黄骅港综合港区单、双堤延伸防沙堤方案减淤效果分析

张文杰

（沧州港务集团有限公司，沧州061113）

黄骅港综合港区单、双堤延伸防沙堤方案减淤效果分析

张文杰

（沧州港务集团有限公司，沧州061113）

在分析工程海区水沙条件基础上，通过数学模型试验的方法对黄骅港综合港区单、双堤延伸防沙堤方案减淤效果进行研究，论证了单堤延伸防沙堤的合理性、可行性，单独延伸综合港区北防沙堤至-8 m等深线位置能够起到较好的减淤效果，先期单堤延伸防沙堤不失为一种好的起步方式。

数学模型试验；单堤；双堤；减淤效果

黄骅海域为中国典型的粉砂质海岸，泥沙活跃，航道回淤严重。根据神华煤碳港区的经验，目前综合港区航道已达20万吨级，且正考虑双向航道建设的可能性。随着航道规模的持续增大，其泥沙年回淤量及维护疏浚量也随之增大，每年的疏浚土方都在2 000万m3以上，对港口运营来说负担较重，需要采取防淤减淤措施。以往相关研究成果［文献3-6］表明，对于20万吨级航道而言，防沙堤堤头宜设于-8 m水深附近是较为适宜的，延堤长度8.8 km，堤顶高程由-1 m渐变至-3 m（当地理论最低潮面，下同），本研究以此为基本前提，对黄骅港综合港区单、双堤延伸方案减淤效果采用数学模型试验的方法进行论证。

1 黄骅海域基本水动力条件

本海区潮汐属不正规半日潮，平均高潮位为3.58 m，平均低潮位为1.28 m，平均潮差为2.30 m。本海区潮流属规则半日潮型，从总的平面分布趋势看，外海流速大于近岸流速，涨潮流速大于落潮流速。涨潮潮段平均流速在0.29～0.42 m/s之间，流向为240o～300o；落潮潮段平均流速在0.25～0.37 m/s之间，流向为46o～97o。

本海区的波浪是以风浪为主，涌浪为辅。纯风浪频率为66.81%，涌浪为主的混合浪频率为27.1%，风浪为主的混合浪频率为4.64%，风涌混合浪频率为0.12%。全年常浪向为E向，频率为10.06%，次常浪向为ENE向，频率为9.38%，强浪向为NE～E向。ENE为平均最大波高向，该向累年平均波高为0.97 m。

2 黄骅海域泥沙环境

黄骅海域为典型的粉砂质海岸，-10 m以内泥沙平均中值粒径在0.03 mm左右，粘土含量在20%以内，泥沙活跃性很强。

黄骅港海域泥沙运动主要受风浪控制，风浪越大含沙量越大。在含沙量平面分布上，近岸含沙量明显大于远岸，同时近岸泥沙在落潮流带动下向外海输移，在口门处形成悬沙浓度较高区域，对航道局部淤积起着重要作用。从实测值来看：正常天气下，-6 m、-10 m、-14 m、-16 m、-19 m水深处，涨潮潮段平均含沙量分别为0.107 kg/m3、0.110 kg/m3、0.098 kg/m3、0.065 kg/m3、0.064 kg/m3；落潮潮段平均含沙量分别为0.165 kg/m3、0.157 kg/m3、0.120 kg/m3、0.091 kg/m3、0.108 kg/m3；有明显的随水深增加而减小的趋势，并且落潮含沙量大于涨潮含沙量。大风浪作用下，海区含沙量随风浪变化而变化，对黄骅港口门附近进行底部含沙量观测时发现，滩面以上0.5 m水层处曾观测到10 kg/m3以上含沙浓度。含沙量的变化与波浪的变化过程有密切关系，当波高达到1.0 m以上后底层含沙量的增长迅速；当波高达到最大时，含沙量并未达到峰值，含沙量峰值置后于波高峰值约3 h；当波高开始衰减以后，底层含沙量衰减不明显，仍维持一段时间。

造成黄骅港外航道泥沙淤积物的来源主要是滩面泥沙运动。波浪是本海区泥沙起动的主要动力，潮流为滩面物质的运动提供了条件。大风浪天气在破波带可形成高含沙区，高浓度泥沙随潮流运动时在穿越航道的过程中，泥沙落淤，对外航道局部区域回淤带来较大影响。

3 数学模型的建立和验证

本模型风浪场模型采用SWAN模型，其基本控制方程可参考SWAN用户手册。水动力模型合理考虑了波浪对水流的影响，这些影响主要包括波浪辐射应力、波浪破碎引起的表面水滚应力、波浪存在引起水流底部摩阻的变化（底部剪切应力随着底摩阻变化而变化）等。

3.1 水动力模型

式中：x,y,z为笛卡尔坐标系下的三维坐标，分别为东西方向、南北方向以及垂向的坐标；u,v分别为水平方向的东分量速度和北分量速度；w为垂向速度；g为重力加速度；t为时间；ρ0为平均密度；f为科氏参数；Km为垂向涡粘系数，Fu和Fv为水平动量扩散系数。

