天津南港適航水深技術(shù)應(yīng)用可行性研究

龐啟秀 張瑞波 韓志遠(yuǎn) （天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津300456）

天津南港適航水深技術(shù)應(yīng)用可行性研究

龐啟秀 張瑞波 韓志遠(yuǎn) （天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院 天津300456）

為了論證天津南港應(yīng)用適航水深的可行性，從天津南港開(kāi)挖區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)采集回淤泥沙，在室內(nèi)開(kāi)展了泥沙顆分實(shí)驗(yàn)和流變?cè)囼?yàn)。顆分實(shí)驗(yàn)表明，天津南港回淤泥沙的中值粒徑平均為0.008 7 mm，粘土含量平均為34%，為淤泥質(zhì)海港，滿足適航水深應(yīng)用的條件；通過(guò)流變?cè)囼?yàn)得出天津南港適航淤泥重度值在12.2～12.5 kN/m3之間。

適航水深 淤泥流變 天津南港

我國(guó)有眾多大中型的淤泥質(zhì)海港的淤積物主要由粘性細(xì)顆粒泥沙組成，密實(shí)緩慢，淤泥重度垂線分布不均勻，由表向下逐漸增大。表層淤泥單位體積內(nèi)的含沙數(shù)量少，導(dǎo)致維護(hù)疏浚效率低；另一方面，表層重度較小的淤泥具有類似于水的流動(dòng)特性，船舶航行與停泊作業(yè)過(guò)程中，船底龍骨與其接觸并不會(huì)受到傷害，船舶操作性能也無(wú)明顯影響，因而可作為水深使用，以增加港口的水深，同時(shí)也可避免這種資源的浪費(fèi)。從港方、疏浚施工方和節(jié)約國(guó)家資源角度而言，均迫切需要充分利用適航水深這種自然資源。天津南港港池航道建設(shè)后，由于改變了原有的水流泥沙平衡系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生泥沙回淤現(xiàn)象，因此迫切需要開(kāi)展適航水深應(yīng)用可行性研究，為將來(lái)的港池航道水深維護(hù)措施選取提供依據(jù)。

1 適航水深的概念和研究進(jìn)展

港口水深測(cè)量通常采用高頻測(cè)深儀，其反射面為水-淤泥的交界面，經(jīng)大量實(shí)測(cè)資料證實(shí)這一反射面淤泥重度約為10.3 kN/m3，因此，作為港口通航使用依據(jù)的圖載水深是指當(dāng)?shù)乩碚摶嬷林囟?0.3 kN/m3淤泥面的距離。

而所謂的適航水深，則是原高頻測(cè)深儀所測(cè)水深加上其反射面以下能確保船舶安全航行與停泊作業(yè)的小重度回淤層下界面的厚度。小重度回淤層厚度可稱為適航厚度，如圖1所示。

適航水深資源的開(kāi)發(fā)利用，能給港口企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，自20世紀(jì)30年代以來(lái)，許多國(guó)家都進(jìn)行過(guò)大量的研究與應(yīng)用。荷蘭的鹿特丹港、比利時(shí)澤布勒赫港、德國(guó)埃姆登港、泰國(guó)曼谷、印度的科契港、委內(nèi)瑞拉的馬拉開(kāi)波港、法國(guó)的波爾多港、南特·圣納澤爾港、敦刻爾克港等都在應(yīng)用適航水深技術(shù)。英國(guó)還頒布了有關(guān)適航水深應(yīng)用的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《海工建筑物》（BS6349）。

為了減小港口維護(hù)疏浚量、提高港口效益，我國(guó)許多港口如天津港、連云港、長(zhǎng)江口、寧波港北侖港區(qū)蝦峙門航道、汕頭港外航道和珠海港等，[1-10]針對(duì)如何有效利用港池航道中的適航資源，曾開(kāi)展了多項(xiàng)研究并積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，為我國(guó)適航水深的研究和應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。

確定各港口的適航淤泥標(biāo)準(zhǔn)重度是安全、合理使用適航水深的前提，但因各港淤積物組成、顆粒級(jí)配、含鹽度等不同，其數(shù)值也有可能會(huì)不同，因此需要在充分掌握回淤泥沙特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)試驗(yàn)來(lái)綜合確定各港的適航淤泥重度值。

