2008年11月 水运工程 NOV.2008 第11期总第421期 Port&Waterway Engineering No.1l Serial No.421 _ 连云港港航道扩建工程防波堤方案研究 曲红玲,窦希萍,高祥宇 (南京水利科学研究院,江苏南京210024) 摘要:分别对连云港港30万吨级航道扩建工程的两种有防波堤方案及无防波堤方案进行了工程前后平面二维潮流泥沙 的数值模拟,利用窦国仁悬沙不平衡输沙方程及河床变形方程式,进行了正常天气和台风天气下的航道底部淤积计算,比 较分析了3种方案对航道淤积的影响。模拟和计算结果表明,有防波堤方案1在防浪挡沙方面要优于其它两个方案,是较 为合理的防波堤布置方式。 关键词:航道扩建;防波堤;潮流;航道淤积;数学模型 中图分类号:U 656.31 文献标志码:A 文章编号:1002—4972(2008)11-0009—06 Layout of breakwaters in the channel extension project of Lianyungang Port QU Hong—ling,DOU Xi-ping,GAO Xiang-yu fNanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing 2 10024,China) Abstract:A two—dimensional simulation on tida1 flow and sediment was conducted on three schemes of 300 000DWT channel extension projects,two with breakwaters and one without breakwater,in Lianyungang Port. The influences of the projects on channel siltation are compared and analyzed based on the calculation of siltation using Dou Guoren S non—equilibrium suspended—sediment transport equation and riverbed deformation equation, during normal weather and typhoon season.The results show that the first project with breakwaters has better abilities in wave protection and sand prevention than the other two,and its layout of breakwaters is more rationa1. Kev words:ehannel extension;breakwater;tidal flow;channel siltation;numerical model 连云港港地处江苏省北部黄海海州湾西南岸, 性质属非正规浅海半日潮,中等强度。潮流为逆 是我国能源外运和对外贸易运输的重要口岸,是我 时针的旋转流。根据江苏省水文水资源勘测局对 国沿海主枢纽港之一。近年来,随着陇海、兰新铁 1997年连云港沿岸多站位测量统计,连云港附近 路沿线广大中西部地区和苏北地区经济的快速发展, 沿岸潮位特征值(}朝位值以1985国家高程基准为准) 港口吞吐量持续高速增长,使进港航道尺度小、深 如下f1]:平均高潮位2.01 m;平均低潮位一1.87 m; 水泊位岸线不足的矛盾日益突出,为此,连云港港 平均涨潮潮差3.91 m;平均落潮潮差3.85 m;最 开始着手30万吨级航道扩建工程。本文采用二维潮 高潮位2.83 In;最低潮位一2.92 m。 流泥沙数学模型模拟预测航道扩建后防波堤对航道 根据2004年水文资料显示,连云海湾的潮流 淤积的影响,为防波堤防护设计提供依据。 运动主要受M 分潮流控制,海湾的潮流运动为往 复流。涨潮流进入湾口后,随着湾域展宽潮流转 1自然条件 为NW向,主体朝着西大堤边滩流动;落潮流主 I.I潮汐和潮流 体基本沿着涨潮流路返回,到达湾口水域后主要 连云港地区海域受制于黄海驻波系统,潮汐 在人海航道以北流向外海。 收稿日期:2008—05—29 作者简介:曲红玲(198 ),女,博士研究生,研究方向为港口、航道及近海工程。 ・10・ 水运工程 1.2波浪 一Ou+ Ot 故 + gn a + 监一立 + 根据大西山和羊山岛两站波浪资料闭,大西山 的常浪向为NE,NNE和E,分别占20-4%, g g ̄gn 8q gcg. + 警=E( 1 一 1等)(2) 17.67%和18.8l%;羊山岛以NNE,NE和N为 主,分别占10.75%,10.53%和15.16%;两站强浪 + 十 + 一旦 + Ot g£a毛 g a g嚣q a毛 g器q a毛 向一致,为NE和NNE。一般天气条件下,波浪 不大,日m。大于2 m的出现频率,大西山仅占 g + 普= 警告等) 1.05%,羊山岛占0.85%;大西山年平均波高为 其中: 0.6 m,羊山岛为0.37 ITI。连云港西连岛海域的强 浪向为偏北向,1.5 m以上的波高NNE向出现频 A=[毒( )+音( )] 率为2.13%,NE向出现频率次之,为1.79%。就 =[毒( )+音( ge)]/g ̄g. 该港区的地理位置而言,ENE,NNE向浪是向岸 、厮1 浪,波浪能直接传到港区,是该港区的不利浪向。 、 J 1.3含沙量分布特征 式中:/Z,v分别为 和 方向上的流速分量; 根据2004年水文资料闭,连云海湾(地理位置 为水位;日为总水深;c为谢才系数,c= 日1/6; 见图1)涨落潮表层含沙量的分布特征如下:涨潮 表层含沙量在总体上自东向西呈现出高一低一高 为糙率系数;f为柯氏力系数,f=2o)sin4);∞为 的分布态势,并在羊窝头和旗台嘴前沿水域形成了 旋转角速度; 为纬度;,gn,殷为Lami系数;E 两个高含沙量区,最高含沙量分别为0.554 9 kg/m 为水流紊动黏滞系数。 和0.463 2 kg/m ;水岛和老港区西防波堤连线为 2.2悬移质不平衡输沙方程 全湾的低含沙量区,最低含沙量为0.096 0 kg/m。。 正交曲线坐标系下,窦国仁悬沙不平衡输沙 连云海湾内3个港区相比,自东向西为老港区含 方程为[3-51: 沙量最低,在0.2 kg/m 以下,庙岭港区居中,为 + [专(H )+音( )]一( )-o 0.2~0.3 kg/m ,墟沟港区最高,在其东端前沿采到 (4) 了泥沙含量达0.4760 kg/m 的表层水体。 式中:H为总水深; , 分别为 和叼方向上的 流速分量;, , 为Lami系数;S为垂线平均含 沙量;a为一待定系数,可通过验证计算确定;∞ 为泥沙沉速,在絮凝条件下则为絮凝沉速;S 为 水流的挟沙能力,窦国仁公式在潮流和波浪共同 作用下可表示为: s 一Ys-T [ ](5)式中: 和 分别为水和泥沙颗粒容重;H 和 图1连云海湾地理位置图 分别为平均波高和周期。根据多处海域资料求得 2二维潮流泥沙数学模型 %=0.023, =0.O钒, 为波浪摩阻系数。 2.1二维潮流运动基本方程 2.3河床变形方程式 在正交曲线坐标系 一77下,二维潮流运动基 由悬移质引起的河床变形方程式为: 本方程可表示为如下形式: Yo = ̄(s-s ) (6) + 专 “ + 音( 蜃)=0 (1) 式中:叼 为悬移质引起的冲淤厚度。 第11期 曲红玲,等:连云港港航道扩建工程防波堤方案研究 本模型采用有限差分方法求解,节点布置为 ・实测值 一计算值 交错网格。对于方程(1)~(3)式写出相应的差 0.4 分方程,对差分方程用ADI法求解。在二维潮流 9:00儿:三=兰 £主 主三0O l3:O0 15:00 17:00 19:0021:0023:00 1:三兰 匕二==00 3:00 5:00 7:00 9:二二.O0 暑。.8 时刻 运动基本方程(2), (3)式中,等式右边的二阶 i==二二===]二==== 过 ===][=三二三=苫。 9:00 1l:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00 3:00 5:00 7:00 9:O0 导数表示式比较复杂。当正交曲线网格是采用 。8 时刻 0.4 Poisson方程生成时, , , , 及其二 全 9:00 1l:0o 13:=二00 =15:=][00 17:==三工 00 19:0021:0023:iO0 1:=三===00 3:00 5:二:= 二 00 7:00 9:00 .o§ o ll os o1| 罩。s 时刻 阶导数均为小量。当忽略这些小量时,(2),(3)式 0.4 :[==二== =二三= 盎= =二== :三:二二. 右边二阶导数项可简化为: F f】a4 】OB\ /1 a 『上.】 O2u\ l 一 + J 翥 :I… =l= 士 I五 廿 至互五 。9:00 11:00 13:00 15:00 17:00 19:00 21:00 23:00 1:00 3:00 5:00 7:00 9:00 /】OB 】OA\ /1 a .1 0iv\ I 一 / l 十 』 图4大潮流速验证 对悬沙不平衡输沙方程和河床变形方程式 (4)和(6)采用迎风格式进行求解。 