3.2 泥沙运动模型

（1）控制方程

非粘性泥沙运动以悬移质为主，控制方程为对流-扩散方程

式中：AH和Kh分别为水平和垂向泥沙质量扩散系数，AH由Mellor-Yamada 2.5阶模式［2］计算得到，Kh采用van Rijn的泥沙掺混系数公式计算得到；u,v,w分别为x、y、z向水流速度；C为悬浮泥沙浓度；ws为泥沙沉速。

由于黄骅港区域泥沙运动同时受波浪和潮流两种动力因素的影响，本研究在对原有模型进行了改进，即采用van Rijn的模式计算波流共同作用下悬沙垂向扩散系数，将波流共同作用下垂向扩散系数表示为潮流和波浪单独作用时扩散系数的非线性叠加。

（2）边界条件

自由水面要求含沙量的净通量为零，即在z=ζ时，

底部边界条件表示为

式中：Ei和Di分别为淤积率和冲刷率。当底部剪应力超过临界冲刷应力时，则产生冲刷。冲刷率表示为

式中：E是冲刷率；E0是河床侵蚀强度；Fi是第i组份泥沙在所有组份中所占的百分比；单组份时，Fi取1；Pb是表层泥沙的孔隙率；τb是床面剪切应力；τe是临界冲刷应力。

泥沙的沉积作用由以下方程控制

计算沉积通量和沉积物浓度更新需要满足SLIP限制。它具有二阶计算精度，对浓度的局部剧烈变化能够比较准确的进行计算。

3.3 模型网格剖分

为准确掌握工程所在海域水动力特性，波浪和潮流均采用二重嵌套的方法进行计算。大模型计算范围北起40°55′N，南至37°07′N，东至122°29′E，采用非结构化网格。小模型范围北起39°12′N，南至38°00′N，东至119°00′E，采用局部加密的非结构化网格，网格空间步长最大为4 500 m，最小为30 m。大、小模型计算网格如图1所示。

图1 模型计算网格Fig.1 Computational scope and grid

3.4 数学模型的验证

图2为各测站位置示意图。

图2 各测站位置示意图Fig.2 Sketch of measuring location

图3 2003年10月温带风暴过程风速、风向验证结果Fig.3 Verification of wind magnitude and direction in 2003-10

图4 2009年11月温带风暴过程风速、风向验证结果Fig.4 Verification of wind magnitude and direction in 2009-11

（1）风场模型的验证。

本研究通过2003年10月份和2009年11月份温带风暴对风场模型进行验证，验证结果见图3、图4。可见本风场模型能很好的反应大风的的发展、成长、衰减过程，可用于为波浪模拟提供风场动力条件。

（2）波浪模型的验证。

本研究通过2003年10月和2009年11月温带风暴实测波浪过程进行验证，验证结果见图5。由图可见，本风浪模型能很好的反应工程海域波浪的发展、成长、衰减过程，可用于本研究波浪模拟，并为后续泥沙模型提供动力条件。

（3）潮流模型的验证。

本研究采用黄骅港海域2003年10月10日～14日风暴潮观测潮位资料和2007年8月29日～30日大潮水文资料对潮流模型进行验证，限于篇幅只给出部分测点数据，验证结果见图6、图7。由图可知，计算结果与实测符合良好，可为后续泥沙模型提供动力场。

（4）泥沙运动模型的验证。

图5 实测与计算有效波高、周期的比较Fig.5 Verification of wave height and period

图6 潮位验证结果Fig.6 Verification of tidal level

图7 2007年8月29～30日实测与计算平均流速、流向比较Fig.7 Verification of flow magnitude and direction in 2007-08-29～2007-08-30

采用2007年8月29日～30日水文全潮含沙量资料进行验证，验证结果见图8。由验证结果可见，本模型能够良好的阐述工程海域泥沙运动情况，可用于工程海域泥沙运动模拟。

（5）大风骤淤强度的验证。

采用2003年10月10日和2009年11月黄骅港航道实测回淤验证，验证结果符合良好，见图9，本泥沙回淤模型可用于本航道回淤计算。

图8 2007年8月29日～30日垂向平均含沙量验证结果Fig.8 Verification of sediment concentration in 2007-08-29～2007-08-30

图9 温带风暴潮过程煤港航道回淤计算与实测结果Fig.9 Verification of channel deposition

4 论证方案

4.1 计算方案

综合港区防沙堤分双堤延伸或单堤（北堤）延伸两种方案，延伸至－8 m（从当地理论最低潮面起算），防沙堤以潜堤形式平行滩面向外海延伸，潜堤高度由-1 m渐变至-3 m，进出港航道按20万t级考虑（航道底宽250 m、-19 m深）。综合港建港时航道设计水深以10 a一遇骤淤不碍航作为设计标准，本研究延续此标准，以10 a一遇大风骤淤作为单双堤减淤效果对比条件。计算方案见图10。

