某粉沙質(zhì)海岸深水航道的回淤分析

　　摘要：基于非洲某鐵路港口聯(lián)運(yùn)工程項(xiàng)目，對(duì)80000DWT深水航道工程的泥沙回淤進(jìn)行研究分析。分析該地區(qū)泥沙特性和運(yùn)動(dòng)特征;闡明泥沙問(wèn)題是關(guān)乎本項(xiàng)目航道工程成敗的一個(gè)關(guān)鍵難題;提出在航道兩側(cè)設(shè)置攔沙堤的工程措施來(lái)減少航道的泥沙回淤。建立二維潮流泥沙模型，計(jì)算不同攔沙堤方案下的泥沙回淤情況，對(duì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

　　關(guān)鍵詞：粉沙質(zhì)海岸泥沙回淤攔沙堤深水航道

　　1.工程概況

　　1.1工程方案

　　(1)航道工程。本工程采用單向航道，航道規(guī)模按80000DWT散貨船乘潮進(jìn)出港設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)航道寬度為166m，邊坡1：8，底寬為262m。航道設(shè)計(jì)底高程為-17.5m。見(jiàn)方案圖1。

　　(2)攔沙堤。本工程須在波浪破碎區(qū)范圍內(nèi)航道兩側(cè)建立攔沙堤，避免被泥沙在航道內(nèi)落淤。攔沙堤口門位置要在破碎區(qū)外一定距離。由于攔沙堤長(zhǎng)度和堤頂高程是航道泥沙回淤的主要控制因素，同時(shí)也是工程造價(jià)的控制因素。因此，本工程設(shè)計(jì)了2個(gè)攔沙堤方案，并通過(guò)計(jì)算這2個(gè)方案的年回淤量，結(jié)合造價(jià)，推出最優(yōu)方案。，攔沙堤的長(zhǎng)度和堤頂高程各異，現(xiàn)分述如下：

　　方案1：西攔沙堤長(zhǎng)3000m，堤頂高程為9.0m;東攔沙堤長(zhǎng)4000m，堤頂高程為9.0m。堤頂寬度均為7.0m。

　　方案2：西攔沙堤共長(zhǎng)6488m。其中堤跟段長(zhǎng)2000m，堤頂高程為5.0m;堤身段長(zhǎng)3494m，堤頂高程為2.0m;堤頭段長(zhǎng)994m，堤頂高程為-1.0m。東攔沙堤共長(zhǎng)6210m。其中堤跟段長(zhǎng)2000m，堤頂高程為9.0m;堤身段長(zhǎng)3186m，堤頂高程為2.0m;堤頭段長(zhǎng)1024m，堤頂高程為-1.0m。

　　2.泥沙特性

　　2.1泥沙輸移

　　擬建工程所在河道受往復(fù)性潮流的控制，Namacurra河及下游河網(wǎng)沿線沼澤濕地產(chǎn)生的淤泥為主的懸移質(zhì)泥沙主體隨落潮流輸出外海，來(lái)自口門外廣袤海灘的粉細(xì)沙也隨漲潮流以推移質(zhì)為主輸入口門內(nèi)，并在沿河各緩流低洼地沉積。同時(shí)，由于口門外海灘的粉細(xì)沙主要受沿岸波浪破碎掀沙及波生流影響，總體呈現(xiàn)從西南向東北方向輸移的趨勢(shì)。淤泥質(zhì)懸沙輸出量略大于粉細(xì)沙推移質(zhì)輸入量。

　　2.2懸沙特征

　　河口內(nèi)測(cè)點(diǎn)含沙量無(wú)論大小潮均遠(yuǎn)大于外海測(cè)點(diǎn)含沙量，平均含沙量分別為0.07～0.1kg/m3(河口內(nèi))和0.004～0.04kg/m3(外海)。

　　2.3底質(zhì)特征

　　在擬建港口航道及附近海域進(jìn)行底質(zhì)取樣及分析。工程海域的底質(zhì)泥沙特征如下：

　　(1)河口內(nèi)底質(zhì)泥沙粒徑較粗，以砂質(zhì)為主，砂質(zhì)(包括礫石)含量均超過(guò)90%。河道中間樣品粒徑遠(yuǎn)大于兩側(cè)淺灘，河道中央樣品中值粒徑在0.2-1mm之間，河道兩側(cè)樣品中值粒徑為0.1-0.3mm之間。

　　(2)河口位置由于水流較大，將河道里粗顆粒泥沙沖到河口外，所以河口處顯示為中細(xì)砂為主，粒徑較河口內(nèi)為細(xì)，中值粒徑在0.07-0.2mm之間，中值粒徑較兩側(cè)為粗，約為0.14mm。沙質(zhì)成分均超過(guò)90%，基本不含有粉砂和粘土。

