姬昌輝，謝 瑞，吉 立，王永平

(1.南京水利科學(xué)研究院,江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；3.港口航道泥沙工程交通部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210024；4.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

灌河是江蘇省東北部最近的入海水道，也是江蘇省唯一在河口沒有建閘的天然入海河道，河口位于長(zhǎng)江口北450 km、連云港南40 km，擁有廣闊的灘涂和優(yōu)良的航運(yùn)條件，見圖1，其對(duì)蘇北平原的發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。灌河由于受到灌河口攔門沙的限制，大型海輪無法進(jìn)入灌河航道，2萬噸級(jí)航道整治工程已無法滿足發(fā)展需要，5萬噸級(jí)航道整治工程的開展迫在眉睫，研究該海域泥沙規(guī)律是航道整治工作的基礎(chǔ)。李誼純等[1]通過實(shí)測(cè)資料分析研究了灌河口的泥沙分布、地貌變化以及水質(zhì)生態(tài)狀況。張瑋等[2-3]以連云港整個(gè)海域?yàn)閷?duì)象，建立數(shù)學(xué)模型同時(shí)研究了粉砂質(zhì)及淤泥質(zhì)泥沙運(yùn)動(dòng)特征和大型海岸工程對(duì)附近潮流與含沙量的影響。其他學(xué)者通過經(jīng)驗(yàn)公式、物理模型試驗(yàn)、實(shí)測(cè)資料等研究了連云港海域泥沙沉積和灌河口航道整治工程的影響等[4-7]。但由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量困難，對(duì)大風(fēng)浪下的泥沙沿垂線分布規(guī)律了解較少，采用現(xiàn)場(chǎng)泥樣進(jìn)行試驗(yàn)研究較為少見。

圖1 灌河口

本文以現(xiàn)場(chǎng)取樣泥沙為研究對(duì)象，采用波浪水槽試驗(yàn)，分析垂線含沙量在大風(fēng)浪情況下的分布規(guī)律，采用靜水沉降試驗(yàn)分析灌河口泥沙沉降特性，為該海域攔門沙的治理提供技術(shù)支持。

1 灌河口泥沙懸浮水槽試驗(yàn)

1.1 研究方法

由于灌河口海域缺少大風(fēng)浪情況下的實(shí)測(cè)資料，因此本次試驗(yàn)在灌河口外航道現(xiàn)場(chǎng)取樣，進(jìn)行底泥再懸浮波浪水槽試驗(yàn)。在不同水深條件下，采用現(xiàn)場(chǎng)所取泥沙作為試驗(yàn)對(duì)象，研究極限波高條件下沿水深含沙量分布特征。現(xiàn)場(chǎng)取樣點(diǎn)位于灌河口外引航道內(nèi)(圖1)，距離燕尾港13.8 km，所取泥沙中值粒徑為0.042 mm，黏粒含量22.6%、粉砂含量46.8%、細(xì)砂含量29.7%。

試驗(yàn)在南京水利科學(xué)研究院175 m風(fēng)浪長(zhǎng)水槽中進(jìn)行，水槽尺度為175 m×1.2 m×1.5 m(長(zhǎng)×寬×高)，可模擬規(guī)則波和不規(guī)則波、風(fēng)、水流等動(dòng)力條件，由南京水利科學(xué)研究院自行研制，最大波高約0.35 m，波周期范圍0.5～6.0 s。在水槽中部開槽(長(zhǎng)2 m、深3 cm)，用于鋪設(shè)試驗(yàn)所用泥沙，試驗(yàn)段分別架設(shè)波高儀、取水器，波浪水槽試驗(yàn)布置見圖2。取水器采用紫銅管制作，置于不同水深處，取水段微彎，末端用橡皮軟管接手動(dòng)抽水泵，在不同水深處取水后，用密度瓶及光電濁度儀測(cè)量水體含沙量值。

