孟加拉灣東海岸某沿海電廠泥沙淤積問題

張亞敬，譚忠華，周志博，徐亞男，陳漢寶

（交通運輸部天津水運工程科學研究院，港口水工建筑技術國家工程實驗室&工程泥沙交通行業重點實驗室，天津 300456）

孟加拉灣整體呈喇叭口狀，開口向南，面向印度洋，潮流動力強，屬于典型的強潮海灣，涌浪作用頻繁又是熱帶氣旋的多發海域，是世界上受風暴潮災害最為嚴重的地方。北部灣頂分布著豐水多沙的強潮河口——恒河-布拉馬普特拉河口，高含沙水體及復雜的岸灘地貌在強潮強浪條件下，將會給港口、濱海電站配套海工工程帶來巨大的泥沙淤積風險[1]，主要體現在泥沙淤積會對港池航道的通航水深和電站取排水口地形的過流斷面帶來不利影響。

電廠工程取排水口泥沙淤積研究很多，郭慶超、謝靈運等[2-3]采用潮流泥沙數學模型對港池泥沙淤積問題進行研究，張旭金、黃衛東等[4-5]采用潮流泥沙物理模型對取排水口泥沙問題進行分析。但是類似孟加拉東海岸這樣惡劣的建港條件并不多見，前人研究的成果不能直接套用。針對孟加拉灣強浪強潮高含沙量的水動力條件，本文分別采用泥沙數學模型和波浪潮流泥沙物理模型對某燃煤電站泥沙淤積問題進行研究。研究得到了工程設計方案各部位的淤積結果，為工程擬建碼頭及取排水平面布置、水工結構設計和今后運營管理提供了可靠依據，為類似工程問題的研究提供參考和借鑒的經驗。

1 工程簡介

某燃煤電站廠址位于孟加拉灣東海岸吉大港南側，距吉大港市中心約45 km。工程位置如圖1所示。工程附近有眾多大小河流入海，北有Karnaphuli河，Sangu河，南有Matamohori河，這些河流攜帶大量泥沙入海，近岸水體常年渾濁，工程區域海域來沙是主要的泥沙來源，懸沙中值粒徑在6.32～8.79μm之間。擬建工程海岸由近岸向深水區域呈灘-槽-脊相間的水下地形特征，近岸北側區域為粉砂分布區，中值粒徑在0.011～0.099 mm之間；離岸深槽外側粗細砂相間中值粒徑在0.181～0.399 mm之間。強浪強潮高含沙量的水動力特點較為明顯。

圖1 工程地理位置示意圖Fig.1 Geographical location of the project

港池布置為垂直于岸的環抱型，南防波堤長為2 535 m，北防波堤長為2 190 m，航道及港池挖深至-6.4 m。碼頭長度共199 m，采用高樁結構，由473 m棧橋與岸相連。采用港內取水，取水明渠與港池相連，明渠底高程為-4.68 m，總長430 m，底寬65 m，排水為管涵離岸排水，布置在北防波堤北側，取排水流量為59.1 m3/s[6-7]。工程平面布置見圖2。

2 泥沙數學模型計算分析

2.1 泥沙起動流速計算

圖2 港池平面布置圖Fig.2 Plane layout of the harbor basin

根據底質取樣分析結果，中值粒徑在0.011～0.399 mm之間，粗顆粒啟動流速采用沙莫夫公式計算[8]，細顆粒起動流速采用竇國仁[9]泥沙起動流速公式計算。港池、防波堤及取水工程位于-5 m等深線以內，粗顆粒泥沙的起動流速可超過0.43 m/s，細顆粒泥沙的起動流速在0.60～1.95 m/s的范圍內，結合水文實測和數值計算結果，大潮期海域最大流速大于此數值，海床泥沙較易在單純潮流作用下發生起動和輸移。

2.2 泥沙起動水深計算

海底泥沙在波浪作用下的起動水深與波浪的波高、周期以及泥沙粒徑的大小有關。為進一步分析波浪作用下泥沙的起動程度，使用佐藤-田中計算式[10]對泥沙起動波高進行計算。

計算結果表明，波高為1.0 m的波浪分別能使5.0 m（常年代表波浪平均周期T=8.2 s）和6.0 m（重現期50 a波浪平均周期T=13.8 s）水深以淺的泥沙中值粒徑在0.02 mm內細顆粒泥沙海床泥沙產生全面推移。

