回淤淤泥特性試驗(yàn)研究

張乃受 ，李一勇 ，李增軍 ，胥新偉 ，鄭愛榮

（1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461；2.天津市水下隧道建設(shè)與運(yùn)維技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

近年來以港珠澳大橋?yàn)榇淼拇笮涂绾３凉芩淼澜ㄔO(shè)技術(shù)在我國(guó)得到大幅度提升，深中通道及大連灣海底隧道均開始進(jìn)行沉管隧道的建設(shè)。受建設(shè)區(qū)域影響，沉管隧道建設(shè)中均存在面臨回淤問題較大可能性[1]，特別是沉管隧道安放在新開挖的基槽內(nèi)，由于海底地形的變化導(dǎo)致基槽內(nèi)的回淤有可能較其他位置回淤情況更為嚴(yán)重。

港珠澳大橋沉管施工期間先后多次受到回淤影響。E1 管節(jié)安裝時(shí)曾遭遇淤泥影響，致使該管節(jié)安裝持續(xù)進(jìn)行了約96 h。E15 管節(jié)由于回淤影響共進(jìn)行了3 次沉放安裝才最終順利完成。為此港珠澳大橋島隧工程參考相關(guān)規(guī)范[2-4]并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，制定了港珠澳大橋沉管隧道碎石墊層表面淤泥的清淤標(biāo)準(zhǔn)：淤泥重度12.6 kN/m3，回淤厚度達(dá)到4 cm；淤泥重度11.5 kN/m3，回淤厚度達(dá)到8 cm。

解決沉管隧道建設(shè)期間基槽的回淤是一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)難題。本文針對(duì)沉管隧道的回淤現(xiàn)象展開了回淤淤泥沉積特性相關(guān)試驗(yàn)研究。

1 回淤淤泥的性狀

1）淤泥特性

我國(guó)重力式碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[5]條文說明中指出：淤泥性土中的淤泥具有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、有附著力；流泥稍有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，有附著力；浮泥則無結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、無附著力，因此浮泥對(duì)拋石基床不會(huì)形成夾層，可忽略其存在。含水率ω＜150%的淤泥性土應(yīng)加以限值，規(guī)定0.3 m 的限值是根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)而確定的。大量工程實(shí)例表明，厚度在此限值內(nèi)的回淤沉積物不至于形成夾層，對(duì)工程的安全不會(huì)構(gòu)成危害，可以不清。

2）相關(guān)研究成果

流泥的含水率較大，土質(zhì)松軟，能夠在重力作用下發(fā)生流動(dòng)。中交天津港灣工程研究院曾針對(duì)我國(guó)沿海港口中黃驊港、深圳港、連云港港、天津港4 個(gè)地區(qū)的代表性流泥進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)分析，采用微型室內(nèi)十字板淤泥剪切儀測(cè)試十字板抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系曲線。在室內(nèi)試驗(yàn)條件下，當(dāng)含水率不斷增大，十字板抗剪強(qiáng)度趨近于0[6]。十字板抗剪強(qiáng)度與含水率之間的關(guān)系曲線見圖1。

圖1 4 個(gè)港區(qū)的淤泥性土十字板抗剪強(qiáng)度隨含水率變化Fig.1 Curve of silt soil vane shear strength in 4 port area changing along with water content

在港口工程關(guān)于適航水深的研究中提出了適航重度的概念[7]。高頻測(cè)深儀的反射淤泥重度約為10.3 kN/m3，其反射界面下仍存在一層滿足船舶安全航行與停泊作業(yè)的小重度回淤層，衡量該層淤泥特性的參數(shù)有動(dòng)力黏度η、含沙量ρ、重度γ。目前通常以淤泥重度作為衡量該層特性的主要指標(biāo)，稱之為適航重度。英國(guó)、泰國(guó)、荷蘭、法國(guó)、委內(nèi)瑞拉、印度等國(guó)的諸多港口確定的適航重度為11.8 kN/m3，比利時(shí)則不拉赫港設(shè)定的適航重度為11.3～12.3 kN/m3。我國(guó)天津港適航水深主要用于泊位，因此設(shè)定為12.7 kN/m3[7-8]。港口工程中適航水深的研究與回淤對(duì)沉管對(duì)接的影響不相同，但港口工程關(guān)于適航重度的研究對(duì)于沉管基床回淤特性研究有重要的參考意義。

港珠澳大橋島隧工程項(xiàng)目基于大量的試驗(yàn)研究，通過分析先鋪碎石基床淤泥沉積規(guī)律及各影響因素的敏感性，明確先鋪碎石基床內(nèi)部淤泥的空間分布情況，揭示沉管隧道先鋪碎石基床的納淤機(jī)理，量化基于敏感參數(shù)指標(biāo)的納淤能力，首次對(duì)回淤環(huán)境的沉管隧道先鋪碎石基床進(jìn)行納淤設(shè)計(jì)。

