤東堤長1 455 m，堤頭水深-13.3 m，西堤長500 m，堤頭水深-10.0 m。施工時主要采用由岸向海推進的施工方法。

3.1不同施工期的泥沙淤積特征

圖6 Adipala工程平面布置圖Fig.6 Layout of Adipala project

防波堤施工容易產生泥沙淤積的主要階段包括：初始推進階段、單環抱堤推進階段(即長堤直堤施工完成，開始施工環抱彎曲段)和短堤推進階段，隨著防波堤的不斷推進，泥沙的淤積會表現出不同形式和特征，也會落淤在港池內的不同部位，如圖 7所示。在初始推進階段，防波堤在海岸上的作用相當于不斷推進的丁壩，丁壩主要阻斷了泥沙的沿岸輸移，泥沙落淤主要發生在A區，對泥沙的橫向輸移基本沒有影響。在單環抱堤推進階段，由于已經形成了一定的掩護區域，泥沙向岸運移凈堆積會成為泥沙淤積的主要來源，落淤會發生在B、C、D區，但由于水深和掩護范圍的不同，淤積強度會有所不同。在短堤推進階段，長環抱堤施工完成阻斷了大部分的泥沙沿岸輸沙，此時的泥沙淤積主要以泥沙向岸運移凈堆積為主，會在A區繼續發生一定程度的淤積。不同區域的邊界水深平均值如表 4所示。

圖7 泥沙落淤分區圖Fig.7 Subareas of sediment deposition

表4不同區域的邊界水深平均值

Tab.4 Water depth at boundary of subareas m

區域ABCD上邊界051011．5下邊界51011．513．3東防波堤長度255310480410

3.2不同施工時序的泥沙淤積特征

在強浪條件下的沙質海岸建港時，不同的施工工序對施工期的泥沙淤積有著重要的影響。本節基于不同施工期的泥沙運動特性，計算了Adipala采用不同施工時序的施工期泥沙淤積情況。根據Adipala工程區域的波浪水文條件及泥沙特征，采用式(3)可估算出：自然條件下，工程區自東向西輸沙能力為2.67×105m3a，自西向東輸沙能力為1.13×105m3a，沿岸輸沙總趨勢表現為自東向西，凈輸沙為1.54×105m3a。按照現場施工機械的能力，每天防波堤的岸上推進能力為1 000 m3，隨著水深的增加，防波堤推進的速度會有所減小，假設平均每天的推進速度為3 md。

3.2.1 單堤推進

對于強浪作用海域，通常采用雙環抱型防波堤或單環抱加單直堤。一般情況下，長堤用于阻擋泥沙運動的主方向，也就是長堤以外的泥沙堆積較長堤內側的泥沙堆積嚴重。當先建設短堤時，港側的泥沙堆積就會比外側嚴重。可見在工序安排時應先選擇建設長堤。此方案港內泥沙淤積主要包括：長堤推進后沿岸輸沙的港內淤積、單環抱堤長度不足時的泥沙向岸運移凈堆積和短堤未完成前的沿岸輸沙。

長堤推進后沿岸輸沙的港內淤積主要發生在A區域，在西防波堤未形成前，此區域會處于較長時間的淤積狀態，東防波堤的施工時間是1.33 a，西防波堤的施工時間為0.45 a，假設西防波堤建成一半后即具備了攔沙功能，則總的沿岸輸沙時間為1.56 a，泥沙淤積量為175 950 m3。

單環抱堤長度不足時的泥沙向岸運移凈堆積淤積主要發生在B、C和D區域內。B區泥沙向岸運移凈堆積時間為0.28 a，根據式(10)計算得到的平均輸沙率為393 173 m3a，輸沙寬度可按23.2 m(0.08倍深水波長)計算，因此B區泥沙向岸運移凈堆積引起的泥沙淤積量為111 309 m3。C區泥沙向岸運移凈堆積時間為0.44 a，平均輸沙率為305 613 m3a，輸沙寬度同上，因此C區泥沙向岸運移凈堆積引起的泥沙淤積量為133 967 m3。D區泥沙向岸運移凈堆積時間為0.37 a，平均輸沙率為280 857 m3a，輸沙寬度同上，因此D區泥沙向岸運移凈堆積引起的泥沙淤積量為105 161 m3。綜上，單環抱堤長度不足時的泥沙向岸運移凈堆積淤積量為350 438 m3。采用單堤推進的方案泥沙淤積量為526 388 m3。

3.2.2 雙堤推進

采用雙堤同時推進的方法能夠較快地阻斷沿岸輸沙在港池內的淤積，待短堤形成后，可以全力推進單環抱堤。此方案港內泥沙淤積主要包括：直堤推進不足時的泥沙向岸運移凈堆積淤積和單環抱堤長度不足時的泥沙向岸運移凈堆積。

