淤泥质海岸挖槽回淤计算探讨

3. 半经验半理论公式
在近海和河口地区，目前已有许多国内学者建立了半经验半理论的回淤强度计算公式。
3.1 虞—金公式
华东师范大学虞志英和连云港建港指挥部金镠[3]从研究粘性细颗粒泥沙冲淤特性出发，
认为细颗粒泥沙冲淤率取决于水流切应力τ b 。在潮汐水流中，τ b 呈周期性变化，当水流切 应力低于淤积临界切应力τ cd 时，悬沙落淤，而当水流切应力超过冲刷临界切应力τ c 时，发
θ:水流方向与航道轴向的夹角，°； n:水流跨越航道的转向系数。 罗氏公式是从河道悬沙运动方程简化而导出的，因而在水流与航道夹角较大时计算误差
较大[7]。其主要应用于 d50 ≤ 0.03mm ，工程后的水深和工程前的水深的比值 H 2 H1 ≤ 2.0,
含盐度在1‰～20‰且水流方向与航道轴向不宜太大的区域[9]。
定计算。
4.2 动力因素
我国近岸地区沿海海域[14]，潮汐、潮流运动普遍存在，对海岸泥沙运动是一种有规律 的且经常作用的动力因素。其规律性随地区不同，有全日潮、半日潮和混合潮。另一个动力
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因素是风浪，这是沿岸泥沙运动的强大动力。其规律性与潮汐、潮流不同，有随机性。因此，
)−1
其中：P：回淤厚度，m； α：泥沙沉降机率； ωf：淤泥质泥沙的絮凝沉速，m/s； S：平均含沙量，kg/m3； T：淤积历时，s；
γ o ：与粒径有关的表层淤积物的干密度，kg/m3；
V1 、V2 :航道开挖前、后的流速，m/s；
（4）
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d1 、 d 2 航道开挖前、后的水深，m；
⎪⎫ ⎬ ⎪⎭
其中 P ：淤泥质海岸航道淤积厚度，m； ω：淤泥质泥沙的絮凝沉速，m/s，计算中取ω＝0.0004～0.0005m/s；
（3）
S1 ：波浪和潮流共同作用下淤泥质海岸的水体平均含沙量，kg/m3； γ o ：与粒径有关的表层淤积物的干密度，kg/m3；
t：淤积历时，s； K1、K2：航道横流和顺流淤积系数，在缺少现场资料的情况下，取K1=0.35，K2=0.13； d1、d2：浅滩平均水深和航道开挖水深，m； θ：航道走向与平均潮流流向夹角，°。 由于刘家驹公式当时只是针对淤泥质海岸提出此公式，考虑到其公式建立在悬沙落淤的 机理，有应用粉沙质、沙质海岸的可能性，为拓展其应用空间，刘家驹提出在粉沙淤泥质海 岸应用此公式时，公式结构形式和K1、K2 取值不变，但对ω和s 做出修正[6]。因此刘家驹 公式适用范围较为广泛，工程实践成果取得很大成功，已经得到公众的认可，被广泛采用。 但是刘氏公式[7]在考虑垂向越过航道的水流回淤时，以泥沙连续方程和水流连续方程
才能保证计算精度。
4. 工程环境因素和动力因素对淤泥质海滩回淤计算的影响
公式（2）-（6）都可以表示为
p
=
Kf
(
H1 H2
)ωS1T
的结构形式，从该形式我们可以看
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出影响回淤强度的因素包括了工程环境因素（主要是水深的变化）、动力因素（包括波浪和 潮流）和泥沙因素（包括泥沙组成、含沙量大小等）。实际工程中泥沙淤积的强弱是这 3 个 因素的综合体现。这样就给我们对公式中参数的确定带来了许多的困难。
淤强度计算的影响,提出了提高回淤强度预报准确性的一些建议。
关键词：淤泥质海岸，挖槽，回淤
1. 引 言
我国大陆岸线有 18000 多公里[1]，按其床面物质组成不同，可分为由粘性泥沙组成的淤 泥质海岸和由无粘性泥沙组成的沙质海岸两大类，它们在泥沙运动的形态方面有很大差别。 淤泥质海岸主要位于一些大的如海河口附近，我国的淤泥质海岸占有相当大的比重，约为我 国大陆海岸线的四分之一左右，如渤海湾、辽东湾、莱州湾以及江苏、浙江、广东、福建等 省的不少海岸均为淤泥质海岸。其特点是：岸线平直，岸线坡度极为平缓，一般为 1/500--1/2000 左右，位于高潮位于低潮位之间的潮间带滩地宽广。淤泥质海岸主要由极细的 泥沙颗粒组成，粒径小于 0.05mm，在风浪和潮流综合作用下，泥沙主要呈悬移质形态运动。 通常，潮流除伴随风浪掀动泥沙外，还起输送泥沙的作用。这类泥沙的冲刷、淤积过程，属 于粘性泥沙范畴。粒径为 0.05--2.0mm 的泥沙所组成的沙质海岸，起泥沙运移形态则既有悬 移质，更有推移质。在近岸区，潮流较弱，破波沿岸流是输送这类泥沙的主要动力来源，在 非破波区，波浪水质点的临底速度（包括水平振动速度和传质速度），也能使海床泥沙产生 运移。这类泥沙的冲刷、淤积过程，属于非粘性泥沙范畴。因此，沙质海岸和淤泥质海岸中 的工程泥沙问题，需要区别对待。
( ) 0.02 ≤ V1 + V2 ≤ 0.25 时的航道淤积计算。 gd1
3.3 罗肇森公式
罗肇森于1987 年在研究河口航道开挖回淤时，根据非恒定潮流的悬沙运动方程导出了 下述公式 [8]：
p
=
αS1ωT γo
⎡ ⎢1 − ⎢⎣
⎜⎜⎝⎛
V2 V1
⎟⎟⎠⎞2 ⎜⎜⎝⎛
d1 d2
⎟⎟⎠⎞⎥⎥⎦⎤(cos nθ
2. 挖槽回淤强度计算简介
在近海，风浪、潮流等环境动力条件比较复杂，而粘性细颗粒泥沙运动机理尚未完全 掌握，使预报淤泥质海岸挖槽回淤强度问题比较困难，目前常用的方法有：
2.1 现场资料分析法
现场资料分析法主要包括试坑法和类比法[2]，它们都是根据现场实测资料来推算当地的 淤积情况，通常是最可靠的方法，但是由于现场实测需要大量人力财力，而且历时较长，给 港口发展规划带来时间上的限制。目前在航道回淤中已不被广泛使用。
分析试验资料得到如下公式：
u2 u1
=
5.57⎜⎜⎝⎛
h1 h2
⎟⎟⎠⎞1.90θ
m −0.20 0.08
（9）
从（7）-（9）式可以看出槽内流速随着滩槽水深比变化。滩槽前后水深比 h1 对滩槽 h2
流速分布、动量交换及挖槽内的吸流作用影响显著，是决定滩槽流量分配的主要因素。因此,
挖槽内流速需要通过实验或计算来确定，而不是简单利用基于均匀恒定流的 u1d1 = u2 d 2 假
4.1 工程环境因素
工程环境的变化（包括水深的变化，近岸修建的导流堤、防波堤，挖槽等）都会改变
潮流、波浪、泥沙的运动。在外海开敞海域开挖航道，引起水深和宽度的变化，当水流方向
与航道方向走向一致时，挖槽水流对附近浅滩具有吸附作用，会导致挖槽内单宽流量的增加。
河海大学李安中教授在连云港外海航道模型试验中，对斜跨挖槽水流变化规律进行了研究
⎜⎜⎝⎛
H1 H2
⎟⎟⎠⎞
3m
⎤ ⎥ ⎥⎦
（5）
p
=
q1 S *1T γ o ∆L
⎡ ⎢1 ⎢⎣
−
⎜⎜⎝⎛
H1 H2
⎟⎟⎠⎞
3m
⎤
⎥[1
⎥⎦
−
exp(−
αω∆L
q1 )]
其中：P：回淤厚度，m； α：泥沙沉降机率； ω：淤泥质泥沙的絮凝沉速，m/s；
（6）
S*1 ：开挖前的挟沙能力，kg/m3；
T：淤积历时，s；
种交角，三种来流水深和三种挖深组合，共进行了 36 组试验，探索了挖槽内流速变化规律， 并给出了如下公式：
u2 u1
=
a⎜⎜⎝⎛
h1 h2
⎟⎟⎠⎞b
+c
（8）
其中：a、b、c 为经验系数，与挖槽交角θ 有关。 1990 年，李青云对近海开敞水域挖槽水流结构也进行了水槽试验[13]，用π 定理进行了
因次分析得出了影响挖槽内流速的影响因素主要是滩槽水深比 h1 ，挖槽交角θ 和边坡 m。 h2
2.2 模型试验法
模型试验有物理模型试验和数学模型试验。物理模型试验对海域中的风、浪、流、沙 等条件进行概化，选取合适的相似率进行物理模拟，从而进行试验观测得出回淤值。物理模 型能够清晰的反应泥沙回淤的过程，视觉效果较好，预测结果相对精确，但对于海域中变化 的动力条件不好把握，试验前的条件概化要求精确度要高，同时也存在着物力财力浪费的问 题，且周期较长。2 刘家驹公式
刘家驹[4]在1980 年对连云港外航道进行回淤研究时，以泥沙连续方程和水流连续方程 为基础就提出了下述公式
p
=
K1S1ωt γo
⎡ ⎢1 ⎢⎣
−
⎜⎜⎝⎛
d1 d2
⎟⎟⎠⎞
3
⎤ ⎥ ⎥⎦
sin
θ
（2）
-2-

