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文檔簡介
淤泥質海岸航道建設期泥沙回淤監(jiān)測方法
沙氏回歸的特征是船舶施工期間和正常運行中的一個重要問題之一。在航道施工期間,監(jiān)測沙子回收率的內容和方法與正常航道運行時不同。航道的開挖施工會對泥沙回淤造成較大影響,根據(jù)不同時間水深圖計算出的航道沿程水深變化極其不均勻,有時甚至會呈不同狀態(tài),例如天津大沽沙航道某段時間內某斷面的水深加深在4.0m以上,而相鄰(間距僅500m)斷面卻淤淺2.0m,成為施工期間所特有的現(xiàn)象。施工還會對泥沙的物質組成及其特性產生影響,另外,在淤泥質海岸航道,泥沙還可能會以浮泥形式存在,其厚度及平面分布狀況也會影響到建設方的施工安排。1泥沙回淤實驗方法與設備為了更好地掌握航道建設期的泥沙回淤狀況,應開展多方面的現(xiàn)場監(jiān)測和室內實驗,主要包括航道水深、回淤物質組成、回淤泥沙特性和回淤層厚度及密度垂向分布等;同時為了盡可能地提高監(jiān)測成果的可靠度,還應采用多種方法,進行多角度的定性、定量分析。1)現(xiàn)場水深監(jiān)測。每個月份均進行水深測量并繪制水深圖,為港方和施工方及時掌握施工進度和施工效果提供最直接的依據(jù),也為泥沙回淤分析提供基礎的資料。現(xiàn)場測量可采用高頻水深測量儀,其信號反射面對應的淤泥密度一般在1.03~1.05t/m3;也可采用雙頻水深測量系統(tǒng),其低頻頻率不宜高于33kHz,其信號可至開挖底床面再反射。2)淤泥的物質組成。不同物質組成的淤泥的物理特性、水力特性等有較大差異,因而需要進行現(xiàn)場回淤物質取樣,并進行室內顆粒分析實驗,實驗方法和設備相對較為成熟。另外,作為正在開挖的航道,還應與開挖前的灘面泥沙的物質組成進行對比分析,以掌握開挖前后的泥沙物質組成的變化情況。3)回淤物質的基本特性。包括泥沙水力特性(沉降、起動等)、密實特性和流變特性等,可通過泥沙起動實驗、泥沙沉降實驗、靜水密實實驗和流變實驗等來確定,實驗方法和設備同樣較為成熟。4)回淤層厚度及淤泥密度垂向分布現(xiàn)場監(jiān)測。在淤泥質海岸,航道中可能會產生較厚的回淤層,由于細顆粒泥沙密實過程緩慢,上層回淤物的容重較小,導致維護疏浚施工效率降低;同時,實際的淤積物密實是一個復雜過程,它受水流流速的影響,也受新的淤積物的加入以及船舶擾動的影響等,淤泥密度垂向分布難以在室內模擬。因而應進行現(xiàn)場實測,確定淤泥層的厚度及密度垂向分布狀況,從而為施工工藝的選擇和工程量計方標準提供參考??刹捎媚酀{密度計直接測量出淤泥密度隨水深的變化曲線,并分析得出淤泥層的厚度值;也可采用重力式取樣器,分層取樣,然后再測量各層對應的淤泥密度值。5)泥沙回淤規(guī)律分析。主要包括回淤強度及回淤量計算、回淤強度的時間及空間分布等。泥沙淤積厚度的計算,有多種方法,常用的有數(shù)學模型計算、公式計算、斷面法和體積法等。其中后兩種方法均直接應用實測水深來計算,得出固定斷面處或某個區(qū)域的平均水深變化,即泥沙沖淤厚度值,這兩種方法不需要人為調整參數(shù),可靠度相對更高,在航道正常運行中的泥沙回淤狀況分析時常被采用。但是在航道開挖施工期間,受施工影響可能會出現(xiàn)淤積厚度偏小,甚至存在多處水深加深很大的現(xiàn)象,此時水深變化值往往不能真正代表泥沙實際的回淤狀況。這時就需要借助數(shù)學模型或者利用當?shù)亟涷灩?計算施工期間航道中每個季度的泥沙淤積強度和泥沙回淤量,并分析淤強分布規(guī)律。6)泥沙淤積趨勢的判斷。根據(jù)泥沙淤積的時、空分布規(guī)律和當?shù)氐哪嗌抄h(huán)境,預測泥沙淤積的趨勢,為下階段的施工安排提供科學依據(jù)。2開挖土方量計算為了提高成果的可信度,還需針對計算、分析成果做進一步的對比分析工作,可采用不同的資料和方法進行相互校核。