爆破挤淤产生的悬浮物在潮流作用下的输移扩散研究

娄海峰

(浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

1 问题的提出

爆破挤淤填石是浅海工程中淤泥质软基处理中的常用施工方法,由此产生的悬浮泥沙高浑浊水团由于水动力条件作用产生的输移、扩散和沉降作用,会影响周围生态系统,威协海洋生物资源。根据相关的行业标准,一般工程施工鉴于安全,均会选择避开大风、大浪等恶劣天气,因此,悬浮泥沙的输移扩散主要以潮流影响为主。故研究爆破挤淤产生的悬浮泥沙输移扩散在潮流作用下的输移扩散过程,分析其对水环境的影响有重要意义。金塘北部连岛工程鱼龙山—横档山围堤地基拟采用控制加载爆炸挤淤置换法处理,工程位置见图1,本文对该围堤处爆破挤淤产生的悬浮泥沙输移扩散过程进行数值模拟,并对不同时刻进行爆破挤淤产生的悬浮泥沙输移扩散对附近水域的影响进行了研究。

图1 工程位置图

2 悬浮物泥沙输移扩散数学模型

爆破挤淤产生的冲击波压力极大,且作用时间通常为微秒级[1-2],对水体产生极大的扰动,底床泥沙在剧烈的爆破扰动作用下极易发生再悬浮,从而造成水体中泥沙含量短时间内急剧增加,水体的混浊度迅速提高,形成与周边水体具有明显不连续界面的高浓度含沙水团。在研究大范围的悬浮泥沙输移扩散过程中,爆破挤淤产生的悬浮泥沙可近似认为符合瞬时分布源的情况,此外,悬浮泥沙在水动力作用下的输移扩散过程与悬沙输移扩散过程相似,仅在底部通量上存在差异,即悬浮泥沙的输移扩散过程在一定程度上可以看作是沉降占优的悬沙输移扩散过程。

垂线平均的二维不平衡输沙方程(增量计算):

式中:u,v分别为x,y方向上的垂线平均流速分量(m/s);为水深(m);x,y为直角坐标;为时间。Ss为施工期排放泥沙的源强;As为排放点的流体微团面积,在数值计算中取节点的质心域面积;-α ω S为沉降项,α=0.15～0.4为泥沙沉降几率,ω为泥沙沉速,本海域泥沙颗粒细,存在絮凝现象,本次计算取ω=0.000 5 m/s;S为垂线平均含沙量。

3 悬浮物泥沙输移扩散模拟

利用2008年3月的水文测量资料,建立了金塘岛附近海域的悬沙输移数学模型,并在模型验证取得满意结果的基础上,就爆破挤淤产生的悬浮泥沙输移扩散过程进行模拟和分析。

3.1 源 强

根据爆破挤淤的施工工艺,爆破挤淤法施工主要是通过爆炸产生的冲击作用来降低淤泥本身的结构强度,同时利用抛石堆积体的自重使爆前处于平衡状态的抛石体向强度降低处的淤泥内滑移,达到泥石置换的目的。1次爆破挤淤循环进尺为5～7 m,按7 m计算,则预计单次爆破的抛淤量为4 628.9 m3。对于爆破挤淤产生的悬浮泥沙源强的确定一般以每次爆破挤淤的泥量与起悬比相乘计算得出瞬时悬浮物扩散源强,以上2个参数将随着爆破时所用炸药量以及工程所在区域的不同取值会有所区别。但爆破挤淤悬浮物源强的确定可以类比抛泥源强的确定方法。对于抛泥源强的确定,我国学者提出了各自不同的观点,范志杰等[3-4]结合资料统计的研究结果认为,可选取源强为抛泥量的5%作为爆破挤淤悬浮物泥沙源强的计算因子,则单次爆破挤淤产生的悬浮物沙源强为231.45 m3。

图2 爆破挤淤代表点位置图

3.2 悬浮物泥沙输移扩散模拟

考虑到大、中、小潮爆破挤淤后悬浮泥沙在潮流作用下的输移扩散规律较为相似,因此本文仅对大潮期进行研究,工程区涨、落潮流矢见图3。在鱼龙山—横档山围堤处(D3堤,见图2)选取3个爆破挤淤位置EP1、EP2、EP3,来模拟爆破挤淤之后产生的悬浮泥沙输移扩散过程。其中,EP1点位置靠近鱼龙山,涨潮流易受阻,EP3点位置靠近横档山,落潮流易受阻,而EP2点处于中部位置,涨、落潮流受旁边岛屿影响基本相当,工程海域涨、落潮流矢见图3。爆破挤淤时间选取4个:落憩时刻、涨急时刻、涨憩时刻、落急时刻。

