龐啟秀，張瑞波，楊 華

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

不同高度潛堤減淤效果水槽實(shí)驗(yàn)研究

龐啟秀，張瑞波，楊 華

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

潛堤高程是淤泥質(zhì)海岸潛堤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素之一。為了確定潛堤高程，首先根據(jù)已建潛堤工程的經(jīng)驗(yàn)分析得出潛堤減淤的主要機(jī)理，即主要是阻擋了浮泥或底部高含沙水體直接進(jìn)入航道和縮短了含沙水體進(jìn)入航道的時(shí)間，進(jìn)而在長(zhǎng)水槽中開(kāi)展了一系列比對(duì)實(shí)驗(yàn)，主要研究不同堤頂高程時(shí)的水流紊動(dòng)、堤前浮泥起動(dòng)、浮泥層厚度變化、堤后航道泥沙落淤情況等，并以此作為比選堤頂高度的基本依據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)相對(duì)高度即潛堤高度與堤前水深之比為0.2～0.5時(shí)，便有較好的減淤效果。

潛堤高度;減淤措施;淤泥;水槽實(shí)驗(yàn)

潛堤具有調(diào)流、擋沙的功能，在滿足工程實(shí)際需要的前提下，潛堤相比于出水堤還可以節(jié)省大量投資，因此工程設(shè)計(jì)和建設(shè)時(shí)往往會(huì)考慮采用潛堤代替出水堤的可行性，并研究確定潛堤高程、長(zhǎng)度等尺度。針對(duì)潛堤附近流態(tài)或者波浪問(wèn)題的研究成果相對(duì)較多:Zanuttigh和Lamberti［1］、Johnson和Karambas［2］均采用數(shù)學(xué)模型研究了潛堤附近的波浪場(chǎng)和流場(chǎng);而Tsal和Chen［3］通過(guò)試驗(yàn)確定了可透水潛堤的波浪反射系數(shù)、波能衰減系數(shù)等;蔣昌波［4］利用VOF方法追蹤自由表面以及采用源函數(shù)造波技術(shù)計(jì)算了流場(chǎng)、流線、紊動(dòng)動(dòng)能及紊動(dòng)動(dòng)能耗散率等特性;Roger和Jia［5］、Tominaga和Ijima［6］則分別在水槽內(nèi)采用ADV和PIV系統(tǒng)測(cè)量了潛堤周?chē)娜S流場(chǎng)。潛堤也是一種較為有效的泥沙減淤措施，如淤泥質(zhì)海岸的日本熊本港(Kumamoto Port)和粉砂質(zhì)的印度尼西亞Semen Tuban港的實(shí)際應(yīng)用表明，潛堤減淤效果非常明顯［7］。

潛堤減淤效果可通過(guò)模型試驗(yàn)作整體評(píng)估，并對(duì)工程方案進(jìn)行優(yōu)化，但由于比尺問(wèn)題導(dǎo)致物理模型的水深、堤前泥層厚度和潛堤高度都較小，特別是不同堤頂高程方案在模型上差別細(xì)微(高度差值乘以垂直比尺)，導(dǎo)致難以很好地比選堤頂高度。數(shù)學(xué)模型可以避免比尺問(wèn)題而用來(lái)模擬確定潛堤高度，蔣昌波［4］依據(jù)數(shù)模計(jì)算結(jié)果探討了堤項(xiàng)水深變化的影響，認(rèn)為隨堤頂水深增大，潛堤的消浪作用將明顯減弱，但未研究擋沙問(wèn)題;Chai和Hayashi［8］采用三維泥沙輸移數(shù)學(xué)模型(Mike)研究了潛堤(墩)形狀如矩形和縮窄的六邊形對(duì)底床淤泥輸移的影響，并研究了潛堤高度由0.3 m增加到0.5 m對(duì)由潛堤所圈圍而成的種植區(qū)的含沙量的影響，認(rèn)為含沙量可以減小30%左右。但數(shù)學(xué)模型的潛堤處理技術(shù)和浮泥模擬技術(shù)并不非常完善，因而尚需要開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)比選潛堤高度。目前已有一些從流態(tài)和消浪角度出發(fā)來(lái)研究潛堤高度的實(shí)驗(yàn)，但從減淤角度來(lái)研究潛堤高度的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)成果相對(duì)較少。將依據(jù)淤泥質(zhì)海岸潛堤減淤的機(jī)理對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行概化，并通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)綜合研究不同高度的潛堤對(duì)應(yīng)的水流狀態(tài)、泥沙起懸和床面變化情況等，分析并推薦潛堤高度。