2 天津南港基本概況

南港工業(yè)區(qū)總規(guī)劃范圍約200 km2，其中，現(xiàn)有陸域38 km2，圍海造陸124 km2，港池航道水域38 km2。預(yù)測(cè)到2020年南港工業(yè)區(qū)建設(shè)兩套1 500 t核心煉化及相關(guān)乙稀裝置，發(fā)展各類原材料共享的石化下游產(chǎn)業(yè)，建設(shè)石油儲(chǔ)備基地，形成大型石化產(chǎn)業(yè)集群。這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開(kāi)交通運(yùn)輸?shù)闹С?，因此，天津南港在未?lái)幾年內(nèi)將航道設(shè)計(jì)等級(jí)定為10萬(wàn)噸級(jí)單向和5萬(wàn)噸級(jí)雙向：航道寬300 m，深-16.5 m，由于取泥造陸需要，港內(nèi)水域統(tǒng)一疏浚至-16.5 m。港池航道的通航安全是南港經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保障，但港池航道的建設(shè)將破壞原有的泥沙平衡體系而造成港池航道的泥沙淤積，經(jīng)過(guò)泥沙回淤預(yù)報(bào)，[11]港口建設(shè)完成后，口門航道中心淤?gòu)?qiáng)最大，年淤積強(qiáng)度可達(dá)到1.2 m，整個(gè)航道年淤積量約為498萬(wàn)m3，港內(nèi)淤積量約為667萬(wàn)m3，全港淤積量為1 165萬(wàn)m3。如此大的維護(hù)疏浚量，將給港口企業(yè)帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)壓力，而且維護(hù)疏浚施工也可能會(huì)影響到泊位的正常作業(yè)，進(jìn)而影響碼頭運(yùn)營(yíng)，因此迫切需要開(kāi)展航道維護(hù)措施研究，指導(dǎo)南港工業(yè)區(qū)港區(qū)和航道的維護(hù)，進(jìn)一步提升港口航道的作業(yè)及通航能力，提高港口的運(yùn)營(yíng)效益，節(jié)約資金,也為未來(lái)幾年內(nèi)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供重要保障。而適航水深是目前較為有效的維護(hù)措施之一。

3 應(yīng)用適航水深技術(shù)可行性研究

3.1 可行性初步論證

在天津南港的港池航道采集了14個(gè)泥沙樣品，然后在試驗(yàn)室內(nèi)開(kāi)展泥沙顆分試驗(yàn)。樣品分析采用河海大學(xué)研制的NSY-Ⅲ型寬域粒度分析儀。結(jié)果表明，所有泥沙樣品的中值粒徑（D50）介于 0.003 5～0.021 5 mm，平均值為 0.008 7 mm，粘土含量基本都在30%以上，平均為34%，屬粘土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)粘土。

根據(jù)《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JTJ/T325-2006）要求，適航水深主要應(yīng)用在淤泥質(zhì)海港，即床面泥沙顆粒中值粒徑小于0.03 mm，淤泥顆粒之間有粘結(jié)力并在海水中呈絮凝狀態(tài)的海岸港和河口港。本次所取底質(zhì)中值粒徑小于0.03 mm，粘土含量也較高，屬于《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》（JTJ/T325-2006）推薦使用的范圍。當(dāng)然這只是一次取樣結(jié)果，尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.2 適航淤泥重度值的確定

3.2.1 流變模型 淤泥受到外部動(dòng)力作用時(shí)表現(xiàn)出較為復(fù)雜的變形和流動(dòng)行為，這種特性稱為淤泥的流變特性，代表淤泥對(duì)流動(dòng)的抵抗力、淤泥的變形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)于淤泥的流動(dòng)化、沖刷能力等的估計(jì)是十分重要的，和淤泥的基本運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象密切相關(guān)。以往研究針對(duì)粘性泥沙建立了各種流變模型，這些模型的適用性不僅取決于泥沙的物理性質(zhì)，如密度、礦物組成及顆粒級(jí)配、鹽度和溫度等，更主要取決于泥的密度。大量研究成果表明，賓漢模型更符合浮泥，而且研究表明我國(guó)河口海岸的粘性泥沙，如天津港、連云港、長(zhǎng)江口和黃河口泥都具有明顯的屈服極限。[12]本次研究浮泥的流變特性，也擬采用賓漢模型。

