CN103397615B - 一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法，其特征在于包括步骤一，建立并验证波流共同作用下的泥沙数学模型；步骤二，环抱式港区建设期回淤计算；步骤三，环抱式港区建设期回淤影响因素分析；步骤四，形成环抱式港区建设期防淤减淤的措施。本发明的显著优点在于：一是通过对港区回淤影响因素的对比分析，提出了一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法，其设计科学、减淤效果明显，且与港区总体规划相符合；二是提出的防淤减淤方法可以解决环抱式港区建设期间淤泥质海岸开发产生的弃土问题，满足我国生态港建设的基本要求。本发明广泛适用于淤泥质海岸环抱式港区建设期的港池及航道的防淤减淤的工程规划设计。

Description

一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法

技术领域：

本发明属于港口航道工程技术领域，特别是涉及一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法。

背景技术：

随着我国经济建设迅速发展，对外贸易总量大幅增加，港口航道的建设和发展面临巨大的发展机遇。目前，自然条件好的海岸线已得到充分开发，港口航道工程的建设重点逐渐转向淤泥质海岸和粉砂质海岸。但在淤泥质浅滩开敞海域建港，波浪作用明显，水沙运动复杂，需要布置环抱式防波堤，才能达到防浪挡沙、改善港内泊稳条件以及减少泥沙回淤的目的。公知的经验表明，防波堤口门应尽量布置在破波带以外的深水区，以便减少口外航道的回淤以及进入港区的泥沙含量。总体来说，大环抱方案的优势是一次成型，避免了重复建设，因此淤泥质海岸大多采用环抱式方式建港，不足之处在于环抱式港区范围较大，建设期较长，通常会持续20～30年，且开发初期港区水域面积较大，将会带来港区内港池及航道的泥沙淤积等严重问题，所以解决环抱式港区建设期的防淤减淤问题具有重大的现实意义。

目前，对粉沙质海岸的港口，较有效的防淤减淤方法是建设防沙堤，如中国专利申请201020294076.7提出的“一种能有效减淤及减少口门横流的防沙堤”，该方案虽然具有减淤、减小口门横流防沙堤的优点，但还存在以下不足，一是该方案无法适用于对淤泥质海岸港口的防淤减淤处理；二是该方案对港口建设期的减淤效果微乎其微。中国专利申请201110099166.X提出的“一种大、中潮差河口拦门沙段航道的减淤新方法”，该方法虽然对拦门沙段航道的减淤有一定效果，但是，由于受地理条件和水沙条件的限制，该方法很难应用到淤泥质海岸港口的防淤减淤中。目前，对淤泥质海岸港口的港池及航道的防淤减淤方法研究甚少，而环抱式港区建设期的港池和航道回淤现象又十分严重，因此发明一种新型的防淤减淤方法已为港口航道工程技术领域当务之急。

发明内容：

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法，本发明设计科学、减淤效果明显且与港区总体规划相符合。

根据本发明提出的一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法，其特征在于包括步骤一，建立并验证波流共同作用下的泥沙数学模型；步骤二，环抱式港区建设期回淤计算；步骤三，环抱式港区建设期回淤影响因素分析；步骤四，形成环抱式港区建设期防淤减淤的措施；其中：

步骤一，建立并验证波流共同作用下的泥沙数学模型，是根据港口位置，建立工程海域二维平面波流共同作用下的泥沙数学模型，采用ADI算法对模型进行求解；在进行潮流数值计算时，对于开边界，由东中国海潮波数学模型提供；对于闭边界，根据不可入原理取法向流速为0；在进行泥沙数值计算时，由三角形网格泥沙模型按照零梯度方法经计算提供；此外，还采用了干湿判别技术进行动边界处理，利用实测水文资料对模型参数进行率定，验证达到精度要求后进行工程后的泥沙数值模拟，所述的二维泥沙数学模型的控制方程见式（1）～（6）：

①连续方程

$\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂t}+\frac{\∂\left[(h+\mathrm{\ζ})U_x\right]}{\∂x}+\frac{\∂\left[(h+\mathrm{\ζ})U_y\right]}{\∂y}=0---\left(1\right)$

②运动方程

$\frac{\∂U_x}{\∂t}+U_x\frac{{\∂U}_x}{\∂x}+U_y\frac{{\∂U}_x}{\∂y}={\mathrm{fU}}_y-g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂x}-\frac{{\mathrm{\τ}}_x}{\mathrm{\ρ}(h+\mathrm{\ζ})}+N_x(\frac{{\∂}^2{U}_x}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2{U}_x}{{\∂y}^2})---\left(2\right)$