常用的方法主要有:1)類比法。與相鄰或相似港口進行對比分析,包括淤泥基本特性、回淤分布規(guī)律等2)與實際挖方量推算出的平均淤積厚度對比分析。在不考慮泥沙回淤情況下,單純依據(jù)水深測圖,可采用以下公式計算開挖土方量:開挖土方量計算值=(開挖后水深-開挖前水深)×開挖面積(1)但實際上航道開挖期間泥沙回淤是不可避免的,因而實際的開挖工程量要大于單純的計算開挖土方量,可采用如下公式計算:實際挖方工程量=開挖土方量計算值+施工期間的回淤量(2)在式(2)中,實際挖方工程量可以由施工方或港方提供,而開挖土方量可依據(jù)水深測圖采用式(1)計算得到。因此,施工期間的回淤量可采用式(3)計算。施工期間的回淤量=實際挖方工程量-開挖土方量計算值(3)計算結果與采用斷面計算出的回淤量對比分析,從而更好地掌握航道的淤積狀況。3大沽沙運河施工期間的污泥回收率3.1航道設計尺度為了適應經濟的快速發(fā)展,滿足天津臨港工業(yè)區(qū)對運輸?shù)男枨?自2006年10月開始在海河口南治導線北側開挖建設1條5萬噸級通海航道,地理位置見圖1。港池航道工程所在的水域自然水深較淺,內航道及港池的海底高程為2.0~-2.0m,向外水深逐漸增大,平均海底坡度為1/2000,港池、航道均需開挖方成。航道設計尺度為:長度29.5km,底寬190m,底高程-12.5m,邊坡1:5。2008年11月底航道建設完成。在2006年10月—2008年11月期間,每個月均進行了高頻水深測量,并依據(jù)測圖采用公式計算、固定斷面法和體積法等計算了各季度的泥沙回淤厚度,還進行了泥沙特性實驗和淤泥層密度現(xiàn)場測量等工作。3.2砂取樣的反應3.2.1主客觀組織特征為了更好地掌握天津大沽沙航道的回淤泥沙特性,沿港池、航道布設了多個固定測點,于2008年4,5,7,8,9,10和11月共進行了7次底質取樣,并開展了室內顆粒分析實驗。為了了解施工期間底質的時、空分布變化規(guī)律,以D50為研究對象,將7次顆分實驗成果進行對比可得出如下結論:1)大沽沙5萬噸級航道中的底質顆粒較細,7個月的泥沙D50介于0.0025~0.0182mm,平均為0.0049mm,同時黏土含量大多也在40%以上,從這一角度可以判斷該海域屬于典型的淤泥質海岸。2)底質平面分布。進一步按測點所在的位置劃分為泊位、過渡段和航道3塊研究區(qū)域,可知其平均D50分別為0.0053mm,0.0048mm和0.0048mm,回淤物質粒徑平面分布較均勻,但粒徑由岸向海略微呈現(xiàn)出由粗到細的規(guī)律。3)底質隨時間變化特征。從不同季節(jié)取樣結果來看,秋季的底質泥沙最粗,多月平均D50為0.0058mm;春、夏季基本相當,平均D50為分別為0.0041mm和0.0042mm,但7月份(夏季)的平均D50為最細,為0.0038mm。由此可見,底質泥沙的變化與氣候的變化有著密切的關系,在風浪較強的季節(jié)回淤泥沙較粗,而在小風浪季節(jié)則較細。3.2.2灘面泥沙與航道開挖回淤泥沙的特征比較為了掌握航道開挖前、后的泥沙顆分組成變化情況,收集了有關灘面泥沙資料進行對比分析。2004年5,7,10,12月和2005年3月,在本工程區(qū)附近沿-2m,-5m和-7m等深線共設12個取樣點,取樣季節(jié)可分為春、夏、秋、冬4個季節(jié),基本上代表了不同季節(jié)的變化情況。所取泥樣經過粒度分析,得出了不同季節(jié)各測點處的灘面泥沙的特征。與航道開挖建設期間的回淤泥沙相比,主要有如下異同:1)航道開挖前灘面泥沙平均中值粒徑約為0.0082mm,大于航道回淤泥沙的粒徑(D50=0.0049mm),即航道開挖過程中回淤的泥沙的粒徑有所細化。2)從各季實測資料來看,本海區(qū)的灘面泥沙從岸向海呈現(xiàn)出由從粗到細的分布規(guī)律:在近岸-2m水深處泥沙的平均中值粒徑為0.0094mm;在-5.0m水深處為0.0088mm,而在-7m水深處降為0.0065mm。