强浪条件下沙质海岸施工期泥沙淤积特征研究

2017-09-22张先武陈松贵陈汉宝

水道港口 2017年4期

张先武，陈松贵，陈汉宝

(1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，武汉 430071；2.交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室,天津 300456)

张先武1，陈松贵2，陈汉宝2

基于印度尼西亚爪洼岛南岸的水动力条件和泥沙特征分析，对强浪作用下沙质海岸施工期泥沙运动规律进行了研究。以Adipala工程为例，通过沿岸输沙和泥沙向岸运移净堆积计算，分析了不同防波堤施工时序对泥沙淤积的影响。结果表明采用潜堤预抛的施工方式能够有效地减少施工期泥沙淤积量。

泥沙淤积;强浪;沙质海岸;施工期

印度尼西亚是中国东盟最大的贸易伙伴，作为“一带一路”战略的重要节点，也是中国海外港口项目的主要所在地。爪洼岛作为印尼最重要的地区，不仅集中60%的人口，还是首都雅加达、经济特区日惹和主要经济城市泗水、万隆、三宝垄所在地，因此在面向印度洋的印尼爪洼岛南岸面有着越来越多的港口工程项目正在或即将建设。海岸建港首先应搞清沿岸输沙的特性和岸滩演变的趋势，研究淤积强度的分布，从而估算淤积量。即使在相对稳定的这类岬间弧形湾海岸建港，防波堤、码头等水工建筑物的建设破坏了原有的输沙平衡，加之邻近径流充沛的河口，如果平面布置不当或是施工顺序不合理，会导致严重的泥沙淤积问题。例如，在爪哇岛南岸Pacitan[1]港口的建设中，首先形成连岸的西防波堤，泥沙在南向波浪作用下，快速在掩护区内堆积，3个月内，原有-3 m水深的掩护水域被泥沙淤满，平均淤高至+1 m以上，泥沙淤积量约8万m3[1]；随着东防波堤堤根的建设，泥沙从深水向浅水推高，原-20 m水深处冲刷至-22 m水深，泥沙淤积进一步加重，达6万m3。清淤和防波堤施工工程量的增加直接加大工程费用约七千万元。因此，需加强沙质海岸强浪作用下的沙质海岸泥沙运动规律研究，解决施工期严重淤积问题。

本文基于印度尼西亚爪洼岛南岸的水动力条件和泥沙特征进行了分析，对强浪作用下沙质海岸施工期泥沙运动规律进行了系统地研究，并提出了减少泥沙淤积的施工工序优化措施。本文的研究成果能够为今后类似工程的施工提供重要的借鉴意义。

1 爪哇岛南岸海岸水动力条件和泥沙特征

1.1波浪动力条件

爪洼岛南岸面对这广阔的印度洋，波浪条件恶劣。本文选取了Adipala, Gama和Pacitan 3个典型的区域[2-6]，对爪洼岛南岸的波浪特征进行分析。其位置分别如图1所示，其中三角形和圆点分别对应着相应区域的潮流和波浪测站位置。根据3个地区的工程实测资料，波高超过1.3 m和2.0 m的出现频率如图2所示。从图中可以看出，印度洋环境下每月均会出现2 m高以上大浪，5～9月受季风的影响，表现特别突出，出现2～3 m波高波浪的天数达70%以上，1～4月份及11～12月份出现2～3 m波高波浪的天数仍维持在20%～30%的比例。

除了波高，印尼爪洼岛南岸的波浪表现出明显的涌浪特征。季风期外海涌浪与风成浪相互叠加，非季风期波浪主要表现为外海环境变化所引起的长周期涌浪，从Adipala的实测资料可知，涌浪的周期一般大于10 s，平均周期大于13 s，最大周期达21 s。波高与周期之间没有明显的大小关系。波浪集中在SSW、S和SSE方向，呈现一定的季节特征。

图1 爪洼岛南岸三个典型区域地理位置图2 三个区域波高超过1.3 m和2.0 m的出现频率Fig.1 Locations of three projects in the south of JAWA island Fig.2 Frequency when wave height overpasses 1.3 m and 2.0 m at three projects

1.2潮流动力条件

根据3个典型区域潮流观测经计算分析，印尼爪洼岛南岸的潮型为以半日潮为主的混合潮，Adipala的典型潮位过程如图 3所示。即每天有2个高潮位和2个低潮位，潮高和潮时存在明显的日潮不等现象。涨潮历时稍大于落潮历时。