2.3 模型建立及驗證

圖3 模型計算地形圖Fig.3 Model computational topographic map

圖4 工程局部網格圖Fig.4 Mesh grid for local area of project

潮流泥沙數值模擬采用大小模型嵌套的方法進行計算，如圖3、圖4所示，大模型計算域東西方向長約2 660 km，南北方向長約2 240 km。小模型計算域東西方向長約280 km，南北方向長約170 km，開邊界約為1 km，工程區域空間步長約為10 m，計算節點43 858個，網格85 707個。

針對工程所在海域的特點，在潮流數學模型的基礎上，使用MIKE21軟件包中的MT泥沙模塊建立考慮波浪作用的泥沙數學模型，研究工程實施后泥沙運動和地形沖淤情況[11]。

潮流模型建立和驗證的基礎是5個實測點大潮及小潮的實測水深及垂向平均流速流向資料以及含沙量。大潮和小潮期潮位對比曲線見圖5，潮位實測值與計算值吻合較好[6-7]。

圖5 大潮期測站潮位對比曲線Fig.5 Comparison curveof tidal elevation of stationsduring spring tide

為考慮全年平均淤積情況，采用基于經實測全潮過程驗證的潮流、泥沙場，工程外海區域SSE～W向年均代表波浪H1/3=0.93 m，平均周期為8.2 s，合成波向為偏SSW，模型運算全年后統計沖淤結果。不同區域年沖淤強度統計結果見表1，取排水設計方案的年沖淤強度分布見圖6。

表1 不同區域年沖淤強度統計表Table1 Statistical table of annual erosion and siltation in different regions

圖6 工程后年沖淤強度分布圖Fig.6 Thedistribution of annual erosion and siltation map

取水明渠沿程及取水口附近的淤強在0.48～2.98 m/a之間變化，平均淤積強度為2.54 m/a，年均淤積量約7.36萬m3/a。港池水域的淤強在1.78～5.82 m/a之間變化，平均淤積強度為3.96 m/a，年均淤積量約57.04萬m3/a。泊位水域的淤強在1.98～4.41 m/a之間變化，平均淤積強度為3.02 m/a，年均淤積量約4.89萬m3/a。航道水域的淤強在1.04～5.33 m/a之間變化，平均淤積強度為3.63 m/a，年均淤積量約60.80萬m3/a。工程建設后總水域的淤強在0.48～5.82 m/a之間變化，平均淤積強度為3.68 m/a，年均淤積量約125.31萬m3/a。

3 潮流波浪泥沙物理模型試驗

3.1 模型設計

根據平面布置，波浪潮流泥沙物理模型試驗采用變態模型，模型尺寸為75 m×45 m，水平比尺200，垂直比尺80，模型試驗的主要比尺匯總見表2。模型布置見圖7。

表2 物理模型主要比尺Table2 Main scale of physical model

圖7 模型布置圖Fig.7 Physical model layout

3.2 模型沙選擇

根據當地海區泥沙沉降速度和泥沙沉降相似比尺關系確定。原型沙沉速按張瑞謹[8]的粗細顆粒通用公式計算原型懸沙和底沙的沉速分別為0.35 mm/s和2.25 mm/s。根據模型沙對比，選擇γs=1.195 g/cm3，中值粒徑d50=0.250 mm的聚氨酯模型沙模擬底沙。采用γs=1.123 g/cm3，d50=0.069 mm的聚苯乙烯模型沙模擬懸沙。

3.3 模型試驗條件

采用已驗證的大、小潮組合潮型作為潮流邊界條件，波浪邊界選取同數學模型。取排水流量按原型59.1 m3/s給定。采用已驗證的潮流期間的含沙量作為本次試驗的常年浪含沙量。

3.4 模型驗證

在進行模型試驗之前需對物理模型的潮位和潮流、水體含沙量以及地形演變趨勢進行驗證，以保證模型模擬的工程建設后地形變化趨勢是正確的。

1）潮位驗證采用T1站點的潮位過程（測站分布見圖1）。大小潮過程分別進行驗證，驗證試驗潮位過程曲線與實測數據對比見圖8。同時進行流速流向驗證，模型模擬的大小潮流速流向過程與實測基本一致。

圖8 T1站大潮潮位過程驗證結果與實測數據比較Fig.8 Comparison of verification results of tidal level processesat measured point T1 with measured data