　　(3)除了河口處，整個(gè)海岸以粘土、粉砂為主，含少量砂質(zhì)成分。按照砂質(zhì)及粘土質(zhì)含量不同分為砂質(zhì)粉砂、粉砂、及粘土質(zhì)粉砂。中值粒徑約為0.02mm。樣品含水量高，呈淤泥狀。可見(jiàn)，該海岸類型整體表現(xiàn)為粉砂質(zhì)海岸。

　　3.模型建立

　　本項(xiàng)目采用MIKE21ST沙模型(非粘性沙)和MIKE21MT泥模型(粘性沙)相結(jié)合進(jìn)行計(jì)算。

　　3.1模型范圍和網(wǎng)格

　　模型網(wǎng)格及水下地形見(jiàn)圖3。

　　3.2模型條件

　　(1)潮流

　　計(jì)算年回淤量時(shí)，模型通過(guò)計(jì)算一個(gè)全潮過(guò)程(小潮-大潮-小潮)的回淤量，再根據(jù)一年的全潮過(guò)程數(shù)得到一年的回淤量。

　　(2)波浪

　　根據(jù)模型邊界處得到的外海波要素統(tǒng)計(jì)表，計(jì)算整個(gè)研究領(lǐng)域內(nèi)的波浪場(chǎng)，將計(jì)算得到的波浪輻射應(yīng)力場(chǎng)輸入水動(dòng)力模塊，將及時(shí)所得的波浪場(chǎng)輸入ST模塊。

　　3.3計(jì)算結(jié)果與分析

　　3.3.3年回淤厚度計(jì)算與分析

　　對(duì)各波浪要素下的進(jìn)入航道的沙量進(jìn)行加權(quán)平均后得到兩個(gè)方案沿航道年回淤厚度(圖4)。綠線為方案1，紫線為方案2，最大淤積厚度均出現(xiàn)在防波堤前沿。從年均回淤厚度結(jié)果來(lái)看，方案1大于方案2，且最大淤厚位置靠近河口，最大淤厚為1.86m/yr。方案2與方案1相比，最大淤厚位置更靠近外海，最大淤厚為2.69m/yr。平均淤厚為0.46m/yr(方案1)和0.33m/yr(方案2)。全航道由于底沙推運(yùn)造成的回淤量分別為248.53和172.25萬(wàn)立方米。

　　由以上結(jié)果可知：方案1攔沙堤堤頂高程為9.0m，為出水堤，可以完全阻擋攔沙堤外側(cè)泥沙進(jìn)入航道內(nèi)，但是堤頭位置在波浪破碎區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致破碎區(qū)范圍內(nèi)的航道段仍存在較大淤積，若要加長(zhǎng)攔沙堤，工程造價(jià)將大大提高。因此，方案2在加長(zhǎng)攔沙堤的基礎(chǔ)上，將攔沙堤做成潛堤的形式。主要是考慮粉沙質(zhì)海岸懸沙的垂線分布特點(diǎn)，底部存在高濃度含沙水體。將攔沙堤做成潛堤，不但能有效防止底部高濃度含沙水體進(jìn)入航道內(nèi)落淤，還能很大程度上節(jié)約成本，控制造價(jià)。從以上兩個(gè)方案對(duì)比，可看出，對(duì)攔沙堤加長(zhǎng)，航道內(nèi)泥沙回淤可以得到有效控制。

　　4.結(jié)論與建議

　　(1)除了河口處，整個(gè)海岸以粘土、粉砂為主，含少量砂質(zhì)成分。中值粒徑約為0.02mm。樣品含水量高，呈淤泥狀?？梢?jiàn)，該海岸類型整體表現(xiàn)為粉砂質(zhì)海岸。

　　(2)本工程須在波浪破碎區(qū)范圍內(nèi)航道兩側(cè)建立攔沙堤，避免被泥沙在航道內(nèi)落淤。攔沙堤口門位置要在破碎區(qū)外一定距離。

　　(3)方案1由于堤頭口門位置位于水下沙壩上，該處波浪破碎導(dǎo)致泥沙運(yùn)動(dòng)非?；钴S，因此在堤頭位置泥沙輸運(yùn)率要比方案2大，并且輸運(yùn)率大的面積較方案2大。

　　從以上兩個(gè)方案對(duì)比，就可以看出，對(duì)攔沙堤加長(zhǎng)，航道內(nèi)泥沙回淤可以得到有效控制。而目前方案2仍存在繼續(xù)優(yōu)化的可能，這要求對(duì)底部高濃度含沙水體的厚度和波浪破碎區(qū)范圍有更準(zhǔn)確的了解。

　　《某粉沙質(zhì)海岸深水航道的回淤分析》來(lái)源：《珠江水運(yùn)》2018年12期，作者：林俊龍。

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