长江口深水航道的回淤问题

●工程综合技术长江口深水航道的回淤问题3金 1,谈泽炜1,李文正1,虞志英2(11长江口航道建设有限公司,上海　200003;21华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海　200062) 中图分类号:U 617 文献标识码:A 文章编号:100323688(2003)0420001206 一期工程后北槽沿程水流动力强度示于图11图12,前者以涨、落潮峰值流速表示,后者以涨、落潮流峰值摩阻流速表示。

对水流动力的表达,后者更为确切。

图12显示出如下三个特点:图11　北槽各测站垂线平均流速图12　北槽各测站摩阻流速①落潮流动力强于涨潮流,只是在口门旋转流区,二者比较接近。

②北槽中段(C s2～C s4)为水流动力相对较高区段,尤其在C s3附近。

③大潮和中潮水流动力强度相仿,小潮明显较低。

北槽沿程各测点(C s1～C s5)流速的垂线分布,见图13。

图13所示为2002年洪季大潮时的情况,显示有如下特点:①一个潮周期内,各站的流速垂线分布除转流前后外,均基本符合对数流速分布;3长江口深水航道的回淤问题(第二部分)收稿日期:2003202224作者简介:金　(19402),男,硕士,教授级高级工程师,现任长江口航道建设有限公司副总经理,航道工程专业。

②(C s1～C s4)即北槽主槽内,均为落潮峰值流速大于涨潮峰值流速,C s5两者接近;③咸、淡水交汇在缓混合条件下出现锋面,滞流点及竖向环流等特征。

但在本例中未有明显显示。

因此,认为汛期航道中、下段回淤强度较高系滞流点在该区段摆荡所致的看法,似值得进一步研究。

11213　局部泥沙补给的影响(1)长江口及北槽总体含沙量泥沙输移方式一般区分为悬移与推移两种,主要取决于泥沙粒径和水流条件。

按照窦国仁泥沙起动理论[10],较粗颗粒泥沙,由于颗粒间的粘结力和水柱压力很小,都是以单颗粒形式起动,起动后仍在床面附近运动,随着水流动力加大,由推移而进入悬浮状态;较细泥沙,由于颗粒间的粘结力和水流脉动(扫荡,Sw eep )的影响,往往以数十、数百个颗粒组成的群体形式起动,由于粘结力和水柱压力远大于重力,在突然失去粘结力和水柱压力时立即进入悬浮状态。

窦国仁根据万兆惠1990年管道试验成果,再次确证两细颗粒接触面上受到其上水柱压力的作用,这一作用与粘结力一起,使颗粒保持不动。

试验表明,对粒径>0110～0115mm 的泥沙,不同水柱高度下的起动流速已基本无差别,基于此,也可将0110～0115mm 作为区分粗、细泥沙的界线。

由于任一流速、粒径条件下,均有悬移与推移二种方式存在,只是何者为主的问题。

根据推移和悬移的输沙率公式,可以计算不同粒径和水流强度下二者之比,称之为“推悬比”,曹祖德得到[11],在垂线平均流速014～118m s 范围内,对于d ≤0105mm 的泥沙,以推移质方式的输沙所占比例均<5%,对d =01075mm 的泥沙,这一比例<14%,对d =011mm 的泥沙,这一比例<25%。

长江口横沙以下主槽床沙d 50≤0105mm ,因此可以认为整治段的泥沙输移基本为悬移方式。

换言之,至少在河口下段,认为水流“切滩”会引起大量底沙下移和底形变化的提法,定性上并不确切。

长江口泥沙运动以悬沙为主,水体含沙量是影响航道回淤强度的主要因素之一。

长江口水体含沙量来自流域和海域(即河口局地),后者主要是指河口浅滩沉积物在风浪、潮流作用下的起动和运移。

这类泥沙补给冬季较夏季明显,迭加流域来沙,使河口水体含沙量的年内变化趋于均匀并图13　2002年8月10～11日(大潮)垂线流速分布 使河口水体含沙量增大。

表5列出徐六泾、横沙、佘山三站表层水体含沙量年内过程[12],表明河口上段含沙量较低而口门较高,上段汛期含沙量较高,而口门非汛期(冬季)较高。

根据表层与垂线平均含沙量的相关,可取表层和垂线平均含沙量之比S0 S≈0135,由此得到北槽(横沙)年均水体含沙量约为110kg m3,明显高于大通站多年平均含沙量(约015kg m3)。

表5　徐六泾、横沙、佘山三站表层水体含沙量(3年平均)站名夏半年(4～9月)冬半年(10～翌年3月)大潮小潮大潮小潮涨潮落潮涨潮落潮涨潮落潮涨潮落潮徐六泾011610011620011542011133011341011357010928011135横　沙015115014321012694012408013869014636013153012749佘　山013634012987012568012110015983014898013520013168与季节性变化较为均匀的情况不同,不同潮型水体含沙量差别则较大,大潮明显高于小潮。

由上述三站资料统计得到,大潮与小潮的涨落潮平均表层水体含沙量之比为:S0大潮 S0小潮=徐六泾　1125横　沙　1163佘　山　1154据几次水文测验资料统计得到北槽大、小潮垂线平均水体含沙量之比则高达310左右(表6)。

