浮泥對(duì)航道工程影響的研究

郭民雄

摘 要：隨著航運(yùn)業(yè)日益發(fā)達(dá)，船舶大型化趨勢(shì)發(fā)展迅速，對(duì)于航道通航能力的要求也越來(lái)越高。所以港口航道越挖越深，隨之而來(lái)的是嚴(yán)重的航道回淤問(wèn)題，以及巨額的疏浚費(fèi)用。因此，正確認(rèn)識(shí)浮泥對(duì)航道工程的影響，對(duì)于我們應(yīng)用適航水深來(lái)講有重要意義。本文詳細(xì)介紹了浮泥特性、適航水深的應(yīng)用和測(cè)量方法，分析了適航水深應(yīng)用所帶來(lái)的效益，為航運(yùn)工作提供了一些參考。

關(guān)鍵詞：浮泥;回淤;適航水深;測(cè)量方法

中圖分類(lèi)號(hào)：U616? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）06-0143-03

1 浮泥的定義

浮泥主要出現(xiàn)在淤泥質(zhì)海岸、河口等泥沙含量較大的地方，水體中懸浮的泥沙稱(chēng)為“懸沙”，懸沙顆粒在一定條件下發(fā)生絮凝作用，絮凝物淤積在海岸床面表層，這種淤積物我們將其定義為“浮泥”[2]。

通常將海岸床面表層，含沙量在一定范圍內(nèi)的底質(zhì)層稱(chēng)為“浮泥層”，它具有粒徑極小質(zhì)量極輕的特點(diǎn)。我國(guó)一般采用雙頻回聲探測(cè)儀，γ射線密度儀和浮泥分層采樣器通過(guò)實(shí)驗(yàn)室分析結(jié)果，來(lái)測(cè)量浮泥層位置，將雙頻回聲探測(cè)儀測(cè)得的高頻下界面和低頻下界面之間的泥水混合物稱(chēng)為浮泥層，而浮泥層按照浮泥重度垂向上的增幅可分為兩個(gè)亞層：偽塑性層和塑性層。偽塑性層的密度垂向增幅較小，流動(dòng)性與水相差不多，塑性層垂向增幅較大，向下過(guò)渡為致密的淤泥層。

一般來(lái)講，天然河床的輸沙能力是平衡的，即來(lái)沙量和水流挾沙量近似相等，未經(jīng)開(kāi)挖的航道浮泥層厚度在0.1m～0.4m之間，人工開(kāi)挖航道之后，會(huì)破壞原本的河床地形，水深加大，流速減小，水流挾沙能力下降，導(dǎo)致泥沙淤積，浮泥層厚度增加。另外，船舶航行時(shí)，船體本身的運(yùn)動(dòng)會(huì)改變周?chē)牧鲌?chǎng)分布，引起浮泥的運(yùn)動(dòng)，造成床面高程變化，河床底部的附加剪應(yīng)力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，在計(jì)算適航水深時(shí)，應(yīng)將船舶航行的影響考慮在內(nèi)。

2 浮泥特性分析

一般來(lái)說(shuō)，泥沙粒徑足夠小時(shí)，才有可能出現(xiàn)浮泥。以長(zhǎng)江口的浮泥層為例，浮泥中粒徑小于0.002mm 的泥沙顆粒含量達(dá)到28.2%～36.4%，而且泥沙顆粒的粒徑越細(xì)，形成浮泥的機(jī)會(huì)就越大。

為了研究浮泥特性，研究者進(jìn)行了浮泥層的靜水條件下沉降固結(jié)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件相同的情況下，含沙量與均勻沉降時(shí)間成正比，與過(guò)渡沉降時(shí)間成反比。細(xì)顆粒泥沙在水中首先經(jīng)過(guò)絮凝作用凝結(jié)在一起，此時(shí)的浮泥呈流動(dòng)狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度為0，對(duì)航行安全無(wú)影響。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的沉降，浮泥重度增加。當(dāng)其重度增加到一定程度后，增長(zhǎng)速度變緩，進(jìn)入壓實(shí)固結(jié)階段。

