張國權(quán)

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引 言

幾內(nèi)亞灣西起利比里亞的帕爾馬斯角，東止加蓬的洛佩斯角，是非洲最大的海灣，本項(xiàng)目位于幾內(nèi)亞灣北岸，見圖 1。項(xiàng)目是在現(xiàn)有漁港基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)建，包括漁港水域的港池和航道疏浚工程、碼頭與防波堤等水工建筑，以及配套設(shè)施建設(shè)。

本項(xiàng)目西臨大西洋，大西洋的波周期較長，主要受涌浪控制，在寬闊的破波帶上波浪破碎形成的沿岸流有可能使泥沙大范圍起動(dòng)，從而對(duì)港池和航道水深維護(hù)造成影響。工程的方案布置首先要考慮沿岸輸沙可能帶來的危害，本文通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料分析與數(shù)值模擬的方式，對(duì)工程海域的沿岸輸沙沖淤進(jìn)行了分析，給新港的設(shè)計(jì)提供了可靠的依據(jù)。

圖1 工程位置示意

1 自然資料分析

為配合本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與研究工作，在工程海域開展了波浪觀測(cè)、水位觀測(cè)、海流觀測(cè)、含沙量觀測(cè)及底質(zhì)取樣工作。

1）波浪

波浪觀測(cè)點(diǎn)位在工程海域離岸約5 km、水深約20 m。觀測(cè)期間，工程海域近岸常浪向?yàn)镾向，頻率為76.02 %；次常浪向?yàn)镾SE，頻率為18.29 %。S向和 SSE向波浪占絕對(duì)主導(dǎo)，合計(jì)出現(xiàn)頻率為94.31 %，實(shí)測(cè)平均H1/3波高為0.95 m，最大T1/3周期為13.28 s，平均T1/3周期為8.76 s。

2）水位

水位觀測(cè)共分兩點(diǎn)進(jìn)行，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，工程海域潮差不大，觀測(cè)期間平均潮差107 cm，平均漲潮歷時(shí)略大于平均落潮歷時(shí)。觀測(cè)期內(nèi)，實(shí)測(cè)最高潮位為221 cm，平均高潮位為174 cm，最大潮差為190 cm。

3）海流

海流為大中小潮連續(xù)觀測(cè)，共分六條垂線進(jìn)行。根據(jù)觀測(cè)結(jié)果，工程海域流速不大，各測(cè)點(diǎn)、各分層流速中，最大流速為0.64 m/s，最大全潮平均流速為0.36 m/s，平均流速大多在0.15～0.3 m/s，大、中潮期流速相對(duì)較大，小潮期流速相對(duì)較小。各測(cè)點(diǎn)垂向流速總體表現(xiàn)為由表層向底層逐步減小的趨勢(shì)，最大流速基本位于表層和0.2H層，最小流速位于底層和0.8H層，表層至0.6H層范圍內(nèi)流速相對(duì)較均勻。受幾內(nèi)亞暖流影響，流向較為單一，平均流向?yàn)镋向。

4）地形

工程海域近岸水下岸灘坡度較陡，-5 m以淺區(qū)域岸灘坡度基本小于1/120。其中，上游岸灘坡度略陡，平均坡度約1/80。漁港工程附近局部區(qū)域岸灘相對(duì)更陡一些，約1/40，反映出岸灘淤積的跡象。下游岸灘略緩，平均坡度在1/110左右。隨著離岸向海方向，岸灘坡度明顯趨緩，-5～-10 m范圍和-10～-20 m范圍的岸灘坡度大致在1/280～1/400。

5）地質(zhì)

工程海域近岸泥沙相對(duì)較粗，泥沙中值粒徑普遍大于0.1 mm，表現(xiàn)為明顯的沙質(zhì)特性。其中，上游近岸泥沙中值粒徑基本在1 mm左右，岸灘粗化明顯；下游近岸泥沙相對(duì)細(xì)一些，泥沙中值粒徑在0.13～0.29 mm，平均中值粒徑約0.22 mm。隨著離岸向海方向，大致在-5 m以深水域，泥沙明顯細(xì)化，中值粒徑大致集中在0.05～0.09 mm，表現(xiàn)為粉砂特性。底質(zhì)泥沙與水下地形分布共同表明，工程海域海岸類型為沙質(zhì)海岸。

6）含沙量

在現(xiàn)場(chǎng)潮流連續(xù)觀測(cè)過程中，于各測(cè)點(diǎn)同步開展了水體含沙量觀測(cè)。統(tǒng)計(jì)了各測(cè)點(diǎn)各分層的最大含沙量和各測(cè)點(diǎn)最大垂向平均含沙量。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，大、中、小潮期間，各測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)含沙量均較小，分層含沙量不超過0.1 kg/m3，垂向平均含沙量不超過0.06 kg/m3。

