耙吸船溢流泥沙回淤仿真研究

秦亮，李金峰，楊正軍

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461）

耙吸船溢流泥沙回淤仿真研究

秦亮1，李金峰1，楊正軍2

（1.中交天津航道局有限公司，天津 300461；2.中交天津港航勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300461）

從泥沙沉降速度原理出發(fā)，在考慮流速垂向分布、船型、潮流、顆粒級(jí)配等因素的情況下，針對(duì)風(fēng)浪對(duì)沉降的影響、顆粒絮凝沉降進(jìn)行了簡(jiǎn)化考慮。應(yīng)用MATLAB等軟件，編寫了具有GUI界面的仿真程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)耙吸船溢流施工過(guò)程中的泥沙擴(kuò)散情況的仿真。將通途輪在某航道工程施工過(guò)程進(jìn)行仿真和分析，驗(yàn)證了模型的適用性，并對(duì)該工程的溢流泥沙回淤情況做出了評(píng)價(jià)。

耙吸船；溢流；泥沙；回淤；仿真

0 引言

耙吸船在疏浚過(guò)程中溢流產(chǎn)生的懸浮泥沙，一部分會(huì)沉積在疏浚區(qū)內(nèi)，另一部分將形成高濃度含沙水體，在重力、波浪、潮流、風(fēng)吹流等因素作用下運(yùn)動(dòng)，沉積在疏浚區(qū)外。因此，研究耙吸船溢流泥沙擴(kuò)散輸移規(guī)律，以掌握溢流泥沙對(duì)航道、港池疏浚效果的影響具有重大意義。

1 泥沙沉降速度

泥沙在靜止的清水中等速下沉?xí)r的速度，稱為泥沙的沉降速度（或簡(jiǎn)稱泥沙沉速），它是泥沙的重要水力特性之一。

單顆粒泥沙在沉降過(guò)程中受到重力、浮力、繞流阻力、附加質(zhì)量力等影響，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與沙粒雷諾數(shù)Re有關(guān)。

當(dāng)沙粒雷諾數(shù)Re<0.5時(shí)，泥沙顆?；旧涎劂U垂線下沉，附近的水幾乎不發(fā)生紊亂現(xiàn)象，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)屬于層流狀態(tài)，渾液面沉速符合均勻沉降的特點(diǎn)。

當(dāng)沙粒雷諾數(shù)Re>1 000時(shí)，泥沙顆粒脫離鉛垂線以極大的紊動(dòng)狀態(tài)下沉，附近的水產(chǎn)生強(qiáng)烈的繞動(dòng)和渦動(dòng)，這時(shí)的運(yùn)動(dòng)屬于紊流狀態(tài)，渾液面沉速符合壓縮沉降的特點(diǎn)。

當(dāng)沙粒雷諾數(shù)0.5

表達(dá)單顆粒泥沙沉降速度的通用公式為：

式中：γs為泥沙容重，γ為清水容重，c1及c2是按實(shí)測(cè)資料確定的無(wú)因次系數(shù)。參照有關(guān)資料，用c1=13.95，c2=1.09代入上式可得：

經(jīng)實(shí)測(cè)資料的驗(yàn)證表明，式（2）可以同時(shí)滿足層流區(qū)、紊流區(qū)及過(guò)渡區(qū)的要求。

泥沙在波動(dòng)水流中的沉降與在靜水中的沉降不同，即泥沙還受波浪紊動(dòng)的舉力作用而使沉降速度減慢[2]。波浪運(yùn)動(dòng)由水面向下逐漸衰減，因此波浪對(duì)泥沙沉降速度的減緩作用也由水面向下逐漸衰減。自航耙吸挖泥船溢流施工時(shí)吃水較大，在底部溢流時(shí)，泥沙開(kāi)始沉降的水深h往往大于10 m，此時(shí)的波浪對(duì)溢流泥沙顆粒的沉降影響較小，故本文暫不考慮波浪對(duì)泥沙沉降的影響。

