《港口泥沙计算实例Word版》由会员分享，可在线阅读，更多相关《港口泥沙计算实例Word版（16页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、THYBORN港口 波浪扰动和泥沙淤积研究Sanne L. Niemann1DHI, Agern All 5, DK-2970 Horsholm, Denmark2 Thyborn Havn, Tankskibsvej 4, DK-7680 Thyborn, Denmark (), Peter Sloth1(), Jrgen Buhl2(jbthyboronport.dk), Rolf Deigaard1() and Ida Brker1()Thyborn港口是丹麦最繁忙的渔港之一，该港口近年来经常遭受高波浪和泥沙淤积的影响。造成这些现象的原因尚不清楚，所以对此开展了广泛的研究，目的是找出原因
2、和可行的解决方法。本文将介绍该方法及其结果。关键字：潮汐汊道；泥沙输运模型；波浪扰动；波浪模型1 背景介绍Thyborn港口位于Thyborn航道上，Thyborn航道是由北海通向Limfjord的入口，那里包含了所有穿越日德兰半岛到东海岸的汊道，见图1。航道中的水流受潮汐作用，进出内陆峡湾系统的水流主要受气象条件驱动。该港口在入口通道的西侧，南部沙洲的近岸区域，所以它被认为得到了很好的保护，免受来自北海的西向波浪的作用。该地理位置对于港口的发展十分重要，使其成为丹麦最繁忙的渔港之一，并成为丹麦北海岸第三大吨位商业港口。随着船只规模和港口吞吐量的增加，加强了对航道水深和波浪干扰等问题的重视。
3、图1Thyborn港口的位置该地区的自然条件十分活跃。1862年的一场严重的大风破坏了沙洲，并形成了目前Limfjord到北海的出口。在这之后，大量的泥沙通过航道输运至峡湾并落淤在浅滩推荐精选上。航道成为海岸泥沙的主要沉积地，而且航道北侧和南侧的沙洲发生严重的海岸侵蚀，侵蚀速率为20m/yr，海岸线后退距离最远约为1500m。为了稳定海岸保护Thyborn城镇，1870年开始计划修建丁坝群和防波堤，于1914年进行开工建设。实际上丁坝群对维护海岸线起到了一定作用，但由于丁坝末端以外的海岸线轮廓变陡，担心强风暴会对海岸造成强烈的冲刷Srensen等(1996)，Jacobsen等(1998)，所
4、以在1940年，决定关闭航道并修建闸门和船闸。随后由Lundgren教授倡议，对该区域进行了广泛的技术考察（见Per Bruun1954年博士论文），得出结论：在不关闭航道的情况下，该水域的条件基本可以满足使用要求，之后的监测和防护工作由丹麦海岸管理局执行。海岸变陡的速率持续减缓，可通过提供750,000m3/yr的泥沙补给来维持海岸线。图2破坏前海岸线的位置和目前的防护工程2 现状近年来，港口不断受到波浪干扰和维持通航水深在8m等问题的影响。波浪扰动的增加导致港口外的航运条件更差，同时导致港口南侧的防波堤出现越浪现象，见图3。在港内，波高的增加多次导致停泊处的破坏。这些条件不仅限于近岸的极端
5、波浪条件，还包括西北向的中等波浪条件。泥沙淤积发生在港口外的航道附近，导致通航水深低于规定的8m，尤其是在水位较低和恶劣的天气条件下，会引起船只触底。作为补救措施，在位于港口口门南侧的直立板桩防波堤前修建堆石斜坡堤。这些措施虽消除了对港口结构的直接威胁，但并没有解决港口航行和停泊的不利条件等问题推荐精选。图3港口口门南侧防波堤上严重的越浪（上图）和港池内的波浪干扰于是研究引起港口不利条件的原因，并探讨可能的解决方案：为什么波浪条件会改变，能找到补救措施吗？泥沙在港口前淤积的原因是什么？这项研究的主要内容是：1）用现有的数据进行分析，探讨在外力作用下的尤其是近岸的波浪条件下，水下地貌演变和历史变
