东营港东营港区泥沙水力特性试验与应用研究

薛 杰，毛 浩

（ 1.山东渤海湾港口集团有限公司，山东 济南 250098；2.东营港务集团有限公司，山东 东营 257091）

引言

东营港区是山东省地区性重要港口东营港的核心港区，在新一轮总体规划调整过程中，为了探明港区泥沙的动力特性，进行了相关试验研究，开展了规划区域泥沙水力特性试验，得到了该区域泥沙的主要水动力指标和运移规律，相关参数应用到泥沙运移数学模型中，验证模型的适用性，为摸清区域内泥沙运输规律奠定基础。

1 试验概况

1.1 试验仪器

试验仪器依托交通运输部天津水运工程科学研究院环形水槽和波浪水流槽，见图1。利用环形水槽开展泥沙沉降速度试验。最大试验水深50 cm，该水深下调速范围为0～80 cm/s（水槽断面平均流速），即水槽的最大断面平均流速为80 cm/s。

图1 环形水槽基本结构

利用波浪水流槽开展泥沙起动、止动速度试验，见图2。槽体尺寸长×宽×高为68.0 m×0.7 m ×1.0 m，前端为不规则造波机及其控制系统，中部槽底留有长4.0 m、高0.10 m的存泥槽，后端设置消波箱。试验水流为自循环式，水流速度由一个无极变速的电动水泵控制。模型波浪采用不规则波造波机系统。波高测量采用交通运输部天津水运工程科学研究院研制的2000型多点动态水位仪。流速测量采用ADV流速仪。

图2 波浪水流槽

1.2 试验条件

水温采用室内常温，实测值在18～20℃之间。根据现场实测资料，确定试验水体含盐度为24‰。试验水体含沙浓度范围为0.5 ～2.0 kg/m3。

1.3 试验过程

1.3.1 沉降速度试验

利用水流中平均含沙量随时间变化过程，确定泥沙的静、动水沉降速度。试验沙样按初始含沙量配制好，充分搅拌均匀后注入环形水槽中，将水槽内的水流速度调至80 cm/s，使沙样充分起动、悬浮，然后调至试验流速，待速度稳定后，定时取水样并测定水体含沙量，确定相应泥沙颗粒的沉降速度和下沉沙量。

泥沙的平均沉降速度：

1.3.2 起动、止动流速试验

从小到大逐级调节试验水流速度，分别测定各级流速作用下起动的泥沙垂线平均含沙量，整理出起动泥沙重量百分比C/CW（C为某级流速起动的沙量，CW为总沙量）与水槽断面流速和平均底流速的关系曲线。

2 试验结果

2.1 沉降速度试验结果

计算得到泥沙静水、动水沉降速度见表1，据此绘制不同含沙量的泥沙沉降速度和水流速度关系曲线见图3。

图3 泥沙沉降速度和水流 速度关系曲线

从试验结果可知：含沙量为0.5 kg/m3、1.0 kg/m3、 1.5 kg/m3和2.0 kg/m3的泥沙最大沉降速度分别为0.057 cm/s、0.058 cm/s、0.061 cm/s和0.063 cm/s；当流速大于40 cm/s时，根据泥沙沉降速度和水流速度关系曲线，可以认为不同含沙量下的试验泥沙沉降速度均趋于零。

2.2 起动流速试验结果

海床面上处于静止状态的泥沙颗粒，当水流强度逐渐增大到某一极值时开始启动，此临界水流条件以流速表示时，称为起动流速[1]，可作为判断床面冲刷的依据。

表1 沉降速度

图4 为本次试验起动沙量和水流速度关系曲线。可以看出，当水流速度小于某值时，曲线呈水平状态，水流速度增加，但水体含沙量不变，说明底部泥沙未起动；当水流速度大于某值时，曲线开始上升，表明随着水流强度的增加，部分泥沙开始起动，水体含沙量增大；水流速度继续增大，起动沙量随流速增长而线性增加。根据这一起动过程，得出试样起动断面平均流速值约为35 cm/s，平均底流速值约为28.5 cm/s。

图4 试样起动流速曲线

2.3 止动流速试验结果

止动流速指对于既定的粒径和水深条件下运动着的底沙颗粒，当垂线平均流速降到某一特定值时恰好停止运动，此垂线平均特征值即为该粒径颗粒在该水深下的止动流速[1]。确定止动流速值比较困难，通过水流挟沙力试验确定其值。

泥沙来源丰富地区水体中的含沙数量与水流速度正相关，水流速度增大，泥沙从海床面启动，水体中含沙量增加；水流速度降低，部分悬沙落淤，水体中含沙量减小。可见，一定的水流条件下，水体挟带的沙量（饱和含沙量）应是常值，即水流挟沙能力。

通过试验，得到饱和含沙量和水流速度关系曲线，即挟沙能力曲线，见图5。可以看出，随着流速逐渐降低，水体含沙量也逐渐减小；当流速减小至某值时，水体含沙量趋于常值，运动的泥沙渐趋于静止。根据试验得到的水流挟沙力曲线，得出试样止动流速约为25 cm/s。

图5 水流挟沙力曲线

图6 2009年4—5月东营港区含沙量模型验证

3 试验结果分析

通过试验得到了区域内泥沙的基本水力特性。依据试验成果，对泥沙运移模型相关系数进行率定和调整，将模型计算结果和实测值比较，以验证模型的适用性。

利用泥沙运移模型，计算出东营港区2009年大、小潮含沙量。计算值和实测值对比情况见图6。可以看出，各测站含沙量计算值与实测值在连续变化过程中都比较接近，位相基本相符，工程水域内测点验证结果符合《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》[2]（JTS/T 231-2-2010）要求。

4 结语

自2016年开始，东营市组织开展了东营港总体规划的修订工作，期间开展了东营港区波浪潮流泥沙数学模型试验研究。室内试验得到了东营港区泥沙沉降速度、起动流速和止动流速，为泥沙运移模型提供关键参数，验证了泥沙运移模型的适用性。利用泥沙数学模型试验，配合同步开展的波浪数学模型、潮流数学模型试验，全面研究了东营港区规划调整各方案工况下的波浪、潮流、泥沙等运动规律，为规划方案确定和优化提供科学依据。2017年3月，调整后的东营港总体规划方案正式获省政府批复。