對(duì)應(yīng)不同剪切速率的屈服應(yīng)力τ有2個(gè)值，在低剪切速率狀態(tài)下的和高剪切速率狀態(tài)的 。根據(jù)試驗(yàn)可以得到：2個(gè)屈服應(yīng)力與單位體積的浮泥中懸沙顆粒含量Cv呈指數(shù)關(guān)系?？筛鶕?jù)和確定不影響航行的浮泥重度范圍。該層浮泥被稱(chēng)為“流變特性躍變層”（RT）。在RT 層以上，浮泥性質(zhì)與水相似，幾乎不存在抗剪切力，可供行船之用。而在RT 層以下，浮泥剪切性能增強(qiáng)，向下過(guò)渡為大密度的淤泥層，逐漸喪失適航性。

3適航水深

適航水深是指能確保船舶安全航行與靠泊作業(yè)的水深，包括圖載水深以及高頻探測(cè)儀探測(cè)界面以下的小容重浮泥層（即偽塑性層）。由于近年來(lái)水運(yùn)事業(yè)的不斷發(fā)展，船舶噸位越來(lái)越大，其對(duì)應(yīng)的吃水深度也越來(lái)越大，較淺的港口水深已經(jīng)無(wú)法滿足船只的正?？坎醋鳂I(yè)，人工挖掘深水航道已經(jīng)成為一種普遍趨勢(shì)，而航道越挖越深所帶來(lái)的后果是回淤越來(lái)越嚴(yán)重，這給浮泥層的發(fā)育帶來(lái)了極好的條件，同時(shí)對(duì)于航道整治和疏浚工作增加了很多負(fù)擔(dān)，并且，由于浮泥的粒徑極小，顆粒極輕的特點(diǎn)，使得在容重較小的浮泥層打撈浮泥變得十分困難。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，一定重度以內(nèi)的浮泥層對(duì)于船舶航行，以及螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)沒(méi)有任何影響，這部分浮泥層就可以視為船舶可以安全航行的適航水深。合理利用適航水深，可以節(jié)省大量疏浚工程量，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

確定適航水深最重要的是確定浮泥的臨界重度，在臨界重度以內(nèi)，浮泥層對(duì)船只航行無(wú)影響，天津新港測(cè)得的浮泥臨界重度為13.0KN/m3;上海長(zhǎng)江口南槽的臨界浮泥重度約為12.5KN/m3;鹿特丹歐羅港將12.0KN/m3作為適航水深標(biāo)準(zhǔn)的浮泥重度值。此外，在東南亞地區(qū)海岸沿線普遍將12.3kN/m3作為能否影響船只的臨界浮泥重度。

4適航水深的測(cè)量

由于各港口浮泥層的泥質(zhì)和理化性質(zhì)都有所區(qū)別，各國(guó)適航水深測(cè)量的方法也有所不同。我國(guó)測(cè)量適航水深主要有三爪鉈法、密度計(jì)法以及走航式測(cè)量系統(tǒng)（SILAS）這三種方法[4]。

三爪鉈測(cè)量的方法，價(jià)格低廉，操作簡(jiǎn)單，且無(wú)安全隱患。但是其適用面太小，及其依賴(lài)測(cè)量環(huán)境、三爪鉈制造精度和操作者熟練程度，而且三爪鉈法完全是人工作業(yè)，精度較低，效率也很低下。在測(cè)量小范圍內(nèi)水域的適航水深，三爪鉈法也不失為一種簡(jiǎn)單有效的方法，但是不適用于大范圍的適航水深測(cè)量的工作。

