《粉沙質海岸泥沙運動理論與港口航道工程設計》系統(tǒng)總結了我國粉沙質海岸理論研究及工程實踐成果,對粉沙質海岸港口與海岸工程設計建設,以及粉沙質海岸已有港口的擴建、疏浚維護等均具有指導意義。全書共分9章:第1章介紹了粉沙質海岸界定標準;第2章系統(tǒng)介紹了粉沙質海岸泥沙粒徑、含泥量、沉降及起動等物理特性;第3章結合典型粉沙質海岸,介紹了海岸含沙量分布、復合沿岸輸沙等泥沙運動特征與規(guī)律;第4章介紹了二維、三維水沙數(shù)學模型及航道驟淤模擬研究;第5章介紹了粉沙質海岸泥沙物理模型的設計;第6章介紹了粉沙質海岸航道泥沙淤積計算、驟淤統(tǒng)計特性及驟淤預測方法;第7章介紹了粉沙質海岸港口布置模式、航道及防沙堤設計原則和方法等;第8章結合我國粉沙質海岸港口工程實踐,介紹了不同類型粉沙質海岸的工程案例;第9章對粉沙質海岸的研究及工程技術發(fā)展進行了展望,提出了需進一步研究的問題。
《粉沙質海岸泥沙運動理論與港口航道工程設計》是著者及其研究團隊多年理論成果和工程應用的總結,旨在為從事海岸港口工程的廣大技術人員了解粉沙質海岸泥沙研究及港口航道建設*成果、進一步開展工程建設和相關研究提供借鑒和指導。
《粉沙質海岸泥沙運動理論與港口航道工程設計》可供從事海岸工程及泥沙研究的科研、設計、管理、建設人員等使用,也可供海岸工程專業(yè)相關院校師生參考。
在我國的遼東、冀北、魯北、蘇北、浙東等海岸線上,散落分布著大量的粉沙質海岸。粉沙質海岸泥沙的活動性很大,在風浪作用下極易起動,也很容易沉降,因此在粉沙質海岸上建港,港口航道的泥沙淤積是海港建設發(fā)展需首先解決的問題。由于泥沙淤積的困擾,我國很多粉沙質海岸段被稱為“建港禁區(qū)”,長期以來缺乏成規(guī)模的港口。20世紀80年代末,隨著我國改革開放的深入及對外貿(mào)易的發(fā)展,為解決我國港口通過能力不足等問題,許多粉沙質海岸所在地區(qū)相繼提出了建設港口、打通海上通道的需求。
粉沙質海岸是一種特殊類型的海岸。按照海岸帶的海床物質組成和泥沙運動的一般規(guī)律,我國水運行業(yè)標準《港口工程技術規(guī)范(1987)》和《海港水文規(guī)范》(JTJ213-98)把海岸類型劃分為淤泥質海岸和沙質海岸,對于岸灘物質介于沙質海岸和淤泥質海岸之間的粉沙質海岸未明確定義。20世紀90年代,我國在粉沙質海岸陸續(xù)建設京唐港、濰坊港和黃驊港。限于當時對海岸性質的認識水平和行業(yè)規(guī)范的局限,京唐港和黃驊港分別按照沙質海岸和淤泥質海岸泥沙運動理論指導設計和建設,港口建設過程中及建成后外航道頻繁遭遇泥沙淤積的困擾。而濰坊港起步工程設計成離岸島式,通過一條伸入海中長約10km的引堤將碼頭區(qū)與陸地連接,未開挖人工航道,利用天然水深供3000噸級船舶進出港口,規(guī)避了泥沙淤積問題,但港口規(guī)模也受到了限制。
2003年10月10—13日,一場突來的寒潮大風給我國渤海灣造成了一次特大風暴潮。在其影響下,剛剛建成、連接朔黃鐵路、承擔國家“北煤南運”重任的重要港口——黃驊港遭受了巨大打擊,該港外航道發(fā)生了強烈驟淤,11m深航道基本淤平,淤積量高達1000多萬m3,港口被迫停止運營,南方多個電廠電煤供應受到影響,經(jīng)濟損失及社會影響巨大。而此前在黃驊港建設過程中,就是因為外航道淤積嚴重,且沉積泥沙板結堅硬,疏浚開挖效率極低,造成航道不得不改線建設。一時間黃驊海岸能不能建港成了業(yè)界爭論的話題,不僅影響了神華集團“礦路港”一體化運營,甚至一度影響了我國“北煤南運”的戰(zhàn)略實施。與此同時,在相同時間,距黃驊港約140km的京唐港也遭受了同樣的災難,外航道發(fā)生了嚴重驟淤,口門段航道基本淤平,港口也被迫停止運營,損失嚴重。濰坊港由于采用島式布局,沒有開挖人工航道而免于災難。然而,同樣在此災害天氣條件下,位于黃驊
