天津南港地區(qū)吹填土的流失率及控制試驗研究

劉璟，劉偉，張陳浩

（1.中交天津港航勘察設計研究院有限公司，天津 300461；2.中交天津航道局有限公司，天津 300461）

0 引言

近年我國沿海經(jīng)濟的發(fā)展迅速，疏浚吹填造陸工程越來越多，在這些工程施工中，吹填土的流失不僅影響施工進度，造成工程成本的增加，而且還嚴重影響環(huán)境。因此，如何降低流失量成為降低工程成本的關鍵所在。為此，通過研究吹填土的性質及吹填工藝、開展吹填流失量的監(jiān)測，并優(yōu)化泄水口設計，將可控范圍內的吹填流失量降到最低，達到節(jié)省成本的目的，并為今后規(guī)范的編制和類似工程積累數(shù)據(jù)，提供技術支持。

本文以南港工業(yè)區(qū)港區(qū)航道挖泥結合吹填造陸工程為試驗背景，采集了吹填過程中流量、過水斷面面積、擋板高程、泥面高程、流徑等數(shù)據(jù)，對南港地區(qū)吹填土的流失率及控制進行相應的研究。

1 疏浚吹填土特性分析

天津南港工業(yè)區(qū)港區(qū)航道、港區(qū)挖泥結合吹填造陸工程造陸面積800余萬m2，共有吹填一區(qū)和吹填三區(qū)，采用絞吸挖泥船實施吹填作業(yè)。

根據(jù)地質勘察資料，取泥區(qū)地層從上到下依次為：第四系全新統(tǒng)海相沉積層、第四系全新統(tǒng)海陸交互相沉積層（）、第四系全新統(tǒng)沖積層（。

根據(jù)勘察報告可知，開挖深度范圍內土質以淤泥、淤泥質土、粉質黏土等細顆粒土為主，疏浚土級分別為1~3級；土質易于疏挖，但是吹填后容易產生流失，且完工后沉降較大。

經(jīng)分析得到取泥區(qū)土質密度和含水量統(tǒng)計指標如表1。

表1 取泥區(qū)土質指標統(tǒng)計表Table1 Quality index statisticsof theselected soil

2 流失量（率） 監(jiān)測與研究

2.1 泄水口布置及監(jiān)測概況

一區(qū)先后設立兩組泄水口（如圖1、圖2）。第一組孔徑1 m，由30根長度為45.0 m、直徑為1.0 m疏浚輸泥管拼排而成，管間距不等；第二組由26根長度為45.0 m、直徑為0.7 m疏浚輸泥管拼排而成，管間距不等，一般為1.0～3.0 m。一區(qū)泄水口流失量監(jiān)測時間段為2010年1月18日—3月22日。

圖1 吹填區(qū)泄水口布置圖Fig.1 Arrangement of the drain opening in reclamation area

圖2 泄水口現(xiàn)場觀測圖Fig.2 Field observationsof thedrain opening

三區(qū)泄水口由40根長度為45.0 m、直徑為1.0 m疏浚輸泥管拼排而成，管間距不等，一般為1.5～2.5 m，流失量監(jiān)測時間段為2011年3月—9月。

2.2 監(jiān)測內容

為測定疏浚吹填區(qū)外泄泥水中固體流失量[1]，并探索與流失量相關的影響因素，現(xiàn)場監(jiān)測的主要項目包括：流量、過水斷面面積、擋板高程、吹填區(qū)內的水面高程、泥面高程、流徑及吹填量?，F(xiàn)場每3 d監(jiān)測1次并采取泥水樣，室內進行固泥漿密度、固體含量和顆粒分析試驗。

根據(jù)試驗得到一區(qū)、三區(qū)流失土的數(shù)據(jù)（表2） 和流失率結果（表3）。

表2 一區(qū)和三區(qū)流失泥水的物性指標Table 2 Material indicatorsof the muddy water lossinthe first district and the third district

表3 流失率結果統(tǒng)計表Table 3 Lossrateresults

可以看出：

1） 一區(qū)和三區(qū)流失土的顆粒平均粒徑均較小，平均粒徑為0.006～0.008 mm；

2）一區(qū)和三區(qū)流失土綜合流失率約30%。

2.3 流失量（率） 分析

影響流失量（率）的主要因素[2]包括：擋板上溢水高度、吹填量、流徑、初始庫容和吹填土質情況?，F(xiàn)場疏浚施工采用分段分層開挖，且多條施工船舶同時施工，因此根據(jù)現(xiàn)場的工況及監(jiān)測條件只對擋板上溢水高度、吹填量、流徑、初始庫容與流失量（率）關系進行分析。

2.3.1 擋板上溢水高度與流失量關系

將擋板上溢水高度與流失量單獨列出分析，以擋板上溢水高度為X，以單位時間流失量為Y，繪制散點圖，并繪制散點圖包絡線，結果如圖3。

可以看出兩個區(qū)域瞬時流失量隨擋板上溢水高度的降低（插板加高）整體呈下降的趨勢。但是擋板高度不變時流失量的變化范圍較大，一區(qū)0~0.9 t/s、三區(qū)0~1.5 t/s。表明其影響因素對流失量的影響也較大。