2 沿岸輸沙率分析

工程海域?qū)儆诘湫偷纳迟|(zhì)海岸，其泥沙運(yùn)動(dòng)主要位于近岸破波帶內(nèi)，包括橫向輸沙和沿岸輸沙。一般而言，橫向輸沙僅使泥沙在近岸來回搬運(yùn)，岸灘剖面隨波浪在“平常浪剖面”和“風(fēng)暴剖面”間做大致周期性變換，對(duì)岸線位置的長期變化影響不大。沿岸輸沙是影響岸灘長期演變的主要因素，隨著防波堤、丁壩等海岸工程的建設(shè)，沙質(zhì)海岸岸灘演變趨勢(shì)、港口工程泥沙沖淤防護(hù)等將主要受沿岸輸沙控制。因此，需要掌握工程海域沿岸輸沙能力與方向，以及實(shí)際可能的沿岸輸沙量。

加納學(xué)者Wellens-Mensah等（2002）對(duì)阿克拉海域沿岸輸沙問題進(jìn)行過分析，指出阿克拉海域近岸泥沙運(yùn)動(dòng)以“破波掀沙、沿岸流輸沙”的沿岸輸沙為主要特征，近岸波浪大，沿岸輸沙具有57萬m3/a的潛在能力，方向自西向東，但因沙源嚴(yán)重不足，實(shí)際沿岸輸沙量估計(jì)約20萬m3/a。但據(jù)近20年來工程海域衛(wèi)星遙感圖片對(duì)照，現(xiàn)有漁港上游岸線多年變化不大，反映了該處岸灘較為穩(wěn)定的狀態(tài)。本次水下地形測(cè)量結(jié)果顯示，防波堤堤頭4 m等深線具有沿岸沙嘴的分布形態(tài)，表明現(xiàn)有防波堤外側(cè)具有沿岸輸沙的跡象。

上述分析表明，阿克拉海岸處于岸灘侵蝕的大環(huán)境，但現(xiàn)有漁港工程上下游多年沖淤變化均不大，表明該局部區(qū)域范圍內(nèi)沿岸輸沙量可能較小。對(duì)于工程區(qū)附近可能的輸沙量，我們采用沿岸輸沙率公式計(jì)算，考慮了近岸底質(zhì)分布、岸灘坡度、波浪條件，并結(jié)合近年來岸灘穩(wěn)定特性等情況對(duì)工程海域沿岸輸沙率進(jìn)行分析。

根據(jù)我國《港口與航道水文規(guī)范》中的沿岸輸沙量公式，結(jié)合實(shí)際底質(zhì)取樣結(jié)果（考慮泥沙中值粒徑可能出現(xiàn)的范圍，取值0.22～1 mm）和工程海域?qū)崪y(cè)的地形資料（岸灘平均坡度約1/80），初步判斷工程海域沿岸輸沙率可能在2～6萬m3/a。

沿岸輸沙量計(jì)算公式為：

3 數(shù)值模擬分析

1）水流計(jì)算模型

水流數(shù)學(xué)模型計(jì)算采用Delft3D軟件包的Flow模塊，其采用方程解釋如下：

2）波浪計(jì)算模型

模型以二維動(dòng)譜密度N（σ,θ）表示隨機(jī)波，動(dòng)譜密度為能譜密度E（σ,θ）與相對(duì)頻率σ之比。動(dòng)譜平衡方程為：

式中：左邊第一項(xiàng)為N隨時(shí)間的變化率；第二和第三項(xiàng)為N在地理坐標(biāo)空間x、y方向上的傳播；第四項(xiàng)為由于流場(chǎng)和水深所引起的N在相對(duì)頻率σ空間的變化；第五項(xiàng)為N在譜分布方向θ空間（譜方向分布范圍）的傳播；Stotal為以譜密度表示的匯源項(xiàng)，包括風(fēng)能輸入、風(fēng)與風(fēng)間非線性相互作用和由于低摩擦、白浪、破碎等引起的能量損耗；Cx、Cy、Cσ、Cθ分別為在x、y、σ、θ空間的波浪傳播速度，采用線性波理論計(jì)算。

3）沿岸流

沿岸流是由近岸波浪破碎引起的順岸方向輻射應(yīng)力梯度所導(dǎo)致的，在描述二維水深平均的水流動(dòng)量方程中加入波浪力項(xiàng)，平面二維淺水方程表述如下（為簡潔起見，略去其中部分分項(xiàng)）：

式中：C2D為二維謝才系數(shù)；Fx、Fy分別為x、y方向上水深平均的波浪力，由波浪模塊中求輻射應(yīng)力梯度值而得。

模型采用矩形網(wǎng)格，模型范圍覆蓋詹姆斯敦漁港及港區(qū)上下游各10 km和離岸5 km。外海邊界附近網(wǎng)格步長為100 m，近港區(qū)逐步加密至10 m。