另外影響泥沙沉降的因素是含沙量。對(duì)于處在分散狀態(tài)的粗顆粒泥沙，由于不存在絮凝現(xiàn)象，當(dāng)含沙量從0開(kāi)始逐漸增大時(shí)，沉速將從清水單顆粒沉速開(kāi)始逐漸減小。而對(duì)于可能發(fā)生絮凝現(xiàn)象的細(xì)顆粒泥沙則不然，當(dāng)含沙量從0開(kāi)始逐漸增大時(shí)，沉速將從清水單顆粒沉速開(kāi)始逐漸增大，當(dāng)沉速達(dá)到1個(gè)峰值之后，則將隨含沙量的增大而逐漸減小，一直到小于清水單顆粒沉速之后還繼續(xù)減小。沉速大于清水單顆粒沉速的階段，屬于絮凝起主導(dǎo)作用的階段，而沉速小于清水單顆粒沉速的階段，則屬于其它幾種因素起主導(dǎo)作用的階段，含沙量的進(jìn)一步增加，絮凝結(jié)構(gòu)將充分發(fā)展和迅速擴(kuò)大，最后形成1個(gè)整體絮凝體的下沉，向上的補(bǔ)償水流將穿過(guò)絮凝結(jié)構(gòu)中的極不規(guī)則縫隙曲折上行，使阻力加大，因此沉速將進(jìn)一步減小[3]。

無(wú)黏性泥沙高含沙濃度對(duì)沉速影響的公式表達(dá)為：

式中：ω表示體積含沙濃度為Sv時(shí)的群體泥沙沉速，m為指數(shù)。據(jù)Richardson等人的試驗(yàn)研究，在層流區(qū)m取值為4.65；郭慕孫等人則認(rèn)為m為4.91；而錢寧等人在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)m并非常數(shù)，而與雷諾數(shù)有關(guān)，且隨著雷諾數(shù)的提高而減少，最小時(shí)為2.25；由此可見(jiàn)m值變化很大，本文中m視雷諾數(shù)大小取值2.5～4.2。

2 流場(chǎng)模型

近海岸疏浚工程時(shí)，大風(fēng)浪天氣對(duì)施工不利，所以施工過(guò)程多處于風(fēng)浪較小的天氣，分析溢流泥沙的回淤情況時(shí)，可將流速場(chǎng)適當(dāng)簡(jiǎn)化，主要考慮潮流對(duì)流速的變化產(chǎn)生影響。

本文將近海岸流速場(chǎng)假定為三維層流考慮，時(shí)間步長(zhǎng)Δt如果非常小，可近似地認(rèn)為流速?zèng)]有變化，對(duì)整個(gè)計(jì)算時(shí)域內(nèi)進(jìn)行離散，即計(jì)算區(qū)間中的某點(diǎn)的流速，在直角坐標(biāo)系中x、y、z的分量是隨時(shí)間變化的函數(shù)，可建立1個(gè)流速場(chǎng)分布的數(shù)據(jù)庫(kù)，代入到數(shù)學(xué)模型中進(jìn)行計(jì)算，仿真顆粒漂移情況。

三維層流模型中，x向有24個(gè)網(wǎng)格，y向80個(gè)網(wǎng)格，z向?yàn)?層。利用該模型，計(jì)算了水流垂直橫越航槽時(shí)的水流流速分布，航道斷面流場(chǎng)典型結(jié)果如圖1所示。

3 溢流損失模型

挖泥船在裝艙過(guò)程中，進(jìn)入泥艙中的泥沙不能完全沉淀，當(dāng)達(dá)到溢流桶高度時(shí)，未能沉淀的沙和水的混合物會(huì)通過(guò)溢流管排出艙外。排出艙外的部分即為溢流損失。考慮溢流過(guò)程中艙內(nèi)泥漿液面穩(wěn)定，可認(rèn)為進(jìn)艙與出艙流量相同。溢流模型見(jiàn)圖2。

耙吸船在進(jìn)入溢流施工階段，航速較緩，運(yùn)行軌跡主要受航槽內(nèi)淤積情況控制，航速與海水流速在大小和方向上都在實(shí)時(shí)地變化，可假定出艙泥漿的初始水平速度與挖泥船航行速度一致，泥漿的最終速度與海水流速一致，此階段泥沙顆粒完全隨泥漿運(yùn)動(dòng)，泥漿受到海水阻力，流速呈變加速運(yùn)動(dòng)。最終泥沙沉降過(guò)程分為兩部分，變加速沉降過(guò)程和勻速沉降過(guò)程。

泥沙出艙的垂向初始速度表示為出艙流量除以溢流桶面積。泥沙出艙后首先表現(xiàn)為變加速運(yùn)動(dòng)，隨著速度的增加或減少，砂粒受到的阻力也在不斷的增加或減少，當(dāng)砂粒所受的各種力達(dá)到平衡時(shí)就表現(xiàn)為勻速運(yùn)動(dòng)。對(duì)于1顆質(zhì)量為M的砂粒，其沉降一般運(yùn)動(dòng)方程可表達(dá)如下：

F=重力+浮力+阻力+附加質(zhì)量力。

4 仿真程序開(kāi)發(fā)

