箱涵进海路对泥沙运移环境影响研究

刘晓丹，姜宏川

(国家海洋局 北海海洋工程勘察研究院, 山东 青岛 266033)

环渤海地区有1 000多km长的海岸线，1万多km2的浅海滩涂地带，蕴藏着丰富的油气资源。几十年来，辽河、冀东、大港和胜利油田进行沿海滩涂油气勘探开发，分别在油藏丰富、勘探清楚的区域采用封闭式围海造陆、丛式井平台等方式进行开采，这些区域的油藏已开发殆尽，再向外扩展，即进入常年有水的海域。渤海湾区域多属淤泥质平原海岸类型[1]。由于河流带来陆域细小颗粒泥沙，随着海水流动，形成了渤海湾冲积扇地形，海滩和极浅海床十分平坦，自西向东缓降，回淤严重[2]。2000年，胜利油田在孤东和桩西油田外围常年有水、地面高程为0～-3 m的极浅海域内试探性修筑了丛式井井台—人工岛，为海油陆采探索新路。近几年进海路的结构形式主要有以下几类：1)抛石斜坡堤结构：由砂垫层、塑料排水板、堤心石、北侧护底石、垫层块石、扭王字护面块体、南侧护底石、垫层块石、四脚空心方块护面块体、路面、道路两侧的挡浪墙组成。2)大膜袋装固化土结构：以固化水泥土充填大型土工布膜袋为堤心,栅栏板做路堤防护，在相邻两层充填袋之间空隙处用袋装碎石找平。3)板桩路结构：采取构件陆上预制, 海上组装, 先筑墙, 后充填,桩深扎, 梁定位, 板挡毛石,形成钢筋混凝土构件护坡的毛石坝,在坝上充填加高形成进海路。4)袋装砂斜坡式结构：堤身结构采用内外袋装砂棱体，中间为吹填砂堤心的堤身结构。从已建的多条进海路情况看，由于进海路伸入海中约几公里，路身不透水，已导致路两侧出现不同程度的淤积，同时在端岛外侧出现冲刷现象，尤其是多条非透水路堤的建设，泥沙冲淤的累积效果愈加明显。透水的新型进海路结构成为研究的热点，其中箱涵进海路结构已经开展研究并进行试验。

1 研究海域背景及进海路设计方案

研究海域属不规则半日潮，潮差自北向南递增，约为1～2.5 m，最高高潮位3.31 m，最低低潮位-2.14 m，最大潮差4.14 m。以风浪为主，涌浪为辅，常浪向为E，浪向与风向一致，强浪向为ENE。研究区域附近属淤泥质平原海岸类型，坡度一般为1。回淤严重，淤泥深一般为7～19 m，表层流塑状厚约0.5 m。0 m等深线至-8 m等深线之间的平均坡度为0.37[3]。

箱涵进海路结构由下部箱涵基础结构和上部路面结构组成。试验段工程共采用约115组箱涵基础结构，构成的进海路总长为4 376 m，上部路面结构宽7.0 m，路面标高为+2.0 m。每组箱涵基础结构宽3.5 m，顶板长9.0 m，底板长15.0 m，箱高3.9 m，裙板高2.0 m，总高5.9 m。箱涵结构的断面图如图1所示。

图1 箱涵结构横断面图(mm)Fig.1 The box culvert structure section (mm)

2 预测模拟

水动力及泥沙运移模拟采用MIKE21二维水动力软件，模型计算采用三角形网格，有限元解法。模型选取曹妃甸和滨州港之间连线为开边界，根据两点潮位调和分析所得调和常数计算潮位，中间水位点模型内部作现行插值作为边界条件。根据工程附近的气象水文观测资料，本区常浪向为E向，因此模拟了常浪向一年的海底冲淤情况，并进行对比分析。

2.1 模拟验证

利用上述模式对研究海域进行潮流场数值模拟。采用2004-07-19-20和28-29日该海域测流点4号 (117° 52′ E，38° 31′N)流速、流向模拟计算值与实测值的比较。流场的数值模拟结果与实测数据变化基本一致，吻合较好，表明该计算模式能较好的再现该海区的实际潮流状况。

2.2 方案设置

方案设置为三种情形：1)方案1(现状)：未修建箱涵通井路；2)方案2(实体路)：修建约5 km实体路；3)方案3(箱涵结构)：间隔0.3 m设置一段5 m长的过流段的箱涵结构。

2.3 流场模拟结果

图2～图4给出了3种方案下在落急、涨急4个时刻的流场图(横轴、纵轴单位：km)。从图中可以看出，涨急时流向基本为向岸流动，落急时为离岸流动。各方案对该区流场整体趋势没有大的改变。

2.4 泥沙冲淤模拟结果

泥沙冲淤的预测结果显示：

1)岸边向海约4 km，各种方案预测影响相似(图5)。与现状相比，路A和路B两侧淤积的范围发生变化，路A北侧淤积范围与现状相比略有加强，路B北侧淤积范围率有减小；箱涵结构方案与实体路相比，路A北侧淤积减弱，路B北侧淤积率有加强。

2)不同的方案主要影响分布在4 km起向海路段。与现状相比，各种方案对海底冲刷均有加强；透流结构和实体路比较，路A向海端处处北侧冲刷范围减小，强度有所减缓，南侧冲刷有所增强。

3)路A(箱涵结构)北侧沿路出现带状淤积，对箱涵通水结构会产生一定影响，经过一段时间的累积，会降低箱涵的过水量。

图2 潮落、涨急流场方案1Fig.2 The scheme 1 for the current field in the middle of ebb, flood tide

图3 潮落、涨急流场方案2Fig.3 The scheme 2 for the current field in the middle of ebb, flood tide

工程的建设改变了海岸线泥沙运动规律和分布特征，箱涵结构的影响小于实体路，足够的透流过程段对于改善工程对海洋环境的影响起到至关重要的作用。

图4 潮落、涨急流场方案3Fig.4 The scheme 3 for the current field in the middle of ebb, flood tide

图5 年冲淤预测Fig.5 Years siltation prediction

3 结 论

根据目前的预测手段和技术水平可知箱涵结构进海路对环境的影响小于实体路，尤其是针对本海区在4 km以远向海区域， 箱涵结构本身可能产生的淤积问题不容忽视，是能否应用于实际的关键。建议在今后的工作中对箱涵进海路试验段的淤积情况进行跟踪，进一步评价其适应性。

参考文献：

[1] 陈宜瑜，中国湿地研究[M]，吉林：吉林科学技术出版社，1995.

[2] 杨书遂,盛立云.渤海湾西岸滩海地区沉积相特征及其物理力学性质[J]. 水文地质与工程地质,2004，31(3):93-95.

[3] 樊社军,虞志英,金镠,等.淤泥质岸滩侵蚀堆积动力机制及剖面模式[J]. 海洋学报,1997,19(3)：66-75.