1 實(shí)驗(yàn)原理

文獻(xiàn)［7］依據(jù)潛堤工程建設(shè)前后實(shí)測(cè)地形變化情況分別給出了日本的熊本港(Kumamoto Port)和印度尼西亞的Semen Tuban港的潛堤減淤效果，并分析了潛堤減淤的主要機(jī)理，即浮泥或底部高含沙水體可以經(jīng)由口門(mén)直接流入港池，而無(wú)法從建有潛堤的地方直接流入，從而降低淤積量。

許多建設(shè)在淤泥質(zhì)或粉砂質(zhì)淺灘上的航道的回淤泥沙主要來(lái)源于灘面上再懸浮泥沙;在大波浪作用時(shí)段邊灘表面泥沙受擾動(dòng)逐漸稀化而成浮泥狀態(tài)，此時(shí)泥沙很容易懸揚(yáng)而增加水體含沙量，但垂線上仍是近底床水體含沙量明顯大于中、上層水體的［9］，這些懸沙隨漲潮或落潮流運(yùn)移到航道后，由于流速突然減小即挾沙力降低而發(fā)生落淤，同時(shí)，底部高含沙水體和稀化而成其中浮泥將以異重流形式，沿邊灘斜坡向下運(yùn)動(dòng)而直接灌入航槽中;波浪作用后期，波浪衰減后，中上層水體中的懸沙紛紛落淤至底部高含沙水體層(浮泥)，而維持異重流運(yùn)移并直接灌入航槽。修建潛堤后，可擋住其中的一部分直接進(jìn)入航道或港池，達(dá)到減淤目的。另外，對(duì)一些高度較大的潛堤，低水位時(shí)堤頂可能露出水面，則經(jīng)由淺灘并攜帶大量泥沙的水流無(wú)法進(jìn)入航道，只有高水位淹沒(méi)潛堤時(shí)上層水體(上層水體的含沙量相對(duì)較低)能夠進(jìn)入航道，即潛堤的修建大大地減小了泥沙進(jìn)入航道的時(shí)間，從而減小了航道的泥沙淤積量，這也是潛堤減淤的重要機(jī)理。因此修建的潛堤主要阻擋了浮泥或底部高含沙水體直接進(jìn)入航道和縮短了含沙水體進(jìn)入航道的時(shí)間。

在掩護(hù)條件較好的海域，動(dòng)力條件以水流為主，如在半封閉的日本有明海(Ariake Sea)研究采用潛堤來(lái)掩護(hù)種植區(qū)的效果時(shí)，動(dòng)力條件僅考慮了潮流［8］;再如廈門(mén)灣海滄所在海域位于海灣內(nèi)，灣口又受雞嶼的掩護(hù)，西南側(cè)大片淺灘上的再懸浮泥沙隨落潮流運(yùn)移至海滄港池航道后落淤為主要的淤積模式，擬在航道邊緣順航道方向修建潛堤以減小泥沙回淤量。潛堤修建后，原來(lái)隨落潮流向航道運(yùn)移的浮泥或高含沙水體會(huì)被阻擋在潛堤外側(cè)，同時(shí)堤前可能會(huì)有部分泥沙落淤，這兩部分泥沙能否起動(dòng)并隨水流越過(guò)潛堤而進(jìn)入航道，將是潛堤減淤成敗的關(guān)鍵。堤前泥沙再懸浮運(yùn)動(dòng)的形式主要有兩種:一是水位較高時(shí)，泥沙被掀起并隨水流越過(guò)潛堤進(jìn)入航道;二是作順堤方向的運(yùn)移。由于水槽實(shí)驗(yàn)的局限性，本次實(shí)驗(yàn)只模擬第一種情況，即水流運(yùn)動(dòng)方向垂直于潛堤。實(shí)驗(yàn)主要模擬不同堤頂高度時(shí)堤前后的水流狀態(tài)、浮泥起動(dòng)、泥床沖刷、航道的泥沙落淤等，作為比選堤頂高度的基本依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和開(kāi)展