圖2 波浪水槽試驗(yàn)布置

1.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)主要考慮在不同的水深條件下，規(guī)則波極限波高時(shí)，泥沙的沿垂線變化情況。因此水深選取30、50 cm兩種情況，在不同的周期下極限波高不同，因此選取了周期為1.2～1.8 s時(shí)的極限波高進(jìn)行水槽試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始首先人工調(diào)配所取泥沙的密度，通過環(huán)刀準(zhǔn)確測(cè)量密度后，鋪入波浪水槽試驗(yàn)段。試驗(yàn)在不同水深以及波浪條件下，沿垂線抽取水體，測(cè)量其含沙量，研究不同極限波高條件下含沙量的沿垂線分布特征，具體試驗(yàn)組次見表1。

表1 波浪水槽試驗(yàn)條件

圖3 極限波高作用下含沙量沿垂線分布

圖4 大潮實(shí)測(cè)含沙量沿垂線分布

2 泥沙沉降試驗(yàn)

2.1 研究方法

河口水體中細(xì)顆粒泥沙通常不以單顆粒狀態(tài)存在，而是以一定的結(jié)構(gòu)同周圍其他顆粒結(jié)合在一起。這種相鄰顆粒通過一定條件形成集合體的行為稱為絮凝。由于絮凝作用與鹽度有關(guān)，本次試驗(yàn)考慮灌河口的鹽度環(huán)境，泥沙沉速測(cè)量方法采用重復(fù)深度吸管法。在筒中的不同位置進(jìn)行取樣，并測(cè)得該深度位置處泥沙的濃度，此方法已廣泛應(yīng)用于靜水沉降的室內(nèi)試驗(yàn)。假設(shè)試驗(yàn)開始時(shí)水體的含沙濃度從上到下是一致的，在試驗(yàn)的過程中，測(cè)量在不同的初始濃度下不同時(shí)刻沿水深的濃度分布，然后依據(jù)顆粒連續(xù)方程求得顆粒的沉降速度。這種方法可以求得不同水深處的沉速隨時(shí)間的變化規(guī)律。

在試驗(yàn)室內(nèi)，用有機(jī)玻璃制作了高2.0 m、直徑0.5 m的圓筒，圓筒自下向上每隔0.2 m開一小孔，安裝軟管。試驗(yàn)所取泥沙與波浪水槽試驗(yàn)相同，開始時(shí)，采用人工的方法，充分?jǐn)嚢杷w，以達(dá)到初始含沙濃度均勻的目的。含沙濃度基本均勻后，開始計(jì)時(shí)試驗(yàn)。每隔一定時(shí)間，通過軟管取出少許渾水，用光電法、密度瓶法測(cè)定渾水體含沙濃度，并且兩種方法同時(shí)使用，相互校核。所取泥沙位于灌河口外海域，連云港海域海水鹽度多年平均29.39‰[9]，為模擬海水鹽度環(huán)境，沉降試驗(yàn)前按比例配比沉降筒中水的鹽度約29‰。

設(shè)不同水深、不同時(shí)間的含沙量為Sv(z,t)，根據(jù)泥沙連續(xù)定律有：

(1)

(2)

式(1)(麥克勞林公式)可計(jì)算不同水深不同時(shí)刻的泥沙沉速、各水深的斷面平均沉速，一般以含沙量達(dá)到初始含沙量50%時(shí)的沉降時(shí)間t0.5內(nèi)的平均值求得：

(3)

式中:w50%為達(dá)到初始含沙量50%時(shí)的泥沙沉速。

采用式(2)、(3)可以計(jì)算不同水深處的泥沙斷面平均沉速[10]。計(jì)算得到泥沙沉速后，與單顆粒泥沙沉速進(jìn)行對(duì)比，分析研究其絮凝作用。單顆粒泥沙沉速可用如下公式[11]計(jì)算：

(4)

式中：ω為泥沙沉速；ν為運(yùn)動(dòng)黏滯系數(shù)；d為泥沙中值粒徑；ρs為泥沙密度；ρ為液體密度。

2.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)考慮不同初始含沙量情況下的泥沙沉降速度，沉降筒初始含沙量分別為0.43、1.15、2.22、3.14 m3s。泥沙沉速測(cè)量方法采用重復(fù)深度吸管法，測(cè)量水深為0.6、1.0、1.6 m處的泥沙沉降速度。