密度計(jì)法有γ射線測(cè)量技術(shù)和聲學(xué)測(cè)量方法兩類(lèi)，通過(guò)射線和聲波在不同淤泥層的衰減比率來(lái)確定浮泥重度。這種方法不僅可以測(cè)量同一垂度上各深度的密度，也可以測(cè)得某一密度的連續(xù)深度值，相比較于三爪鉈法，密度計(jì)法的精度更高，適用面也更廣。但是γ射線具有極強(qiáng)的放射性，操作人員需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)的培訓(xùn)以及具備特殊的施工許可，其放射性也會(huì)對(duì)周?chē)沫h(huán)境造成潛在的破壞。其次，密度計(jì)法在工作時(shí)，是將密度計(jì)直接放入水中，通過(guò)壓力傳感器或者拖繩的長(zhǎng)度來(lái)確定深度，這種拖拽式的測(cè)量方式不利于精準(zhǔn)定位測(cè)量，在海底地貌不規(guī)則的情況下，密度計(jì)法的工作將受到很大的限制。而且其機(jī)械原理也決定了測(cè)量的效率也不會(huì)高。

走航式適航水深測(cè)量系統(tǒng)一般指的是SILAS測(cè)量系統(tǒng)。一套完整的SILAS測(cè)量系統(tǒng)由雙頻探測(cè)儀、Rheo Tune音叉密度儀、數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)組成，這種方法是基于密度計(jì)法開(kāi)發(fā)的。SILAS系統(tǒng)用低頻探測(cè)儀發(fā)射的聲波信號(hào)在不同阻抗的媒介體界面上的反射信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)代替密度計(jì)直接放到浮泥層中的方法，再將反射信號(hào)量化為密度梯度，結(jié)合聲源信號(hào)增益和時(shí)變?cè)鲆娴葏?shù)就能精確計(jì)算出對(duì)應(yīng)浮泥層的相對(duì)密度，結(jié)合密度計(jì)法的單點(diǎn)密度測(cè)量結(jié)果可以得出反射強(qiáng)度和絕對(duì)強(qiáng)度之間的關(guān)系，籍此，得出給定密度的浮泥的對(duì)應(yīng)深度，提取各密度下的定位值可以得到河床底部具體的浮泥分布情況。SILAS測(cè)量系統(tǒng)最大的優(yōu)點(diǎn)在于克服了密度計(jì)法拖拽式的測(cè)量方法，實(shí)現(xiàn)了走航式測(cè)量，受海底地貌的影響較小，并且大大提高了測(cè)量精度和效率。對(duì)于中國(guó)港口淤泥質(zhì)多，海底情況復(fù)雜，測(cè)量工期短的特點(diǎn)具備較強(qiáng)的適應(yīng)性。

5 應(yīng)用效益分析

適航水深的應(yīng)用除了可以保證船只安全航行，碼頭正常作業(yè)生產(chǎn)以外，還可以帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，按照傳統(tǒng)挖泥維護(hù)的方法，挖泥的周期很短，而且大部分維護(hù)的水域泥沙密集度不高，密度較小，因此在這樣的“稀泥湯”中挖泥基本上挖不到泥沙，維護(hù)效率極其低下。既浪費(fèi)了人力物力，又達(dá)不到理想的效果，并且頻繁的挖泥維護(hù)對(duì)于水體的生態(tài)環(huán)境會(huì)有很大的破壞，底棲生物的生活環(huán)境來(lái)不及恢復(fù)，整個(gè)河流的食物鏈都會(huì)受到破壞;而應(yīng)用適航水深之后，挖泥的周期明顯延長(zhǎng)，泥沙沉淀時(shí)間長(zhǎng)，密度大。此時(shí)，挖淤泥區(qū)域能挖到的泥沙含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法，相同的工程量，其中的干土含量也大大增加了，提高了維護(hù)效率，維護(hù)挖泥的水下土方工程量大大減小。

近年來(lái)，沿海港口進(jìn)出船只越來(lái)越多，船舶吃水深度也不斷增加。碼頭的負(fù)荷也越來(lái)越大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全年，全國(guó)港口完成貨物吞吐量1395083萬(wàn)噸，比2018年同比增長(zhǎng)8.8%。如果在港口頻繁的進(jìn)行挖泥維護(hù)，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致大量船只無(wú)法進(jìn)入碼頭卸貨，嚴(yán)重影響碼頭的正常作業(yè)。應(yīng)用適航水深和適航增深之后，挖泥周期變長(zhǎng)，維護(hù)次數(shù)減少。碼頭的使用率明顯提高，極大程度上保證了碼頭正常作業(yè)。而且，適航水深、適航增深的應(yīng)用一般可以在泊位、港池的空閑時(shí)間進(jìn)行，不會(huì)影響正常作業(yè)。