2.1 泥沙的選取

實(shí)驗(yàn)?zāi)鄻尤∽詮B門(mén)港海滄航道附近淺灘，中值粒徑為0.007 8 mm，粉砂含量為52.5%，粘土含量為35.3%，屬粘土質(zhì)粉砂。

泥樣初始重度的選取?？紤]到堤前阻擋下來(lái)的浮泥和落淤泥沙對(duì)應(yīng)的密實(shí)時(shí)間均較短，也為了保證泥沙在實(shí)驗(yàn)水槽的水流用下能夠起動(dòng)懸揚(yáng)，堤前鋪設(shè)的浮泥初始重度選用11.8 kN/m3，而此重度的浮泥對(duì)應(yīng)的密實(shí)速度相對(duì)慢一些，有利于減小水槽加水和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中因密實(shí)造成的泥面下沉量，同時(shí)也可使淤泥重度垂線分布保持較為均勻，利于比較不同流速下的泥沙懸揚(yáng)情況。

2.2 潛堤型式的選取

李昌良［10］等采用VOF方法計(jì)算了矩形結(jié)構(gòu)、梯形結(jié)構(gòu)、半圓結(jié)構(gòu)和槽形結(jié)構(gòu)潛堤的波浪運(yùn)動(dòng)，從波能消散方面考慮，槽型潛堤結(jié)構(gòu)是各結(jié)構(gòu)中的最優(yōu)選擇，半圓型潛堤效果最差;Isao和Nobuyuki［11］通過(guò)水槽實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬評(píng)估了倒T型、梯形、雨滴型等幾種形狀的潛堤減淤效果，表明在波浪條件下，潛堤遏制淤積的效果差異與波浪造成的越堤旋渦尺度存在關(guān)系，實(shí)驗(yàn)證明直角梯形潛堤的航道所在側(cè)能形成高強(qiáng)度旋渦，減淤效果最好。參考這些研究成果，分析認(rèn)為在潛堤迎水面較緩的壩體，能夠較好地削弱波浪或水流產(chǎn)生的旋渦發(fā)展，減弱對(duì)堤前落淤泥沙的擾動(dòng)，進(jìn)而減小泥沙懸揚(yáng)量;另一方面，堤后側(cè)能產(chǎn)生強(qiáng)烈漩渦的潛壩，可以有效降低泥沙落淤率，進(jìn)而減小泥沙淤積程度。因此本實(shí)驗(yàn)采用直角梯形潛堤，如圖1中所示的形狀。

圖1 實(shí)驗(yàn)布置示意Fig.1 Layout of experiment

2.3 實(shí)驗(yàn)布置和設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在直水槽內(nèi)進(jìn)行，水槽尺寸68.0 m×0.7 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬×高)。實(shí)驗(yàn)水流為自循環(huán)式，用水為自來(lái)水，水流速由一個(gè)無(wú)極變速的電動(dòng)水泵控制。實(shí)驗(yàn)段布置在水槽中部，如圖1所示，在鋪泥段末端即坡腳處和堤頂、堤后分別采用ADV測(cè)量垂線流速分布，堤后放置集沙盒用于收集落淤的泥沙。

2.4 實(shí)驗(yàn)工況

考慮到當(dāng)水槽中的潛堤較高即淹沒(méi)水深很小時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生較大的堤前壅水和堤后跌水，而與現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)闊海域上的漫堤流實(shí)際情況差別太大，因此，控制實(shí)驗(yàn)的潛堤高程與水深的比值不超過(guò)0.5，即最小淹沒(méi)深度為堤前水深的一半。每組實(shí)驗(yàn)的水深均為50 cm，為方便描述，參考Tominaga［6］的研究成果而定義相對(duì)高度為潛堤高度H與水深h的比值，H/h取0.0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5，則實(shí)驗(yàn)堤頂高度分別為 0、5、10、15、20、25 cm。