图10 计算方案布置示意图Fig.10 Sketch of calculation scheme

4.2 计算结果及分析

（1）流场情况。

计算结果表明：单堤（北堤）或双堤延伸后，港池及航道内水流平顺，未出现明显回流情况，水流延堤向没有明显增大趋势。防沙堤延伸前后，涨、落急时刻平均流速大部分观测点基本相同，仅新、老口门处有所不同。

图11 单堤延伸方案流速矢量图Fig.11 Flow vector diagram of single dike project

图12 延堤前后航道内横流分布Fig.12 Cross flow distribution of each program

图13 单、双堤延伸方案10 a一遇大风淤积比较Fig.13 Comparison of two extension schemes

原口门附近Z4点最大横流由延伸潜堤前的0.45 m/s减小到单堤延伸方案的0.39 m/s和双堤延伸方案的0.35 m/s；新口门附近Z22点最大横流由延伸潜堤前的0.24 m/s增大到单堤延伸方案的0.34 m/s和双堤延伸方案的0.37 m/s，呈现新口门外侧附近横流有所增大趋势；新掩护段内其它观测点最大横流相差不多。图11为单堤延伸方案流速矢量图，图12为延堤前后航道内横流分布。

（2）泥沙回淤情况。

10年一遇大风作用下，综合港区防沙堤双堤延伸至-8 m情况时，20万t级航道内最大淤积强度1.04 m；全航道淤积总量为585万m3，其中掩护段内为228万m3，掩护段外357万m3；综合港区北防沙堤单堤伸至-8 m情况下，20万t级航道内最大淤积强度1.05 m，全航道淤积总量为621万m3，其中掩护段内266万m3，掩护段外355万m3。大风淤积分布见图13。

对比双堤掩护及北侧单堤掩护效果，掩护段内延伸单堤减淤率能到达延伸双减淤率的70%以上，可见在已形成航道相互掩护的基础上，单独延伸北堤单堤掩护效果良好，可作为20万t级航道减淤整治工程的起步。

若神华南侧防沙堤也延伸至-8 m，与综合港区北堤一起对该港两航道形成掩护，其减淤效果会更好。

5 结语

（1）单独延伸综合港区北防沙堤至-8 m等深线位置能够起到较好的减淤效果。考虑到-6 m水深以往建设防沙堤的高额造价，先期单堤延伸防沙堤不失为一种好的起步方式。

（2）在综合港区北堤延伸情况下，若神华煤碳港区南防沙堤也延伸至-8 m，其减淤效果应会更佳。

［1］JTS145-2015，《港口与航道水文规范》.

［2］TJS/T231-2-2010，《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》.

［3］刘国亭.黄骅港海岸泥沙特性及防沙减淤工程措施的研究［D］.天津：天津大学，2005.

［4］季则舟.粉砂质海岸港口水域平面布局特点［J］.海洋工程，2006，24（4）81-85. JI Z Z.The layout arrangement features for water areas of port on silty beach［J］.The Ocean Engineering，2006，24（4）81-85.

［5］曹祖德，杨树森，杨华.粉砂质海岸的界定及其泥沙运动特点［J］.水运工程，2009（1）：108-111. CAO Z D，YANG S S，YANG H.Definition of silt⁃sandy beach and its characteristics of sediment movement［J］.Port&Waterway Engineering，2009（1）：108-111.

［6］严冰，刘涛.黄骅港综合港区单侧延伸防沙堤潮流泥沙数模研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2012.

［7］侯志强，刘涛.黄骅港综合港区10万吨级航道工程波浪潮流泥沙数学模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2010.

［8］侯志强，刘涛，张书庄.黄骅港综合港区20万吨级航道工程防沙堤减淤效果分析研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2009.

［9］侯志强.黄骅港综合港区港池、航道泥沙淤积数学模型试验研究报告［R］.天津：交通运输部天津水运工程科学研究所，2008.

Deposition reduction effect study of single⁃double sediment⁃protecting dyke with numerical model test

ZHANG Wen⁃jie
（Cangzhou Port Group Co.,Ltd.,Cangzhou 061113,China）

Based on the analysis of water and sediment conditions in the engineering sea area,the rationality and feasibility of extending single sediment⁃protecting dyke were demonstrated through deposition reduction effect study of single⁃double sediment⁃protecting dyke with numerical model method.This will save the construction cost and improve the comprehensive social benefits.

mathematical model test;single dike;double dike;deposition reduction effect

TV 142；O 242.1

A

1005-8443（2016）03-0247-08

2016-04-21；

2016-05-12

张文杰（1982-），男，河北省南皮人，工程师，主要从事港口与航道工程建设管理工作。

Biography：ZHANG Wen⁃jie（1982-），male，engineer.