6、化。2）通过率定过的波浪模型研究Thyborn航道的波浪条件并探讨改善措施。3）通过率定过的水流模型和泥沙输运模型来展示主要输运方式和港口口门前的泥沙淤积过程。目前的研究（如：Brker等，1996和Kystdirektoratet，1999）表明：从海岸到潮汐通道的沿岸输沙仍然存在，其中来自南部的沿岸输沙率为150-400,000m3/yr，北部的沿岸输沙率为0-100,000 m3/yr，见图4。丁坝群减少了泥沙沿岸输运，并将海岸侵蚀速率降低到2m/yr。通过岸滩补沙来平衡海岸侵蚀和维持海岸线。泥沙通过Thyborn航道输运，落淤在峡湾外侧的浅滩上，淤积速度大约500,000 m3/yr，
7、同时使得峡湾的海床高程升高，并加速其发展。推荐精选图4左：近岸波浪条件的波浪玫瑰图；右：泥沙总量的概算。港口口门前方的出入口处用红色椭圆标记。3 航道的地貌演变3.1 长期的地貌演变丹麦海岸管理局每5年对航道和潮汐通道近岸区域进行一次详细的勘察。历史地形和对水流泥沙输运的模拟为分析航道在过去一二十年的地貌演变奠定了基础。航道外部的北海口门处的水深相对较浅，约为7-10m，见图5。在航道出口处有一个浅滩，由此形成了两条引航道，一条在浅滩的北侧，另一条在南侧。对这两条引航道的选择决定于波浪和水流条件。两条引航道合并成为主航道。引航道外区水深逐步增加，同时引航道的位置随时间变化。港口北侧是一个水深约
8、为5-7m的淤积区，来自北海岸南部的部分泥沙在此淤积（图6）。淤积区的范围和水深随时间变化；然而航道内泥沙总的平衡趋势是冲刷的：航道内更多的泥沙被冲走并落淤在峡湾内的浅滩上，其数量大于外海的泥沙淤积量。主航道的主要趋势是向东偏移，远离港口，见图6。这扭转了之前2000-2007年港口入口外部的水深增加的趋势，水深从11m降低到了9m。2007年之后，该趋势仍然持续，为了维持保障通航水深在8m，需对港口前方进行疏浚。对波浪条件的分析表明，港口前方的泥沙疏浚量与波浪条件的恶劣程度正相关。 推荐精选图51990年和2005年的地形。注意在入口外的底床降低。港口北部的淤积区域用绿色椭圆标记。淤积区东侧
9、的航道加深用椭圆标识，淤积区南侧的水深减少也用椭圆标识。图6Thyborn航道的长期地貌演变。图上标识了从北海进入的两条引航道。主航道有向东移动的趋势，见蓝色箭头所指示。3.2 水流和泥沙输运通过对数值模拟结果的分析得到航道内的水流和泥沙输运的条件。基于丹麦海岸管理局的实测资料，采用MIKE 21 FM HD（水动力）建立水流模型。该模型考虑了气象、潮汐、波浪辐射应力和底摩擦，并根据以往的经验进行模型设置（Brker等，1996推荐精选）。在港口附近，距离南侧防波堤100m处进行了新的数据测量，重新率定底床糙率，为了能模拟入流时港口入口前方的环流/涡流单元及其强度，见图7。图8给出了2008年
10、11月，流速和流向的实测值与计算值的对比。由于存在环流，港口入口前方的年净输沙方向向北，与占主要地位的Limfjord方向的输运反向（见图9）。该地区的地形证实了水流的输运方向，因此在规划疏浚作业时也必须考虑到这点。模拟泥沙输运场采用MIKE 21 FM ST（泥沙输运）模型，该模型适用于描述一个波浪周期时间尺度内的确定的泥沙输运情况。入流 出流图7入流时的瞬时流场的模拟结果（左）；出流时（右）图82008年11月，防波堤南侧的流速和流向的实测值与计算值。丹麦海岸管理局测量。推荐精选该模型通过对水位、潮流和波浪的实测值进行统计分析，计算年泥沙输运场。自1990年航道向东偏移导致航道东侧丁坝处的