實(shí)驗(yàn)水流速度由水泵電機(jī)變頻值來(lái)控制，并由布設(shè)在潛堤坡腳處的ADV實(shí)測(cè)得出，垂線平均流速分別為 22、28、34、39 和 48 cm/s。

2.5 實(shí)驗(yàn)步驟

1)按尺寸建造某高度的直角梯形混凝土堤壩，堤壩在橫向上的兩端緊靠水槽邊壁。

2)實(shí)驗(yàn)前先將配制好的泥沙攪拌均勻，再均勻鋪在潛堤坡腳處的存泥槽里并抹平，然后向水槽中緩慢注入自來(lái)水至實(shí)驗(yàn)所需水深，每組實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前均重新鋪泥。

3)實(shí)驗(yàn)從小流速開(kāi)始做起，保持某種流速持續(xù)一段時(shí)間至泥面基本達(dá)到平衡剖面時(shí)再增加到下一級(jí)流速。觀察各流速時(shí)泥沙的起動(dòng)狀況和隨水流越堤及堤后擴(kuò)散運(yùn)移的狀態(tài)。

4)在某級(jí)流速運(yùn)行平穩(wěn)后，采用ADV測(cè)量坡腳處和堤頂、堤后的垂線流速(三維)分布。

5)測(cè)量不同時(shí)段的床面高度，分析床面泥沙運(yùn)動(dòng)情況。

6)實(shí)驗(yàn)完成排掉水后，觀察堤后所放置的集沙盒內(nèi)的泥沙落淤分布特征，并收集泥沙。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

當(dāng)水流速度較小時(shí)，鋪設(shè)在堤前泥槽中的泥沙不能起動(dòng);進(jìn)一步增加電機(jī)變頻值，水流速度也隨之增加，泥沙開(kāi)始起動(dòng)，但在相同的電機(jī)變頻值(水流流量基本相同)時(shí)，不同堤頂高程所對(duì)應(yīng)的堤前泥沙起動(dòng)程度不同，如變頻值N=16(實(shí)測(cè)垂線平均流速約為22 cm/s)，當(dāng)?shù)添敻叱虨? cm(即不存在潛堤)時(shí)，泥沙已經(jīng)可以大量起動(dòng)、懸揚(yáng)，水流作用15 min后床面便有較為明顯的下降，但潛堤高程為25 cm時(shí)，此流速作用下泥沙未能大量起動(dòng)，床面也無(wú)明顯變化。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象便可看出，堤頂越高，相同流速條件下，堤前浮泥被掀起的數(shù)量就越少。

在水流作用下，泥沙呈濃煙狀懸揚(yáng)，但泥沙尚未懸揚(yáng)太高便被水流帶走，高濃度泥沙水體層的厚度不足5 cm，該高含沙層貼著潛堤斜坡爬行至堤頂，初始并沒(méi)有擴(kuò)散(見(jiàn)圖2(a))，但在堤后水流強(qiáng)紊動(dòng)作用下很快(約幾十秒的時(shí)間)就會(huì)如圖2(b)所示擴(kuò)散至整個(gè)垂向斷面，但擴(kuò)散至表層的泥沙仍然相對(duì)較少。隨著時(shí)間的推移，泥沙起動(dòng)量會(huì)相對(duì)減小，表現(xiàn)為懸沙煙霧顏色變淺(即濃度降低)、床面的下降速度減慢等，如堤頂高度為20 cm時(shí)，在垂線平均流速28 cm/s的水流作用10 min后泥沙起動(dòng)量便明顯減小，此時(shí)床面已沖刷形成一個(gè)基本穩(wěn)定的剖面，即基本達(dá)到該動(dòng)力條件下的平衡水深。但再增大流速，如流速為48 cm/s時(shí)，可以看見(jiàn)泥沙又會(huì)迅速起動(dòng)、懸揚(yáng)，黑色的濃煙狀泥沙隨水流越過(guò)潛堤，但同樣作用一段時(shí)間后也會(huì)形成該水流動(dòng)力條件下的平衡水深，只是其達(dá)到平衡水深所需的時(shí)間略短。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)水流速度較小，如垂線平均流速22 cm/s時(shí)，可以清晰地看到高度為20 cm的潛堤對(duì)應(yīng)的泥床面上產(chǎn)生了由粗顆粒泥沙形成的順(流向)紋狀堆積體，即堤前在水流作用下產(chǎn)生了一定的泥沙分選。但進(jìn)一步增加流速后，這部分粗顆粒泥沙也懸揚(yáng)起來(lái)并隨水流運(yùn)動(dòng)越過(guò)潛堤，堤前的粗顆粒堆積體消失。