模型驗(yàn)證考慮了破波沿岸流、洋流（幾內(nèi)亞暖流）和潮流的共同作用，沿岸流模擬通過疊加波浪實(shí)現(xiàn)，洋流和潮流模擬通過潮位邊界控制來實(shí)現(xiàn)。驗(yàn)證結(jié)果顯示，潮位過程計(jì)算值與實(shí)測(cè)吻合良好，流速計(jì)算結(jié)果基本反映了工程海域流速變化趨勢(shì)，全日潮流性質(zhì)和海流運(yùn)動(dòng)方向得到模擬，流速量值較實(shí)測(cè)總體偏于安全。流速、水位驗(yàn)證及實(shí)測(cè)大潮期間工程海域最大流速時(shí)刻的流場(chǎng)見圖2、圖3。

圖2 驗(yàn)證結(jié)果

圖3 實(shí)測(cè)最大流速時(shí)刻流場(chǎng)

在水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，考慮代表波（波高H13%=0.65 m，波向186.4°，平均周期6.9 s）組合動(dòng)力，計(jì)算港區(qū)工程建設(shè)前后流場(chǎng)及變化。

在代表組合動(dòng)力條件下，港區(qū)現(xiàn)狀流場(chǎng)見圖4。港區(qū)海域外海流速較小，約0.4 m/s。港區(qū)上游附近破波沿岸流較強(qiáng)，最大流速約0.8～1.0 m/s。沿岸流沿港區(qū)防波堤形成沿堤流，并繼續(xù)向東運(yùn)動(dòng)，隨著遠(yuǎn)離破波帶以及能量損耗，沿堤流流速迅速減小至約0.4 m/s。港區(qū)下游存在較明顯的回流，流速量值不大，回流區(qū)局部最大流速約0.3 m/s，大部分流速在0.1～0.3 m/s。在緊鄰防波堤的北側(cè)局部區(qū)域，即港區(qū)現(xiàn)狀作業(yè)區(qū)域，流速普遍小于0.1 m/s。

圖4 工程前港區(qū)代表波組合流場(chǎng)

圖5 工程建設(shè)后港區(qū)代表波組合流場(chǎng)

在代表波組合動(dòng)力條件下，防波堤環(huán)抱方案建設(shè)后，港區(qū)海域流場(chǎng)及變化見圖5。結(jié)果表明，港區(qū)上游沿岸流沿防波堤外緣形成沿堤流，并順堤身方向逐步向北偏轉(zhuǎn)。沿堤流到達(dá)堤身一半位置時(shí)，局部流速較工程前增大約0.1 m/s，流速量值達(dá)到0.5～0.6 m/s。隨著水流繼續(xù)沿堤運(yùn)動(dòng)，流速雖逐步減小，但會(huì)繼續(xù)向港區(qū)航道口門方向挑射，導(dǎo)致航道口門存在一定橫流，流速量值約0.1～0.2 m/s。在防波堤掩護(hù)下，港區(qū)內(nèi)部作業(yè)區(qū)域流速減小幅度基本超過0.1 m/s，局部流速減幅超過0.2 m/s，作業(yè)區(qū)域回流不明顯，流速量值普遍小于0.05 m/s。港區(qū)北側(cè)近岸海域流速減小幅度基本在0.1～0.25 m/s，流速量值也很小，普遍小于0.05 m/s。此外，受港口工程影響，港區(qū)附近上游沿岸流、防波堤?hào)|側(cè)局部海域流速也有不同程度減小。

4）泥沙沖淤數(shù)學(xué)模型

沖淤計(jì)算采用無粘性沙（D＞0.063 mm）輸運(yùn)Van Rijn（1993）公式。泥沙輸移以參考高度“a”為界，參考高度以下為推移質(zhì)（底沙）輸運(yùn)，以上為懸移質(zhì)（懸沙）輸運(yùn)。與水流相關(guān)的懸沙輸移由水流流速剖面和懸沙含沙量剖面決定，含沙量由對(duì)流擴(kuò)散方程計(jì)算確定。底沙輸運(yùn)包括水流引起的底沙運(yùn)動(dòng)、波浪引起的底沙運(yùn)動(dòng)和波浪引起的懸沙運(yùn)動(dòng)，皆表現(xiàn)為對(duì)近底水動(dòng)力變化的快速響應(yīng)，并受岸灘坡度的影響。

Van Rijn（1993）公式為：

式中：Ca為參考高度a處的質(zhì)量含沙量（kg/m3）；ρs為泥沙顆粒容重（kg/m3）；D50為泥沙中值粒徑（m）；Ta為無量綱底部切應(yīng)力；D*為無量綱粒徑。

