天津南港工业区通海航道泥沙水力特性试验研究

张志国，王兴博，陈 纯，张义丰

（1.中交天航港湾建设工程有限公司，天津300450；2.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；3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098）

天津南港工业区通海航道泥沙水力特性试验研究

张志国1，王兴博1，陈 纯2，张义丰3

（1.中交天航港湾建设工程有限公司，天津300450；2.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；3.南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京210098）

规划南港工业区拟建一条通海航道，为确定航道底质泥沙属性，为航道工程的相关研究与建设提供技术依据，根据南港地区已有资料，对航道内现场取样的底质泥沙进行了水动力特性试验，并与附近天津港和黄骅港航道泥沙特性进行了类比。结果表明：南港工业区泥沙“活跃性”比粉沙质海岸性质的黄骅港泥沙弱而又比天津港强，泥沙特性与天津港泥沙更接近，应划定为淤泥质海岸。

通海航道泥沙；水力特性试验；天津南港

天津南港工业区位于天津市独流减河口以南、大港区海域。工程区域位置见图1，南港工业区于2008年开工建设，根据规划南港工业区拟建一条通海航道。围绕天津南港工业区港口工程的开发建设，围绕天津南港工业区港口工程的开发建设，孙连成［1］从自然条件分析和采用数值模拟对该航道形成的水动力泥沙条件进行了研究。刘仲军等［2］对该围海工程对天津海域水动力环境影响进行过数值分析；刘臣等［3］建立数学模型对南港工业区潮流特征及通航条件进行了分析；吴正鹏等［4］以天津南港工业区为例研究了基于多源遥感影像的围填海监测；陈瑶泓伶等［5］采用数值模拟研究了南港污水排海工程对海域环境的影响。汪正纲［6］研究了天津南港航道测量布线设计。

本文根据南港地区已有资料，通过现场观测底质取样，围绕泥沙水动力特性研究开展室内试验（包括泥沙动水沉降、静水密实和波浪、波流作用下的起动试验）为确定南港航道的回淤土质，及进一步的数学模型试验分析航道施工期回淤规律提供依据，为该航道工程的建设提供科学依据。

1 工程概况

1.1工程区自然水沙特征

工程海域海区常风向为SW，强风向为NW，多年平均风速为5.33 m/s。强浪向为NNW，其次是E向；常浪向为S。本区是以风浪为主，占68.4％，涌浪为辅，占31.6％。风、涌浪主要来向基本一致，多为（E～SE～SW向）。潮汐为不规则半日潮。潮流属于往复流性质，潮流流向基本与等深线方向垂直，且流向相对集中，水流流向与设计航道夹角较小。

本海域的泥沙来源主要来自浅滩水域，波浪破碎会掀起浅滩泥沙，后随潮流运动。随着天津沿海不断实施的围填海工程，减少了浅滩水域的泥沙来源，含沙量总体有减小的趋势。水体含沙量呈现从近岸至外海递减。相对较高的含沙区域主要集中在水深较浅的水域，在-5 m等深线以外基本为低含沙区，含沙量一般小于0.05 kg/m3。工程附近海域底质沉积物主要以粘土质粉砂为主，中值粒径在0.004～0.058 mm，泥沙颗粒较细，粘土含量在30％以上，典型的淤泥质海岸，主要悬沙落淤为主。

1.2工程方案

南港工业区布置两个挖入式港池，航道设计等级为10万t级单向和5万t级双向：航道宽300 m，深-15 m（理论最低，文中水深全部采用此基面）。由于取泥造陆需要，港内水域统一疏浚至-15 m，为保证北侧防波堤安全，疏浚区底边线拟距防波堤轴线200 m，方案布置见图1。

图1 工程区域规划示意图Fig.1Sketch of project position

2 泥沙水力特性试验

2.1泥沙静水密实试验

在航道冲淤计算和疏浚挖泥中，泥沙群体沉速有重要意义。本次采用试验泥样进行了静水密实试验，观测并记录了泥沙的密实过程，对泥沙的群体沉降特性进行研究。

2.1.1试验方法和条件

试验泥样取自南港工业区在挖航道，平均中值粒径0.024 mm，粘土含量27.2％，属于粘土质粉砂。

静水密实试验在3 m和5 m沉降筒内进行，沉降筒内径0.19 m，由透明有机玻璃管制成，外壁贴有标尺，用于记录泥面高度变化过程。试验时，将泥样配制成初始容重为1.05 t/m3的泥样，分别注入到3 m和5 m沉降筒内静置密实，盐度采用现场实测的32‰。