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)示意Fig.2 Photographs taken from the experiment

3.2 堤前流速分布特征

受潛堤影響，堤前水流結(jié)構(gòu)，特別是近底層，明顯不同于不建潛堤時(shí)的情況，近底層流速垂線分布曲線更加平坦，而且基本上是潛堤越高，曲線平坦度越大，即近底層的流速梯度相對(duì)減小;同時(shí)，潛堤高度越大，對(duì)應(yīng)的底流速也相對(duì)越小，對(duì)堤前浮泥的剪切掀動(dòng)能力就越弱，泥沙懸揚(yáng)量也就越少，這與試驗(yàn)直觀現(xiàn)象一致。堤前流速分布如圖3所示。

3.3 堤后懸沙落淤情況和紊動(dòng)強(qiáng)度分析

懸沙隨水流越過(guò)堤頂后，不僅隨水流繼續(xù)前行，同時(shí)還受強(qiáng)紊動(dòng)作用而在垂線上擴(kuò)散，因此盡管堤前、堤頂處的高含沙層厚度很薄，但堤后航道上方的懸沙層厚度可占整個(gè)斷面的一半以上，如圖2所示。堤后的懸浮泥沙主要隨水流前行而很難迅速落淤，布設(shè)在堤后的集沙盒也很少有泥沙存留。堤后泥沙基本不落淤，主要是因?yàn)橹苯翘菪螡摰毯蠓疆a(chǎn)生了較強(qiáng)的紊動(dòng)造成的。

為了了解堤后的水流紊動(dòng)情況，采用ADV測(cè)量了垂線上不同深度處的三維流速(u，v，w)，并計(jì)算紊動(dòng)強(qiáng)度［12-13］，然后繪制紊動(dòng)強(qiáng)度垂線分布圖，如圖4所示為堤頂高度為20 cm、流速為39 cm/s的條件下的紊動(dòng)強(qiáng)度?？芍?，紊動(dòng)強(qiáng)度垂線分布并不均勻，而是存在某個(gè)高度處的紊動(dòng)強(qiáng)度最大，這個(gè)高度隨潛堤高度的變化而變化，大體來(lái)說(shuō)，紊動(dòng)強(qiáng)度最大值發(fā)生在與堤頂平齊的高度處，這與白玉川［14］采用圓管得到紊動(dòng)強(qiáng)度的峰值出現(xiàn)在圓管附近的實(shí)驗(yàn)成果相同，即堤頂高度處的紊動(dòng)作用最強(qiáng)，因此當(dāng)泥沙沿潛堤斜坡上爬至堤頂時(shí)，泥沙仍基本保持在較薄近底(潛堤頂部)層中，一旦越過(guò)潛堤后，便受到強(qiáng)紊動(dòng)作用而在水體中混摻、垂向擴(kuò)散而不落淤(堤后的集沙盒基本上沒(méi)有泥沙落淤)，并被水流攜帶至下游。說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)采用的直角梯形潛堤，一定距離內(nèi)可以很好地減小細(xì)顆粒泥沙落淤量，因此推薦該型式的潛堤。