不同初始含沙量情況下，根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，通過式(1)～(3)計(jì)算，可得不同水深的泥沙沉速試驗(yàn)值，見圖5。初始含沙量為0.43 m3s時(shí)，泥沙沉速為0.10～0.20 cms；初始含沙量為1.15 m3s時(shí)，泥沙沉速為0.09～0.18 cms；初始含沙量為2.22 m3s時(shí)，泥沙沉速為0.08～0.16 cms；初始含沙量為3.14 m3s時(shí)泥沙沉速為0.08～0.17 cms。在同一種初始含沙量條件下，隨著水深的增大，泥沙的沉速呈增大趨勢(shì)。同一種水深時(shí)，不同初始含沙量的情況下，含沙量為0.43 m3s時(shí)泥沙沉速最大，含沙量為1.15 m3s時(shí)泥沙沉速次之，含沙量為2.22和3.14 m3s時(shí)泥沙沉速較小?？梢?，泥沙沉速總體上表現(xiàn)為初始含沙量較小時(shí)，泥沙沉速相對(duì)較大；初始含沙量較大時(shí)，泥沙沉速相對(duì)較小。

圖5 泥沙沉速

黃建維[12]收集了我國(guó)港口、河口淤泥絮凝沉降試驗(yàn)的資料,包括塘沽新港、長(zhǎng)江口、連云港、錢塘江、飛云江等共8個(gè)地區(qū)的資料,并加以沉距訂正和溫度訂正，結(jié)果表明，淤泥原始中值粒徑越小，絮凝越強(qiáng)，隨著中值粒徑的增大，絮凝隨之減弱，大約在原始中值粒徑為0.02～0.03 mm附近，絮凝即減小到可以忽略的程度。而本文試驗(yàn)所取泥沙的中值粒徑為0.042 mm，因此可以認(rèn)為試驗(yàn)所用泥沙的絮凝較弱。

為了解泥沙沉降后的沉積變化情況，取少量現(xiàn)場(chǎng)泥沙，在烤箱內(nèi)烘干，用電子天平稱質(zhì)量后倒入量筒，與水充分?jǐn)嚢?，觀測(cè)泥沙在量筒中的體積變化，泥沙在水中的沉積過程在24 h內(nèi)較快，之后泥沙沉積變化過程緩慢，體積變化較小(圖6)，穩(wěn)定后泥沙干密度約為979 kgm3。

圖6 泥沙體積變化

3 結(jié)論

1)波浪作用下灌河口泥沙懸浮試驗(yàn)表明，水深為50 cm時(shí)，沿垂線含沙量為0.86～1.39 kgm3；水深為30 cm時(shí)，沿垂線含沙量為1.22～1.43 kgm3。水深較小時(shí)波浪對(duì)泥沙作用力較強(qiáng)，因此沿垂線含沙量相對(duì)較大。

2)極限波高條件下，水體底部含沙量較大，而上部含沙量相對(duì)較小?？梢姶箫L(fēng)浪對(duì)該海域泥沙掀沙作用明顯，為防止航道內(nèi)發(fā)生驟淤現(xiàn)象，建議航道擋沙防波堤高程至少應(yīng)高于水底含沙量較大區(qū)域。

3)泥沙沉降試驗(yàn)表明，同一種初始含沙量條件下，泥沙沉速隨著水深的增大呈增大趨勢(shì)。總體來看，初始含沙量較小時(shí)，泥沙沉速較大；初始含沙量較大時(shí)，泥沙沉速較小。不同條件下，灌河口泥沙沉降速度為0.08～0.20 cms，其絮凝作用較弱。

4)泥沙沉降后，24 h內(nèi)沉積過程較快，之后變化緩慢，穩(wěn)定后泥沙干密度約979 kgm3。

5)灌河口攔門沙的整治須進(jìn)行整體物理模型試驗(yàn)研究，本文為擋沙防波堤高程的初步判斷以及物理模型選沙時(shí)的沉降相似提供技術(shù)支持，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜，影響泥沙運(yùn)動(dòng)因素較多，將來開展大風(fēng)浪下的現(xiàn)場(chǎng)泥沙測(cè)量十分重要。