淤泥質(zhì)港泥沙技術(shù)探索與研究實踐

趙君

摘 要：本文結(jié)合實際工作經(jīng)驗，就近年來在淤泥質(zhì)港口泥沙研究中的一系列創(chuàng)新型技術(shù)進行了分析，并對這些技術(shù)研究成果在港口工程中的實踐應(yīng)用進行了探討與研究。

關(guān)鍵字：淤泥質(zhì)港口 泥沙研究 技術(shù)創(chuàng)新 實踐應(yīng)用

淤泥質(zhì)港泥沙技術(shù)探索與研究實踐最初起始于上世紀50年代初期，后來對多個方面開展了專業(yè)性研究，在獲得了大量實測資料與技術(shù)研究成果的基礎(chǔ)上，也為港口的泥沙淤積治理和其它類似港口的規(guī)劃與建設(shè)作出了重要貢獻。

1.泥沙沉降實驗研究

泥沙的沉降是淤泥質(zhì)港口淤積量計算的重要參數(shù)之一。但是由于淤泥質(zhì)泥沙的顆粒小，沉降速度也較小，導致在室內(nèi)進行泥沙沉降實驗時，所需要實現(xiàn)完整的沉降過程需要建設(shè)的水槽長度過長。

1.1實驗設(shè)備和實驗機理

實驗設(shè)備主要包括了環(huán)形水槽、傳動系統(tǒng)以及剪力環(huán)這幾部分，見圖 1所示。其中環(huán)形水槽的材料通過無色、透明的有機玻璃制作而成，其內(nèi)徑與外徑分別為106cm和154cm，其槽高與槽寬分別為60cm和24cm；傳動系統(tǒng)主要包括了兩部無級調(diào)速電機，并帶動環(huán)形水槽與剪力環(huán)的運行。

液體最基本的特性是其流動性，即使受到極小的切力作用也會發(fā)生連續(xù)變形。環(huán)形水槽中的水流形成就是利用這一力學原理，將剪力環(huán)設(shè)置在水槽內(nèi)的水體表面，水槽和剪力環(huán)轉(zhuǎn)動時，水體在慣性力和剪切力作用下發(fā)生連續(xù)變形，與水槽產(chǎn)生相對運動而形成水流。

1.2具體實驗分析

利用環(huán)形水槽具有的特點可進行淤泥質(zhì)泥沙的沉降實驗。以某淤泥質(zhì)港口區(qū)域的泥沙為例，其泥沙的粒徑為0.012mm，水體最初含沙量為0.30 kg/m3。實驗過程中，環(huán)形水槽各過水斷面的水流速度分別設(shè)定為10cm/ s，30cm/s和50cm/s，在水槽水深為 50cm情況下進行實驗。所得到的泥沙沉降過程曲線，見圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著流速的降低，水體含沙量的沉降速率也越快，當水體含沙量和水流夾帶沙力相同時，則泥沙沉降將趨于穩(wěn)定；同時，淤泥質(zhì)泥沙在環(huán)形水槽底部的顆粒分布較為均勻，這也說明了由于環(huán)形水槽的橫向分布水流較為均勻，使得顆粒都呈現(xiàn)為垂直下沉的趨勢。

1.3泥沙沉降實驗的實踐應(yīng)用

近年來，環(huán)形水槽泥沙沉降試驗結(jié)果在港口的淤積計算中得到廣泛應(yīng)用。以天津港維護疏浚工程為例，對該港口區(qū)域的淤泥質(zhì)泥沙進行沉降實驗，通過實驗結(jié)果能實現(xiàn)對港口航道的回淤量和淤泥分布情況進行計算，從而達到對回淤量預(yù)測的效果。實踐證明，計算得到的主航道加深工程1年回淤量為160×104 m3，與實際回淤量130×104 m3非常接近。

2.泥沙運動示蹤方法研究

2.1放射性示蹤法概述

該方法是采用人工制作而成的示蹤沙，即利用放射性元素標記泥沙，再利用先進的探測技術(shù)來跟蹤觀測泥沙的轉(zhuǎn)移運動。放射性示蹤法最初起源于國外，并于上世紀80年代左右引入到我國。目前，放射性示蹤技術(shù)在我國水利水運工程中有著較為廣泛的推廣與應(yīng)用。