根據(jù)前文沿岸輸沙率公式計(jì)算分析結(jié)果，分別對(duì)6萬m3/a和2萬m3/a輸沙量的現(xiàn)狀岸灘演變過程進(jìn)行了模擬。經(jīng)對(duì)比分析，沿岸輸沙率約2萬m3/a基本滿足上游岸灘穩(wěn)定特性。計(jì)算了2萬m3/a沿岸輸沙條件下，約5年、10年和15年后水下地形。結(jié)果顯示，工程海域上下游岸灘沖淤變化基本位于-2 m以淺的近岸區(qū)域，水下地形等深線出現(xiàn)一些變動(dòng)，但變化速率不大。上游來沙主要淤積在防波堤堤根附近，使該區(qū)域岸灘淤積、岸線前進(jìn)，上游岸線演變形成外凸形態(tài)。上述驗(yàn)證結(jié)果與收集到的衛(wèi)片反映的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相似。隨著時(shí)間的推移，上游來沙會(huì)越過堤根，沿現(xiàn)狀防波堤外緣存在略有淤積的趨勢(shì)，與現(xiàn)場(chǎng)略有差別，但淤積微弱，基本符合工程海域現(xiàn)狀岸灘淤積分布的特征。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)前文沿岸輸沙率計(jì)算分析，采用2萬m3/a作為工程海域上游來沙條件，計(jì)算港口工程建設(shè)完成后，港區(qū)海域及周邊多年泥沙沖淤分布。工程建設(shè)約10年后及建設(shè)約20年后，港區(qū)海域泥沙沖淤分布分別見圖6、圖7。

結(jié)果顯示，在沿堤流的作用下，上游來沙會(huì)沿防波堤外緣形成沿堤輸沙，導(dǎo)致泥沙沿程逐步落淤、岸灘淤淺。因沿岸輸沙強(qiáng)度較弱，港口工程建設(shè)約10年后，淤積體僅到達(dá)防波堤堤身中間位置，淤積高程大致在1～2 m。隨著時(shí)間的推移，上游來沙持續(xù)沿防波堤外緣淤積，20年后淤積體均大致到達(dá)防波堤堤頭，對(duì)港池航道暫未產(chǎn)生影響。隨著上游不斷來沙，防波堤堤頭會(huì)逐步形成堤頭繞沙。結(jié)合前文對(duì)工程海域流速流態(tài)的對(duì)比分析可知，防波堤外緣沿堤流及堤頭存在挑流，影響沿堤輸沙及堤頭繞沙的最終走向。工程完成后將沿堤流及堤頭挑流引向航道口門，導(dǎo)致堤頭繞沙直接向航道方向輸運(yùn)?？紤]到工程海域沿岸輸沙量可能存在的區(qū)間范圍，以及港口工程未來長期的防淤減淤和運(yùn)營維護(hù)需要，在波浪掩護(hù)和工程規(guī)模無顯著差別的情況下，建議擬建防波堤平面布置方案考慮適當(dāng)?shù)膿跎彻δ堋?/p>

圖6 工程建設(shè)10年后港區(qū)泥沙沖淤變化

圖7 工程建設(shè)20年后港區(qū)泥沙沖淤變化

5 結(jié) 語

工程海域泥沙運(yùn)動(dòng)以波浪作用下的近岸沿岸輸沙作用為主，方向自西向東。經(jīng)工程海域岸線演變分析、沿岸輸沙率公式計(jì)算，表明工程海域具有2萬～6萬m3/a的潛在輸沙能力。由于泥沙來源不足，考慮到現(xiàn)有防波堤堤根處存在泥沙堆積現(xiàn)象，結(jié)合岸灘演變模擬結(jié)果，上游來沙2萬m3/a條件下，防波堤建設(shè)后約20年，沿岸輸沙沿防波堤外緣淤積至防波堤堤頭，暫未對(duì)港區(qū)產(chǎn)生影響，總體具有較好的防淤減淤能力。根據(jù)岸灘穩(wěn)定驗(yàn)證結(jié)果及多次沖淤計(jì)算分析，不同的沿岸輸沙量帶來的岸灘沖淤演變性質(zhì)是相同的，來沙量大則帶來沖淤幅度大。通過波浪動(dòng)力、岸灘地形與底質(zhì)泥沙情況分析，工程海域具有潛在的沿岸輸沙能力，但缺乏典型海岸工程實(shí)例和可靠資料來準(zhǔn)確計(jì)算輸沙量值。考慮到工程海域沿岸輸沙量可能存在的區(qū)間范圍，以及港口工程未來長期的防淤減淤和運(yùn)行維護(hù)需要，在波浪掩護(hù)和工程規(guī)模無顯著差別的情況下，防波堤平面布置方案可適當(dāng)?shù)募骖檽跎彻δ堋?/p>