巍 . 兰. 3潮流泥沙数学模型验证 培360 [ — ===墨— ======. 数学模型计算网格采用正交曲线网格,网格 数为193x177=34 161个,网格尺度在20~2 000 Ill 鞋360 ===耋 ======. 之间。模型潮流场验证分别采用1997年连云港核 电站水文测验资料和2004年水文测量资料,水温 拜 . 测点布置见图2。在此仅给出1997年7月大潮潮 辩 9:o0¨’加∞:00 :00":。0 :o 23册 00 o0 00 棚口 ∞ 。流验证结果(图3~5),其余参见文献[6]。 图5大潮流向验证 在潮流场验证良好的基础上,对连云港海域 实测含沙量过程和航道回淤进行验证。根据连云 港有关研究,取悬沙絮凝沉速0.000 4 m/s,泥沙 干容重640 kg/m ,稳定干容重按窦国仁公式计算, 其中 为0.004 mill,d25为0.000 75 mm。根据大 图2连云港水文测点布置 m,平均波周期 ——计算值 西山海洋站资料,平均波高为0.63.1 S,用此作为航道回淤厚度验证的波浪条件。 在此仅给出大潮含沙量验证图及2002年12月至 2003年6月7万t航道回淤验证图,其余参见文 献[6]。 通过上述验证,确定港池和庙岭航道泥沙沉 9:00 11:O0 13:00 15:O0 17:O0 19:O0 21:0O 23:o0 1:00 3:00 5:00 7:O0 9:00 降机率取0.05,外航道取0.1。根据以往长江口概 时刻 化物理模型研究[71可知,随着航道加深,沉降机率 也将有所加大。因此,当航道浚深至14.5 111时, 9:00 11:00 13:00 15:oo 17:00 19:00 21:0o 23:00 1:00 3:oo 5:00 7:o0 9:00 港池和庙岭航道沉降机率取0。062,外航道沉降机 时刻 开山岛 率取0.112;当航道浚深至16 m时,港池和庙岭 图3大潮潮位验证 航道沉降机率取0.069,外航道沉降机率取0.119。 ・12・ 水运工程 ——计算值 釜 0:00 2:0o 4:o0 6:oo 8:00 10:0012:0014:0016:0018:0020:0022:00 O:O0 2:00 时刻 隶0。: 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 l0:00l2:00l4:0Ol6:00l8i0020:0022:00 0:0o 2:00 时刻 图10无防波堤方案3布置图 4.1 3种方案对潮流场的影响 0:00 2:00 4:00 6:00 8:00 10:0012:o014:0016:0018:0020:0022:00 0:00 2:00 时刻 A3 为了研究开挖航道对潮流场的影响,沿开挖 大潮20040701T230000 ̄20040703T020000 航道布置了8个采样点,见图11;3种方案工程 图6大潮含沙量验证 前后的大潮涨潮局部流态图见图12~15。 为了解工程对潮流场的影响,对3个方案采 样点大潮最大流速、平均流速变化进行了计算比 1 , Ij l, Zl Z, Z jj j/4l 45 49 较,见表1。 计算网格编号 图7航道回淤验证 4防波堤效果分析 连云港港扩建后的进港航道总长33.69 km, 航道有效宽度226 m,设计底高程一16.5 110。考虑 3种工程方案:方案1:在旗台港区建立垂直于航 道方向口门宽度为1 000 1Tl的南、北两个防波堤 (图8);方案2:垂直于航道方向口门宽度为9501TI, 南北防波堤堤头东西向位置与旗台港区东护岸齐 图1l采样点布置图 平‘图9);方案3:无防波堤方案(图10)。 图12工程前局部流态图 图8防波堤方案1布置图 图9防波堤方案2布置图 图l3工程后局部流态图(方案1) 第11期 曲红玲,等:连云港港航道扩建工程防波堤方案研究 ・13・ 没有防波堤,故其 弯段的流速影响与其它2个 方案差别较大,而对外航道测点的流速影响与其 他方案略有差异。 总体而言,有防波堤方案1,2对内航道和口 门附近的流速影响相对较小,无防波堤方案3对 内航道和口门附近的流速影响最大。 图l4工程后局部流态图(方案2) 4.2正常天气的航道回淤计算结果分析 在完成含沙量和航道回淤验证的基础上,对3 个方案航道回淤进行计算。图16为航道分段图, 从西向东依次为庙岭航道、内l段航道、内2段 航道、 弯段2航道、外1段一外16段航道。 图15工程后局部流态图(方案3) 表1各方案采样点大潮最大流速、平均流速变化表 图16航道分段图 将3个方案的年回淤厚度比较后可见(图 l7),方案1和方案2最大回淤均发生在外2段航 道处,分别是1.12 m/a和1.20 m/a,其年回淤量分 别是22.6万1TI。