潍坊寿光港区航道工程防沙堤平面布置形式研究

秦福寿，杨泽君，侯志强，刘 涛，李 姗

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.天津市水利勘测设计院，天津 300204；3.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；4.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

潍坊寿光港区航道工程防沙堤平面布置形式研究

秦福寿1，杨泽君2，侯志强3，刘 涛3，李 姗4

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.天津市水利勘测设计院，天津 300204；3.交通运输部天津水运工程科学研究所 工程泥沙交通行业重点实验室，天津 300456；4.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

采用波浪潮流泥沙数学模型试验手段，对潍坊寿光港区防沙堤建设中的平面布置形式进行研究。根据研究成果，建议选择北槽航道作为5 000 t级通海航道，航道走向63.5°～243.5°。防沙堤工程建议采用双导堤形式，其中北导堤应接岸。建议堤头可先达-4.0 m水深处，观测其堤头附近冲淤变化后，再决定是否继续向海延伸。

数学模型试验；防沙堤；平面布置；航道横流；航道淤积

Biography：QIN Fu⁃shou（1964-）,male,senior engineer.

拟建寿光港区5 000 t级航道工程位于山东省潍坊市寿光县小清河河口处，具体地理区位见图1。当前，拟在小清河口外侧开挖航道。然而，规划航道面向莱州湾、水域相对开敞，且近岸存在大片高滩。此外，由于工程海域海床底质属典型细沙粉沙质，且口外有拦门沙发育，泥沙运动十分活跃。因此，航道开挖后的回淤问题是该海域建港的瓶颈条件。

为尽可能降低航道建设后的淤积量，规划在口外建设防沙堤。然而，由于防沙堤为人工建筑，堤头处可能形成一定挑流，造成航道内横流增强，应对航道轴线选取加以论证；此外，在满足降低航道淤积量的同时，防沙堤建设应尽可能节省造价，以及减少对周边海域动力环境的影响。因此，应对防沙堤的平面布局，包括其轴线走向、口门位置等进行综合论证。

在对粉沙质海岸水动力泥沙相关研究中，多采用波浪、潮流泥沙数学模型试验手段［1-5］，在模型基础上，通过布置不同设计方案，对比其相应潮流场、泥沙淤积等关键参数，为方案优选提供依据。值得指出的是，侯志强［6］等人曾针对潍坊寿光港区航道工程开展了较详尽的数学模型试验工作，并针对不同设计方案进行了模拟，为节省篇幅，本文重点针对其模拟成果加以深入分析，并对合理的防沙堤形态加以论证。

1 工程概况

拟建航道工程位于莱州湾西岸小清河口处，口外有拦门沙发育，图1中示意了工程海域水下地形情况。根据拦门沙形态，入海航槽可分为南槽与北槽。据文献［6］中对自然条件的统计成果，工程海域潮汐类型为不规则半日潮，由于临近黄河口外无潮点，潮差较小，平均仅1.44 m。据莱州湾中部2008年12月至2010年1月时长1 a的波浪实际观测资料［6］，常浪向NE向，频率25.3%，次常浪向NNE向，频率17.4%，强浪向为NE向。正常天气下，海域含沙量较低，平均在0.06 kg/m3内，并呈外海低、近岸高的平面特征，根据卫星遥感影像分析［6］，大风条件下近岸水域含沙量可极大增高，较正常天可增大近10倍。外海及河道内床面底质以沙质粉沙、细沙为主。根据资料分析，小清河径流与输沙对河口演变基本没有影响，外海水域沿岸输沙方向为自北向南。

规划5 000 t级航道工程疏浚底高程为-7.5 m（理论基面，下同），航道底宽为90 m，在-5 m以浅时防沙堤堤顶标高+2.0 m，-5～-6 m时堤顶标高渐变至-1.0 m。考虑到方案比选，特设计多组防沙堤布置形式，其中对航道选线而言，可分为南槽与北槽两个方案；对防沙堤布局而言，可分为无掩护、单侧防沙堤和双侧防沙堤3种形式。

