淤泥质港泥沙技术探索与研究实践

赵君

摘 要：本文结合实际工作经验，就近年来在淤泥质港口泥沙研究中的一系列创新型技术进行了分析，并对这些技术研究成果在港口工程中的实践应用进行了探讨与研究。

关键字：淤泥质港口 泥沙研究 技术创新 实践应用

淤泥质港泥沙技术探索与研究实践最初起始于上世纪50年代初期，后来对多个方面开展了专业性研究，在获得了大量实测资料与技术研究成果的基础上，也为港口的泥沙淤积治理和其它类似港口的规划与建设作出了重要贡献。

1.泥沙沉降实验研究

泥沙的沉降是淤泥质港口淤积量计算的重要参数之一。但是由于淤泥质泥沙的颗粒小，沉降速度也较小，导致在室内进行泥沙沉降实验时，所需要实现完整的沉降过程需要建设的水槽长度过长。

1.1实验设备和实验机理

实验设备主要包括了环形水槽、传动系统以及剪力环这几部分，见图 1所示。其中环形水槽的材料通过无色、透明的有机玻璃制作而成，其内径与外径分别为106cm和154cm，其槽高与槽宽分别为60cm和24cm；传动系统主要包括了两部无级调速电机，并带动环形水槽与剪力环的运行。

液体最基本的特性是其流动性，即使受到极小的切力作用也会发生连续变形。环形水槽中的水流形成就是利用这一力学原理，将剪力环设置在水槽内的水体表面，水槽和剪力环转动时，水体在惯性力和剪切力作用下发生连续变形，与水槽产生相对运动而形成水流。

1.2具体实验分析

利用环形水槽具有的特点可进行淤泥质泥沙的沉降实验。以某淤泥质港口区域的泥沙为例，其泥沙的粒径为0.012mm，水体最初含沙量为0.30 kg/m3。实验过程中，环形水槽各过水断面的水流速度分别设定为10cm/ s，30cm/s和50cm/s，在水槽水深为 50cm情况下进行实验。所得到的泥沙沉降过程曲线，见图2所示。

从图2中可以看出，随着流速的降低，水体含沙量的沉降速率也越快，当水体含沙量和水流夹带沙力相同时，则泥沙沉降将趋于稳定；同时，淤泥质泥沙在环形水槽底部的颗粒分布较为均匀，这也说明了由于环形水槽的横向分布水流较为均匀，使得颗粒都呈现为垂直下沉的趋势。

1.3泥沙沉降实验的实践应用

近年来，环形水槽泥沙沉降试验结果在港口的淤积计算中得到广泛应用。以天津港维护疏浚工程为例，对该港口区域的淤泥质泥沙进行沉降实验，通过实验结果能实现对港口航道的回淤量和淤泥分布情况进行计算，从而达到对回淤量预测的效果。实践证明，计算得到的主航道加深工程1年回淤量为160×104 m3，与实际回淤量130×104 m3非常接近。

2.泥沙运动示踪方法研究

2.1放射性示踪法概述

该方法是采用人工制作而成的示踪沙，即利用放射性元素标记泥沙，再利用先进的探测技术来跟踪观测泥沙的转移运动。放射性示踪法最初起源于国外，并于上世纪80年代左右引入到我国。目前，放射性示踪技术在我国水利水运工程中有着较为广泛的推广与应用。

2.1.1示踪元素的选取

在选用标记泥沙的放射性元素时应满足下列要求：一方面，发射体的γ射线要求能在水下较为容易的进行探测；另一方面，要求所放射的γ射线的能量不宜过高，以避免因长时间的辐射，导致环境的过度污染。因此，通常所采用的放射源的时间不宜超过130天，射线能量不宜超过1 MeV。目前，国内外工程中较常采用的示踪元素有Sc、Cr、Ir、Au等，我国主要使用46Sc作为示踪元素。

2.1.2示踪沙的制备

①根据淤泥质港口区域泥沙的化学特性，将46Sc元素制成和当地泥沙级配、比重相接近的沙体。以天津港所制成的示踪沙为例，其化学成分详见下表1所示。

②所制成的示踪沙的半衰期为84天，每次能放射两个能量分别为0.89和1.12 MeV的γ射线。要求所制作得到的示踪沙与原区域泥沙，应当具有同样的水力特性与物理特性。

2.2放射性示踪法的实践应用及优势

将制作好的示踪沙和港口区域泥沙相混合，并投入到海底，利用探测仪器对其进行跟踪测量，即可得到泥沙转移与扩散的规律。放射性示踪法的技术优势，主要体现在以下几个方面：①由于所制成的放射性示踪砂和港口天然泥沙之间，在颗粒比重、形状及颗粒级配上都近乎与一致，因此能够通过示踪沙的观测正确的描述港口天然泥沙的转移和扩散特性。②通过放射性元素的探测技术，能在模型上就方便直接的对示踪沙进行观测，从而准确掌握泥沙转移过程中速度、扩散范围、转移方向等等，详细的了解港口区域泥沙的运动全过程。③由于示踪沙只采用了较为少量的放射性元素，对环境污染的程度很小，而且少量的放射性元素即可实现高质量的探测效果，其探测数据准确直观，能直接得到探测的结果。

3.浮泥特性研究

浮泥是淤泥质港口及海岸地区特有的一种泥沙形态。我国在天津港、连云港、长江口、黄河口等多个港口地区都有所发现，国外一些港口如英国的泰晤士河口、美国的密西西西比河口、法国的维伦河口等地也相继发现了浮泥现象。

3.1浮泥的形成研究

浮泥的定义可概括为，是一层高浓度含沙量的水体，具有流动性大的特点，且与上层水体之间有着明显的界面。形成浮泥的必要条件是悬沙落淤率Fs大于浮泥沉降率D，可用下列方程表达：

在上式（1）和（2）中，α是指悬沙絮凝沉降率，一般为0.3～0.45；S为水体含沙量；Ws为悬沙絮凝沉降速度；τ和τd 分别为水底剪切应力和悬沙淤积临界剪切应力；Sfn和Wfn 则分别为浮泥含沙量和浮泥沉积速度。

3.2浮泥研究的应用

近年来，国内外学者纷纷加强了淤泥质港浮泥问题的研究，并取得了以下方面的应用成果：①在港口航道的淤泥问题利用浮泥研究的的成果，可对粉砂性淤泥质港口的淤积原因进行满意的解释；利用浮泥形成与发展特性，还可模拟淤泥质港口区域的海底演变过程。②在疏浚抛泥时，可通过模拟抛泥区的浮泥转化和流动过程，成功解释疏浚抛泥对周围环境和港口回淤的影响，并为泊位和深水航道提供有效的疏浚与维护方案，从而达到节省疏浚费用，提高疏浚后水深使用期限的目的。

4.总结

本文总结了近年来在淤泥质港口工程实践中，泥沙研究的一些创新型技术成果与应用实践，包括了利用环形水槽进行泥沙沉积实验，利用放射性示踪法进行泥沙运动的研究，以及浮泥特性的研究与应用。以上研究成果均已被广泛应用于各类港口航道工程当中，具有极强的应用与推广价值，为我国水利水运事业的蓬勃发展作出了重要的贡献。

参考文献：

[1]邳志.论适航水深在天津港强淤现象中的应用[J].水运工程，2003（5）.

[2]曹祖德，候志强等.复式航道的淤积计算[J].水运工程，2006（4）.

[3]孙连成，张娜等.淤泥质海岸——天津港泥沙研究[M].北京：海洋出版社，2010.endprint