随着科技的不断进步，电脑性能的不断提升，为数学模型的发展带来了空前的机遇，
-1-

目前使用商业软件如 SMS、DELF3D、MIKE21 等或自己编写程序对航道所属区域进行潮流、 波浪、泥沙以及风的数值模拟已经相当普遍。大都遵循的原则是利用不恒定流连续方程和输 沙方程、运动方程，建立泥沙输移的数学模型并计算淤积量。数学模型虽能像物理模型一样 清晰的反应航道回淤的实际状况，但是往往为泥沙实测资料的不足和输沙公式的不完善而受 到限制，且计算量较大。
生冲刷。基于上述思想，推导全潮回淤量：
p
=
4S1h1
1− 1−
exp(− exp(−
ω2 ε ω2 ε
Ts ) h1 )
其中 p ：淤泥质海岸航道淤积厚度，m；
S1 ：挖槽所在滩面处的垂线平均含沙量，kg/m3；
h1 ：浅滩水深，m； ω ：泥沙沉速，m/s； ε ：水流紊动交换系数；
（1）
Ts ：挖槽内淤积历时，与滩槽水深比，水流摩阻流速有关，s。 这种形式比较繁冗，有较多的待定系数，如τ cd ，τ c ，ω ，ε 等，有些必须通过试验来
2.3 半经验半理论公式计算法
这种方法是通过收集分析现场资料，建立简单公式来计算挖槽回淤强度。这一方法简单 实用，考虑因素也较少，在工程界应用广泛。但在这些公式中往往有一些系数，是由现场资 料来确定。因此，在预报该地区的淤积量时，一般比较能取得良好结果，但在预报其它地区 的淤积量时，则必须根据当地实测资料来确定新的系数。