图3 工程区流矢图

3.2.1 悬浮物浓度历时变化

爆破挤淤之后,进入水体的悬浮物除部分发生落淤之外,另一部分则在涨落潮流的作用下,在爆破挤淤点附近水域作输移扩散运动,且随着时间的变化,爆破挤淤产生的悬浮物的浓度将逐渐降低。其中EP2挤淤点在落憩、涨急、涨憩、落急4个时刻爆破之后,其悬浮泥沙增量浓度分布随时间变化情况见图4。可以看出,在落憩、涨急时刻爆破时,悬浮物高浓度浑水团在偏西北向涨潮流的作用下向偏西北方向输移,涨憩、落急时刻爆破时,悬浮物高浓度浑水团在偏东南向落潮流的作用下向偏东南方向输移。

绘制EP1、EP2、EP3爆破挤淤点在不同时刻爆破之后,悬浮物浓度10 mg/L(一、二类水质悬浮物质允许的人为增加量值[5])增量等值线面积历时变化图5,可以看到,爆破挤淤6 h后,悬浮物的增量浓度均已减至10 mg/L以下。从10 mg/L增量等值线面积来看,各挤淤点在涨、落憩时刻爆破后发生的峰值一般要小于涨、落急时刻爆破后产生的峰值,可见水动力条件越强悬浮物泥沙的扩散范围越大。从10 mg/L增量等值线消失时间来看(面积为0):EP1点在落憩时刻爆破最佳,基本在1.5 h内消失;EP2点在涨憩时刻爆破为佳,基本在2 h内消失;EP3点涨憩时刻爆破最佳,基本在1 h内消失。可见,爆破产生的悬浮泥沙输移扩散与工程区的潮流运动密切相关。总的来说,在转流时段 (憩流)进行爆破更有利于悬浮泥沙浓度的降低,且随爆破位置的不同而略有所不同。

图4 EP2点爆破后不同时刻悬浮泥沙增量浓度分布图(mg/L)

图5 各爆破挤淤点悬浮泥沙浓度10 mg/L增量等值线面积历时变化图

3.2.2 悬浮物浓度包络线

为了较为直观地说明爆破后高浑浊水团的影响范围,分别作了各爆破点在不同时刻爆破后,附近水域水体中24 h内悬沙浓度增量最大值的包络线(见图6、7、8),其中10 mg/L增量包络线面积见表1。

可以看到,水体中悬沙浓度增量呈现出爆破点附近浓度增量最大,距离爆破点越远浓度增量越低的变化趋势,且变化延伸方向与爆破后潮流运动方向基本一致。从输移扩散影响范围(包络线面积)来看,在转流时段 (憩流)进行爆破更有利于悬浮泥沙浓度的降低,与历时变化分析成果基本一致,其中靠近鱼龙山的EP1位置在落憩时刻爆破对周边水域影响最小,位于堤线中部的EP2点在涨憩时刻爆破对周边水域影响最小,靠近横档山的EP3位置则是涨憩时刻爆破对周边水域影响最小。

图6 EP1点在不同时刻爆破挤淤后24 h内悬浮泥沙浓度增量最大值包络线图(mg/L)

图7 EP2点在不同时刻爆破挤淤后24 h内悬浮泥沙浓度增量最大值包络线图(mg/L)

图8 EP3点在不同时刻爆破挤淤后24 h内悬浮泥沙浓度增量最大值包络线图(mg/L)

表1 各爆破挤淤点在不同时刻爆破挤淤后24 h内悬浮泥沙浓度10 mg/L增量包络线面积表km2

4 结 语

综合上述分析表明,爆破挤淤产生的悬浮泥沙的输移扩散运动与潮流运动密切相关,潮流的方向及水动力强度在一定程度上决定了爆破挤淤产生的悬浮泥沙的输移扩散方向及范围。在该水域,爆破挤淤后,水体中由此而产生的悬浮泥沙浓度由于扩散和落淤而迅速减小,爆破挤淤6 h后,悬浮泥沙浓度增量基本降至10 mg/L以下,若在转流时段 (憩流)进行爆破更有利于悬浮泥沙浓度的降低,对周边水域环境的影响较小,并因挤淤位置而略有差异。

[1]于亚伦.工程爆破理论与技术 [M].北京:冶金工业出版社,2004.

[2]孟吉复,惠鸿斌.爆破测试技术[M].北京:冶金工业出版社,1992.

[3]范志杰.我国巯浚物海洋倾倒状况及其分类方法标准的探讨[J].海洋环境科学,1990,9(2):88-93.

[4]范志杰.疏浚物海洋倾倒几个问题的探讨 [J].交通环保,1990,11(1-2):79-83.

[5]国家环境保护总局.GB 3097—1997,海水水质标准 [S].北京:环境科学出版社,1998.