3.2.2 流變?cè)囼?yàn) 采用交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究院的R/S-cc型流變儀進(jìn)行流變?cè)囼?yàn)。利用天津南港港池開(kāi)挖區(qū)域的回淤泥沙，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置了多種密度的淤泥，然后測(cè)量各密度淤泥在不同剪切速度時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力和粘度。建立剪應(yīng)力與剪切率的關(guān)系，然后采用賓漢模型進(jìn)行擬合，從中得出高剪切時(shí)的屈服應(yīng)力。繪制賓漢屈服應(yīng)力與重度的關(guān)系，如圖2所示，表現(xiàn)出較好的指數(shù)關(guān)系，表達(dá)式為：

式中，τB為屈服應(yīng)力，單位為 Pa；γ為重度，單位 kN/m3。

3.2.3 適航淤泥重度值的確定 根據(jù)淤泥流變?cè)囼?yàn)，獲得高剪切率時(shí)屈服應(yīng)力與重度的關(guān)系。借鑒國(guó)內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，以曲線的曲率變化較大的點(diǎn)作為確定標(biāo)準(zhǔn)的依據(jù)，該臨界點(diǎn)約在12.2～12.5 kN/m3之間。因此天津南港的適航淤泥重度值介于此范圍內(nèi)。

4 結(jié)語(yǔ)

適航水深已經(jīng)在多個(gè)港口成功應(yīng)用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益，通過(guò)對(duì)泥沙物質(zhì)組成分析，初步論證了天津南港應(yīng)用該技術(shù)的可行性，而且通過(guò)流變?cè)囼?yàn)得出天津南港適航淤泥重度值在 12.2～12.5 kN/m3之間。

但需要說(shuō)明的是，目前港池航道尚在建設(shè)中，其泥沙的特性可能會(huì)與港口正常運(yùn)營(yíng)期的泥沙特性略有不同，因此在正常運(yùn)營(yíng)期間還需要作進(jìn)一步的驗(yàn)證。而且根據(jù)《淤泥質(zhì)海港適航水深應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的要求，尚需進(jìn)一步開(kāi)展船模阻力試驗(yàn)來(lái)綜合確定適航淤泥重度值。■

[1]劉富強(qiáng),孫建澎.天津港適航水深資源的開(kāi)發(fā)[J].水道港口,2002，23（增刊）：161-169.

[2]邳志.論適航水深在天津港強(qiáng)淤現(xiàn)象中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程 ,2003，（5）：23-24.

[3]金镠,虞志英,陳德易.關(guān)于淤泥質(zhì)港口航道適航水深的研究 [J].連云港回淤研究論文集,南京：河海大學(xué)出版社，1985:249-257.

[4]陳學(xué)良.連云港浮泥測(cè)試及“適航深度”的確定[J].連云港泥沙研究成果匯編,1985:258-266.

[5]徐海根,徐海濤,李九發(fā).長(zhǎng)江口浮泥層“適航水深”初步研究[J].華東師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,1994（2）：91-97.

[6]張華,阮偉.長(zhǎng)江口北槽深水浮泥的研究與應(yīng)用[J].水運(yùn)工程,2002（10）：98-102.

[7]陳曉峰,黃建維,劉建軍.汕頭港外航道適航水深的研究與應(yīng)用[J]. 海洋工程,2002，20（4）：26-31.

[8]陸振邦,鄭喬雄.寧波港北侖港區(qū)蝦峙門航道浮泥探索及適航水深測(cè)量[J].中國(guó)港灣建設(shè),2000,（6）：8-11.

[9]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,2003,24（2）:94-96.

[10]梅劍云,孫月,李占元.國(guó)華臺(tái)電煤港適航水深應(yīng)用研究[J]. 水道港口,2008,29（5）：314-317.

[11]孫連成,張娜.天津港總體規(guī)劃海洋動(dòng)力泥沙關(guān)鍵技術(shù)研究.交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所,2010.5.

[12]黎英,海岸、河口淤泥的流變特性[D].天津大學(xué)碩士論文，1991.

注：本文為天津市濱海新區(qū)“十大戰(zhàn)役”重大科技支撐項(xiàng)目（2010-Bk140011）

2012-09-06