$\frac{\∂U_y}{\∂t}+U_x\frac{{\∂U}_y}{\∂x}+U_y\frac{{\∂U}_y}{\∂y}={-\mathrm{fU}}_x-g\frac{\∂\mathrm{\ζ}}{\∂y}-\frac{{\mathrm{\τ}}_y}{\mathrm{\ρ}(h+\mathrm{\ζ})}+N_y(\frac{{\∂}^2{U}_y}{{\∂x}^2}+\frac{{\∂}^2{U}_y}{{\∂y}^2})---\left(3\right)$

③悬移质输移扩散方程

$\frac{\∂\left[(h+\mathrm{\ζ})S\right]}{\∂t}+\frac{\∂\left[(h+\mathrm{\ζ}){\mathrm{SU}}_x\right]}{\∂x}+\frac{\∂\left[(h+\mathrm{\ζ})U_{y}S\right]}{\∂y}=---\left(4\right)$

${-F}_s+\frac{\∂}{\∂x}\left[(h+\mathrm{\ζ})D_x\frac{\∂S}{\∂x}\right]+\frac{\∂}{\∂y}\left[(h+\mathrm{\ζ})D_y\frac{\∂S}{\∂y}\right]$

④床面冲淤变化方程

${\mathrm{\γ}}_d\frac{\∂{\mathrm{\η}}_b}{\∂t}-F_s=0---\left(5\right)$

⑤波流共同作用下的床面剪切应力

$\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{cw}}}{{\mathrm{\τ}}_c+{\mathrm{\τ}}_w}=\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{{\mathrm{\τ}}_c+{\mathrm{\τ}}_w}[1+b{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{{\mathrm{\τ}}_c+{\mathrm{\τ}}_w}\right)}^p{(1-\frac{{\mathrm{\τ}}_c}{{\mathrm{\τ}}_c+{\mathrm{\τ}}_w})}^q]---\left(6\right)$

上式中：x、y—直角坐标系坐标；t—时间变量；h—平均水深；ζ—相对于平均海平面的潮位；U_x、U_y—x、y方向上的垂线平均速度；ρ—水流密度；g—重力加速度；N_x、N_y—x、y方向的水平紊动粘性系数；f—科氏参数（f=2ωsinφ，ω为地球旋转角速度，φ为纬度）；τ_x、τ_y—床面剪切应力在x、y方向的分量；S为垂线平均含沙量；D_x、D_y为x、y方向的泥沙扩散系数；F_s为泥沙冲淤函数；γ_d为床沙干容重，η_b为海底床面的竖向位移（即冲淤变化量）；τ_cw为波流共同作用下的切应力；τ_c为考虑纯流作用下的切应力；τ_w为考虑纯波浪作用的切应力；b、p、q为综合表达式；

步骤二，环抱式港区建设期回淤计算，是根据港区内围堤区建设、口门布置、航道等级的不同，设计了7套环抱式港区建设期平面布置方案，并分别进行了潮流运动和泥沙数值模拟，其中方案2至方案5是分析围堤规模对港区回淤的影响，方案1和方案3是比较口门布置形式的影响，方案3和方案7是分析航道等级对回淤的影响，通过对各方案泥沙数值模拟结果的处理和分析，得出环抱式港区建设期港池和航道的泥沙回淤结果；

步骤三，环抱式港区建设期回淤影响因素分析，通过对不同方案的港池和航道回淤结果的分析，得到影响港区回淤的因素：港池位置、港区围堤规模、口门布置形式、航道等级；对港池位置：位于口门附近的港池回淤较大，位于港区末端的港池回淤较小；对港区围堤规模：围堤规模越大，港池回淤越少；针对港区内淤积的泥沙一部分来自港区外部，随涨潮流进入港区，另一部分来自港区内部浅滩，属于泥沙再分配的状况，由计算得到结果：口门布置形式和航道等级对港区回淤影响较小，设计中可不做考虑；内航道回淤是整个港区的减淤重点，而港区水域面积又是影响环抱式港区建设期泥沙回淤的主要因素，由此提出通过减少港区水域面积来达到环抱式港区建设期防淤减淤目的的新思路；

步骤四，形成环抱式港区建设期防淤减淤的措施，综合影响港区回淤的关键因素及防淤减淤目的的新思路，形成一种环抱式港区建设期防淤减淤的具体方法：即在环抱式港区建设过程中，利用淤泥质海岸开发的弃土，尽可能早地对港区进行围填，围填过程中先对已有港池进行围填，形成突堤，然后再围填出即将建设的港区港池及其突堤，最终围填形成与规划建设相一致的围填区。

