飛雁灘附近海域水文環境問題及潛堤保灘措施

1油田建設開發費用黃河于1976年5月遷至青鹿街后，由于雁灘地區未產生新的沉積物源，1992年正式開發的飛雁灘油田線受到侵蝕，尤其是近年來，氣候變化很大，風暴上升，油田建設和開發成本顯著增加。為此,我們針對飛雁灘油田進行了保灘促淤的先導性試驗研究工作,利用潛堤阻擋和減弱外海浪作用,在潛堤后方造成一波浪比外海浪作用為弱的空間,使外海的浪沙進入潛堤后,在漫水路與潛堤圍成的壩格田內淤積,達到防止漫水路路堤前的海床蝕退以及減少對漫水路的波浪力作用的目的。2島海域的潮現象通過對飛雁灘油田埕島海區中心一號石油平臺進行潮位觀測,獲得一整年的潮位資料,又結合附近驗潮站的部分歷史資料,經分析研究,確定了水位記錄零點與黃海基準面的關系,即比黃海基準面高出0.153m,同時對埕島海域的潮汐特征得出了以下幾點結論:(1)本海區的潮汐性質為不正規日潮與不正規半日潮之間。(2)本海域平均高潮高為0.603m(黃海基面起算,下同),平均低潮高為-0.277m,最高天文潮高為0.973m,最低天文潮高為-1.087m,理論深度基準面在黃海基面下0.797m。(3)本海域設計高水位為1.003m,設計低水位為-0.887m,校核高水位為2.403m,校核低水位為-1.887m。(4)本海域為弱潮差區,平均潮差為0.89m,最大潮差可達2.32m。(5)本海域的增、減水幅度較附近海區小,觀測點的增減水量較岸邊小。50年一遇最大增水為1.49m,100年一遇的最大增水為1.70m。3壩田植物結構型式的組合根據對飛雁灘附近海域的水文地質資料的分析研究,提出利用潛堤保灘促淤方案,并認為潛堤結構型式的選擇應遵循以下原則:(1)進流均勻,盡量使更多的推移質、懸移質泥沙進入壩田,提高促淤效果。(2)較好地削弱波能,從而有效地保護后方灘地和大堤。(3)減少退潮時帶出的泥沙,盡可能把落淤下來的沙土阻擋在壩田內,更好地起到保灘作用。(4)有一定的技術安全儲備,能抵御當地風浪、冰凌、地震、海底侵蝕等各種惡劣自然災害的侵襲。基于以上原則,考慮了五種類型的結構型式,即:第一種類型:模袋混凝土和長管袋的組合。第二種類型:石枕和瀝青混凝土面層的組合。第三種類型:壓漿混凝土。第四種類型:預制實體構件組裝。第五種類型:預制透水構件組裝。經過有關技術專家和設計人員的優化選型后,確定采用第五種類型的結構型式,而在此類型中又比較了四種結構方案(有矩型、拱型、梯型和槽型),如表1所示。4影響潛堤滑動的主要因素對上述四種結構方案的潛堤,分別進行了不同海床土質的斷面穩定物理模型試驗研究,見表2和表3,根據試驗結果得到以下認識:(1)四種潛堤頂高程相同,試驗觀測所受波浪力大小的排序為:矩型較大,拱型其次,梯型和槽型居后。(2)兩類土樣共3種含水量的試驗模型的穩定情況表明,表層滑動的臨界狀態,不打樁就沒有安全儲備。因此實際應用時,需要考慮安全儲備(如打前板樁、中間樁或加重等)措施。(3)試驗結果(穩定或不穩定)是對模型潛堤而言的。對于摩擦角較大,而粘聚力很小的土,所列結果與原型接近,這是因為當粘聚力值小到可以忽略時,摩阻力只與摩擦角有關,滑動穩定的相似條件得到滿足。對于粘聚力值不可忽略的情況,滑動穩定的相似條件無法滿足,而且由于粘聚力值的存在,使試驗結果偏向危險方向(即模型穩定,原型卻不一定穩定),不宜直接使用試驗研究結果。(4)目前我國沒有現行的理論公式或規范公式計算潛堤波浪力,又缺少潛堤現場的土質資料,在確定使用潛堤結構型式后,要做相應的波浪力試驗及底板拖拉試驗,取得波浪力及摩阻力數據供設計參考使用,以獲得穩定的潛堤。(5)潛堤施工前,還需要沿潛堤軸線測量海底灘面高程,并鉆孔取樣獲得潛堤基床的地質資料,以供設計參考使用。5透射系數測試方法潛堤透射系數是波浪透(越)過潛堤時,堤后波高與入射波高的比值:Kt=Ht/Hi它是潛堤削減波浪能力的主要指標。