廈門大小嶝造地工程吹填砂起動(dòng)流速試驗(yàn)研究

康學(xué)增，張晴波，張忱，王費(fèi)新*

（1.中交疏浚（集團(tuán)）股份有限公司，北京100088；

2.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海201208）

廈門大小嶝造地工程吹填砂起動(dòng)流速試驗(yàn)研究

康學(xué)增1，張晴波2，張忱2，王費(fèi)新2*

（1.中交疏浚（集團(tuán)）股份有限公司，北京100088；

2.中交疏浚技術(shù)裝備國(guó)家工程研究中心有限公司，上海201208）

大小嶝陸域形成采用耙吸船、絞吸船聯(lián)合采砂吹填施工方案。其吹填砂料經(jīng)檢測(cè)成分主要為粗砂且粒徑較為單一。起動(dòng)流速是疏浚吹填土質(zhì)基本水動(dòng)力學(xué)特性之一。通過室內(nèi)物理模型試驗(yàn)，測(cè)試了吹填粗砂不同水深下的起動(dòng)流速，并與當(dāng)前常用的張瑞瑾、竇國(guó)仁、唐存本等起動(dòng)流速公式進(jìn)行了比較，推薦適用于該類粗砂的起動(dòng)流速計(jì)算公式，為現(xiàn)場(chǎng)疏浚吹填施工分析計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

大小嶝；起動(dòng)流速；粗砂；吹填砂

0 引言

大小嶝造地工程作為廈門翔安新機(jī)場(chǎng)填海造陸工程的一部分，工程包含陸域形成及地基處理。其中陸域形成采用吹（回）填砂技術(shù)方案。施工時(shí)耙吸船、吸砂王船組、絞吸船聯(lián)合采砂，通過布設(shè)的管線輸送進(jìn)入吹填區(qū)，管線總長(zhǎng)約5.5 km，由沉管、浮管和岸管組成。

起動(dòng)流速是疏浚吹填土質(zhì)水動(dòng)力學(xué)特性分析和測(cè)試的基礎(chǔ)參數(shù)，也是疏浚吹填過程中影響施工作業(yè)及施工效率的基本土質(zhì)特性參數(shù)之一。對(duì)于耙吸挖泥船而言，疏浚吹填土質(zhì)的起動(dòng)流速，是決定耙吸挖泥船挖掘過程中土體切削后破碎松散過程進(jìn)而影響抽吸濃度的重要參數(shù)，也是裝艙過程中決定裝艙效率及裝艙量的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于吸砂王船組及絞吸挖泥船而言，土質(zhì)的起動(dòng)流速也是影響挖掘輸送濃度及產(chǎn)量的一個(gè)重要影響因素。此外，輸送粗顆粒土質(zhì)工況下，起動(dòng)流速也是泥泵-管道輸送系統(tǒng)工況參數(shù)控制的一個(gè)重要參考因子。因此，有必要針對(duì)工程典型土質(zhì)，開展起動(dòng)流速研究和分析，為現(xiàn)場(chǎng)施工分析計(jì)算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)在波流試驗(yàn)水槽中進(jìn)行，水槽長(zhǎng)度45 m，寬度0.7 m，水槽高度1 m。水槽上游端配備有造流和造波系統(tǒng)，下游端配備水位控制系統(tǒng)、消波系統(tǒng)，水槽中段設(shè)置試驗(yàn)區(qū)，流量控制通過供水泵變頻實(shí)現(xiàn)。

試驗(yàn)觀測(cè)要素包括來(lái)流水深和來(lái)流流速，并觀測(cè)泥沙起動(dòng)。相應(yīng)配備的測(cè)試儀器有NDV流速儀、標(biāo)尺等。

1.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土從大小嶝施工現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)回，檢測(cè)結(jié)果表明該種土中值粒徑D50為0.8 mm（見圖1），根據(jù)JTJ/T 320—1996《疏浚巖土分類標(biāo)準(zhǔn)》，判別為勻粒土，級(jí)配不良，粗砂。

圖1 試驗(yàn)砂樣粒徑級(jí)配曲線Fig.1Grain size distribution curve of test sand

1.3 試驗(yàn)斷面及試驗(yàn)過程

根據(jù)SL 99—2012《河工模型試驗(yàn)規(guī)程》選定試驗(yàn)斷面（圖2）。試驗(yàn)斷面布設(shè)在波流水槽中段。試驗(yàn)砂樣鋪設(shè)長(zhǎng)度為5.0 m，厚度5.0 cm，寬度0.70 m（與水槽同寬）。試驗(yàn)砂樣上、下游側(cè)分別設(shè)置過渡段用以平緩水流，過渡段采用中粗砂鋪設(shè)，外表面涂抹水泥形成較為光滑的面，水平頂面長(zhǎng)度10 m，坡面坡度1∶10，高度與試驗(yàn)砂樣同高。