3.4 堤前床面變化

在水流作用下床面將發(fā)生沖刷現(xiàn)象，隨著沖刷坑的不斷加深和擴(kuò)大，坑內(nèi)的水流流速減小，掀沙能力也隨之下降，與此同時(shí)，沖刷坑內(nèi)的泥沙發(fā)生粗化現(xiàn)象，留下粗顆粒泥沙，鋪蓋在沖刷坑表面上，增大了泥沙的抗沖能力和坑底面粗糙度，一直到水流對(duì)床面泥沙的沖刷作用與床面的抗沖作用達(dá)到平衡時(shí)，沖刷則停止。這時(shí)床面會(huì)達(dá)到一種穩(wěn)定狀態(tài)，即隨時(shí)間的推移，床面基本保持不變，從泥沙大量起動(dòng)、床面明顯沖刷至床面基本穩(wěn)定而形成的平衡狀態(tài)所需時(shí)間，不同堤頂高度、不同流速條件均有所不同，從本次實(shí)驗(yàn)來(lái)看，堤頂高度越小、流速越大則達(dá)到?jīng)_刷平衡狀態(tài)所需的時(shí)間越短。

待床面達(dá)到平衡后，測(cè)量床面高度。為了對(duì)比不同潛堤高度時(shí)的沖刷情況，將相同垂線平均流速對(duì)應(yīng)的平衡床面繪制在同一幅圖中，如圖5所示為垂線平均流速為39 cm/s時(shí)的床面變化情況(當(dāng)沒(méi)有潛堤即H=0 cm，此流速時(shí)大部分泥沙已經(jīng)沖刷流失，故圖中無(wú)此平衡床面線)?？芍麄€(gè)床面的沖刷深度并不均勻，一般在距離潛堤較遠(yuǎn)的中前部存在凹槽，即該位置沖刷最大。不同潛堤高度對(duì)比可知，隨潛堤高度的增加，泥面沖刷減弱;不同流速間對(duì)比，則表現(xiàn)出流速大，對(duì)應(yīng)的沖刷坑深度也大。

圖3 同一流速不同潛堤高度時(shí)的堤前流速分布Fig.3 Velocity distribution before the submerged dike with different heights at the same velocity

4 堤頂高20 cm，流速為39 cm/s時(shí)潛堤后方紊動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.4 Distribution of turbulent intensity behind the submerged dike with height of 20 cm at the velocity of 39 cm/s

3.5 潛堤高度的選取

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，泥沙沖刷狀況與泥床的容重(或密實(shí)度)、水流動(dòng)力條件等有很大的關(guān)系，限于實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)難以完全模擬現(xiàn)場(chǎng)情況，但為了能夠使實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)中，考慮采用相對(duì)比值來(lái)進(jìn)行推算，如采用相對(duì)深度d/d0，即不同堤頂高度對(duì)應(yīng)沖刷深度d與無(wú)潛堤時(shí)的沖刷深度d0之比;相對(duì)高度H/h，潛堤高度H與堤前水深h的比值。繪制相對(duì)深度d/d0與相對(duì)高度H/h的關(guān)系圖如圖6所示，可知:

1)三種流速狀態(tài)下，均表現(xiàn)出相對(duì)沖刷深度d/d0隨相對(duì)高度H/h的增加而減小，即潛堤高度增加，堤前浮泥沖刷深度減小。

2)在相同H/h時(shí)，不同垂線平均流速對(duì)應(yīng)的相對(duì)沖刷深度不同，垂線平均流速28、33、39 cm/s對(duì)應(yīng)的相對(duì)沖刷深度(d/d0)依次減小(但絕對(duì)沖刷深度隨流速的增大而增大)，即對(duì)某一固定高度的潛堤而言，流速越大，潛堤阻擋沖刷的效果越明顯。

3)擬合d/d0與H/h的關(guān)系，如圖6中的曲線所示，可知相對(duì)沖刷深度d/d0并非隨潛堤的相對(duì)高度H/h和垂線平均流速V線性減小，而是成負(fù)指數(shù)關(guān)系:

式中:d/d0為相對(duì)沖刷度;d為不同堤頂高度對(duì)應(yīng)沖刷深度;d0為無(wú)潛堤時(shí)的沖刷深度;H/h為相對(duì)高度;H為潛堤高度;h為堤前水深;V為垂線平均流速(m/s)。