本发明的设计原理是：在淤泥质海岸建港，波浪作用明显，水沙运动复杂，需要布置环抱式防波堤，以达到防浪挡沙、改善港内泊稳条件、减少泥沙回淤的目的。但在环抱式港区开发初期，水域面积较大，水动力较强，泥沙运动剧烈，同时港区内的滩地提供了沙源，导致港区内港池航道淤积较大，所以，应尽可能早地实施围垦工程，可以减弱水动力、消除沙源，从而达到环抱式港区防淤减淤目的。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：一是本发明通过对港区回淤影响因素的对比分析，提出了一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法，其设计科学、减淤效果明显，且与港区总体规划相符合。二是本发明提出的防淤减淤方法可以解决环抱式港区建设期间淤泥质海岸开发产生的弃土问题，满足我国生态港建设的基本要求。本发明广泛适用于淤泥质海岸环抱式港区建设期的港池及航道的防淤减淤的工程规划设计。

附图说明

图1是徐圩港区平面布置示意图。

图2是连云港海域潮流泥沙数学模型范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

现以本发明提出的一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法应用于连云港港徐圩港区为例，实施步骤如下：

一、建立潮流泥沙数学模型

建立水域面积约8648km²的数学模型，如图2所示。计算区域采用矩形网格进行离散，网格尺度由开边界向工程区分区逐级加密，模型中最大网格尺度为405m×405m，工程区域网格尺度：潮流模型为15m×15m，泥沙模型为45m×45m，可以满足计算精度要求。

潮流泥沙模型验证主要包括潮流验证和泥沙验证两个方面，其中，潮流数学模型验证采用2004年7月、2005年9月和2010年6月多个潮位站的实测潮位过程及多个潮流测点的实测流速过程。试验表明，所建立的连云港海域潮流数学模型计算的潮位、流速及流向均与实测资料吻合较好，能够较好地反映原体潮流的运动规律。至于泥沙数学模型，除采用多个测点长期含沙量实测资料进行验证外，还利用连云港区7万和15万吨级航道、以及徐圩港区航道先导试挖和5万吨级航道等实测回淤资料，对模型进行了验证，验证结果令人满意。

二、徐圩港区港池及航道回淤计算

(一)工程方案及概况

徐圩港区位于连云港海域埒子口北侧，北距连云港主港区约20km，南距灌河口约16km。海域底质沉积物主要以黏土质的细颗粒为主，中值粒径一般都在0.01mm以下，黏土含量在30%以上，潮间滩地平坦广阔，平均宽度达4000m以上，平均坡比为1/1000，水下滩坡度为1/2000，属于淤泥质海岸性质。近岸水体多年平均含沙量一般在0.21～0.24kg/m³，泥沙运动呈“波浪掀沙，潮流输沙”特征。规划建设的徐圩港区海域水深较浅，位于破波带以内，因此需要修建环抱式防波堤，防浪挡沙。

在设计徐圩港区规划建设方案中，根据港区内围堤规模的不同，共设有7套方案，分别进行了潮流运动和泥沙回淤数值模拟。各方案具体情况详见表1，徐圩港区规划平面布置及一二港池和原油港池位置详见Fig.1。

表1工程设计方案

(二)港池回淤计算结果

由于徐圩港区属于“一次规划，分期开发”，所以，在拟定的各方案中，除规划终期方案5外，其余方案仅有三个港池，分别为：原油港池、一港池、二港池。数学模型计算的各方案港池年回淤强度见表2，年回淤总量见表3。

从不同方案港池回淤计算结果来看，原油港池回淤强度介于1.82～2.9m/a之间，而一、二港池介于0.14～0.61m/a，原油港池回淤强度普遍比一、二港池大；综合比较计算方案2～方案5，可以发现，方案5港池总回淤最少，年回淤仅为186.04万方。

表2徐圩港区各方案港池年回淤强度统计表

表3徐圩港区各方案港池年回淤强度统计表

(三)航道回淤计算结果

为便于比较，将徐圩港区航道分为外航道和内航道分别进行计算。以港区口门为界进行划分，口门外为外航道，口门内为内航道。各方案航道回淤总量见表4，计算结果表明：

（1）比较外航道的回淤结果可以发现，无论是回淤强度还是回淤总量，各方案相差不多，介于512.62～576.36万方/a。

（2）从内航道的回淤结果可以看出，各方案的差异比较明显，规划终期方案4的内航道年回淤总量最少，为193.96万方/a，建设期的方案3最多，为685.80万方/a。经分析后可知，主要影响因素为港区水域面积，在各方案中，方案4的港区水域面积最小，而方案3的最大。随港区水域面积增大，进入港区的涨落潮量增加，带入的泥沙也多，另一方面港区水域面积也是泥沙的沙源地，两者都会导致港内航道回淤加剧。

