粉沙質海岸深水航道回淤研究范文
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摘要：基于非洲某鐵路港口聯運工程項目，對80000DWT深水航道工程的泥沙回淤進行研究分析。分析該地區泥沙特性和運動特征；闡明泥沙問題是關乎本項目航道工程成敗的一個關鍵難題；提出在航道兩側設置攔沙堤的工程措施來減少航道的泥沙回淤。建立二維潮流泥沙模型，計算不同攔沙堤方案下的泥沙回淤情況，對方案進行優化。
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，航道規模按80000DWT散貨船乘潮進出港設計。設計航道寬度為166m，邊坡1：8，底寬為262m。航道設計底高程為-17.5m。見方案圖1。（2）攔沙堤。本工程須在波浪破碎區范圍內航道兩側建立攔沙堤，避免被泥沙在航道內落淤。攔沙堤口門位置要在破碎區外一定距離。由于攔沙堤長度和堤頂高程是航道泥沙回淤的主要控制因素，同時也是工程造價的控制因素。因此，本工程設計了2個攔沙堤方案，并通過計算這2個方案的年回淤量，結合造價，推出最優方案。，攔沙堤的長度和堤頂高程各異，現分述如下：方案1：西攔沙堤長3000m，堤頂高程為9.0m；東攔沙堤長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6488m。其中堤跟段長2000m，堤頂高程為5.0m；堤身段長3494m，堤頂高程為2.0m；堤頭段長994m，堤頂高程為-1.0m。東攔沙堤共長6210m。其中堤跟段長2000m，堤頂高程為9.0m；堤身段長3186m，堤頂高程為2.0m；堤頭段長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性潮流的控制，Namacurra河及下游河網沿線沼澤濕地產生的淤泥為主的懸移質泥沙主體隨落潮流輸出外海，來自口門外廣袤海灘的粉細沙也隨漲潮流以推移質為主輸入口門內，并在沿河各緩流低洼地沉積。同時，由于口門外海灘的粉細沙主要受沿岸波浪破碎掀沙及波生流影響，總體呈現從西南向東北方向輸移的趨勢。淤泥質懸沙輸出量略大于粉細沙推移質輸入量。
2.2懸沙特征河口內測點含沙量無論大小潮均遠大于外海測點含沙量，平均含沙量分別為0.07～0.1kg/m3（河口內）和0.004～0.04kg/m3（外海）。
2.3底質特征在擬建港口航道及附近海域進行底質取樣及分析。工程海域的底質泥沙特征如下：（1）河口內底質泥沙粒徑較粗，以砂質為主，砂質（包括礫石）含量均超過90%。河道中間樣品粒徑遠大于兩側淺灘，河道中央樣品中值粒徑在0.2-1mm之間，河道兩側樣品中值粒徑為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砂為主，粒徑較河口內為細，中值粒徑在0.07-0.2mm之間，中值粒徑較兩側為粗，約為0.14mm。沙質成分均超過90%，基本不含有粉砂和粘土。（3）除了河口處，整個海岸以粘土、粉砂為主，含少量砂質成分。按照砂質及粘土質含量不同分為砂質粉砂、粉砂、及粘土質粉砂。中值粒徑約為0.02mm。樣品含水量高，呈淤泥狀。可見，該海岸類型整體表現為粉砂質海岸。
3．模型建立
本項目采用MIKE21ST沙模型（非粘性沙）和MIKE21MT泥模型（粘性沙）相結合進行計算。
3.1模型范圍和網格模型網格及水下地形見圖3。
3.2模型條件（1）潮流計算年回淤量時，模型通過計算一個全潮過程（小潮-大潮-小潮）的回淤量，再根據一年的全潮過程數得到一年的回淤量。（2）波浪根據模型邊界處得到的外海波要素統計表，計算整個研究領域內的波浪場，將計算得到的波浪輻射應力場輸入水動力模塊，將及時所得的波浪場輸入ST模塊。
3.3計算結果與分析3.3.3年回淤厚度計算與分析對各波浪要素下的進入航道的沙量進行加權平均后得到兩個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在防波堤前沿。從年均回淤厚度結果來看，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造成的回淤量分別為248.53和172.25萬立方米。由以上結果可知：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泥沙進入航道內，但是堤頭位置在波浪破碎區內，導致破碎區范圍內的航道段仍存在較大淤積，若要加長攔沙堤，工程造價將大大提高。因此，方案2在加長攔沙堤的基礎上，將攔沙堤做成潛堤的形式。主要是考慮粉沙質海岸懸沙的垂線分布特點，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入航道內落淤，還能很大程度上節約成本，控制造價。從以上兩個方案對比，可看出，對攔沙堤加長，航道內泥沙回淤可以得到有效控制。
4．結論與建議
（1）除了河口處，整個海岸以粘土、粉砂為主，含少量砂質成分。中值粒徑約為0.02mm。樣品含水量高，呈淤泥狀。可見，該海岸類型整體表現為粉砂質海岸。（2）本工程須在波浪破碎區范圍內航道兩側建立攔沙堤，避免被泥沙在航道內落淤。攔沙堤口門位置要在破碎區外一定距離。（3）方案1由于堤頭口門位置位于水下沙壩上，該處波浪破碎導致泥沙運動非常活躍，因此在堤頭位置泥沙輸運率要比方案2大，并且輸運率大的面積較方案2大。從以上兩個方案對比，就可以看出，對攔沙堤加長，航道內泥沙回淤可以得到有效控制。而目前方案2仍存在繼續優化的可能，這要求對底部高濃度含沙水體的厚度和波浪破碎區范圍有更準確的了解。
作者： 林俊龍 單位：中水珠江規劃勘測設計有限公司