具體開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖3。

耙吸船裝艙溢流及泥沙在海水中的運(yùn)動(dòng)考慮以下過(guò)程：

1）挖泥船開(kāi)始下耙施工，計(jì)算入艙濃度，推算出裝艙生產(chǎn)率。

2）判斷泥艙液面是否超出溢流桶高度，如果超出溢流桶高度則計(jì)算溢流損失率。

3）建立循環(huán)，對(duì)各粒徑顆粒的運(yùn)動(dòng)分別進(jìn)行計(jì)算。

4）計(jì)算該顆粒的初始水平和垂向速度。

5）判斷是否達(dá)到勻速沉降。

6）對(duì)顆粒在該時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)進(jìn)行沉降計(jì)算，并對(duì)水平漂移距離進(jìn)行計(jì)算，與該點(diǎn)地形數(shù)據(jù)對(duì)比。

7）判斷是否已經(jīng)結(jié)束沉降，如未結(jié)束返回前步繼續(xù)沉降計(jì)算。如果沉降結(jié)束輸出結(jié)果，包括沉降耗時(shí)，沉降點(diǎn)坐標(biāo)。

8）通過(guò)修正的溢流顆粒比重計(jì)算該點(diǎn)坐標(biāo)的泥沙濃度值。

9）利用MATLAB中的cubic立方插值方法對(duì)溢流源強(qiáng)內(nèi)的泥沙濃度進(jìn)行插值。

5 工程實(shí)例

以某港口航道疏浚工程為例，浚深至設(shè)計(jì)底標(biāo)高-22.0 m，航道有效寬度397 m，設(shè)計(jì)邊坡坡比1∶5，潮流流速約1 kn，流向基本與航道軸線垂直。疏浚土質(zhì)級(jí)配曲線如圖4所示。

根據(jù)測(cè)圖數(shù)據(jù)得到出地形邊界條件，對(duì)通途輪某時(shí)間段的施工數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并導(dǎo)入程序中計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5中可以看出，該段施工時(shí)間內(nèi)，在退潮時(shí)段，潮位逐漸變低，泥沙沉降時(shí)間變短，粒徑在0.05～0.1 mm之間的顆粒主要回淤到航槽底部，粒徑在0.02～0.05 mm之間的顆粒主要回淤到航槽斜坡處，粒徑為0.02 mm的顆粒主要沉積在航槽邊緣，在漲潮時(shí)，海水流向調(diào)轉(zhuǎn)，在大風(fēng)浪的影響下，都會(huì)回淤航槽，粒徑小于0.01 mm的顆粒漂移到較遠(yuǎn)區(qū)域，回淤航道的可能性較小。

根據(jù)級(jí)配曲線所示，本模型計(jì)算的結(jié)果是有19.6%的疏浚泥沙將會(huì)漂移到航槽外部。對(duì)施工區(qū)的整體溢流泥沙落淤仿真效果如圖6、7所示。

6 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)疏浚土的泥沙特性展開(kāi)研究，耙吸船溢流施工過(guò)程中，若根據(jù)潮型水流速度合理選擇疏浚時(shí)間和方案，使溢流的浮泥擴(kuò)散后落淤到疏浚區(qū)外，能大大縮短工期，提高疏浚效率；若選擇不當(dāng)，在水流、底面坡度等環(huán)境因素作用下，溢流的浮泥擴(kuò)散后將落淤到疏浚區(qū)。本文在考慮三維流場(chǎng)、泥沙沉降過(guò)程中多處做了簡(jiǎn)化處理，在后續(xù)研究中需要進(jìn)一步細(xì)化和完善。

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Back silting simulation of overflow particle of TSHD

QIN Liang1,LI Jin-feng1,YANG Zheng-jun2
（1.CCCC Tianjin Dredging Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China; 2.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300461,China）

Based on the principle of sediment settling velocity,taking factors like velocity vertical distribution,vessel types, tide and particle size distribution into consideration,we carried the simplified consideration about the influence of wind and waves on the settlement and the particle flocculation settlement.By application of MATLAB software,we have prepared a simulation program with GUI interface to achieve the simulation of the sediment diffusion in the overflow construction process of TSHD.Through the simulation and analysis for TSHD TongTu working in a waterway engineering construction,we testified the applicability of the model,and assessed the overflow back silting condition.

trailing suction hopper dredger;overflow;sediment;back silting;simulation

U661.73

A

2095-7874（2017）03-0053-04

10.7640/zggwjs201703011

2016-10-08

2017-01-19

秦亮（1979— ），男，博士后，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事疏浚技術(shù)研究管理工作。E-mail：63223944@qq.com