粉沙質海岸泥沙運動理論與港口航道工程設計
港與京唐港之間的天津港,以及鄰近京唐港的秦皇島港,卻僅僅受到了輕微的影響。到底是什么原因造成了這樣巨大的差異?當時這在業(yè)界引起了巨大反響。問題顯然不是出現(xiàn)在風浪、水流等動力條件上,而是在底質泥沙上。天津港處于淤泥質海岸,秦皇島港處于沙質海岸,經(jīng)過多年研究實踐,國內(nèi)外對這兩類海岸性質特征及泥沙運動規(guī)律已有較多的研究,港口設計與建設也有較成熟的技術可遵循,所以這兩個港口在這次風暴潮作用下并沒有遭受重大損失。黃驊港和京唐港所處海岸性質是介于兩者之間的粉沙質海岸,在兩港建設之前,國內(nèi)外均沒有在此類海岸建設深水大港的工程先例。根據(jù)調研,國外并沒有粉沙質海岸概念,當時國內(nèi)對這類海岸的研究也基本處于空白狀態(tài)。總體上,對粉沙質海岸泥沙運動規(guī)律和在這類海岸建設海岸工程從本質上缺乏認識,亟須對粉沙質海岸特性、泥沙運動規(guī)律、港口航道設計原則與方法等方面加以研究。
經(jīng)過多年研究攻關,我國在粉沙質海岸泥沙運動理論、泥沙運動規(guī)律、泥沙淤積預報方法、數(shù)學模型及物理模型試驗手段、工程設計方法等方面取得了大量研究成果,成功實施了黃驊港外航道整治工程、唐山港京唐港區(qū)航道工程等,并應用于其他粉沙質海岸港口工程設計中,助推了粉沙質海岸港口建設。本書系統(tǒng)總結了我國粉沙質海岸理論研究及工程實踐成果,對未來粉沙質海岸港口航道及海岸工程設計、建設,以及已有港口的擴建、維護等均具有指導意義。
本書的編寫與出版得到了中交第一航務工程勘察設計院有限公司、交通運輸部天津水運工程科學研究所、南京水利科學研究院、天津大學、上?茖W技術出版社的大力支持,在此一并致謝。
由于粉沙質海岸類型的多樣性及泥沙運動的復雜性,港口航道及海岸工程實踐也面臨一些新問題,相關研究仍在不斷深化,加之作者水平有限,難免有不足及疏漏之處,敬請讀者批評指正。
季則舟,教授級高級工程師。全國水運工程勘察設計大師,交通運輸部專家委員會委員,天津市港口環(huán)保與生態(tài)設計工程技術中心主任,國務院特殊津貼專家。兼任中國海洋工程學會常務理事、中國土木工程學會港口工程分會副理事長、中國工程建設標準化協(xié)會水運專業(yè)委員會副主任委員、天津市水運學會副理事長等。長期從事海岸動力及海岸工程理論研究與工程設計。主持了50多項大中型港口航道等水運工程咨詢設計工作,包括粉沙質海岸港口航道設計研究,主持完成科研項目30余項。獲國家科技進步二等獎2項、省部級科技一等獎9項,國家設計、咨詢獎8項,省部級設計、咨詢一等獎15項;主持編制6部水運行業(yè)設計規(guī)范;主編《海港工程設計手冊(第二版)》(上、中、下冊);發(fā)表論文30余篇。