深中通道開展了現(xiàn)場(chǎng)回淤槽試驗(yàn)研究，通過在隧址區(qū)域開挖回淤坑的方式，獲得了深中通道沉管隧道隧址區(qū)域的回淤速率以及回淤淤泥的物理指標(biāo)。在無其他因素影響下試坑內(nèi)的回淤速率約為1.4 cm/d；碎石基床上淤泥最大重度均小于12.6 kN/m3，平均重度基本在 11.5～11.9 kN/m3之間，碎石基床上重度大于10.5 kN/m3的浮泥層厚度基本在0.1～0.3 m 之間?；赜俸谢赜傥餅榉凵百|(zhì)黏土，中值粒徑介于0.003 0～0.005 2 mm 之間，平均值為0.004 1 mm；黏土含量介于42.0%～59.8%之間，平均值為50.5%。

2 淤泥沉積特性試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)方法

以深中通道回淤淤泥為原材進(jìn)行物理特性試驗(yàn)研究，試驗(yàn)方法如下：

配置重度為 13.0 kN/m3、12.8 kN/m3、12.6 kN/m3、12.0 kN/m3、11.5 kN/m3的混合物。將不同重度的拌合物灌注在5 L 玻璃量筒中，每種重度灌注5只量筒中，共灌注30 只量筒。以5 d 為間隔時(shí)間，分別對(duì)經(jīng)過模擬落淤過程的淤泥進(jìn)行測(cè)量及取樣。取樣前測(cè)量淤泥以及水的分離界面變化，通過取樣測(cè)量不同沉積深度處的淤泥重度并留取試樣進(jìn)行顆粒分析及含水率分析。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2017 年 9 月 2 日—10 月 3 日進(jìn)行了為期 30 d的試驗(yàn)，以5 d 時(shí)間為間隔，各取1 只不同重度淤泥的量筒，以4 cm 為分層標(biāo)準(zhǔn)，分別測(cè)量不同沉積厚度處的淤泥重度，共測(cè)得重度數(shù)據(jù)152 組，留存樣品進(jìn)行重度、含水率及顆粒組成試驗(yàn)，用于對(duì)沉積淤泥進(jìn)行分類。

1）淤泥重度

不同重度淤泥在沉積過程中，隨著沉積時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，沉積后的淤泥重度逐步增大，其中底部淤泥重度最大，表層淤泥重度最小。沉積淤泥各層重度隨沉積時(shí)間增長(zhǎng)變化曲線見圖2（配置重度 12.0 kN/m3）。

圖2 淤泥重度隨沉積時(shí)間變化曲線Fig.2 Curve of mud unit weight changing with deposition time

2）淤泥含水率

淤泥含水率隨著淤泥沉積深度的增加逐步減少。配置重度為12.0 kN/m3、12.8 kN/m3、淤泥含水率變化如下：配置重度12.0 kN/m3的淤泥經(jīng)過15 d 的沉積后，20 cm 厚度范圍內(nèi)淤泥含水率161%～182%，處于浮泥狀態(tài)；配置重度12.8 kN/m3經(jīng)過25 d 沉積后，沉積厚度10 cm 以內(nèi)的淤泥含水率157%～179%，屬浮泥狀態(tài)，沉積厚度大于10 cm 的淤泥含水率120%～146%，屬流泥狀態(tài)。隨著沉積時(shí)間的延長(zhǎng)含水率隨著淤泥沉積深度的增加逐步減少，逐漸從浮泥狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱髂酄顟B(tài)。淤泥含水率分布示意見圖3。

圖3 淤泥含水率隨沉積厚度分布Fig.3 Curve of water content changing with deposition thickness

3）淤泥的顆粒組成

試驗(yàn)進(jìn)行了142 份試樣，粒徑中值范圍為0.005 6～0.007 3 mm，平均0.006 1 mm。同時(shí)淤泥沉積物的顆粒組成不隨沉積深度的變化而有差異，淤泥顆粒組成隨沉積深度變化曲線見圖4（配置重度 12.8 kN/m3，沉積 20 d）。

圖4 淤泥顆粒組成隨沉積深度分布Fig.4 Curve of median particle diameter changing with depth

3 小比尺模型試驗(yàn)

受試驗(yàn)條件限制，開展小比尺模型試驗(yàn)，模擬回淤狀態(tài)下的沉管沉放過程。

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

1）試驗(yàn)槽

試驗(yàn)槽長(zhǎng)4.0 m，寬1.5 m，試驗(yàn)槽一側(cè)裝有可供觀察的玻璃窗。擬將試驗(yàn)槽利用玻璃板隔成3.0 m×1.5 m 的試驗(yàn)池，試驗(yàn)過程中可以實(shí)現(xiàn)2 個(gè)方向上的水平透視。

