灌河口海域泥沙懸浮和沉降試驗研究*

姬昌輝，謝 瑞，吉 立，王永平

(1.南京水利科學研究院,江蘇 南京 210029；2.水文水資源與水利工程國家重點實驗室，江蘇 南京 210029；3.港口航道泥沙工程交通部重點實驗室，江蘇 南京 210024；4.河海大學 港口海岸與近海工程學院，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)良的航運條件，見圖1，其對蘇北平原的發(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，大型海輪無法進入灌河航道，2萬噸級航道整治工程已無法滿足發(fā)展需要，5萬噸級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。李誼純等[1]通過實測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]以連云港整個海域為對象，建立數(shù)學模型同時研究了粉砂質(zhì)及淤泥質(zhì)泥沙運動特征和大型海岸工程對附近潮流與含沙量的影響。其他學者通過經(jīng)驗公式、物理模型試驗、實測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)場測量困難，對大風浪下的泥沙沿垂線分布規(guī)律了解較少，采用現(xiàn)場泥樣進行試驗研究較為少見。

圖1 灌河口

本文以現(xiàn)場取樣泥沙為研究對象，采用波浪水槽試驗，分析垂線含沙量在大風浪情況下的分布規(guī)律，采用靜水沉降試驗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支持。

1 灌河口泥沙懸浮水槽試驗

1.1 研究方法

由于灌河口海域缺少大風浪情況下的實測資料，因此本次試驗在灌河口外航道現(xiàn)場取樣，進行底泥再懸浮波浪水槽試驗。在不同水深條件下，采用現(xiàn)場所取泥沙作為試驗對象，研究極限波高條件下沿水深含沙量分布特征。現(xiàn)場取樣點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%、細砂含量29.7%。

試驗在南京水利科學研究院175 m風浪長水槽中進行，水槽尺度為175 m×1.2 m×1.5 m(長×寬×高)，可模擬規(guī)則波和不規(guī)則波、風、水流等動力條件，由南京水利科學研究院自行研制，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2 m、深3 cm)，用于鋪設試驗所用泥沙，試驗段分別架設波高儀、取水器，波浪水槽試驗布置見圖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抽水泵，在不同水深處取水后，用密度瓶及光電濁度儀測量水體含沙量值。

圖2 波浪水槽試驗布置

1.2 試驗分析

試驗主要考慮在不同的水深條件下，規(guī)則波極限波高時，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時的極限波高進行水槽試驗。

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

表1 波浪水槽試驗條件

圖3 極限波高作用下含沙量沿垂線分布

圖4 大潮實測含沙量沿垂線分布

2 泥沙沉降試驗

2.1 研究方法

河口水體中細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，本次試驗考慮灌河口的鹽度環(huán)境，泥沙沉速測量方法采用重復深度吸管法。在筒中的不同位置進行取樣，并測得該深度位置處泥沙的濃度，此方法已廣泛應用于靜水沉降的室內(nèi)試驗。假設試驗開始時水體的含沙濃度從上到下是一致的，在試驗的過程中，測量在不同的初始濃度下不同時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間的變化規(guī)律。

在試驗室內(nèi)，用有機玻璃制作了高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。試驗所取泥沙與波浪水槽試驗相同，開始時，采用人工的方法，充分攪拌水體，以達到初始含沙濃度均勻的目的。含沙濃度基本均勻后，開始計時試驗。每隔一定時間，通過軟管取出少許渾水，用光電法、密度瓶法測定渾水體含沙濃度，并且兩種方法同時使用，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，沉降試驗前按比例配比沉降筒中水的鹽度約29‰。

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

(1)

(2)

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

(3)

式中:w50%為達到初始含沙量50%時的泥沙沉速。

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

(4)

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

2.2 試驗分析

試驗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。泥沙沉速測量方法采用重復深度吸管法，測量水深為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)試驗測量結(jié)果，通過式(1)～(3)計算，可得不同水深的泥沙沉速試驗值，見圖5。初始含沙量為0.43 m3s時，泥沙沉速為0.10～0.20 cms；初始含沙量為1.15 m3s時，泥沙沉速為0.09～0.18 cms；初始含沙量為2.22 m3s時，泥沙沉速為0.08～0.16 cms；初始含沙量為3.14 m3s時泥沙沉速為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。同一種水深時，不同初始含沙量的情況下，含沙量為0.43 m3s時泥沙沉速最大，含沙量為1.15 m3s時泥沙沉速次之，含沙量為2.22和3.14 m3s時泥沙沉速較小。可見，泥沙沉速總體上表現(xiàn)為初始含沙量較小時，泥沙沉速相對較大；初始含沙量較大時，泥沙沉速相對較小。

圖5 泥沙沉速

黃建維[12]收集了我國港口、河口淤泥絮凝沉降試驗的資料,包括塘沽新港、長江口、連云港、錢塘江、飛云江等共8個地區(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，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。而本文試驗所取泥沙的中值粒徑為0.042 mm，因此可以認為試驗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，與水充分攪拌，觀測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表明，水深為50 cm時，沿垂線含沙量為0.86～1.39 kgm3；水深為30 cm時，沿垂線含沙量為1.22～1.43 kgm3。水深較小時波浪對泥沙作用力較強，因此沿垂線含沙量相對較大。

2)極限波高條件下，水體底部含沙量較大，而上部含沙量相對較小。可見大風浪對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高于水底含沙量較大區(qū)域。

3)泥沙沉降試驗表明，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。總體來看，初始含沙量較小時，泥沙沉速較大；初始含沙量較大時，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行整體物理模型試驗研究，本文為擋沙防波堤高程的初步判斷以及物理模型選沙時的沉降相似提供技術支持，由于現(xiàn)場環(huán)境復雜，影響泥沙運動因素較多，將來開展大風浪下的現(xiàn)場泥沙測量十分重要。