因此開挖前后的泥沙粒徑平面分布規(guī)律基本相同。3)從不同季節(jié)取樣結果來看,本海區(qū)灘面的底質泥沙秋、冬季最粗,平均中值粒徑為0.0100mm;春季次之,平均中值粒徑為0.0078mm;夏季最細,平均中值粒徑為0.0057mm。故泥沙粒徑的時間分布規(guī)律,開挖前后也基本相同。大沽沙航道的回淤泥沙和開挖前的灘面泥沙相比,粒徑細化,而所表現(xiàn)出的時、空分布規(guī)律均基本相同,因而可以推斷航道兩側的灘面泥沙是施工期間航道回淤泥沙的來源之一,而且泥沙運動形式主要以懸移質為主,這也符合細顆粒泥沙起動即懸揚并隨潮流移動的運動特點。3.3港池、航道的浮泥厚度在2008年的5,7—11月共進行了6次的固定站位淤泥密度測量,測量儀器采用荷蘭Densitune音叉密度計。圖2為某次測量的結果。從密度垂向分布曲線中可提取出不同水深對應的淤泥密度值,可知,密度垂向并不均勻,上層淤泥密度小,隨水深增加,淤泥密度逐漸增大,這主要是由于淤泥的逐漸密實和上層不斷有新落淤的泥沙加入造成。小于某一密度值的淤泥具有一定的流動性,稱為浮泥,其密度值的上、下界面值可取1050和1300kg/m3。并以密度值1400kg/m3為淤泥的下界面,統(tǒng)計6次測量的浮泥厚度和淤泥總厚度??芍?泊位區(qū)域的浮泥厚度介于0.03~0.42m,淤泥總厚度介于0.11~0.53m,即泊位區(qū)域的淤泥層較薄。港池區(qū)域,11月的浮泥層最大厚度達到0.63m,最大淤泥厚度為0.88m,但其它幾個月份的測量結果基本同于泊位水域,淤泥層厚度同樣較小。航道區(qū)域淤泥厚度相對要大一些,但航道沿程厚度分布并不均勻,其中以H4+0和H6+0相對較大。如2008年5月測量的H4+0處的浮泥和淤泥層總厚度分別為2.14m和3.04m,其密度垂向分布曲線如圖2所示。施工期間的臨港工業(yè)區(qū)港池、航道的浮泥層較薄,淤泥總厚度也很小。但是航道H4+0~H8+0段淤泥層厚度相對較大。分析認為目前該航段恰為大沽沙航道的口門段,而研究成果已表明口門區(qū)更容易產生淤積,所以淤泥層相對也就較厚。3.4沉積物回收率分析3.4.1泥沙強度及積水量由于受開挖、疏浚施工影響,多個固定斷面各時段的水深變化值為負值,即水深加深,導致難以統(tǒng)計這些斷面的淤積強度,因此將該航道粗略地劃分為3大區(qū)域:港池至航道H4+0段、口門區(qū)(H4+0~H9+0)和航道拐彎點以內附近段(H9+0~H15+0)。選取受疏浚影響相對較小的斷面水深變化值(為進一步減小施工影響,而采用鄰近多個斷面的平均值),按淤泥密度1.4t/m3(依據(jù)淤泥密實過程及現(xiàn)場淤泥密度垂線分布并參考天津港有關研究成果得到)折算成各季度的淤積強度,并進而計算出施工期間年度淤積強度和淤積量,見表1。其中,由于秋季的開挖、疏浚施工幾乎影響到了港池、航道整個區(qū)域,無法統(tǒng)計該季的泥沙回淤數(shù)據(jù),考慮到有關研究成果已表明該航道春、秋兩季淤積情況相近,故秋季的泥沙回淤強度可采用春季的數(shù)值代替,以便于進一步計算年回淤強度和回淤量。由表1可知,施工期間臨港航道拐彎點以內段的年度淤積強度,平均為1.0m。并據(jù)此計算了5萬噸級航道底寬范圍內和港池區(qū)域的總淤積量為343萬m3,其中港池至航道H4+0段、口門區(qū)(H4+0~H9+0)和航道拐彎點以內附近段(H9+0~H15+0)的淤積量分別為149萬,116萬和78萬m3。3.4.2泥沙回淤強度的季節(jié)變化根據(jù)泥沙回淤計算結果(表1),大沽沙航道各季度回淤強度并不完全相同:冬季,航道H15+0以內段的平均淤積強度為0.29m,而春季、夏季分別為0.25m,0.18m。相比而言,夏季淤積厚度最小,冬季最大。分析認為,泥沙回淤強度呈現(xiàn)出的這種季節(jié)性,是與該海區(qū)含沙量具有明顯的季節(jié)性相對應的。