粉沙质海岸深水航道回淤研究范文
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摘要：基于非洲某铁路港口联运工程项目，对80000DWT深水航道工程的泥沙回淤进行研究分析。分析该地区泥沙特性和运动特征；阐明泥沙问题是关乎本项目航道工程成败的一个关键难题；提出在航道两侧设置拦沙堤的工程措施来减少航道的泥沙回淤。建立二维潮流泥沙模型，计算不同拦沙堤方案下的泥沙回淤情况，对方案进行优化。
1．工程概况
1.1工程方案（1）航道工程。本工程采用单向航道，航道规模按80000DWT散货船乘潮进出港设计。设计航道宽度为166m，边坡1：8，底宽为262m。航道设计底高程为-17.5m。见方案图1。（2）拦沙堤。本工程须在波浪破碎区范围内航道两侧建立拦沙堤，避免被泥沙在航道内落淤。拦沙堤口门位置要在破碎区外一定距离。由于拦沙堤长度和堤顶高程是航道泥沙回淤的主要控制因素，同时也是工程造价的控制因素。因此，本工程设计了2个拦沙堤方案，并通过计算这2个方案的年回淤量，结合造价，推出最优方案。，拦沙堤的长度和堤顶高程各异，现分述如下：方案1：西拦沙堤长3000m，堤顶高程为9.0m；东拦沙堤长4000m，堤顶高程为9.0m。堤顶宽度均为7.0m。方案2：西拦沙堤共长6488m。其中堤跟段长2000m，堤顶高程为5.0m；堤身段长3494m，堤顶高程为2.0m；堤头段长994m，堤顶高程为-1.0m。东拦沙堤共长6210m。其中堤跟段长2000m，堤顶高程为9.0m；堤身段长3186m，堤顶高程为2.0m；堤头段长1024m，堤顶高程为-1.0m。
2．泥沙特性
2.1泥沙输移拟建工程所在河道受往复性潮流的控制，Namacurra河及下游河网沿线沼泽湿地产生的淤泥为主的悬移质泥沙主体随落潮流输出外海，来自口门外广袤海滩的粉细沙也随涨潮流以推移质为主输入口门内，并在沿河各缓流低洼地沉积。同时，由于口门外海滩的粉细沙主要受沿岸波浪破碎掀沙及波生流影响，总体呈现从西南向东北方向输移的趋势。淤泥质悬沙输出量略大于粉细沙推移质输入量。
2.2悬沙特征河口内测点含沙量无论大小潮均远大于外海测点含沙量，平均含沙量分别为0.07～0.1kg/m3（河口内）和0.004～0.04kg/m3（外海）。
2.3底质特征在拟建港口航道及附近海域进行底质取样及分析。工程海域的底质泥沙特征如下：（1）河口内底质泥沙粒径较粗，以砂质为主，砂质（包括砾石）含量均超过90%。河道中间样品粒径远大于两侧浅滩，河道中央样品中值粒径在0.2-1mm之间，河道两侧样品中值粒径为0.1-0.3mm之间。（2）河口位置由于水流较大，将河道里粗颗粒泥沙冲到河口外，所以河口处显示为中细砂为主，粒径较河口内为细，中值粒径在0.07-0.2mm之间，中值粒径较两侧为粗，约为0.14mm。沙质成分均超过90%，基本不含有粉砂和粘土。（3）除了河口处，整个海岸以粘土、粉砂为主，含少量砂质成分。按照砂质及粘土质含量不同分为砂质粉砂、粉砂、及粘土质粉砂。中值粒径约为0.02mm。样品含水量高，呈淤泥状。可见，该海岸类型整体表现为粉砂质海岸。
3．模型建立
本项目采用MIKE21ST沙模型（非粘性沙）和MIKE21MT泥模型（粘性沙）相结合进行计算。
3.1模型范围和网格模型网格及水下地形见图3。
3.2模型条件（1）潮流计算年回淤量时，模型通过计算一个全潮过程（小潮-大潮-小潮）的回淤量，再根据一年的全潮过程数得到一年的回淤量。（2）波浪根据模型边界处得到的外海波要素统计表，计算整个研究领域内的波浪场，将计算得到的波浪辐射应力场输入水动力模块，将及时所得的波浪场输入ST模块。
3.3计算结果与分析3.3.3年回淤厚度计算与分析对各波浪要素下的进入航道的沙量进行加权平均后得到两个方案沿航道年回淤厚度（图4）。绿线为方案1，紫线为方案2，最大淤积厚度均出现在防波堤前沿。从年均回淤厚度结果来看，方案1大于方案2，且最大淤厚位置靠近河口，最大淤厚为1.86m/yr。方案2与方案1相比，最大淤厚位置更靠近外海，最大淤厚为2.69m/yr。平均淤厚为0.46m/yr（方案1）和0.33m/yr（方案2）。全航道由于底沙推运造成的回淤量分别为248.53和172.25万立方米。由以上结果可知：方案1拦沙堤堤顶高程为9.0m，为出水堤，可以完全阻挡拦沙堤外侧泥沙进入航道内，但是堤头位置在波浪破碎区内，导致破碎区范围内的航道段仍存在较大淤积，若要加长拦沙堤，工程造价将大大提高。因此，方案2在加长拦沙堤的基础上，将拦沙堤做成潜堤的形式。主要是考虑粉沙质海岸悬沙的垂线分布特点，底部存在高浓度含沙水体。将拦沙堤做成潜堤，不但能有效防止底部高浓度含沙水体进入航道内落淤，还能很大程度上节约成本，控制造价。从以上两个方案对比，可看出，对拦沙堤加长，航道内泥沙回淤可以得到有效控制。
4．结论与建议
（1）除了河口处，整个海岸以粘土、粉砂为主，含少量砂质成分。中值粒径约为0.02mm。样品含水量高，呈淤泥状。可见，该海岸类型整体表现为粉砂质海岸。（2）本工程须在波浪破碎区范围内航道两侧建立拦沙堤，避免被泥沙在航道内落淤。拦沙堤口门位置要在破碎区外一定距离。（3）方案1由于堤头口门位置位于水下沙坝上，该处波浪破碎导致泥沙运动非常活跃，因此在堤头位置泥沙输运率要比方案2大，并且输运率大的面积较方案2大。从以上两个方案对比，就可以看出，对拦沙堤加长，航道内泥沙回淤可以得到有效控制。而目前方案2仍存在继续优化的可能，这要求对底部高浓度含沙水体的厚度和波浪破碎区范围有更准确的了解。
作者： 林俊龙 单位：中水珠江规划勘测设计有限公司