張華慶,研究員,博士生導師。交通運輸部天津水運工程科學研究所副所長兼總工程師,港口水工建筑技術國家工程實驗室主任,交通運輸部專家委員會委員。長期從事海洋水動力和港口航道工程領域水沙科學基礎理論、工程技術研究,創(chuàng)建了港口水工建筑技術國家工程實驗室,主持研制了具有****水平的波浪-結構-地基耦合作用大科學裝置,研發(fā)了我國具有自主知識產(chǎn)權的“河口海岸波浪、潮流、泥沙、溫度和鹽度多功能數(shù)值模擬軟件(TK-2D)”,等等!胺凵迟|海岸泥沙運動規(guī)律研究”等項目獲3項國家科技進步二等獎,領銜獲得省部級科技獎勵12項;出版著作4部;發(fā)表論文40余篇。
肖立敏,高級工程師。南京水利科學研究院河流海岸研究所海域利用與海島保護研究室副主任。主要從事海岸動力、泥沙運動基本規(guī)律和海岸工程泥沙問題研究。主持完成京唐港區(qū)和東營港區(qū)等10多個不同海岸類型港口航道的水動力與泥沙關鍵技術問題研究,主持或參與完成海河口、永定新河口、獨流減河口等近10項河口防洪與綜合治理研究。獲省部級科技進步一等獎2項、二等獎1項;授權國家發(fā)明專利3項、實用新型專利1項;發(fā)表論文10余篇。
張金鳳,天津大學建筑工程學院教授,博士生導師。從事海岸動力過程與河口海岸泥沙運動機理、波浪-海床-結構物相互作用及災害性氣候數(shù)值模擬等方面的研究,首次從介觀尺度對黏性泥沙絮凝過程進行數(shù)值模擬,開辟了從細觀尺度研究黏性泥沙運動機理的新途徑,豐富了黏性泥沙輸移理論。主持和參與國家“863”項目、重點研發(fā)計劃、國家自然基金聯(lián)合(重點)項目及面上項目等10余項,天津市自然科學重點基金及其他省部級和橫向科研課題多項。獲水運建設行業(yè)科技進步一等獎1項;出版1部教材;發(fā)表論文60余篇。
第1章 粉沙質海岸界定
1.1 地貌學海岸分類
1.1.1 基巖港灣海岸
1.1.2 平原海岸
1.1.3 河口海岸
1.1.4 生物海岸
1.2 海岸工程學海岸分類
1.2.1 淤泥質海岸
1.2.2 沙質海岸
1.2.3 粉沙質海岸
1.3 粉沙質海岸界定
1.3.1 京唐港區(qū)海岸泥沙分布特征
1.3.2 黃驊港海岸泥沙分布特征
1.3.3 粉沙質海岸定義
第2章 粉沙質海岸泥沙物理特性
2.1 粉沙的分布特征
2.1.1 表層沉積物中值粒徑分布特征
2.1.2 表層沉積物細顆粒含量分布特征
2.1.3 表層沉積物類型分布特征
2.1.4 表層沉積物分選程度分布特征
2.2 粉沙的沉降特性
2.2.1 沉降試驗泥沙來源
2.2.2 沉降試驗裝置及試驗過程
2.2.3 試驗結果
2.2.4 試驗結果分析
2.3 粉沙的起動特性
2.3.1 波浪作用下的泥沙起動
2.3.2 泥沙起動的界限水深
2.3.3 波流共同作用下泥沙起動
第3章 粉沙質海岸泥沙運動規(guī)律
3.1 粉沙質海岸泥沙運動的一般特征
3.2 含沙量橫向分布
3.2.1 含沙量橫向分布特征
3.2.2 不同海況下含沙量橫向分布特征比較
3.3 含沙量垂向分布特征
3.3.1 潮流作用下含沙量垂線分布
3.3.2 波浪作用下含沙量垂線分布
3.3.3 波流共同作用下含沙量垂線分布
3.4 復合沿岸輸沙率
3.4.1 沿岸輸沙率公式
3.4.2 復合沿岸輸沙率初步估算公式
3.4.3 復合沿岸輸沙率試驗概況
3.4.4 復合沿岸輸沙率試驗及參數(shù)確定/91目錄
第4章 水沙數(shù)學模型
4.1 二維水沙數(shù)學模型建立及應用
4.1.1 波流共同作用下水體挾沙能力
4.1.2 二維水沙數(shù)學模型的建立
4.1.3 二維水沙模型在黃驊港的應用