图1 拟建航道工程区位、水下地形及水文测点位置示意图Fig.1 Bathymetry and locations of observation stations

2 潮流泥沙数学模型建立及验证

2.1 波浪数学模型

波浪模拟采用风浪谱模式，可考虑浅水变形、折射、绕射与破碎效应，控制方程见式（1）～（4）。

式中：N为动谱密度；t为时间；x→为笛卡尔坐标系；v→为波群速度；S为能量平衡方程中的源项；∇为微分算子；s为波浪的传播方向；θ和m为垂直于s的方向；∇x→为在x→空间上的二维微分算子。

2.2 潮流数学模型

潮流数学模型理论采用平面二维浅水方程组，其基本形式见式（5）～式（7）。其中h为总水深；g为重力加速度；u和v分别为垂线平均流速在x,y方向上的分量；f为科氏力系数；ρ为水体密度；Ex和Ey分别为x,y方向的水平紊动粘性系数，可由Smagorinsky方程求解；τbx、τby分别为床面剪切力在x、y方向的分量；Sxx、Sxy、Syx和Syy分别为波浪辐射应力的各向分量。

模拟中计算域剖分采用无结构三角形网格。图2中示意了模型计算范围与网格配置情况，其中最小网格尺度为30 m。

图2 模型计算域及网格配置Fig.2 Model domain and mesh resolution

2.3 泥沙数学模型

航道工程所在海域底质多为沙质粉沙、细沙，因此在泥沙运动模拟中应同时考虑悬移质与推移质作用。悬沙运动基本方程如式（8）

式中：S为沿深度平均的含沙量；S*为波流共同作用下的挟沙力；α为恢复饱和系数；ω为泥沙沉速；Dx和Dy分别为泥沙水平扩散系数。悬沙引起的地形冲淤变化如式（9），底沙引起的地形冲淤变化如式（10）～式（11）。式中ηb为底高程；γb为床面泥沙容重；qx和qy分别为x和y方向的单宽底沙输移量。

2.4 模型验证

潮位、流速流向、含沙量验证依据2011年3月及2013年3月现场实测大、小潮水文测验数据（测点位置见图1），地形冲淤验证采用潍坊森达美港区航道回淤数据。为节约篇幅，仅以大潮为例给出了部分测站潮位、流速流向及含沙量验证结果，如图3～图4中所示，航道回淤验证见图5。其他验证成果可见文献［6］。据统计，计算值与实测值吻合良好，符合现行《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》要求。

图3 2013年3月大潮潮位、流速流向验证Fig.3 Verification of tidal level,current speed and direction（2013.03）

图4 2011年3月大潮含沙量验证Fig.4 Verification of suspended sediment concentration（2011.03）

3 防沙堤平面布置形态研究

图5 潍坊森达美港航道回淤验证Fig.5 Verification of channel annual siltation of Weifang Harbor

3.1 航道选线

据文献［6］中对拦门沙稳定性的动力地貌分析结论，北槽为近30 a来新近发育，且具有良好的稳定性；南槽为固有深槽，在近30 a来虽有一定南迁，但近期稳定性较好。因此，北槽与南槽航道均具有一定的建设条件，本研究针对两条航道走向进行研究论证。实际上，在航道轴线选取中，应满足以下两个原则：

（1）从通航安全角度，应保证航道轴线方向与大潮的潮流运动主向交角尽可能小，以降低堤头处横跨流的挑流效应，保证较低的口门航道横流水平。

（2）从降低航道疏浚基建工程量角度，应尽量依托固有深槽，并应兼顾航道与对应底标高处（-7.5m）等深线具有最小距离。

图6中给出了大潮作用下的涨落急潮流矢量图。据分析，如采用航道轴向63.5°～243.5°时，其与潮流主向交角较小，且相对垂直于等深线。因此，航道走向可按上述选取。

图6 工程海域大潮涨落急流速矢量图Fig.6 Current fields of the maximum flood current and ebb current