2.1.1示蹤元素的選取

在選用標記泥沙的放射性元素時應(yīng)滿足下列要求：一方面，發(fā)射體的γ射線要求能在水下較為容易的進行探測；另一方面，要求所放射的γ射線的能量不宜過高，以避免因長時間的輻射，導致環(huán)境的過度污染。因此，通常所采用的放射源的時間不宜超過130天，射線能量不宜超過1 MeV。目前，國內(nèi)外工程中較常采用的示蹤元素有Sc、Cr、Ir、Au等，我國主要使用46Sc作為示蹤元素。

2.1.2示蹤沙的制備

①根據(jù)淤泥質(zhì)港口區(qū)域泥沙的化學特性，將46Sc元素制成和當?shù)啬嗌臣壟?、比重相接近的沙體。以天津港所制成的示蹤沙為例，其化學成分詳見下表1所示。

②所制成的示蹤沙的半衰期為84天，每次能放射兩個能量分別為0.89和1.12 MeV的γ射線。要求所制作得到的示蹤沙與原區(qū)域泥沙，應(yīng)當具有同樣的水力特性與物理特性。

2.2放射性示蹤法的實踐應(yīng)用及優(yōu)勢

將制作好的示蹤沙和港口區(qū)域泥沙相混合，并投入到海底，利用探測儀器對其進行跟蹤測量，即可得到泥沙轉(zhuǎn)移與擴散的規(guī)律。放射性示蹤法的技術(shù)優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：①由于所制成的放射性示蹤砂和港口天然泥沙之間，在顆粒比重、形狀及顆粒級配上都近乎與一致，因此能夠通過示蹤沙的觀測正確的描述港口天然泥沙的轉(zhuǎn)移和擴散特性。②通過放射性元素的探測技術(shù)，能在模型上就方便直接的對示蹤沙進行觀測，從而準確掌握泥沙轉(zhuǎn)移過程中速度、擴散范圍、轉(zhuǎn)移方向等等，詳細的了解港口區(qū)域泥沙的運動全過程。③由于示蹤沙只采用了較為少量的放射性元素，對環(huán)境污染的程度很小，而且少量的放射性元素即可實現(xiàn)高質(zhì)量的探測效果，其探測數(shù)據(jù)準確直觀，能直接得到探測的結(jié)果。

3.浮泥特性研究

浮泥是淤泥質(zhì)港口及海岸地區(qū)特有的一種泥沙形態(tài)。我國在天津港、連云港、長江口、黃河口等多個港口地區(qū)都有所發(fā)現(xiàn)，國外一些港口如英國的泰晤士河口、美國的密西西西比河口、法國的維倫河口等地也相繼發(fā)現(xiàn)了浮泥現(xiàn)象。

3.1浮泥的形成研究

浮泥的定義可概括為，是一層高濃度含沙量的水體，具有流動性大的特點，且與上層水體之間有著明顯的界面。形成浮泥的必要條件是懸沙落淤率Fs大于浮泥沉降率D，可用下列方程表達：

在上式（1）和（2）中，α是指懸沙絮凝沉降率，一般為0.3～0.45；S為水體含沙量；Ws為懸沙絮凝沉降速度；τ和τd 分別為水底剪切應(yīng)力和懸沙淤積臨界剪切應(yīng)力；Sfn和Wfn 則分別為浮泥含沙量和浮泥沉積速度。

3.2浮泥研究的應(yīng)用

近年來，國內(nèi)外學者紛紛加強了淤泥質(zhì)港浮泥問題的研究，并取得了以下方面的應(yīng)用成果：①在港口航道的淤泥問題利用浮泥研究的的成果，可對粉砂性淤泥質(zhì)港口的淤積原因進行滿意的解釋；利用浮泥形成與發(fā)展特性，還可模擬淤泥質(zhì)港口區(qū)域的海底演變過程。②在疏浚拋泥時，可通過模擬拋泥區(qū)的浮泥轉(zhuǎn)化和流動過程，成功解釋疏浚拋泥對周圍環(huán)境和港口回淤的影響，并為泊位和深水航道提供有效的疏浚與維護方案，從而達到節(jié)省疏浚費用，提高疏浚后水深使用期限的目的。

4.總結(jié)

本文總結(jié)了近年來在淤泥質(zhì)港口工程實踐中，泥沙研究的一些創(chuàng)新型技術(shù)成果與應(yīng)用實踐，包括了利用環(huán)形水槽進行泥沙沉積實驗，利用放射性示蹤法進行泥沙運動的研究，以及浮泥特性的研究與應(yīng)用。以上研究成果均已被廣泛應(yīng)用于各類港口航道工程當中，具有極強的應(yīng)用與推廣價值，為我國水利水運事業(yè)的蓬勃發(fā)展作出了重要的貢獻。

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