4.2 三維水沙數(shù)學模型建立及應用
4.2.1 三維水沙數(shù)學模型的建立
4.2.2 粉沙質海岸航道淤積機理的模擬研究
4.2.3 粉沙質海岸航道大風驟淤三維數(shù)值模擬
第5章 泥沙物理模型
5.1 波流共同作用下泥沙物理模型設計
5.1.1 潮流運動相似
5.1.2 波浪運動相似
5.1.3 泥沙運動相似
5.2 模型沙選擇
5.2.1 平面與垂直比尺
5.2.2 底質分布特征
5.2.3 模型沙選擇
5.3 動床模型構建
5.3.1 模型布置與控制量測系統(tǒng)
5.3.2 模型制作
5.3.3 動力要素確定
5.4 航道驟淤物理模型試驗驗證
5.4.1 潮汐潮流驗證
5.4.2 風暴潮大浪航道驟淤驗證
5.5 航道驟淤物理模型試驗案例
5.5.1 深水航道口門防波擋沙堤布置研究主要方案
5.5.2 深水航道建設初期,風暴潮條件航道防淤減淤措施研究
5.5.3 深水航道建設初期,平常浪條件航道防淤減淤措施研究
5.5.4 較長水文年系列航道淤積物理模型試驗
第6章 粉沙質海岸航道泥沙淤積的預報
6.1 航道泥沙淤積計算
6.1.1 三層模式計算
6.1.2 考慮復合沿岸輸沙的航道淤積預測計算
6.2 驟淤統(tǒng)計特性及驟淤預測
6.2.1 驟淤統(tǒng)計特性
6.2.2 基于“有效風能概念”的驟淤預測
第7章 粉沙質海岸港口航道設計
7.1 粉沙質海岸港口布置模式
7.1.1 粉沙質海岸泥沙淤積特點
7.1.2 粉沙質海岸港口布置模式
7.2 設計驟淤重現(xiàn)期及防治標準
7.2.1 航道驟淤重現(xiàn)期
7.2.2 驟淤防治標準
7.3 航道設計
7.3.1 航道通航標準
7.3.2 確定考慮驟淤影響的航道通航標準的原則
7.3.3 最大允許驟淤強度
7.3.4 粉沙質海岸港口航道參數(shù)設計
7.4 防沙堤設計
7.4.1 防沙堤布置
7.4.2 防沙堤長度
7.4.3 防沙堤高程
7.4.4 防沙堤間距
7.5 粉沙質海岸港口減淤設計準則
第8章 工程應用
8.1 黃驊港工程
8.1.1 港口概況
8.1.2 環(huán)境動力條件
8.1.3 海岸地貌特征
8.1.4 泥沙環(huán)境
8.1.5 煤炭港區(qū)一期工程淤積狀況
8.1.6 煤炭港區(qū)外航道整治工程
8.1.7 綜合港區(qū)防波擋沙堤及航道設計方案
8.1.8 工程實施效果
8.2 唐山港京唐港區(qū)工程
8.2.1 港口概況
8.2.2 環(huán)境動力條件
8.2.3 海岸地貌特征
8.2.4 泥沙環(huán)境
8.2.5 航道減淤工程實施方案
8.2.6 工程實施效果
8.3 濰坊港工程
8.3.1 港口概況
8.3.2 環(huán)境動力條件
8.3.3 海岸地貌特征
8.3.4 泥沙環(huán)境
8.3.5 防波擋沙堤及航道設計方案
8.3.6 工程實施效果
8.4 東營港東營港區(qū)工程
8.4.1 港口概況
8.4.2 環(huán)境動力條件
8.4.3 海岸地貌特征
8.4.4 泥沙環(huán)境
8.4.5 防波擋沙堤及航道設計方案
8.4.6 淤積預測
8.5 東營港廣利港區(qū)工程
8.5.1 港口概況
8.5.2 環(huán)境動力條件
8.5.3 海岸地貌特征
8.5.4 泥沙環(huán)境
8.5.5 防波擋沙堤及航道設計方案
8.5.6 淤積分析
8.5.7 工程實施效果
……
第9章 展望