3个典型工程所在海域现场观测潮流流速如表 1，由表中数据可知，爪哇岛南岸潮差流速在0.04～0.306 ms，潮流动力较弱，仅潮流作用下的泥沙基本处于稳定状态，泥沙运动则主要由波浪引起。

表1 爪哇岛南岸3个工程潮流流速统计Tab.1 Tidal current statistics at three projects ms

项目位置最大垂线平均流速最小垂线平均流速测点水深备注Pacitan0．3060．125-12．0～-18．0mAdipala0．260．04-3．0～-15．0mGama0．250．1-4．1～-16．3m

图3 Adipala工程2008年12月份典型潮位过程图Fig.3 Time serials of tide in December 2008 at Adipala

中值粒径PacitanAdipalaGama范围0．16～0．700．0063～0．77780．01～0．414平均值0．350．0960．09

1.3泥沙特征

3个工程区的底质泥沙中值粒径范围及平均值如表 2所示。可以看出，爪洼岛南岸的大部分海岸的底质泥沙粒径较粗，Pacitan的平均中值粒径可达0.35 mm[7-8]，海岸性质为沙质或粉沙质海岸，颗粒间无粘结力或粘结力较弱，呈分散状态。中值粒径也呈现出从岸向海由粗到细的分布规律，如图 4所示。

爪洼岛南岸的水体含沙量随位置的不同有着明显的变化。从纵向分布来看，河口附近的含沙量要明显大于非河口地区，可达到1 kgm3以上；从横向分别来看，波浪破碎带以内的含沙量要明显大于非破碎区，也可达到0.1 kgm3以上；其他区域的水体含沙量较小，均在0.01 kgm3以下。水体含沙量也呈现出明显的季节性变化，雨季河流水量充沛，携带大量泥沙入海，近岸含沙量增加，反之，旱季近岸水体含沙量会相对较小。

2 强浪条件下沙质海岸的泥沙运移规律

2.1泥沙的起动分析

首先，结合爪洼岛南岸的底沙沉积物性质与波浪、潮流水动力条件，分析该地区的泥沙起动条件，并判断泥沙运动情况。

2.1.1 起动流速

泥沙起动时的垂线平均流速称为泥沙的起动流速。爪哇岛南岸水域中值粒径范围为0.0 063～0.236 mm，近岸水域的中值粒径平均值为0.1 mm。粒径大于0.03 mm，因而选用窦国仁的不考虑粘结力的泥沙起动公式

(1)

式中：Vc为起动流速,ms；H为水深,m；D50为泥沙中值粒径；Ks为糙率参数，当D50小于0.5 mm时，取0.5 mm，当D50大于0.5 mm时，取Ks=D50；γs和γ分别为泥沙和水的重度,kgm3；g为重力加速度,gm·s2；εk为粘着力参数，通常为2.56 cm3s2；δ为薄膜水厚度，取为0.213×10-4m。

根据计算，-10 m等深线处的泥沙起动流速要达到1.84 ms，而爪洼岛南岸的潮流流速较小，远小于各等深线处的起动流速计算值，这说明单一水流动力难以使泥沙发生输移，由此判断水流并非本区泥沙运动的主要动力因素。

图4 Adipala沉积物采样中值粒径分布图Fig.4 Distribution of median size at Adipala

等深线(m)0124681012．515Uc(m∕s)1．461．541．601．681．751．791．841．881．91

2.1.2 起动波高

采用佐腾·田中公式计算该区的起动波高，并考虑不同粒径的泥沙完全起动的情况，结果如图5所示。

(2)

式中：H0和L0分别为深水波高和波长；H和L分别为计算处的波高和波长；dm为泥沙平均粒径；hc为临界作用水深；α为泥沙全面起动系数，取2.4。

从图 5可知，0.5 m的波高就能使小于10 m水深处的不同粒径起动，而爪哇岛南岸常年处于较强的波浪动力条件下，每月均会出现1.3 m以上的大浪，可见波浪是本区泥沙运动的主要动力因素，可以满足泥沙的起动条件。

图5 不同粒径泥沙起动波高与掀沙水深的关系曲线(T=12 s)Fig.5 Relationship between wave height and water depth when sediment starts(T=12 s)