3.2 不同掩护形式整治效果

航道轴线确定后，为分析不同防沙堤整治思路的相应效果，特分别针对南、北槽设计3种防沙堤形式，分别为无掩护方案（S0-1#、S0-2#）、单侧防沙堤方案（S1-1#、S1-2#）、双侧防沙堤方案（S2-1#、S2-2#）。值得指出的是，由于当地海域沿岸输沙方向为自北向南，从而单堤方案应建设北侧防沙堤；至于双侧防沙堤方案，取堤身间距500 m。比选中均将防沙堤堤头位置布置在-6 m等深线处。图7中给出了不同整治形式防沙堤平面分布形式。在整治效果评估中，采用口门横流及航道正常年淤积量作为指标，见图8和表1。经分析，得到以下主要结论。

（1）不建防沙堤时，无论北槽还是南槽方案，其航道最大横流均在0.5 m/s以内，横流问题不显著。然而，由于小清河海域位处细沙、粉沙质海岸，且水深较浅，较易在风浪作用下起动悬扬；此外，在近岸区域亦有强度不可小觑的推移质沿岸输沙。因此，在缺乏防沙堤掩护的条件下，拦门沙航段处最大年维护强度可达到4 m/a左右，总淤积量亦超过400万m3/a。对于5 000 t级航道而言，此等强度的淤积较难承受，不应作为推荐方案。

（2）对单堤方案而言，由于航道选线与潮流主向基本平行，从而堤头挑流不强，航道最大横流仅较不建堤时增加0.05 m/s左右。至于淤积情况，由于来自北侧的优势输沙得到一定程度阻挡，最大淤强位置发生在口门外侧，航道正常年淤积量降低至211万m3/a、227万m3/a。当堤头布置于-6 m等深线时，与无掩护条件相比，对年淤积量的减淤率达到50%左右。

（3）对双堤方案而言，航道最大横流亦在0.5 m/s以内。至于淤积情况，由于泥沙仅可自狭窄口门内传入，从而堤间航段可得到较好掩护，最大淤强位置发生在口门外侧，航道正常年淤积量大幅度降低至112万m3/a、118万m3/a。当堤头布置于-6 m等深线时，与无掩护条件相比，对年淤积量的减淤率可达到70%左右，效果良好。

图7 不同掩护形式方案平面布置示意图Fig.7 Planar layout of scenarios of different regulation ideas

图8 不同掩护形式航道正常年淤强沿程分布Fig.8 Annual siltation rate along the channel of different regulation ideas

表1 不同掩护形式航道潮流泥沙特征参数Tab.1 Characteristic hydro⁃sedimentological parameters for different regulation ideas

图9 双堤方案不同堤头位置平面布置示意图Fig.9 Planar layout of scenarios with different breakwater tip locations

（4）由于北槽与南槽距离仅2 km以内，潮流泥沙特征参数变化甚微，因此2条航线的最大横流及淤积情况均无明显差异。

3.3 不同口门位置整治效果

图10 双导堤不同口门位置航道正常年淤强沿程分布Fig.10 Annual channel siltation rate of scenarios with different breakwater tip locations

小清河河口治理原则是“整治与疏浚相结合”，完全依靠整治工程不可行。然而，考虑到工程造价，应对防沙堤长度进行比选优化。除航道横流和正常年淤积外，防范大风骤淤应是标准之一。因此，在对堤头位置的优化中，增加5 a一遇骤淤量作为另一个比选指标。在骤淤模拟中，采用NE向对应波浪5 a一遇重现期作为代表条件。

根据以上对无堤、单堤和双堤方案的比选，双堤方案减淤效果显著，可作为建议形式。在本节中，以双堤方案为基础，特设计方案S2-3#～S2-6#，将堤头分别后撤至-5 m、-4 m、-3 m和-2 m，平面布置形式见图9。潮流泥沙特征参数见图10和表2。经分析得到以下主要结论：

（1）当堤头向岸后撤时，由于逐渐接近破波带，含沙量增高，且滩槽挖深比不断增大。因此，无论正常年淤积量还是5 a一遇骤淤量均有所增加。

（2）然而，考虑到降低工程造价，当堤头位于-4 m时，5 a一遇骤淤强度为0.50 m。如将备淤深度设置为0.5 m时，可满足一次较大重现期骤淤条件下不发生碍航。