圖2 試驗(yàn)斷面示意圖Fig.2Test section diagram

試驗(yàn)基本步驟為：1）在水槽試驗(yàn)段鋪設(shè)試驗(yàn)用土，保持床面水平；2）放水到試驗(yàn)水深（放水時(shí)嚴(yán)格控制來(lái)流流速，確保試驗(yàn)土不起動(dòng)）；3）起動(dòng)供水水泵，控制試驗(yàn)水深，并逐級(jí)加大來(lái)流流量及流速；觀察泥沙起動(dòng)現(xiàn)象，記錄泥沙起動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)觀察到泥沙處于臨界起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，測(cè)定水流流速和水深；4）每組水深進(jìn)行流速數(shù)據(jù)采集3次的平均值，作為該點(diǎn)的流速實(shí)測(cè)結(jié)果；關(guān)閉水泵，整理試驗(yàn)設(shè)備，試驗(yàn)完畢。

1.4 泥沙起動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)

受床面條件、泥沙顆粒組成、水流脈動(dòng)特性等客觀條件的影響，泥沙起動(dòng)的判別標(biāo)準(zhǔn)帶有很大的任意性。根據(jù)克雷默對(duì)泥沙的起動(dòng)的描述，可將之分為4種狀態(tài)，即不動(dòng)、弱動(dòng)、中動(dòng)和普動(dòng)。其中弱動(dòng)狀態(tài)是指床面泥沙除個(gè)別凸出顆粒可動(dòng)外，基本不動(dòng)；中動(dòng)狀態(tài)是指床面上的泥沙，時(shí)而這個(gè)部位起動(dòng)，時(shí)而那個(gè)部位起動(dòng)，經(jīng)常能觀察到有少量顆粒起動(dòng)；普動(dòng)起動(dòng)狀態(tài)下床面上各部位的泥沙并不是同時(shí)起動(dòng)而是有先有后，但在一定觀察時(shí)段內(nèi)床面上各部位均能看到泥沙顆粒的運(yùn)動(dòng)[1]。通常將中動(dòng)作為泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，但也有學(xué)者將普動(dòng)作為起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

共進(jìn)行了5組不同水深情況下的起動(dòng)流速觀測(cè)試驗(yàn)，分別為水深15 cm、20 cm、25 cm、30 cm和35 cm，每組水深按流速由小到大進(jìn)行了若干試驗(yàn)（從床面靜止直至開始出現(xiàn)砂粒懸浮），且各進(jìn)行1次重復(fù)試驗(yàn)。試驗(yàn)以中動(dòng)作為泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果見表1，為簡(jiǎn)單起見每組水深僅列出1組數(shù)據(jù)。表1列出了5組水深下觀測(cè)到砂粒部分起動(dòng)（中動(dòng)）和砂粒整體懸浮運(yùn)動(dòng)，開始出現(xiàn)砂紋（普動(dòng)）2種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，略去了未動(dòng)和弱動(dòng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 大小嶝粗砂起動(dòng)流速試驗(yàn)結(jié)果Table 1Test results of threshold velocity for coarse sand of Daxiao Deng Islands

2.2 結(jié)果分析

以下列出部分較有知名度的起動(dòng)流速公式[1-4]：

1）岡恰洛夫公式：

式中：Vc為起動(dòng)流速，m/s；γs、γ分別為泥沙顆粒和水的重度，kN/m3；D、D95分別為泥沙顆粒的中值粒徑和特征粒徑，m；h為水深，m。

2）沙莫夫公式：

3）竇國(guó)仁公式：

式中：D*為參考粒徑，取為10 mm；D′取值，當(dāng)D≤0.5 mm時(shí)，D′=0.5 mm，當(dāng)0.5 mm＜D＜10 mm時(shí)，D′=D，當(dāng)D≥10 mm時(shí)，D′=10 mm；對(duì)于平整河床，Ks取值，當(dāng)D≤0.5 mm時(shí)，Ks= 1.0 mm，當(dāng)0.5 mm＜D＜10 mm時(shí)，Ks=2D，當(dāng)D≥10 mm時(shí)，δ為薄膜水厚度參數(shù)，取2.31×10-5cm；ε0為綜合黏結(jié)力參數(shù)，其值與顆粒的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān)，對(duì)于黏土還與有機(jī)質(zhì)含量及沉積環(huán)境等有關(guān)，變化范圍較大，對(duì)于一般泥沙取1.75 cm3/s2，對(duì)于黏土最大可達(dá)17.5 cm3/s2；γ′、γc′分別為床面泥沙的干重度和穩(wěn)定干重度，kN/m3。