相比于單堤推進，雙堤推進時無法對短堤構成掩護，因此施工時間會較單堤推進時要長，建設施工時間增加系數為1.3。則直堤推進不足時的沿岸輸沙時間為0.61 a，因此沿岸輸沙引起的淤積量為68 419 m3。此時，西防波堤剩余施工段245 m，如東西堤同時施工，需0.58 a西防波堤施工完成，此時東防波堤的部分彎曲段形成，會在B區造成一定的橫向泥沙淤積。輸沙率為403 386 m3a，輸沙寬度同上，因此這段時間內的泥沙淤積量為234 664 m3。

西防波堤施工完成后，全力施工東防波堤。B區東防波堤剩余長度65 m，需用0.06 a施工完成，平均輸沙率為327 865 m3a，輸沙寬度同上，因此這段時間內的泥沙淤積量為19 462 m3。C、D段東防波堤的施工時的泥沙淤積量和單堤推進方案相同，分別為133 967 m3和105 161 m3。

采用雙堤推進的方案泥沙淤積量為561 675 m3。

3.2.3 潛堤預拋推進

考慮的波浪的主要影響范圍在平均海平面1倍波高上下，因此施工時可采用先水上拋填形成潛堤、后陸上推進快速成堤的方法。潛堤的施工對波浪影響不大，因此可以不考慮潛堤施工對泥沙淤積的影響。此方案港內泥沙淤積主要包括：快速推進階段的沿岸輸沙淤積和泥沙向岸運移凈堆積淤積。潛堤預拋完成后，采用單堤推進方案進行防波堤的快速施工，假設防波堤的施工推進速度增加一倍，因此泥沙的淤積時間將會大大減小。其不同施工期的泥沙淤積量列于表5中，總淤積量為263 194 m3。

表 5 不同施工工序的泥沙淤積量Tab.5 Sediment deposition volume of different construction schedules

3.3施工期泥沙淤積特征分析

從不同施工工序的泥沙淤積量計算結果可知，強浪條件下沙質海岸施工期泥沙淤積存在如下特征：首先，由于強浪的作用，泥沙的輸運比較活躍，沿岸輸沙和泥沙向岸運移凈堆積均會對施工期的泥沙淤積產生重要的影響。其次，泥沙向岸運移凈堆積比沿岸輸沙更為強烈，由于泥沙向岸運移凈堆積引起的泥沙淤積會是沿岸輸沙的兩倍以上，且隨著防波堤的推進，泥沙向岸運移凈堆積表現出現增加后減小的規律。這是由于防波堤掩護區域的增加會使得泥沙向岸運移凈堆積的落淤更為容易，因此一開始泥沙向岸運移凈堆積會隨著防波堤的推進而增加，隨后防波堤推進到深水區后，泥沙的起動和運移均更為困難，因此泥沙向岸運移凈堆積量會明顯減少。因此，在進行施工組織時，需加快彎曲段防波堤的施工速度。最后，不同的施工工序對施工期的泥沙淤積有著重要的影響，采用潛堤預拋的施工工序會有效的增加防波堤的推進速度，從而大大減少施工期的泥沙淤積。

4 主要結論

本文針對印度尼西亞爪洼島南岸港口施工期的泥沙淤積問題進行了分析和研究。基于爪洼島南岸的水動力條件和泥沙特征，分析了該地區泥沙的起動規律，發現波浪作用是該地區起動和輸移的主要動力條件。以Adipala工程為例，計算了不同防波堤施工時序對泥沙淤積的影響。結果表明，強浪條件下沙質海岸的泥沙的運動比較活躍，泥沙向岸運移凈堆積是港口施工期泥沙淤積的主要原因，且采用潛堤預拋的施工方式能夠有效地減少施工期泥沙淤積量。

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Sediment deposition characteristic study of sandy coast under strong wave condition during construction period

ZHANGXian-wu1,CHENSong-gui2,CHENHan-bao2

(1.CCCCSecondHarborConsultantsCo.,Ltd.,Wuhan430071,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

In this paper, the sediment deposition characteristic was studied based on the ocean hydrodynamic and sediment characteristic analysis in the south of Java Island. Taking the Adipala project as an example, the effect of construction schedule on sediment deposition was analyzed according to the results of littoral and horizontal transport of sediment. It is indicated that the sediment deposition volume can be decreased significantly by applying the method of submerged breakwater.

sediment deposition; strong wave; sandy coast; construction period

TV 142

：A

：1005-8443(2017)04-0337-07

2017-05-03；

：2017-07-26

中央級公益性科研院所基本科研業務費(TKS160108)

張先武(1960-)，男，四川省資陽人，高級工程師，主要從事港口設計與建設工作。

Biography：ZHANG Xian- wu(1960-), male, senior engineer.