窦国仁数模[8]中,取大潮涨落潮平均含沙量为1～2kg m3。

与表4相比,小潮平均含沙量偏小,大小潮比值偏大。

局部泥沙补给对北槽水体含沙量的影响,在台风期间更为明显,但影响时间相对较短。

汛期沉积在河口下段浅滩的泥沙,在台风来袭期间,滩面较细颗粒泥沙被波浪悬浮而形成浮泥,随潮流进入北槽,滩面沉积物粗化[13]。

由于北槽两侧浅滩70%的面积在0m以下,大面积处于中、大浪破碎带之内(表7),因此,每年首次较强台风来袭会生成大量浮泥。

例如2000年和2002年,导堤掩护区外,当年首次较强台风生成并进入航道的浮泥分别达到596万m3和378万m3(以容重Χ=113t m3计)。

随着二期工程南、北导堤的延伸,以及吹泥上滩工作的逐步展开,这种局地泥沙对北槽水体含沙量的补给将逐步减少。

表6　垂线平均含沙量的涨、落潮期平均值(S f+e)日　期潮位站 位C s1C s2C s3C s4C s5大潮小潮1999206221～29(汛)1999210204～09(枯)2000202221～27(枯)2000208215～22(台风后)大潮01308015700180301600小潮01160012360120701142大潮0153401876小潮01184012340147601246大潮1106011315117031130701588小潮0115201294016530164001256大潮1124211952115251136801530小潮01290016200150501605014203106313731002167表7　破波水深计算结果佘山波高H1 10 m频　率(%)破波水深d b m依海港规范[8]依李玉成[14] 0～015191301770165015～110421211541133110～115211721312105115～21091431082174210～31071041624123>3100145138(2)北槽底质的纵向分布图14为6次完整的底质取样,结果表明:①北槽航道附近亦即中泓所在,底质分布均为中段较粗;洪、枯季粒径量值及纵向分布均无明显差别。

图14　北槽主槽床沙粒径分布图图15　垂线平均含沙量S和近底含沙量S b纵向分布 ②洪、枯季d 50较为稳定的纵向分布形态(中段较粗)似难以支持滞流点在北槽中段摆荡的判断。

(3)北槽水体含沙量的纵向及垂向分布的不均匀性根据一期工程期间4次水文测验资料,绘出垂线平均含沙量S 和近底含沙量S b 纵向分布如图15,S 和S b 分别为涨潮及落潮平均。

由图15可知,北槽中段(C s2～C s4)是含沙量(S ,S b )的相对高值区段,与水动力强度的分布相应;大、中潮时的含沙量明显高于小潮。

涨潮平均值与落潮平均值差别不明显;洪季与枯季的差别亦不明显。

以垂线平均含沙量和近底含沙量之比S S b 作为含沙量垂线分布不均匀的一个指标,4次水文测验的结果见图16。

由图16可知,①汛期(1999206221～29和2000208215～22),北槽中图16　垂线平均含沙量和近底含沙量之比S S b 纵向分布段S S b 较高,最高值出现在C s3,2000208215～22测次中、大潮S S b 高值出现在北槽下段(C s4～C s5),系台风影响所致。

②枯季(2000202221～27),S S b 纵向分布趋平;1999210204～09测次界于汛、枯之间,S S b 的纵向分布状况亦介于汛、枯之间。

③小潮时的垂向分布不均匀性高于大、中潮。

(4)影响含沙量垂线分布均匀程度的因素及对航道回淤强度的影响悬沙垂线分布可概化表示为:S =S b e -ΞΕs(y -a )(4)或写成S θS b =Εs Ξh 1-e-ΞΕs(h -a )(5)式中,S 为垂线平均含沙量;S b 为近底含沙量;h 为水深;a 为近底含沙量测点离底高度(通常可取015m );Ξ为泥沙沉速;Εs 为泥沙垂向交换系数。

取h =10m ,S Sb =f (Ξ,Εs )的图形如图17,由图17可知,随着Εs 减小或Ξ增加,垂线含沙量分布趋于不均匀。

如采用如下假定:潮周期中,当床面水流切应力Σb 小于悬沙的淤积切应力Σi 时,发生淤积:淤积量相当于在此期间垂线含沙量分布图形以Ξ等速下降、落于床面以下的面积。

则1 4潮周期内的淤积量为[15]:D t =S b ・ΕsΞ1-e-Ξ2ΕsT ′(6)图17　S b S =f (Ξ,Εs )图形式中,T ′=1 4潮周期中Σb <Σi 的历时。

为判断Εs 和Ξ对淤积量D t 的影响,作为算例,分别暂取Εs =20cm 2 s ,Ξ=0105c m s ,T ′=1 4h ,结果列于表8,可知,淤积强度在一定的S b 下与Ξ大体呈正比,而Εs 的影响仅体现在S b 中。

考虑汛期、枯季北槽水动力条件相仿,因此,对于北槽中段(C s2～C s4),可以认为主要由于沉速的不同而导致S S b 的差别。

取Εs =20cm 2 s ,按图15所示汛期(6月份)、过渡期(10月份)、枯季(2月份)的S b S 值,平均分别为310、214、210。

由图17查得相应的沉速为0106m s 、01045m s 和0103m s 。

即夏季(汛期)的沉速是冬季(枯季)沉速的1倍。

沉速的这种差别的一个合理解释是水温对絮凝沉速的影响。

前人的许多研究,也指出了水温对泥沙沉速有重要的影响。

在窦国仁长江口数模中也对此作了考虑[8]。

表8Εs =20c m 2s Ξ=0105c m sΞ0101010201030104010601080109D t S b6147121881911625126361704618251129Εs20406080100D t S b 3111231175311973210732114不同季节水温不同而导致沉速差别明显,对全沙物模或淤积物模的验证及试验带来了一定困难。