飞雁滩附近海域水文环境问题及潜堤保滩措施

飞雁滩附近海域水文环境问题及潜堤保滩措施

1油田建设开发费用黄河于1976年5月迁至青鹿街后，由于雁滩地区未产生新的沉积物源，1992年正式开发的飞雁滩油田线受到侵蚀，尤其是近年来，气候变化很大，风暴上升，油田建设和开发成本显著增加。为此,我们针对飞雁滩油田进行了保滩促淤的先导性试验研究工作,利用潜堤阻挡和减弱外海浪作用,在潜堤后方造成一波浪比外海浪作用为弱的空间,使外海的浪沙进入潜堤后,在漫水路与潜堤围成的坝格田内淤积,达到防止漫水路路堤前的海床蚀退以及减少对漫水路的波浪力作用的目的。2岛海域的潮现象通过对飞雁滩油田埕岛海区中心一号石油平台进行潮位观测,获得一整年的潮位资料,又结合附近验潮站的部分历史资料,经分析研究,确定了水位记录零点与黄海基准面的关系,即比黄海基准面高出0.153m,同时对埕岛海域的潮汐特征得出了以下几点结论:(1)本海区的潮汐性质为不正规日潮与不正规半日潮之间。(2)本海域平均高潮高为0.603m(黄海基面起算,下同),平均低潮高为-0.277m,最高天文潮高为0.973m,最低天文潮高为-1.087m,理论深度基准面在黄海基面下0.797m。(3)本海域设计高水位为1.003m,设计低水位为-0.887m,校核高水位为2.403m,校核低水位为-1.887m。(4)本海域为弱潮差区,平均潮差为0.89m,最大潮差可达2.32m。(5)本海域的增、减水幅度较附近海区小,观测点的增减水量较岸边小。50年一遇最大增水为1.49m,100年一遇的最大增水为1.70m。3坝田植物结构型式的组合根据对飞雁滩附近海域的水文地质资料的分析研究,提出利用潜堤保滩促淤方案,并认为潜堤结构型式的选择应遵循以下原则:(1)进流均匀,尽量使更多的推移质、悬移质泥沙进入坝田,提高促淤效果。(2)较好地削弱波能,从而有效地保护后方滩地和大堤。(3)减少退潮时带出的泥沙,尽可能把落淤下来的沙土阻挡在坝田内,更好地起到保滩作用。(4)有一定的技术安全储备,能抵御当地风浪、冰凌、地震、海底侵蚀等各种恶劣自然灾害的侵袭。基于以上原则,考虑了五种类型的结构型式,即:第一种类型:模袋混凝土和长管袋的组合。第二种类型:石枕和沥青混凝土面层的组合。第三种类型:压浆混凝土。第四种类型:预制实体构件组装。第五种类型:预制透水构件组装。经过有关技术专家和设计人员的优化选型后,确定采用第五种类型的结构型式,而在此类型中又比较了四种结构方案(有矩型、拱型、梯型和槽型),如表1所示。4影响潜堤滑动的主要因素对上述四种结构方案的潜堤,分别进行了不同海床土质的断面稳定物理模型试验研究,见表2和表3,根据试验结果得到以下认识:(1)四种潜堤顶高程相同,试验观测所受波浪力大小的排序为:矩型较大,拱型其次,梯型和槽型居后。(2)两类土样共3种含水量的试验模型的稳定情况表明,表层滑动的临界状态,不打桩就没有安全储备。因此实际应用时,需要考虑安全储备(如打前板桩、中间桩或加重等)措施。(3)试验结果(稳定或不稳定)是对模型潜堤而言的。对于摩擦角较大,而粘聚力很小的土,所列结果与原型接近,这是因为当粘聚力值小到可以忽略时,摩阻力只与摩擦角有关,滑动稳定的相似条件得到满足。对于粘聚力值不可忽略的情况,滑动稳定的相似条件无法满足,而且由于粘聚力值的存在,使试验结果偏向危险方向(即模型稳定,原型却不一定稳定),不宜直接使用试验研究结果。(4)目前我国没有现行的理论公式或规范公式计算潜堤波浪力,又缺少潜堤现场的土质资料,在确定使用潜堤结构型式后,要做相应的波浪力试验及底板拖拉试验,取得波浪力及摩阻力数据供设计参考使用,以获得稳定的潜堤。(5)潜堤施工前,还需要沿潜堤轴线测量海底滩面高程,并钻孔取样获得潜堤基床的地质资料,以供设计参考使用。5透射系数测试方法潜堤透射系数是波浪透(越)过潜堤时,堤后波高与入射波高的比值:Kt=Ht/Hi它是潜堤削减波浪能力的主要指标。