天津港位于天津市濱海新區(qū)，是我國(guó)華北地區(qū)一道重要的海上門(mén)戶，戰(zhàn)略意義重大。截至2014年，天津港擁有泊位159個(gè) ，55個(gè)泊位更是達(dá)到萬(wàn)噸以上，1個(gè)20萬(wàn)噸泊位，2個(gè)10萬(wàn)噸泊位，11個(gè)7萬(wàn)噸泊位。岸線總長(zhǎng)達(dá)14.5千米 。然而，天津港作為人工深水港，加上大型船舶不斷進(jìn)出，泥沙淤積十分嚴(yán)重，如果按照傳統(tǒng)方法，用高頻探測(cè)儀來(lái)確定航道水深，大部分的港池和航道都不能滿足通航要求，需要挖泥維護(hù)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，天津港每年的港池、泊位挖泥次數(shù)至少有5次。不僅維護(hù)成本巨大，也影響碼頭正常工作，降低了經(jīng)濟(jì)效益。從1999年起，天津港開(kāi)始將適航水深應(yīng)用于航道維護(hù)工作，將傳統(tǒng)高頻探測(cè)界面以下的部分浮泥層計(jì)入適航水深，并制定了一系列有關(guān)適航水深的規(guī)范，包括繪圖方法、具體參數(shù)以及測(cè)量手段。此后適航水深的應(yīng)用逐漸完善，維護(hù)周期大大延長(zhǎng)，疏浚效率也明顯提高。每年節(jié)約了大量的維護(hù)費(fèi)用，此外，由于適航水深的應(yīng)用，碼頭使用率提高，相較于以前，也帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。適航水深應(yīng)用的收益達(dá)到1000萬(wàn)以上。由此可見(jiàn)，適航水深的經(jīng)濟(jì)效益是非?？捎^的。關(guān)于適航水深的研究也是具有重要實(shí)踐意義的。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著航道水深日漸加大，單純依靠挖泥來(lái)維持水位會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)成本，且難以實(shí)現(xiàn)。而應(yīng)用適航水深能很好地解決由于回淤加劇引起的挖淤次數(shù)增加的問(wèn)題。而適航水深的測(cè)量傳統(tǒng)方法一直沿用三爪鉈和密度儀的方法，雖有一定的應(yīng)用價(jià)值但其局限性也非常明顯，三爪鉈價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單。但是其完全依靠人工作業(yè)，精度和效率都難以保證;密度計(jì)法雖然在精度方面有一定的進(jìn)步，但是受限于它的作業(yè)方式，效率不高;目前的主流方法是應(yīng)用SILAS系統(tǒng)測(cè)量，精度和效率都能得到保證，適用于大面積航道的適航水深測(cè)量。

在航道工程中應(yīng)用適航水深帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，除此之外也可以在適航水深的基礎(chǔ)上應(yīng)用適航增深[3]，即將高壓水流或者氣體注入浮泥層，稀釋浮泥密度，增加浮泥層中偽塑性層的厚度，以此來(lái)增加適航水深。

參考文獻(xiàn)：

[1]周亮亮.試論浮泥對(duì)航道工程的影響[J].黑龍江科技信息，2013（21）：201.

[2]尹則高，曹先偉.航道工程中的浮泥研究綜述[J].水資源與水工程學(xué)報(bào)，2010，21（03）：92-94.

[3]許保華.浮泥條件下的適航水深應(yīng)用研究[J].中國(guó)科技論文在線，2006（02）：161-164.

[4]沈小明，裴文斌.適航水深測(cè)量技術(shù)介紹與探討[J].水道港口，2003（02）：94-96.

[5]奚民偉.浮泥層測(cè)量及其應(yīng)用[J].海洋測(cè)繪，2001（03）：55-57.

[6]陳學(xué)良.連云港浮泥測(cè)試及“適航深度”的確定[J].水運(yùn)工程，1998（08）：29-32.