2）加載模型

加載模型尺寸長(zhǎng)寬高為1 500 mm×500 mm×300 mm，采用混凝土澆筑空心結(jié)構(gòu)，通過向模型內(nèi)注水調(diào)節(jié)加載模型重量。使加載模型在清水中始終保持1.2 kPa 的荷載。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诳諝庵兄亓繛?.15 kN，水中調(diào)節(jié)重力為0.9 kN 時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷撞恐亓?.2 kPa。

3）試驗(yàn)沉放及測(cè)量系統(tǒng)

由試驗(yàn)加載系統(tǒng)及模擬試驗(yàn)池組成。試驗(yàn)加載控制系統(tǒng)通過電動(dòng)葫蘆及滑輪組組成，通過控制2 臺(tái)電動(dòng)葫蘆同步上升或下降實(shí)現(xiàn)加載模型的加載。加載速度控制在0.2 m/min。通過荷重傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量加載模型所受重力變化；通過拉線位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量加載模型的下放深度；通過視頻記錄加載模型下放過程中淤泥的變化；通過重度計(jì)測(cè)量淤泥的重度；通過標(biāo)尺控制碎石、淤泥和清水的鋪設(shè)厚度以及沉放后液面上漲量。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭DFig.5 Schematic diagram of test model

4）試驗(yàn)用碎石

碎石墊層參考港珠澳大橋沉管隧道碎石墊層進(jìn)行布置，碎石墊層總厚900 mm，無壟溝設(shè)置。碎石粒徑范圍40～100 mm 。碎石級(jí)配按表1 要求進(jìn)行配置，并最終記錄碎石配比情況。

表1 40～100 mm 碎石顆粒級(jí)配累計(jì)篩余率Table 1 Weight of screen residue of gravel partical size 40-100 mm %

3.2 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前首先鋪設(shè)900 mm 厚碎石，并進(jìn)行整平及壓實(shí)。將碎石表面在試驗(yàn)池壁上進(jìn)行標(biāo)記，然后灌注清水至碎石表面并靜置；通過往試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛢?nèi)灌水的方式調(diào)整加載模型的重力，在水中使其底部的荷載值可以達(dá)到1.2 kPa 級(jí)別（相當(dāng)于港珠澳大橋沉管安裝船提供8 000 kN 的負(fù)浮力產(chǎn)生的管底荷載）；依據(jù)加載模型的限位裝置多次下放試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并讀取拉線位移傳感器數(shù)值。直至傳感器讀數(shù)不再發(fā)生變化后，將最后的讀數(shù)值記錄作為初始值；將配置好特定重度的淤泥緩慢灌注至試驗(yàn)槽內(nèi)，初次灌注時(shí)，淤泥會(huì)逐步沉入碎石墊層的空隙內(nèi)，當(dāng)碎石墊層內(nèi)空隙填充飽滿后淤泥面會(huì)隨著灌注量的增加而增長(zhǎng)，直至灌注淤泥達(dá)到20 cm 厚；再沿池壁向池內(nèi)灌注清水40 cm，過程中保持緩慢均勻，盡可能減少對(duì)淤泥層的擾動(dòng)；將加載模型緩慢下沉至試驗(yàn)池內(nèi)的淤泥層中，下放過程中實(shí)時(shí)記錄吊力的變化，并進(jìn)行視頻記錄，待加載模型穩(wěn)定后讀取拉線位移傳感器最終數(shù)值并記錄。將拉線位移傳感器讀數(shù)與初始值進(jìn)行比較，從而判斷試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c碎石墊層表面是否存在夾泥現(xiàn)象以及夾泥厚度。試驗(yàn)完成后，清除試驗(yàn)池中淤泥及清水，并配置另外重度淤泥重復(fù)試驗(yàn)過程。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

1）沉放深度

試驗(yàn)分別配置11.5～14.5 kN/m3共13種不同重度的淤泥。并在該條件下進(jìn)行沉放試驗(yàn)。

通過試驗(yàn)可知，當(dāng)淤泥重度≤12.6 kN/m3，同時(shí)淤泥厚度≤20 cm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮?.2 kPa 及1.8 kPa荷載級(jí)別下進(jìn)行沉放時(shí)，淤泥均可順利排出，碎石基床與加載模型之間不會(huì)出現(xiàn)夾泥現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)見圖6。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c碎石基床間夾泥厚度Fig.6 Thickness of mud between test model and gravel foundation bed

淤泥重度大于12.6 kN/m3，厚度為20 cm 時(shí)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c碎石墊層間會(huì)出現(xiàn)夾泥現(xiàn)象，且隨著淤泥重度的增大，夾泥厚度也逐漸變厚。但隨著沉管荷載的增加，淤泥會(huì)繼續(xù)排出，夾泥厚度會(huì)降低。