4）張瑞瑾公式：

5）唐存本公式：

式中：m為指數(shù)，對(duì)于一般天然河道，m=1/6，對(duì)于平整河床，c為系數(shù)，取0.906×10-4g/cm；ρ為水的密度，kg/m3。

6）沙玉清公式：

式中：δ為薄膜水厚度，取0.000 1 mm；ε為孔隙率，其穩(wěn)定值約為0.4。

本文以泥沙中動(dòng)作為泥沙起動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，將各家公式計(jì)算值與物模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見圖3。其中，竇國(guó)仁公式中ε0取55 cm3/s2，取γ′=γc′；唐存本公式中，取γ′=γc′；沙玉清公式中，ε取0.43；其余參數(shù)均按實(shí)際情況選取。

根據(jù)圖3，沙莫夫公式和張瑞瑾公式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相比明顯偏小，而沙玉清公式計(jì)算值與實(shí)測(cè)的普動(dòng)流速值接近；唐存本、竇國(guó)仁及岡恰洛夫計(jì)算公式與中動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為接近，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)落在唐存本公式和岡恰洛夫公式計(jì)算值區(qū)域之間，且基本與竇國(guó)仁公式重合。因此這3個(gè)公式在淺水工況下從理論上都可進(jìn)行泥沙起動(dòng)計(jì)算，但竇國(guó)仁公式中需確定綜合黏結(jié)力參數(shù)值，且取值范圍較大，對(duì)最終結(jié)果影響較大。因此建議計(jì)算大小嶝充填砂土體起動(dòng)流速時(shí)，推薦唐存本公式或?qū)÷宸蚬健?/p>

圖3 起動(dòng)流速理論計(jì)算數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果比較Fig.3Comparisonofthresholdvelocitybetweentheoretical calculation and experimental results

3 結(jié)語(yǔ)

通過在試驗(yàn)水槽內(nèi)進(jìn)行不同水深下的起動(dòng)流吊裝和拼裝鋼箱梁場(chǎng)地地基沒有發(fā)生明顯差異沉降，施工過程中進(jìn)展順利，質(zhì)量滿足要求，實(shí)踐證明本工程施工工藝可行。

由于本工程三跨鋼箱梁是曲線型，橫向高差1.3 m，支座處原焊接的限位擋板影響吊裝作業(yè)，施工中被迫取消。

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Experimental study on threshold velocity of backfill sand at Daxiao Deng Islands reclamation works in Xiamen

KANG Xue-zeng1,ZHANG Qing-bo2,ZHANG Chen2,WANG Fei-xin2*
（1.CCCC Dredging(Group)Company Limited,Beijing 100088,China; 2.CCCC National Engineering Research Center of Dredging Technology and Equipment Co.,Ltd.,Shanghai 201208,China）

The joint sand excavating and filling scheme using trailing suction dredger and cutter suction dredger is employed in Daxiao Deng Islands land formation project.Main component of filled sand material is coarse sand and the particle size is relatively unitary.Threshold velocity is one of the fundamental hydrodynamic characteristics for filled material.The threshold velocity of filled coarse sand was tested under different water depth due to indoor physical model test.The testing results are compared with several common formulas,including Zhang Ruijin formula,Dou Guoren formula and Tang Cunben formula,et al. The calculation formula for the threshold velocity of this kind of coarse sand is recommended after the comparison.The results provide fundamental data for analysis and calculation of the dredging and filling construction project.

Daxiao Deng Islands；threshold velocity；coarse sand；backfill sand

U615.4；TV142.1

A

2095-7874（2017）06-0041-03

10.7640/zggwjs201706009

2017-02-09

2017-03-27

康學(xué)增（1958—），男，河北黃驊人，碩士，總裁，高級(jí)工程師，從事疏浚技術(shù)研究及管理工作。

*通訊作者：王費(fèi)新，E-mail：wangfeixin2005@126.com