（3）从航道回淤总量可以看出，方案3回淤总量最大，为1218.76万方/a，方案4最小，为770.32万方/a，其中，内航道回淤量分别占航道回淤总量的56.3%和25.2%，显然，徐圩港区航道回淤与内航道密切相关。

表4徐圩港区各方案航道回淤总表

(四)各方案的回淤总量

根据港池和航道的回淤计算结果，可以得出徐圩港区各方案的回淤总量，计算结果详见表5。计算结果表明：

（1）根据计算结果，方案3回淤总量最大，为1463.34万方/a，规划终期方案4最小，为956.36万方/a。

（2）分析各方案港池与航道年回淤总量构成，可以看出建设期内航道年回淤方量介于193.96～685.80万方/a，变化剧烈，占总回淤比重也较大，最大可达到46.9%；外航道年回淤变化各方案相差不大；港池年回淤方量介于186.04～319.46万方/a。

三、徐圩港区回淤影响因素分析

通过对不同方案的港池和航道回淤结果的分析，可以得到影响港区回淤的因素为：港池位置、港区围堤规模、口门布置形式、航道等级。进一步分析得到，内航道回淤是整个港区的减淤重点，而港区水域面积又是影响环抱式港区建设期泥沙回淤的主要因素。

四、提出徐圩港区防御减淤措施

综合影响港区回淤的关键因素及防淤减淤新思路，提出徐圩港区建设期防淤减淤的措施，即在徐圩港区建设过程中，利用开发产生的弃土，尽可能早地对港区进行围填，围填过程中先对已有港池进行围填，形成突堤，然后再围填出即将建设的港区港池及其突堤，最终围填形成与规划建设相一致的围填区。

表5各方案回淤量结果表

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.一种环抱式港区建设期防淤减淤的设计方法，其特征在于包括步骤一，建立并验证波流共同作用下的泥沙数学模型；步骤二，环抱式港区建设期回淤计算；步骤三，环抱式港区建设期回淤影响因素分析；步骤四，形成环抱式港区建设期防淤减淤的措施；其中：

步骤一，建立并验证波流共同作用下的泥沙数学模型，是根据港口位置，建立工程海域二维平面波流共同作用下的泥沙数学模型，采用ADI算法对模型进行求解；在进行潮流数值计算时，对于开边界，由东中国海潮波数学模型提供；对于闭边界，根据不可入原理取法向流速为0；在进行泥沙数值计算时，由三角形网格泥沙模型按照零梯度方法经计算提供；同时采用干湿判别技术进行动边界处理，利用实测水文资料对模型参数进行率定，验证达到精度要求后进行工程后的泥沙数值模拟；

步骤二，环抱式港区建设期回淤计算，是根据港区内围堤区建设、口门布置、航道等级的不同，设计了7套环抱式港区建设期平面布置方案，详见表1所述的工程设计方案，并分别进行了潮流运动和泥沙数值模拟，其中方案2至方案5是分析围堤规模对港区回淤的影响，方案1和方案3是比较口门布置形式的影响，方案3和方案7是分析航道等级对回淤的影响，通过对各方案泥沙数值模拟结果的处理和分析，得出环抱式港区建设期港池和航道的泥沙回淤结果；

表1 工程设计方案

步骤三，环抱式港区建设期回淤影响因素分析，通过对不同方案的港池和航道回淤结果的分析，得到影响港区回淤的因素：港池位置、港区围堤规模、口门布置形式、航道等级；对港池位置：位于口门附近的港池回淤较大，位于港区末端的港池回淤较小；对港区围堤规模：围堤规模越大，港池回淤越少；针对港区内淤积的泥沙一部分来自港区外部，随涨潮流进入港区，另一部分来自港区内部浅滩，属于泥沙再分配的状况，由计算得到结果：口门布置形式和航道等级对港区回淤影响较小，设计中可不做考虑；内航道回淤是整个港区的减淤重点，而港区水域面积又是影响环抱式港区建设期泥沙回淤的主要因素，由此提出通过减少港区水域面积来达到环抱式港区建设期防淤减淤目的的新思路；

步骤四，形成环抱式港区建设期防淤减淤的措施，综合影响港区回淤的关键因素及防淤减淤目的的新思路，形成一种环抱式港区建设期防淤减淤的具体方法：即在环抱式港区建设过程中，利用淤泥质海岸开发的弃土，建设初期对港区进行围填，围填过程中先对已有港池进行围填，形成突堤，然后再围填出即将建设的港区港池及其突堤，最终围填形成与规划建设相一致的围填区。