淤泥質港泥沙技術探索與研究實踐

趙君

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

關鍵字：淤泥質港口 泥沙研究 技術創(chuàng)新 實踐應用

淤泥質港泥沙技術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研究成果的基礎上，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港口淤積量計算的重要參數(shù)之一。但是由于淤泥質泥沙的顆粒小，沉降速度也較小，導致在室內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的水槽長度過長。

1.1實驗設備和實驗機理

實驗設備主要包括了環(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)設置在水槽內的水體表面，水槽和剪力環(huán)轉動時，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泥沙的沉降實驗。以某淤泥質港口區(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用

近年來，環(huán)形水槽泥沙沉降試驗結果在港口的淤積計算中得到廣泛應用。以天津港維護疏浚工程為例，對該港口區(qū)域的淤泥質泥沙進行沉降實驗，通過實驗結果能實現(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來跟蹤觀測泥沙的轉移運動。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，放射性示蹤技術在我國水利水運工程中有著較為廣泛的推廣與應用。

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)啬嗌臣壟洹⒈戎叵嘟咏纳丑w。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，即可得到泥沙轉移與擴散的規(guī)律。放射性示蹤法的技術優(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移和擴散特性。②通過放射性元素的探測技術，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移過程中速度、擴散范圍、轉移方向等等，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果。

3.浮泥特性研究

浮泥是淤泥質港口及海岸地區(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 分別為水底剪切應力和懸沙淤積臨界剪切應力；Sfn和Wfn 則分別為浮泥含沙量和浮泥沉積速度。

3.2浮泥研究的應用

近年來，國內外學者紛紛加強了淤泥質港浮泥問題的研究，并取得了以下方面的應用成果：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

本文總結了近年來在淤泥質港口工程實踐中，泥沙研究的一些創(chuàng)新型技術成果與應用實踐，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用。以上研究成果均已被廣泛應用于各類港口航道工程當中，具有極強的應用與推廣價值，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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