2）含沙量驗證

圖9 C1站大潮含沙量過程驗證結果與實測數據比較Fig.9 Comparison of verification resultsof sediment concentration processesat measured point C1 with measured data

含沙量驗證采用同時段已驗證潮位的含沙量，模型模擬的大小潮含沙量過程與實測基本一致，驗證試驗C1大潮含沙量過程曲線與實測數據對比見圖9。年海圖間地形變化吻合較好，見圖10。從試驗結果看，模型運行4 d后，模型中的地形沖淤情況與實測值吻合良好，滿足規范要求[12]，模型能夠用來模擬工程建設后的泥沙沖淤情況。本次模型的沖淤時間比尺最后調整為1∶547.5，即模型運行16 h相當于原體1 a。

圖10 典型斷面地形驗證結果Fig.10 Verification resultsof typical section terrain

3）地形驗證

地形驗證試驗采用大小潮循環的組合潮型，含沙量過程采用對應的已驗證的大小潮含沙量過程。試驗波浪條件同數學模型。在連續試驗4 d后，模型中斷面地形變化與2017年實測和2011

3.5 物理模型試驗結果分析

在代表潮型、常年浪、含沙量及設計取排水量條件下模擬運行1 a時間，港內各區沖淤強度及淤積量統計結果見表3。1 a后港內沖淤分布見圖11。

表3 港內各區年淤積強度及淤積量統計結果Table3 Statistical table of annual siltation intensity and amount in different regions

圖11 年沖淤分布圖Fig.11 Thedistribution of anunnal erosion and siltation

工程方案泥沙動床試驗結果表明：取水明渠內淤積強度在0.72～2.25 m/a之間，平均淤積強度為1.97 m/a，總淤積量為5.81萬m3/a；港池區域淤積強度在1.39～5.32 m/a之間，平均淤積強度為3.73 m/a，總淤積量為53.5萬m3/a；泊位處淤積強度在2.55～5.20 m/a之間，平均淤積強度為3.58 m/a，總淤積量為4.55萬m3/a；航道內淤積強度在1.36～5.81 m/a之間，平均淤積強度為4.36 m/a，總淤積量為55.67萬m3/a。工程區內的年淤積強度在0.72～5.81 m/a之間，平均淤強可以達到3.35 m/a，港內總淤積量為119.53萬m3/a。

防波堤堤頭附近出現了不同程度的沖刷。其中，南堤堤頭附近沖刷范圍由南堤轉彎角向東約50 m至堤頭處，沖刷寬度約30～50 m，沖刷深度約0.5～5 m（未防護情況下），堤頭位置沖刷最嚴重；北堤斜坡堤堤頭段內外兩側均有沖刷，其中北側沖刷范圍約30～50 m，沖刷深度0.5～2 m，南側即口門內區域由于堤頭挑流以及波浪折射作用也出現了沖刷，沖刷深度均小于0.5 m。數學模型計算結果與物理模型試驗結果對比見表4。

表4 數學模型計算結果與物理模型試驗結果對比Table4 Comparisonsresultsbetween mathematical model and physical model test

4 結語

1）采用泥沙數學模型及潮流波浪泥沙動床物理試驗模型分析工程實施后港池、航道及取水口的沖淤情況，模型均進行了潮位、流速、流向、含沙量等驗證。物理模型還進行了沖刷和淤積地形驗證。結果表明，無論是數學模型還是物理模型，均能反映工程建設后各部位的泥沙淤積情況。

2）電廠取水量大，口門外水體含沙量高，大量泥沙在航道、港池和取水明渠落淤。口門處向港內一段范圍內淤積最嚴重，航道和取水明渠沿程淤積逐漸減小。同時也應注意防波堤堤頭的沖刷問題。

3）數學模型和物理模型試驗結果表明工程區內平均淤強分別為3.68 m/a、3.35 m/a，淤積強度較大，對工程建設提出挑戰，建議備淤深度按照2 m考慮，在電站運行期間每年清淤2次，以確保電站安全運營。同時對港池及航道的淤積進行監測，關注防波堤堤頭的沖刷問題。

4）工程海域水體含沙量高，所在海域常有風暴潮發生，風暴潮期間引起的港池驟淤應引起重視。

5）研究成果可為在孟加拉灣東海岸建港提供技術參考。研究采用的技術路線和方法可為類似工程提供參考和借鑒。