2.1.3 爪哇岛南岸泥沙运移规律

基于爪哇岛南岸的水动力条件和泥沙起动分析可以得到，强浪作用下爪洼岛南岸的沙质海岸泥沙运移规律有如下的基本特征。一方面，在波浪的作用下，泥沙会发生沿岸运动和输移，由于波浪的季节性变化，年净运移量会基本平衡，但是防波堤的建设会阻断泥沙的沿岸运动，有可能造成泥沙的淤积或冲刷问题。另一方面，近岸沙滩在破碎波浪和潮流的共同作用下，会发生“掀扬—搬运”的向岸输运，由于防波堤的建设会降低掩护区的波高和潮流流速，使得泥沙在港池或航道内发生落淤，向岸运移净堆积，进而造成了港池、航道的严重淤积问题。

2.2泥沙输运计算方法

2.2.1 沿岸输沙计算方法

沿岸输沙采用我国《港口与航道水文规范》(JTS145-2015)[9]中公式进行计算，方法如下

(3)

(4)

(5)

Qs=Σ(+)qt+Σ(-)qt

(6)

QN=Σ(+)qt-Σ(-)qt

(7)

式中：q为沿岸输沙率,m3s；δ0=H0L0为深水坡陡；Hb为破碎波高,m；Cb=LbT为破碎波速,ms；αb为波浪破碎时波峰线与等深线间的夹角,(°)，αb小于90°；D为泥沙中值粒径,mm；H0为深水波高,m；L0为深水波长,m；Lb为破碎波长,m；T为周期,s；db为破碎水深,m；Qs为年总输沙量；QN为年净输沙量。

2.2.2 泥沙向岸运移净堆积计算方法

在印度洋中长周期的波浪作用下，泥沙在20 m水深处也能够启动，尤其在大浪情况更加显著。因此，强浪条件下沙质海岸的泥沙向岸运移净堆积的强度远大于沿岸输沙的强度。在无建筑物影响时，近底流速为向岸-离岸的往复运动，泥沙会保持平衡。但当施工至直堤拐弯段后，出现了波浪掩护区域，港池内的波高会明显减小，使得波谷作用下的离岸速度明显减小，而泥沙一旦输移至该区域，由于波浪动力的减弱，泥沙不再运动而快速堆积。在这种向岸速度大离岸速度小的非平衡状态作用下，泥沙会出现较为明显的向岸运动。

由于泥沙的横向输移表现为单位宽度范围内的输移强度，而且一般情况下只是表达泥沙的净输移。参考沿岸输沙的计算方法，可以表达为沿岸流与水体夹带泥沙的乘积。在一个周期内，只有12的时间泥沙是向岸运动，所以向岸运动的平均输移速度为

(8)

(9)

单宽输沙率可采用如下公式

(10)

式中:Q为单宽输沙率，m3h·m；s为底流含沙量， kgm3；hs为含沙层厚度，m。

一个很重要的因素是有多少宽度的泥沙会绕过堤头在掩护区内淤积下来，理论上可以通过绕射波形来进行分析计算。从现场淤积的形状判断，宽度达到0.5～0.75倍波长，但是淤积率在堤头背浪侧最大，沿射线逐步减少，折合成单宽单向输沙率约为0.08倍深水波长。本文基于印度洋上述工程的实测资料，平均波高取2.72 m，平均周期取13.64 s，对应的深水波长为290 m。

3 施工期泥沙淤积特征分析

本文以Adipala港口防波堤施工为例，探讨不同施工期以及施工时序对泥沙淤积的影响。工程平面布置如图 6所示。Adipala工程的水文条件和泥沙特性如本文第2章所示。Adipala工程的防波堤东堤长1 455 m，堤头水深-13.3 m，西堤长500 m，堤头水深-10.0 m。施工时主要采用由岸向海推进的施工方法。

3.1不同施工期的泥沙淤积特征

图6 Adipala工程平面布置图Fig.6 Layout of Adipala project

防波堤施工容易产生泥沙淤积的主要阶段包括：初始推进阶段、单环抱堤推进阶段(即长堤直堤施工完成，开始施工环抱弯曲段)和短堤推进阶段，随着防波堤的不断推进，泥沙的淤积会表现出不同形式和特征，也会落淤在港池内的不同部位，如图 7所示。在初始推进阶段，防波堤在海岸上的作用相当于不断推进的丁坝，丁坝主要阻断了泥沙的沿岸输移，泥沙落淤主要发生在A区，对泥沙的横向输移基本没有影响。在单环抱堤推进阶段，由于已经形成了一定的掩护区域，泥沙向岸运移净堆积会成为泥沙淤积的主要来源，落淤会发生在B、C、D区，但由于水深和掩护范围的不同，淤积强度会有所不同。在短堤推进阶段，长环抱堤施工完成阻断了大部分的泥沙沿岸输沙，此时的泥沙淤积主要以泥沙向岸运移净堆积为主，会在A区继续发生一定程度的淤积。不同区域的边界水深平均值如表 4所示。

