天津南港适航水深技术应用可行性研究

2012-12-13庞启秀张瑞波韩志远天津水运工程勘察设计院天津300456

天津科技 2012年5期

庞启秀张瑞波韩志远（天津水运工程勘察设计院天津300456）

天津南港适航水深技术应用可行性研究

庞启秀张瑞波韩志远（天津水运工程勘察设计院天津300456）

为了论证天津南港应用适航水深的可行性，从天津南港开挖区域现场采集回淤泥沙，在室内开展了泥沙颗分实验和流变试验。颗分实验表明，天津南港回淤泥沙的中值粒径平均为0.008 7 mm，粘土含量平均为34%，为淤泥质海港，满足适航水深应用的条件；通过流变试验得出天津南港适航淤泥重度值在12.2～12.5 kN/m3之间。

适航水深淤泥流变天津南港

我国有众多大中型的淤泥质海港的淤积物主要由粘性细颗粒泥沙组成，密实缓慢，淤泥重度垂线分布不均匀，由表向下逐渐增大。表层淤泥单位体积内的含沙数量少，导致维护疏浚效率低；另一方面，表层重度较小的淤泥具有类似于水的流动特性，船舶航行与停泊作业过程中，船底龙骨与其接触并不会受到伤害，船舶操作性能也无明显影响，因而可作为水深使用，以增加港口的水深，同时也可避免这种资源的浪费。从港方、疏浚施工方和节约国家资源角度而言，均迫切需要充分利用适航水深这种自然资源。天津南港港池航道建设后，由于改变了原有的水流泥沙平衡系统，会产生泥沙回淤现象，因此迫切需要开展适航水深应用可行性研究，为将来的港池航道水深维护措施选取提供依据。

1 适航水深的概念和研究进展

港口水深测量通常采用高频测深仪，其反射面为水-淤泥的交界面，经大量实测资料证实这一反射面淤泥重度约为10.3 kN/m3，因此，作为港口通航使用依据的图载水深是指当地理论基面至重度10.3 kN/m3淤泥面的距离。

而所谓的适航水深，则是原高频测深仪所测水深加上其反射面以下能确保船舶安全航行与停泊作业的小重度回淤层下界面的厚度。小重度回淤层厚度可称为适航厚度，如图1所示。

适航水深资源的开发利用，能给港口企业带来巨大的经济效益，自20世纪30年代以来，许多国家都进行过大量的研究与应用。荷兰的鹿特丹港、比利时泽布勒赫港、德国埃姆登港、泰国曼谷、印度的科契港、委内瑞拉的马拉开波港、法国的波尔多港、南特·圣纳泽尔港、敦刻尔克港等都在应用适航水深技术。英国还颁布了有关适航水深应用的国家标准《海工建筑物》（BS6349）。

为了减小港口维护疏浚量、提高港口效益，我国许多港口如天津港、连云港、长江口、宁波港北仑港区虾峙门航道、汕头港外航道和珠海港等，[1-10]针对如何有效利用港池航道中的适航资源，曾开展了多项研究并积累了一定的经验，为我国适航水深的研究和应用做出了贡献。

确定各港口的适航淤泥标准重度是安全、合理使用适航水深的前提，但因各港淤积物组成、颗粒级配、含盐度等不同，其数值也有可能会不同，因此需要在充分掌握回淤泥沙特性的基础上，通过试验来综合确定各港的适航淤泥重度值。

2 天津南港基本概况

南港工业区总规划范围约200 km2，其中，现有陆域38 km2，围海造陆124 km2，港池航道水域38 km2。预测到2020年南港工业区建设两套1 500 t核心炼化及相关乙稀装置，发展各类原材料共享的石化下游产业，建设石油储备基地，形成大型石化产业集群。这些产业的发展离不开交通运输的支持，因此，天津南港在未来几年内将航道设计等级定为10万吨级单向和5万吨级双向：航道宽300 m，深-16.5 m，由于取泥造陆需要，港内水域统一疏浚至-16.5 m。港池航道的通航安全是南港经济发展的保障，但港池航道的建设将破坏原有的泥沙平衡体系而造成港池航道的泥沙淤积，经过泥沙回淤预报，[11]港口建设完成后，口门航道中心淤强最大，年淤积强度可达到1.2 m，整个航道年淤积量约为498万m3，港内淤积量约为667万m3，全港淤积量为1 165万m3。如此大的维护疏浚量，将给港口企业带来较大的经济压力，而且维护疏浚施工也可能会影响到泊位的正常作业，进而影响码头运营，因此迫切需要开展航道维护措施研究，指导南港工业区港区和航道的维护，进一步提升港口航道的作业及通航能力，提高港口的运营效益，节约资金,也为未来几年内海洋经济发展提供重要保障。而适航水深是目前较为有效的维护措施之一。

3 应用适航水深技术可行性研究

3.1 可行性初步论证

在天津南港的港池航道采集了14个泥沙样品，然后在试验室内开展泥沙颗分试验。样品分析采用河海大学研制的NSY-Ⅲ型宽域粒度分析仪。结果表明，所有泥沙样品的中值粒径（D50）介于 0.003 5～0.021 5 mm，平均值为 0.008 7 mm，粘土含量基本都在30%以上，平均为34%，属粘土质粉砂或粉砂质粘土。

根据《淤泥质海港适航水深应用技术规范》（JTJ/T325-2006）要求，适航水深主要应用在淤泥质海港，即床面泥沙颗粒中值粒径小于0.03 mm，淤泥颗粒之间有粘结力并在海水中呈絮凝状态的海岸港和河口港。本次所取底质中值粒径小于0.03 mm，粘土含量也较高，属于《淤泥质海港适航水深应用技术规范》（JTJ/T325-2006）推荐使用的范围。当然这只是一次取样结果，尚需进一步验证。

3.2 适航淤泥重度值的确定

3.2.1 流变模型淤泥受到外部动力作用时表现出较为复杂的变形和流动行为，这种特性称为淤泥的流变特性，代表淤泥对流动的抵抗力、淤泥的变形和内部结构的变化，对于淤泥的流动化、冲刷能力等的估计是十分重要的，和淤泥的基本运动现象密切相关。以往研究针对粘性泥沙建立了各种流变模型，这些模型的适用性不仅取决于泥沙的物理性质，如密度、矿物组成及颗粒级配、盐度和温度等，更主要取决于泥的密度。大量研究成果表明，宾汉模型更符合浮泥，而且研究表明我国河口海岸的粘性泥沙，如天津港、连云港、长江口和黄河口泥都具有明显的屈服极限。[12]本次研究浮泥的流变特性，也拟采用宾汉模型。

3.2.2 流变试验采用交通运输部天津水运工程科学研究院的R/S-cc型流变仪进行流变试验。利用天津南港港池开挖区域的回淤泥沙，在实验室内配置了多种密度的淤泥，然后测量各密度淤泥在不同剪切速度时对应的剪应力和粘度。建立剪应力与剪切率的关系，然后采用宾汉模型进行拟合，从中得出高剪切时的屈服应力。绘制宾汉屈服应力与重度的关系，如图2所示，表现出较好的指数关系，表达式为：