综合以上分析，推荐将口门位置设置于-4 m等深线处进行起步，并随后续监测决定是否向海延伸。

3.4 防沙堤布置形式讨论

总体而言，对寿光港区5 000 t级航道工程而言，当航道走向选取适当时，横流问题不大，可保证正常通航，但由于位于典型粉砂细沙质海岸，且有一定沿岸输沙，从而航道开挖后的淤积是整治中的控制性因素。

（1）航道选线应遵循：一要符合河道深槽发展规律，水流涨、落潮流路基本一致；二要尽量顺直、通畅，减少拐弯点；三要挖槽疏浚维护量和整治工程投资力求达到最少。

（2）仅开辟航槽、河口不建设导堤的情况下：无论采用北槽方案还是南槽方案，拦门沙段航道处最大年维护强度均可达到4 m/a左右，总淤积量超过400万m3/a。对于5 000 t级航道而言，此等强度的淤积程度难以承受，必须通过持续性维护疏浚方能维持，不建议作为推荐方案。

（3）开挖航槽后，航槽北侧建设单导堤，堤头位于-6 m水深的情况下：北槽方案年淤积量211万m3/a，南槽方案年淤积量227万m3/a；与不加掩护相比减淤率可达50%左右。

（4）开往航槽后，建设双导堤进行掩护，堤头位于-6 m水深的情况：北槽方案年淤积量112万m3，南槽方案年淤积量118万m3；与不加掩护相比减淤率接近70%。

（5）双堤方案下，堤越长掩护效果越好。双堤堤头位于-4 m时，5 a一遇骤淤最大淤厚约0.5 m，在航道设0.5 m备淤积条件下，骤淤后不碍航。

表2 双导堤方案不同口门位置航道潮流泥沙特征参数Tab.2 Characteristic hydro⁃sedimentological parameters for different breakwater tip locations

4 结论

本文采用波浪潮流泥沙数学模型试验手段，对潍坊寿光港区防沙堤建设中的平面布局形式进行研究，经总结得到以下主要结论。

（1）对航道选线而言，无论是采用北槽方案还是南槽方案，在水流动力及航道淤积上没有本质差别，但北槽独具有如下特点：航道短，短约2.5 km；航道顺直，较南槽少一个拐点，且转弯角度小；导堤工程量少；北槽处于冲刷发展趋势，如航道经人工疏通后，自然水深将不会低于现南槽水深状况；北槽整治工程为单堤时切断了北侧浅滩泥沙进入航道淤积的泥沙来源。南侧浅滩的泥沙不会越过南槽对其造成淤积，从而增加了北槽水深的稳定性。因此，选择北槽航道作为5 000 t级通海航道较为恰当，建议航道走向63.5°～243.5°。

（2）防沙堤工程建议采用双导堤形式，其中北导堤应接岸。建议堤头可先达-4.0 m水深处，观测其堤头附近冲淤变化后，再决定是否继续向海延伸。同样的，南导堤施工堤头亦可先建至-4.0 m水深处，然后再确定堤头伸长的程度。

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Study on planar layout of breakwaters of Shouguang Harbor,Weifang

QIN Fu⁃shou1,YANG Ze⁃jun2,HOU Zhi⁃qiang3,LIU Tao3,LI Shan4
（1.CCCC First Harbor Consultants Co.,Ltd.,Tianjin300222,China;2.Tianjin Water Survey and Design Institute,Tianjin300204,China;3.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering
Sediment,Ministy of Transport,Tianjin300456,China;4.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.,Tianjin300222,China）

Based on the wave,hydrodynamic and sediment transport simulations,the planar layout of the breakwaters for Shouguang Harbor,Weifang was studied.The results show that the north canal can be used as the 5 000 t approach channel,and the channel trend is suggested as 63.5°～243.5°.As to the layout of the breakwaters,the double breakwaters are suggested,where the north breakwater should be linked to the shoreline.The breakwater tips should be located at-4.0 m at first,and then decide whether an extension is necessity.

numerical modelling;breakwater;planar layout;cross flow;channel sedimentation

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2014）02-0141-07

2013-04-02；

2013-10-16

秦福寿（1964-），男，河北省保定人，高级工程师，主要从事港口航道工程设计研究。