图7 泥沙落淤分区图Fig.7 Subareas of sediment deposition

表4不同区域的边界水深平均值

Tab.4 Water depth at boundary of subareas m

区域ABCD上边界051011．5下边界51011．513．3东防波堤长度255310480410

3.2不同施工时序的泥沙淤积特征

在强浪条件下的沙质海岸建港时，不同的施工工序对施工期的泥沙淤积有着重要的影响。本节基于不同施工期的泥沙运动特性，计算了Adipala采用不同施工时序的施工期泥沙淤积情况。根据Adipala工程区域的波浪水文条件及泥沙特征，采用式(3)可估算出：自然条件下，工程区自东向西输沙能力为2.67×105m3a，自西向东输沙能力为1.13×105m3a，沿岸输沙总趋势表现为自东向西，净输沙为1.54×105m3a。按照现场施工机械的能力，每天防波堤的岸上推进能力为1 000 m3，随着水深的增加，防波堤推进的速度会有所减小，假设平均每天的推进速度为3 md。

3.2.1 单堤推进

对于强浪作用海域，通常采用双环抱型防波堤或单环抱加单直堤。一般情况下，长堤用于阻挡泥沙运动的主方向，也就是长堤以外的泥沙堆积较长堤内侧的泥沙堆积严重。当先建设短堤时，港侧的泥沙堆积就会比外侧严重。可见在工序安排时应先选择建设长堤。此方案港内泥沙淤积主要包括：长堤推进后沿岸输沙的港内淤积、单环抱堤长度不足时的泥沙向岸运移净堆积和短堤未完成前的沿岸输沙。

长堤推进后沿岸输沙的港内淤积主要发生在A区域，在西防波堤未形成前，此区域会处于较长时间的淤积状态，东防波堤的施工时间是1.33 a，西防波堤的施工时间为0.45 a，假设西防波堤建成一半后即具备了拦沙功能，则总的沿岸输沙时间为1.56 a，泥沙淤积量为175 950 m3。

单环抱堤长度不足时的泥沙向岸运移净堆积淤积主要发生在B、C和D区域内。B区泥沙向岸运移净堆积时间为0.28 a，根据式(10)计算得到的平均输沙率为393 173 m3a，输沙宽度可按23.2 m(0.08倍深水波长)计算，因此B区泥沙向岸运移净堆积引起的泥沙淤积量为111 309 m3。C区泥沙向岸运移净堆积时间为0.44 a，平均输沙率为305 613 m3a，输沙宽度同上，因此C区泥沙向岸运移净堆积引起的泥沙淤积量为133 967 m3。D区泥沙向岸运移净堆积时间为0.37 a，平均输沙率为280 857 m3a，输沙宽度同上，因此D区泥沙向岸运移净堆积引起的泥沙淤积量为105 161 m3。综上，单环抱堤长度不足时的泥沙向岸运移净堆积淤积量为350 438 m3。采用单堤推进的方案泥沙淤积量为526 388 m3。

3.2.2 双堤推进

采用双堤同时推进的方法能够较快地阻断沿岸输沙在港池内的淤积，待短堤形成后，可以全力推进单环抱堤。此方案港内泥沙淤积主要包括：直堤推进不足时的泥沙向岸运移净堆积淤积和单环抱堤长度不足时的泥沙向岸运移净堆积。

相比于单堤推进，双堤推进时无法对短堤构成掩护，因此施工时间会较单堤推进时要长，建设施工时间增加系数为1.3。则直堤推进不足时的沿岸输沙时间为0.61 a，因此沿岸输沙引起的淤积量为68 419 m3。此时，西防波堤剩余施工段245 m，如东西堤同时施工，需0.58 a西防波堤施工完成，此时东防波堤的部分弯曲段形成，会在B区造成一定的横向泥沙淤积。输沙率为403 386 m3a，输沙宽度同上，因此这段时间内的泥沙淤积量为234 664 m3。