和24.2万1'1'1 ;方案3的最大回淤 发生在外l段航道,为1.43 m/a,其年回淤量为 124.5万m 。3个方案的全航道泥沙年回淤量分别 约为1 167.9万m ,1 203.5万m。和l 312.4万m 。 综合可知,防波堤的建立对 弯段2航道 ̄夕 5段 航道的泥沙淤积有明显的减少作用,方案1的防 波堤布置方案最有利于航道的防淤。 注:1)工程前平均流速为全潮平均值; 2)流速变化值即( 方案一 I程前 I程前。 从表1数据分析可得:由于航道的开挖,航 道范围内过水面积有所增大,航道内的最大流速 蜊捌捌蜊 蜊蜊帮捌帮蜊 帮捌帮 帮孛罂捌 和平均流速都有所减小,航道开挖深度越深,流 速减小越大。方案1和方案2测点流速的变化范 围比较接近,两方案只是北防波堤不一样,故其 在北防波堤处( 点附近)流速的变化差异稍大; 方案3和其他2个方案比较,既没有围垦区,也 蝠 疆罐 摇辗壤撂媚餐蟮蝠辗摄蝠接撂餐旗 釜墅普茹垫营謦尊簧磬警营禁警磐管警誓蓊磬 宦长錾素畚素毒彘隶畚案 丢 图17三方案航道年回淤厚度 4.3台风期的航道回淤结果分析 连云港航道工程外E~N方向面向宽阔的海 ・l4・ 水运工程 2008丘 域,在不同风级状况下,这些方向的风将会在航 道及其南北滩面位置产生大浪,不同级别风对应 风速值见表2。 表2不同风级对应风速值 风级 风速/(m ・S) 6 13.8 7 17.1 8 20.7 9 24.4 10 … . 一 Il-方案1l I目方案2I i ̄-N3I 。r] n 。1. I.』 外3段外锻 28.4 庙岭 内1段内2N W' ̄t2外I段外2段在风速值已知的情况下,根据风区长度、沿程 平均水深,利用海港水文规范方法可以推算出海域 图21 10级ENE向风浪作用下的航道回淤 5结语 的波浪要素。采用波浪折射绕射数学模型同分别对连 云港发生ENE向和NNE向7级和10级风时的波浪 场进行计算,得到ENE向和NNE向7级风和10级 本文通过潮流泥沙数学模型对连云港港防波 堤工程对航道泥沙淤积的影响进行了比较分析,为 防波堤的设计提供了科学依据。通过工程方案前 后的流态变化计算说明:有防波堤方案1,2对内 航道和口门附近的流速影响相对较小,方案3对 内航道和口门附近的流速影响较大。对3个方案 航道回淤的计算结果为:有防波堤方案l与方案2 比较w弯段淤积较少,其它部位淤积大致相同, 风的波浪场分布,在此基础上计算发生这两个方向 大风时(风浪作用1 d,浪后1 dj 3个方案的航道从 庙岭航道到内4段航道的回淤厚度(图18~21)。 卷 器 疆 从大风天的航道泥沙回淤分布可以看出,泥 沙淤积主要出现在内2段航道至外4段航道,无 ∞ 如 加 O 防波堤方案泥沙回淤较其它2个方案要大很多, 有防波堤方案1的航道泥沙淤积最小,可见,防 波堤对减小大风浪造成的航道回淤作用明显,而 防波堤方案1对于防浪挡沙的作用最好。 一 无防波堤方案3与其它两个方案相比,在w弯段 2航道 ̄夕 5段航道淤积明显增多,可见,防波堤 对于挡浪防淤有明显的作用,而且,方案1的防 波堤布置方案最有利于航道的防淤。 参考文献: [1]江苏省水文水资源勘测局.连云港核电厂工程水域水 文观测报告[R].南京:江苏省水文水资源勘测局,1998. … . 。。 , 。 . [2】中国水利水电科学研究院.TNPS三、四期工程取、排水 规划方案泥沙数模计算报告【R1.北京:中国水利水电科 学研究院,2004. 庙岭 内1段内2段w弯段2外1段外2段外3段外4段 图18 7级ENE向风浪作用下的航道回淤 l-方案1 I目方案2 [3]窦国仁.河口海岸泥沙数学模型研究『J].中国科学A辑, 1995(9):101-107. I D方案3 I [4]窦国仁,董凤舞,窦希萍.潮流和波浪的挟沙能力 科 厂] 学通报,1995(5):61—64. I l 。一. . . .喇I. 1. 外3段 ̄'b4N l l [5]窦国仁.河口海岸全沙模型相似理论『J1.水利水运工程 学报,2001(1):3-14. 庙岭 内1段内2段w弯段2外1段外2段图19 7级NNE向风浪作用下的航道回淤 __ 【6】窦希萍.连云港主港区3O万吨航道泥沙数模研究报 告[RI.南京:南京水利科学研究院,2008. l -方案ll [7]董凤舞,窦国仁.深水航道局部物理模型悬沙回淤研 究【R】.南京:南京水利科学研究院,1999. :.一 .. .r] n -] J [8]潘军宁,王红川.连云港港旗台作业区岸线、防波堤及 水域综合布置波浪要素推算报告[R].南京:南京水利科 学研究院,2008. (本文编辑武亚庆) 图2O 10级ENE向风浪作用下的航道回淤