2）淤泥的附著力

在加載模型提升過程中，不同重度的淤泥對(duì)模型產(chǎn)生的附著力略有不同。隨著淤泥重度的增大，淤泥附著力略有增長(zhǎng)。附著力變化范圍在0.07～0.31 kPa 范圍內(nèi)。試驗(yàn)過程中2 個(gè)吊點(diǎn)吊力變化曲線見圖7。

3）模擬沉放過程中的現(xiàn)象

試驗(yàn)?zāi)Ｐ统练胖?，下放速度控制?.2 m/min。淤泥與上部清水界面清晰，隨著模型的緩慢下放，逐步沉入淤泥層，淤泥迅速?gòu)哪Ｐ偷撞繑D出，清水迅速渾濁。由于試驗(yàn)池尺寸限制，淤泥自加載模型底部排出后沿試驗(yàn)池壁繼續(xù)擴(kuò)散直至整個(gè)試驗(yàn)池內(nèi)，造成可視度下降。下放過程中并未發(fā)現(xiàn)模型姿態(tài)存在較大異常。

圖7 吊力變化曲線Fig.7 Changing curve of lifting force

4 總結(jié)及展望

本文通過試驗(yàn)獲得回淤淤泥的沉積特性，隨著沉積時(shí)間的增加，沉積淤泥的重度隨著沉積深度的增加而增長(zhǎng)，回淤淤泥的顆粒組成不隨深度的增加而變化。同時(shí)重度超過12.6 kN/m3的淤泥在沉管模擬試驗(yàn)過程中在碎石基床與模型之間產(chǎn)生了夾泥現(xiàn)象。受試驗(yàn)條件的限制，小比尺模型試驗(yàn)與沉管結(jié)構(gòu)相比，尺寸相差較大，其試驗(yàn)結(jié)論尚不能直接應(yīng)用到實(shí)際工程中，還需要有針對(duì)性地進(jìn)行大比尺模型試驗(yàn)。

從淤泥的定義分析，碎石基床頂部淤泥特性的判斷有著極為重要的意義。若碎石基床頂面淤泥為浮泥，則不會(huì)對(duì)沉管的沉放產(chǎn)生影響。如為流泥及浮泥，則在沉管沉放的過程中會(huì)對(duì)管節(jié)有一定程度的影響，同時(shí)由于沉放過程的擾動(dòng)，流泥也有轉(zhuǎn)化為浮泥的可能性。影響沉管沉放對(duì)接的淤泥重度臨界點(diǎn)仍需要深入研究，應(yīng)在以下方面開展研究：

1）研發(fā)淤泥原位測(cè)試設(shè)備

針對(duì)大型跨海沉管隧道回淤特性的研究目前尚無特別有效的試驗(yàn)方法和測(cè)試手段，現(xiàn)場(chǎng)回淤監(jiān)測(cè)多采用在水下放置回淤盒，通過潛水員定期回收的方式對(duì)淤泥展開試驗(yàn)[9-10]。在操作過程中淤泥受到人為擾動(dòng)，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)并不能完全真實(shí)反應(yīng)碎石基床頂面淤泥特性。未來應(yīng)著手研發(fā)水下淤泥原位測(cè)試技術(shù)，從取樣試驗(yàn)改為現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)，獲得回淤淤泥重度、含水率、顆粒組成等參數(shù)沿回淤厚度方向的分布，掌握淤泥的特性，準(zhǔn)確對(duì)其分類。

2）研究碎石基床頂面淤泥分布特征

碎石基床面積巨大，且位于開挖好的基槽內(nèi)，受漲落潮及水流方向、回淤來源等諸多因素的影響，碎石基床表面的回淤厚度分布情況尚不可知。除通過水下原位測(cè)試技術(shù)獲取基槽內(nèi)回淤物的物理特性外，還需要布置較多的測(cè)點(diǎn)獲得基槽內(nèi)淤泥的分布特性。

3）研究淤泥對(duì)沉管沉放的影響

沉管管節(jié)底面積巨大，在回淤狀態(tài)下沉管與淤泥間的相互作用尚不完全清晰，通過大比尺模型試驗(yàn)，模擬現(xiàn)場(chǎng)回淤狀況下的沉管沉放對(duì)接，獲取能夠?qū)Τ凉艹练艑?duì)接產(chǎn)生不利影響的臨界狀態(tài)的淤泥特性，確定更加合理的清淤標(biāo)準(zhǔn)。

4）研究防淤、清淤技術(shù)

在掌握淤泥特性及對(duì)沉管影響的基礎(chǔ)上繼續(xù)研究防淤、清淤技術(shù)及裝備。實(shí)現(xiàn)回淤有監(jiān)測(cè)，克服回淤有能力，防淤、清淤有手段的成套技術(shù)。