圖3 擋板上溢水高度與單位時間流失量散點包絡線分析圖Fig.3 Envelope analysis on the overfall height on baffle with the lossamount scatter per unit time

2.3.2 吹填量與流失量關系分析

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，以日吹填量為X，以對應的日流失量為Y，繪制折線圖，如圖4。

圖4 三區(qū)部分時間段流失量與吹填量變化趨勢圖Fig.4 Variational trend of the lossamount and reclaimed amount of the third district in certain time

根據(jù)圖4分析：當擋板高度一定時流失量與吹填量變化趨勢完全一致，流失量隨吹填量的增減而增減，表明吹填量對流失量的影響較大，是吹填過程中應該重點關注的因素。

2.3.3 流徑與流失量關系分析

根據(jù)流體力學理論，相同的流速情況下流徑越長，液體含固率越低，流失量會相應減少，但是在實際測量中，因流徑等參數(shù)測量誤差較大，流徑與流失量的相關性表現(xiàn)不明顯，詳見圖5。

圖5 流徑與流失量變化趨勢圖Fig.5 Variational trend of the flow path and lossamount

從圖5可知：

1） 吹填前期流徑與流失量的變化趨勢較一致，后期關系不明顯；

2） 吹填前期流徑與流失量相關，但相位超前。即流徑先產生變化一段時間后流失量才發(fā)生變化。

2.3.4 初始庫容與流失率的關系

實測數(shù)據(jù)表明吹填區(qū)的初始庫容與流失率相關，初始庫容越大，吹填初期吹填區(qū)的蓄水能力越強，對減小整體流失率的作用越明顯。

三區(qū)流失率結果統(tǒng)計表明，吹填后期的流失率約為吹填全程流失率的1.7倍。

2.3.5 吹入量、有效庫容與流失率的關系分析

根據(jù)工程經(jīng)驗和監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：在某一固定吹填區(qū)域內進行吹填造地時，對吹填流失率影響最大的因素[3]是吹入量（泥水總量）以及吹填區(qū)的有效庫容（泥面與水面間的空間）。下面就根據(jù)監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)并利用matlab7.0軟件對這3項監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合分析得到擬合方程：

式中：n為吹填流失率，%；Q為吹入量（泥和水的總量），萬m3；V為有效庫容，萬m3；R2為公式擬合度，數(shù)值較大，相關性較好。

3 泄水口優(yōu)化方案

在影響流失量（率）的關鍵因素中，通常吹填量、吹填土質是固定的，難以改變，而擋板上溢水高度、初始庫容都與泄水口有密切的關系，因此泄水口設計是吹填流失量控制的關鍵點。研究分析后，制定了新的泄水口工藝方案，具體方案如下：

1）采用管式泄水口與閘式泄水口組合來調整排水情況，如圖6所示；

2）組合泄水口的初始庫容面積通過提高泄水口閘門插板的初始高度方式進行增加；

圖6 管式泄水口與閘式泄水口組合結構示意圖Fig.6 Composite structureof the tubu-type drain opening and the brake-type drain opening

3）擋板上溢水高度可以視施工進度采用組合泄水口閘門插板的方式進行相應的調節(jié)。

通過以上方法，流失率得到明顯改善，經(jīng)過檢測平均約為20%。這樣大大減少吹填量，增加了施工進度，降低了工程成本，保護了環(huán)境。

4 結語

1）本文以南港工業(yè)區(qū)港區(qū)航道、港區(qū)挖泥結合吹填造陸工程作為試驗背景，采集了流量、過水斷面面積、擋板高程、吹填區(qū)內的水面高程、泥面高程、流徑、吹填量、固泥漿密度、固體含量和顆粒分析試驗，并進行分析評價，得到流失土物性指標和流失（量）率。

2）本文定量分析了土顆粒粒徑、泄水口擋板上過水厚度、吹入量、庫容、流徑5個因素與流失率的相關關系，為控制流失率提供了理論依據(jù)，并據(jù)此提出了控制流失率的具體措施。

3） 分析了吹入量、有效庫容與流失率的關系，得到了相對應的經(jīng)驗關系公式。

4）分析了流失率與泄水口關系，并對泄水口設計進行相應調整，使流失率明顯降低，為日后規(guī)范的編制和類似工程積累數(shù)據(jù)，提供依據(jù)和指導。

[1] 錢寧，萬兆惠.泥沙運動力學[M].北京：科學出版社，2003.QIAN-Ning，WANZhao-hui.Dynamics of sediment movement[M].Beijing：Sciences Press，2003.

[2] 南港地區(qū)吹填流失量研究報告[R].天津：中交天津港航勘察設計研究院有限公司，2011.Research report on loss amount of reclamation in Southport area[R].Tianjin：CCCCTianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.，Ltd.，2011.

[3]JTS181-5—2012，疏浚與吹填工程設計規(guī)范[S].JTS181-5—2012，Design Code for Dredging and Reclamation Works[S].