2.1.2试验结果

沉降管灌注完成后，持续观察、记录清浑水界面的高度变化，绘制5 m沉降筒内淤泥重度随时间的变化关系图，如图2所示。

图2 容重随时间变化过程（5 m）Fig.2Temporal variation of bulk density

静水密实试验显示，在3 m沉降筒内，密实60 d平均容重达到1.51 t/m3；在5 m沉降筒内，密实60 d平均容重达到1.51 t/m3；泥样在两种高度沉降筒内的密实结果较为一致。

2.2泥沙静动水沉降试验

为测定泥沙在水中的沉降速度，在天津水运工程科学研究所环形水槽内进行了泥沙静、动水沉降试验。

2.2.1试验方法和条件

将试验泥样按初始含沙量配制好并充分搅拌均匀后注入环形水槽中，开始实验时将水槽内的水流速度调到大流速，以使试验沙样充分起动、悬浮，然后将流速度调到试验流速，待水流速度稳定后，定时取水样，将水样过滤、洗盐、烘干后，使用万分之一精度天平称重，得到水体含沙量，确定出相应泥沙颗粒的沉降速度和下沉的沙量，然后采用式（1）计算泥沙的平均沉降速度。

试验条件为：试验泥样平均中值粒径0.024 mm，粘土含量27.2％。试验流速采用0 cm/s、20 cm/s、40 cm/s；试验水温约20℃；试验盐度值为32‰；初始含沙浓度约为0.2 kg/m3、0.4 kg/m3。

表1 静、动水沉降试验结果Tab.1Static and dynamic water sedimentation test results

2.2.2试验结果

（1）静水（流速为0 cm/s）沉速为0.057～0.059 cm/s。

（2）水流速度对泥沙沉降有较大影响，流速越大则紊动强度也越大，对泥沙沉降的阻力也越大，泥沙沉速就越小，即泥沙沉速随水流速度的增加而减小，水流速度增大为40 cm/s时，沉速减小到0.019～0.025 cm/s（表1）。

2.3泥沙起动试验

2.3.1起动条件的研究方法

本次试验采用起动流速、摩阻流速、临界起动切应力、临界Shields参数和沙粒雷诺数等各项指标综合表达泥沙的起动特性。相关的计算公式为

式中：ρ为水的密度，kg/m3；ρs为泥沙的密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2；d50为泥沙中值粒径，m；n为运动粘滞系数，取0.01 cm2/s。

2.3.2试验设备和条件

泥沙起动试验在波、流水槽内进行，波浪水流槽尺寸长×宽×高为68.0 m×0.7 m×1.0 m。流速测量采用ADV流速仪，试验布置见图2。铺泥段长4 m，厚10 cm，铺泥段前方约3个波长处布置1#波高仪测量入射波要素，铺泥段布置2#、3#波高仪测量起动波要素，铺泥段中后方布置OBS测沙仪测量离底床约2.0 cm处的水体含沙量，并在同一位置处沿垂线布设六点悬沙采集器。为使起动的判断标准相同，根据波浪作用起动试验得到起动时的OBS值，然后采用同一OBS测量值对波、流作用下和水流作用下的泥沙起动进行判断。

图3 波、流水槽起动试验布置图Fig.3Starting test layout of wave and current tank

进行纯波浪作用下的起动试验时，在保持水深、输入波浪周期不变的情况下，从小波高波浪作用开始，逐步加大输入波浪高度，直至泥沙普遍起动。

进行波、流共同作用下的泥沙起动试验时，保持水深、波浪周期、水流流速不变，从小波高波浪作用开始，逐步加大输入波浪高度，直至泥沙普遍起动。

2.3.3起动试验结果分析

（1）波浪作用下的起动。

波浪作用下的起动条件采用起动流速Uw和摩阻流速U*w来表达，Uw和U*w的定义如下

式中：ρ为水的密度，kg/m3；fw为波浪摩阻系数；Ubm为底部最大轨迹速度。波浪作用下泥沙起动流速试验结果见表2。

（2）波流共同作用下的起动。

波流共同作用下的起动条件采用综合起动流速Uwc和摩阻流速U*wc来表达，Uwc和U*wc的定义如下

式中：τwc为波流共同作用下的底部剪应力；fcw为波流共同作用的摩阻系数。波、流共同作用下泥沙起动试验结果见表3。

表2 波浪作用下起动试验结果Tab.2Starting test results under wave action

表3 波、流共同作用下起动流速试验结果Tab.3Starting test results under wave and current action

3 与其他港口对比分析

本工程北侧和南侧的天津港和黄骅港航道均已建成并正常运营多年，将本试验结果与天津港和黄骅港的泥沙特性以往研究成果［7-11］进行对比，借鉴其成功经验，以分析本航道工程的可行性。