根據(jù)2004年和2005年共5次水文全潮資料得出的本海區(qū)水體含沙量分布特征值可知,夏季水體含沙量最小,平均約為0.06kg/m3;秋季約為0.09kg/m3;冬季最大,平均約為0.121kg/m3,為夏季的2.2倍;春季為0.08kg/m3。而各季含沙量的變化,又主要受氣候的變化影響,水體含沙量的高低主要取決于風浪的強弱及風時的長短等。從本區(qū)的氣象資料分析來看,夏季為無風季,風浪較弱,秋、春兩季,受寒潮的影響風浪增強,冬三月的風浪最強。因此,夏季風浪最小,含沙量就最小,相應泥沙回淤強度也最小;冬季風浪最大,含沙量就最大,則回淤強度最大。3.4.3泥沙對含沙量的縱向分布特征由表1可知,盡管用來統(tǒng)計泥沙回淤的3大區(qū)域的劃分相當粗略,但泥沙回淤還是表現(xiàn)出了航道沿程分布不均勻的特征,以口門區(qū)域的泥沙回淤強度最大,年度回淤強度在1.2m左右;而內、外兩側航道的淤積強度相對較小,港池至航道H4+0段為1.0m,而外海H9+0~15+0航段淤強僅為0.7m左右。泥沙回淤呈現(xiàn)出的這種空間分布特征是由含沙量呈外海小、近岸大的分布特征造成的。依據(jù)掌握的實測資料(2004年和2005年共5次),本海區(qū)含沙量的縱向(由岸向海)分布呈由大到小的規(guī)律:在-2m水深處,多次實測平均含沙量約為0.094kg/m3,向外至-5.0m水深處,平均含沙量約為0.073kg/m3,水體含沙量有較大幅度的下降;而到-7m水深處,平均含沙量降至為0.070kg/m3,比-5m線有所降低但不明顯。這說明本海區(qū)的高含沙水域主要是在-5m線以內,也是在波浪破波帶之內,而向外海水深的增加減小了風浪對床面泥沙的掀動作用,含沙量較小。口門以內的內航道和港池的泥沙主要是由漲潮流挾帶從口門而來,由于泥沙不斷落淤,水體含沙量沿程(遠離口門)逐漸減小,從而含沙量整體上以口門段最大。含沙量呈口門處最大的分布特征,將造成口門段的淤積最為嚴重。目前口門恰在H7+0附近,因而此段淤積強度相對最大。3.5對累積條件的回顧和分析3.5.1航道底寬回淤量計算結果由港方提供的2007—2008年度15+0以內段的實際開挖工程量為2324萬m3。采用2008年11月末的測圖和2007年12月的測圖作為計算開挖土方量的依據(jù),采用公式(1)計算得到航道15+0以內段設計底寬內的土方量為1905萬m3。采用公式(3),由實際開挖工程量和計算開挖土方量,計算得到施工期間的回淤量為419萬m3。由實際開挖工程量推算的回淤量與斷面法計算出的數(shù)值有所差異,分析認為,斷面法計算出的回淤量(343萬m3)對應的淤泥容重已折算成1.4t/m3,而由實際開挖工程量推算的回淤量由于缺少資料無法折算,但折算系數(shù)將小于1.0,即淤積量的折算值將小于419萬m3。因此可以認為計算回淤量與實際回淤量在同一個數(shù)量級。3.5.2口門區(qū)段設計進出水沙量為了更好地掌握大沽沙航道的淤積狀況,采用類比法展開分析,即與鄰近的天津港航道實際維護疏浚工程統(tǒng)計的淤積強度進行對比分析。文獻中給出了利用天津港航道1994—1998年實際維護疏浚工程統(tǒng)計的淤積強度,結果表明外航道淤積強度向外海沿程減小,口門附近(H9+0~H10+0)淤強最大為2.1m,至H4+0~H5+0已經減小為0.5m,再向外海小于0.13m,基本不淤。臨港航道回淤計算表明,口門區(qū)段淤強最大,但小于天津港航道口門處(兩口門對應邊灘水深相差不大)淤強,僅為1.2m左右,初步分析原因如下:1)航道規(guī)模。當時天津港外航道水深12.0m,底寬為180m;臨港航道本年度一直處于開挖建設階段,航道深度、寬度都處于不斷增大狀態(tài),直到2008年11月份才達到設計水深12.5m,底寬190m。在航道達到設計標準之前,對原有水流泥沙環(huán)境的破壞程度相對
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