西防波堤施工完成后，全力施工东防波堤。B区东防波堤剩余长度65 m，需用0.06 a施工完成，平均输沙率为327 865 m3a，输沙宽度同上，因此这段时间内的泥沙淤积量为19 462 m3。C、D段东防波堤的施工时的泥沙淤积量和单堤推进方案相同，分别为133 967 m3和105 161 m3。

采用双堤推进的方案泥沙淤积量为561 675 m3。

3.2.3 潜堤预抛推进

考虑的波浪的主要影响范围在平均海平面1倍波高上下，因此施工时可采用先水上抛填形成潜堤、后陆上推进快速成堤的方法。潜堤的施工对波浪影响不大，因此可以不考虑潜堤施工对泥沙淤积的影响。此方案港内泥沙淤积主要包括：快速推进阶段的沿岸输沙淤积和泥沙向岸运移净堆积淤积。潜堤预抛完成后，采用单堤推进方案进行防波堤的快速施工，假设防波堤的施工推进速度增加一倍，因此泥沙的淤积时间将会大大减小。其不同施工期的泥沙淤积量列于表5中，总淤积量为263 194 m3。

表 5 不同施工工序的泥沙淤积量Tab.5 Sediment deposition volume of different construction schedules

3.3施工期泥沙淤积特征分析

从不同施工工序的泥沙淤积量计算结果可知，强浪条件下沙质海岸施工期泥沙淤积存在如下特征：首先，由于强浪的作用，泥沙的输运比较活跃，沿岸输沙和泥沙向岸运移净堆积均会对施工期的泥沙淤积产生重要的影响。其次，泥沙向岸运移净堆积比沿岸输沙更为强烈，由于泥沙向岸运移净堆积引起的泥沙淤积会是沿岸输沙的两倍以上，且随着防波堤的推进，泥沙向岸运移净堆积表现出现增加后减小的规律。这是由于防波堤掩护区域的增加会使得泥沙向岸运移净堆积的落淤更为容易，因此一开始泥沙向岸运移净堆积会随着防波堤的推进而增加，随后防波堤推进到深水区后，泥沙的起动和运移均更为困难，因此泥沙向岸运移净堆积量会明显减少。因此，在进行施工组织时，需加快弯曲段防波堤的施工速度。最后，不同的施工工序对施工期的泥沙淤积有着重要的影响，采用潜堤预抛的施工工序会有效的增加防波堤的推进速度，从而大大减少施工期的泥沙淤积。

4 主要结论

本文针对印度尼西亚爪洼岛南岸港口施工期的泥沙淤积问题进行了分析和研究。基于爪洼岛南岸的水动力条件和泥沙特征，分析了该地区泥沙的起动规律，发现波浪作用是该地区起动和输移的主要动力条件。以Adipala工程为例，计算了不同防波堤施工时序对泥沙淤积的影响。结果表明，强浪条件下沙质海岸的泥沙的运动比较活跃，泥沙向岸运移净堆积是港口施工期泥沙淤积的主要原因，且采用潜堤预抛的施工方式能够有效地减少施工期泥沙淤积量。

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[9] JTS145-2015,港口与航道水文规范[S].

Sediment deposition characteristic study of sandy coast under strong wave condition during construction period

ZHANGXian-wu1,CHENSong-gui2,CHENHan-bao2

(1.CCCCSecondHarborConsultantsCo.,Ltd.,Wuhan430071,China; 2.TianjinResearchInstituteforWaterTransportEngineering,NationalEngineeringLaboratoryforPortHydraulicConstructionTechnology,KeyLaboratoryofEngineeringSediment,MinistryofTransport,Tianjin300456,China)

In this paper, the sediment deposition characteristic was studied based on the ocean hydrodynamic and sediment characteristic analysis in the south of Java Island. Taking the Adipala project as an example, the effect of construction schedule on sediment deposition was analyzed according to the results of littoral and horizontal transport of sediment. It is indicated that the sediment deposition volume can be decreased significantly by applying the method of submerged breakwater.

sediment deposition; strong wave; sandy coast; construction period

TV 142

：A

：1005-8443(2017)04-0337-07

2017-05-03；

：2017-07-26

中央级公益性科研院所基本科研业务费(TKS160108)

张先武(1960-)，男，四川省资阳人，高级工程师，主要从事港口设计与建设工作。

Biography：ZHANG Xian- wu(1960-), male, senior engineer.