在此項研究中,對于飛雁灘保灘促淤工程中提出的四種結構型式的潛堤分別進行波浪水槽試驗,測定其透射系數,以檢驗這些結構形式的消浪能力,研究中對海床高程分別考慮了0.0m和灘面沖蝕降低呈-1.0m時的兩種情況,每種情況下的不同結構型式又考慮18種試驗水位。與潛堤透射系數相關的物理量見圖1所示。圖中R為潛堤頂部的水深,Hi為入射波高,Ht為透射波高。當水位超過堤頂時,R為正值,當水位低于堤頂時,R為負值。波浪越過潛堤時,一部分波能被反射,另一部分波能由于堤頂水深限制而破碎損耗,剩余的能量即為透射波能量。即:透射波能量=入射波能量-反射波能量-波浪破碎損耗的能量由上式可見,透射波高與反射波能量及波浪破碎損耗能量有關。反射波能量越大,波浪破碎耗能越大,透射波高越小,即透射系數Kt越小,潛堤的消浪能力越好。在試驗研究中,所有的試驗組次在不同水位條件下,波浪都發生破碎。在高水位時,波浪在越過堤頂后,在堤后方一定的距離破碎。在低水位時,則直接在堤頂或堤附近破碎。低水位時,波能損耗的比例(破碎耗能的波能與入射的波能之比)要大一些。另一方面,波浪的反射也是水位越低,反射率也越大。在相對堤頂水深為負的情況下,即靜止水位低于堤頂標高時,在堤前可以看到明顯的立波現象,這些都說明堤頂水深是影響透射系數最重要的因素。潛堤對于海床為0.0m的情況,就削減波能功能而言,較優的結構型式是槽型與梯型。當堤頂相對水深為負值時,槽型結構型式更優于梯型。矩型的結構型式與槽型、梯型結構型式相比,透射系數相差不大,但在相對堤頂水深R/Hi為0～0.3之間透射系數值有一平臺,Kt值為0.59左右,較槽型、梯型稍大。四種型式中,拱型結構消浪的效果最差,由于頂部呈圓弧形,對波浪的反射作用最差,越浪的條件卻最好,其透射系數與其他型式相比,全面偏大,特別是R/Hi為負值時,Kt值與其他型式相比大50%,最大相差值在0.1以上。海床被侵蝕下降1m時,在削減波能方面,槽型結構的優點更為明顯,透射系數全面小于其他三種型式。根據研究得知,槽型結構的后翼形成了第二反射面,當堤頂水深較小時,可以看到波浪在槽型后翼上的強烈破碎。矩型與梯型結構型式的透射系數比較接近,但與槽型相比,普遍高出0.05～0.08左右。四種結構型式中,最差的仍是拱型,當R/Hi為負值時,與矩型和梯型結構相比,Kt超過0.1左右,與槽型結構相比,可達0.2左右。試驗研究分析得到的透射系數實驗值,可表示為下面的表達式:Kt=a(R/Hi)+b根據不同情況、不同結構型式、不同相對堤頂水深R/Hi,a、b為取不同值的系數。a的變化值在0.04～0.7;b的變化值在0.35～0.81。6保灘促淤先導性試驗研究(1)當水位為校核高水位時(20年一遇水位為2.93m),透射系數Kt≈0.95,即進入堤后的波浪,波高減少了5%,波能減少了10%。由于需要的塊體重量與作用的波高三次方成正比,因此建筑物的安全系數可提高17%左右。(2)由于淤積是成年累月累積的結果,所以著眼點應該放在經常出現的水位并且產生較大波高的情況,大約可取水位在0.3m到設計高水位1.57m之間(其發生頻率為59%)。當水位為1.57m時,堤頂水深最大值僅為0.32m,堤頂相對水深R/Hi在波高較大(外海來波H大于1m)的情況下約為0.34m左右。從試驗數據來看,不管采用何種結構型式,透射系數Kt值不超過0.7。這意味著進入堤后的波高不超過0.7倍入射波高,即波能不超過入射波能的一半。根據國內常用的波浪作用下的水體挾沙能力公式,波浪水體挾沙能力與波高平方成正比,也就是說由于波高的減少,堤后水體的挾沙能力僅為堤前的1/2左右,或進入堤后的挾沙水體中,有50%左右的含沙量是超飽和部分,只要有足夠停留時間,這部分泥沙將大部分或全部落淤于灘面。當地的泥沙中值粒徑約為0.02mm,其沉降速度是0.16mm/s。我們仍考慮為設計高水位1.57m的情況,這時堤后水深為1.57m,表面層的泥沙沉降到底面僅需2.7小時。但潮位漲到最高值時,潮位會下落,堤后水體會外泄,故不會全部多余泥沙都在堤后淤下來。通過計算,估計在整個潮期內,大約80%的多余泥沙,或者