圖5 流速為39 cm/s時(shí)不同潛堤高度(H)對(duì)應(yīng)的平衡床面Fig.5 The equilibrium mud bed with dikes of different heights when the vertical average velocity equals to 39 cm/s

圖6 H/h與d/d0的關(guān)系Fig.6 The relation of H/h and d/d0

4 潛堤高程的推薦值

結(jié)合已建工程確定潛堤高程。日本的熊本港，流速小于0.5 m/s，航道段對(duì)應(yīng)灘面自然水深為2～4.5 m(低潮位)，潛堤高度 H=1.0 m，H/h=0.5 ～0.22，流速取0.5 m/s，則由公式(1)計(jì)算得到相對(duì)沖刷度 d/d0=0.2～0.5，即在水流沖刷作用下能夠懸揚(yáng)并越堤的泥沙量將僅占堤前攔下的浮泥總量的20% ～50%，這也與文獻(xiàn)［7］所述的“當(dāng)潛壩高度超過(guò)1 m時(shí)就會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)好減淤效果”一致。

印度尼西亞的Semen Tuban港的潛堤主要用來(lái)阻擋底部高含沙水體直接進(jìn)入港池和回旋水域，潛堤所在處的灘面水深為6～9 m(低潮位)，潛堤高H=2 m，則H/h=0.3～0.2，結(jié)合日本的熊本港H/h=0.5～0.2可知，潛堤高度與水深的比值H/h一般可取在0.2～0.5之間。這將為數(shù)學(xué)模型和物理模型試驗(yàn)中的潛堤高程初步設(shè)計(jì)提供基本依據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

1)在淤泥質(zhì)海岸應(yīng)用潛堤來(lái)減小泥沙淤積量是可行的，潛堤減淤的機(jī)理主要是阻擋了底部浮泥直接進(jìn)入航道和縮短了含沙水體進(jìn)入航道的時(shí)間。

2)潛堤越高，對(duì)應(yīng)的堤前底流速相對(duì)越小，對(duì)泥沙的掀動(dòng)能力更弱;隨潛堤高度的增加，泥面沖刷減弱;不同流速間對(duì)比，表現(xiàn)出流速大，對(duì)應(yīng)的沖刷坑深度也大。

3)實(shí)驗(yàn)表明，細(xì)顆粒泥沙在直角梯形潛堤后的強(qiáng)紊動(dòng)作用下難以落淤，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能地增加堤后的紊動(dòng)強(qiáng)度，推薦直角梯形潛堤。

4)當(dāng)相對(duì)高度即潛堤高度與堤前水深之比為H/h=0.2～0.5時(shí)，便可有較好的減淤效果。

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Flume experimental study on the heights of submerged dike to diminish siltation

PANG Qi-xiu，ZHANG Rui-bo，YANG Hua
(Tianjin Research Institute of Water Transport Engineering，Key Laboratory of Engineering Sediment of Ministry of Transport，Tianjin 300456，China)

The height of submerged dike employed to diminish sedimentation in muddy coast is one of important factors for the design.The experiments conducted in a long flume are designed based on the main principle of using the submerged dike to eliminate sedimentation，which is to prevent fluid mud from entering the channel directly，and shorten the time of high silt-laden water entering the channel.The flow disturbing，motion of fluid mud，depth variation of fluid mud and siltation in the channel behind the submerged dike are selected as the main parameters for the comparison of different heights of the dike.The results show that the submerged dike is efficient to decrease the erosion of fluid mud existing in front of the dike when the relative height，the ratio of height of dike to water depth，equals to 0.2 ～0.5.

heights of submerged dike;countermeasures against siltation;mud;flume experiments

TV148

A

1005-9865(2012)02-0066-06

2011-05-31

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)資助項(xiàng)目(2012AA112509);天津市濱海新區(qū)重大科技支撐項(xiàng)目(2010-Bk1400011)

龐啟秀(1977－)，男，山東濰坊人，博士，助理研究員，主要從事港口、海岸及近海工程水動(dòng)力和工程泥沙研究。

E-mail:pangqixiu@tiwte.ac.cn