11、水深增加。对港口口门对面的丁坝冲刷加大使得两个丁坝坝头位置后退，并造成沙洲南部的冲刷。水流泥沙输运模型表明，丁坝长度变短导致出流流速变弱，口门处的泥沙向北输运，增加了港口口门处的泥沙淤积，从而加大航道向东偏移的趋势。图91995-2008年水动力条件下的年平均净输沙场4 求解4.1 确定海浪波动增大的原因结合实测数据，应用波浪变形数学模型来描述港口波浪问题。波浪问题主要发生在W向和NW向强风浪作用期间以及之后很短的一段时间。这些现象通过录像或者照片被记录下来。图3是一个越浪的例子，取自一段视频记录，可以看出波高被局部放大-即马赫效应。当入射波向与来自防波堤的反射波向接近时，就会发生这种现象。推
12、荐精选在港口口门处进行了为期4个月的波浪实测，在Thyborn航道外侧16米水深处也进行测量。下图给出了为期2个月的港区和近海处的实测波高值。期间港口处最大波高(Hm0)为2m。图10港口（蓝色）和近海处（红色）的实测波高Hm0(m)图11表明与离岸波向相对应的波高变化。从图上看出，在离岸波向为290-300N时港口的波浪最大。较大波的波周期为8-12s。图11离岸波向与波高Hm0(m)的关系示意图搭建一系列波浪数学模型包括：1)验证港口处的波浪变形；2)模拟历史地形条件下的波浪变形；3)得到求解方案。搭建波浪模型，包括MIKE 21 FM SW, MIKE 21 BW和MIKE 21 PMS
13、。MIKE 21 FM SW是谱波浪模型，用来模拟在变化的水位和流场影响下的长时间的波浪变形。SW模型主要应用于泥沙传输模拟。图12是MIKE 21 FM SW模型的模拟结果，分别给出了港口波高的实测值和计算值。选择近海的实测波浪条件作为边界条件。推荐精选图12实测（黑色）和计算（粉色）波高值(Hm0)。模型：MIKE 21 SWMIKE 21 BW是公认的最精确的波浪模型。它能够详细的模拟地形和结构物。BW可用来模拟驻波。图13和图14是用MIKE 21 BW模拟的波向为300N、波周期为10s的波浪场结果。图13比波高值。波向为300N, Tp=10s图14港口局部示意图，左图：地形；中间
14、：Hm0；离岸处Hm0=1；右图：水面高程推荐精选从图上可以明显的看出，在航道上的几处位置发生了明显的波浪集聚。这主要是由于复杂的地形引起了波浪折射。港口北侧的地形对口门处的波浪影响很大，因为此处的地形复杂，有水深为15m的天然航道，靠近航道有一个最小水深为5m的浅滩。这使得波浪在此处发生辐聚，并且改变口门处的波向。将模型计算值与实测值进行对比，可以得出：港口的大波发生在近海，波向为290N-320N，波周期为8-12s。在港口北部的东北坡浅滩处，波浪发生辐聚并转向口门。4.2 地形变化对波浪条件的影响在2008年之前的几年时间里，波浪条件发生了变化，针对历史地形条件下的波浪变形也做了调查研究
15、。根据历史地形数据，搭建了两个模型：一个是针对2008年的地形条件，另一个针对2004年的地形。2004年，港口不存在波浪问题。分别对两个地形进行波浪模拟，模拟港口处引起大波的波浪条件。两个模型的地形见图15。图152004年（左图）和2008年（右图）的地形图16是模拟结果，给出了波向为300N、Tp=10s的入射波条件下的比波高。图17是瞬时水面高程。图16和图17的模拟采用相同的时间序列作为波浪边界条件。两张照片取自同一时刻，港口口门外的波浪条件区别明显。从模拟结果可以清楚的看到，在2004-2008年期间地形的变化引发了波浪问题。总的来说，口门处的波高从2004年到2008年增加了一倍多。推荐精选图16相对Hm0。波向300N。左图：2004年地形条件。右图：2008年地形条件。图17水面高程示意图。左图：2004年地形条件。右图：2008年地形条件。从2004-2008年的地形变化和波浪变形的变化发现，有三个主要区域对波浪变形影响非常大，见图