在此项研究中,对于飞雁滩保滩促淤工程中提出的四种结构型式的潜堤分别进行波浪水槽试验,测定其透射系数,以检验这些结构形式的消浪能力,研究中对海床高程分别考虑了0.0m和滩面冲蚀降低呈-1.0m时的两种情况,每种情况下的不同结构型式又考虑18种试验水位。与潜堤透射系数相关的物理量见图1所示。图中R为潜堤顶部的水深,Hi为入射波高,Ht为透射波高。当水位超过堤顶时,R为正值,当水位低于堤顶时,R为负值。波浪越过潜堤时,一部分波能被反射,另一部分波能由于堤顶水深限制而破碎损耗,剩余的能量即为透射波能量。即:透射波能量=入射波能量-反射波能量-波浪破碎损耗的能量由上式可见,透射波高与反射波能量及波浪破碎损耗能量有关。反射波能量越大,波浪破碎耗能越大,透射波高越小,即透射系数Kt越小,潜堤的消浪能力越好。在试验研究中,所有的试验组次在不同水位条件下,波浪都发生破碎。在高水位时,波浪在越过堤顶后,在堤后方一定的距离破碎。在低水位时,则直接在堤顶或堤附近破碎。低水位时,波能损耗的比例(破碎耗能的波能与入射的波能之比)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。在相对堤顶水深为负的情况下,即静止水位低于堤顶标高时,在堤前可以看到明显的立波现象,这些都说明堤顶水深是影响透射系数最重要的因素。潜堤对于海床为0.0m的情况,就削减波能功能而言,较优的结构型式是槽型与梯型。当堤顶相对水深为负值时,槽型结构型式更优于梯型。矩型的结构型式与槽型、梯型结构型式相比,透射系数相差不大,但在相对堤顶水深R/Hi为0～0.3之间透射系数值有一平台,Kt值为0.59左右,较槽型、梯型稍大。四种型式中,拱型结构消浪的效果最差,由于顶部呈圆弧形,对波浪的反射作用最差,越浪的条件却最好,其透射系数与其他型式相比,全面偏大,特别是R/Hi为负值时,Kt值与其他型式相比大50%,最大相差值在0.1以上。海床被侵蚀下降1m时,在削减波能方面,槽型结构的优点更为明显,透射系数全面小于其他三种型式。根据研究得知,槽型结构的后翼形成了第二反射面,当堤顶水深较小时,可以看到波浪在槽型后翼上的强烈破碎。矩型与梯型结构型式的透射系数比较接近,但与槽型相比,普遍高出0.05～0.08左右。四种结构型式中,最差的仍是拱型,当R/Hi为负值时,与矩型和梯型结构相比,Kt超过0.1左右,与槽型结构相比,可达0.2左右。试验研究分析得到的透射系数实验值,可表示为下面的表达式:Kt=a(R/Hi)+b根据不同情况、不同结构型式、不同相对堤顶水深R/Hi,a、b为取不同值的系数。a的变化值在0.04～0.7;b的变化值在0.35～0.81。6保滩促淤先导性试验研究(1)当水位为校核高水位时(20年一遇水位为2.93m),透射系数Kt≈0.95,即进入堤后的波浪,波高减少了5%,波能减少了10%。由于需要的块体重量与作用的波高三次方成正比,因此建筑物的安全系数可提高17%左右。(2)由于淤积是成年累月累积的结果,所以着眼点应该放在经常出现的水位并且产生较大波高的情况,大约可取水位在0.3m到设计高水位1.57m之间(其发生频率为59%)。当水位为1.57m时,堤顶水深最大值仅为0.32m,堤顶相对水深R/Hi在波高较大(外海来波H大于1m)的情况下约为0.34m左右。从试验数据来看,不管采用何种结构型式,透射系数Kt值不超过0.7。这意味着进入堤后的波高不超过0.7倍入射波高,即波能不超过入射波能的一半。根据国内常用的波浪作用下的水体挟沙能力公式,波浪水体挟沙能力与波高平方成正比,也就是说由于波高的减少,堤后水体的挟沙能力仅为堤前的1/2左右,或进入堤后的挟沙水体中,有50%左右的含沙量是超饱和部分,只要有足够停留时间,这部分泥沙将大部分或全部落淤于滩面。当地的泥沙中值粒径约为0.02mm,其沉降速度是0.16mm/s。我们仍考虑为设计高水位1.57m的情况,这时堤后水深为1.57m,表面层的泥沙沉降到底面仅需2.7小时。但潮位涨到最高值时,潮位会下落,堤后水体会外泄,故不会全部多余泥沙都在堤后淤下来。通过计算,估计在整个潮期内,大约80%的多余泥沙,或者