3.1静水密实试验资料对比

表4为静水密实试验结果对比：本次实验泥样最粗为0.024 mm，黄骅港泥样次之为0.020 mm，天津港泥沙中值粒径最小为0.005 mm。由初始容重密实至1.30 t/m3所需时间本次实验泥样需要143 h，天津港泥样要400 h，黄骅港泥样只需要1 h，即本次泥样的沉降及密实速度要介于黄骅港与天津港之间。总体上，南港工业区航道泥样沉降密实速度更接近与天津港的泥样。

表4 静水密实试验资料对比（3 m管）Tab.4Comparison of hydrostatic compaction test data（3 m tube）

3.2泥沙动水沉降试验资料对比

本次实验泥样泥沙平均中值粒径为0.024 mm，根据以往对细颗粒泥沙的研究，本次实验泥样动水沉降以不絮凝沉降为主。表5为动水沉降试验资料对比，对比分析可知：本泥样沉降速度介于天津港和黄骅港之间，总体上更接近于天津港泥样的沉速。

表5 动水沉降试验资料对比Tab.5Comparison of settlement test data

3.3泥沙起动试验资料对比

表6为泥沙起动试验结果对比，如表6所示：南港工业区起动流速为0.298 m/s，天津港为0.682 m/s，黄骅港为0.128 m/s。

表6 泥沙起动实验资料对比Tab.6Comparison of sediment starting test data

综合以上对比可知，本次试验泥样的密实速度、沉降速度及起动摩阻流速均介于黄骅港和天津港泥样之间，密实速度和沉速大于天津港泥样而小于黄骅港泥样，起动摩阻流速大于黄骅港泥样而小于天津港泥样，这表明：南港工业区泥沙“活跃性”比粉沙质海岸性质的黄骅港泥沙弱而又比天津港强；与黄骅港泥沙相比更不容易产生骤淤，泥沙特性与天津港泥沙更接近。根据沙质海岸、粉沙质海岸、淤泥质海岸的界定标准及泥沙所表现的基本特性，南港工业区航道的泥沙更多地表现出淤泥质海岸的性质，应划定为淤泥质海岸。

4 结语

南港航道泥沙水力特性试验研究结果表明：

（1）静水密实试验显示，在3 m和5 m沉降筒内，试验泥样初始容重为1.05 t/m3密实60 d平均容重达到1.51 t/m3。

（2）静水（流速为0 cm/s）沉速为0.057～0.059 cm/s。泥沙沉速随水流速度的增加而减小，水流速度增大为40 cm/s时，沉速减小到0.019～0.025 cm/s。

（3）容重1.48，水深0.3 m波周期1.8 s情况下，波浪作用下的泥沙起动流速为0.298 m/s，波流共同作用下的综合起动流速为0.33 m/s。

（4）与周边天津港和黄骅港相关水力特性试验结果比较显示：南港工业区泥沙“活跃性”比粉沙质海岸性质的黄骅港泥沙弱而又比天津港强，泥沙特性与天津港泥沙更接近，应划定为淤泥质海岸。

［1］孙连成.天津南港通海航道形成水动力泥沙研究［J］.水运工程，2010（3）：91-96. SUN L C.Feasibility study on formation of a seaward channel of the south port industrial area in Tianjin［J］.Port&Waterway Engi⁃neering，2010（3）：91-96.

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Experimental study of sediment hydraulic characteristics on Tianjin Nangang seaward channel

ZHANG Zhi⁃guo1,WANG Xing⁃bo1,CHEN Chun2,ZHANG Yi⁃feng3
（1.CCCC Tianhang Harbor Engineering Co.,Ltd.,Tianjin 300450,China;2.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;3. State Key Laboratory of Hydrology⁃Water Resources and Hydraulic Engineering,Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 210098,China）

A seaward channel is planned in Nangang industrial zone.In order to determine the bottom sedi⁃ment properties and provide technical basis for waterway engineering research and construction,based on the exist⁃ing data of Nangang District,the sediment water dynamic properties were tested and compared to that of the Tianjin port and Huanghua harbor.The results show that the sediment active degree in Nangang industrial zone is weaker than that of the silty coast in Huanghua harbor,and stronger than that of Tianjin port,and the sediment characteris⁃tics are more close to the sediment in Tianjin port,which should be designated as the muddy coast.

sediment of seaward channel;hydraulic characteristics experiment;Tianjin Nangang

TV 142

A

1005-8443（2016）02-0142-05

2015-05-13；

2015-11-20

水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放基金项目（2013491611）；国家自然科学基金项目“深水波浪非线性及不稳定性演变机理研究”（41306034）

张志国(1977-)，男，天津市宝坻人，工程师，主要从事港航工程及软基处理工程施工管理工作。

Biography：ZHANG Zhi⁃guo（1977-），male，engineer.