厦门大小嶝造地工程吹填砂起动流速试验研究

康学增，张晴波，张忱，王费新*

（1.中交疏浚（集团）股份有限公司，北京100088；

2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海201208）

厦门大小嶝造地工程吹填砂起动流速试验研究

康学增1，张晴波2，张忱2，王费新2*

（1.中交疏浚（集团）股份有限公司，北京100088；

2.中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，上海201208）

大小嶝陆域形成采用耙吸船、绞吸船联合采砂吹填施工方案。其吹填砂料经检测成分主要为粗砂且粒径较为单一。起动流速是疏浚吹填土质基本水动力学特性之一。通过室内物理模型试验，测试了吹填粗砂不同水深下的起动流速，并与当前常用的张瑞瑾、窦国仁、唐存本等起动流速公式进行了比较，推荐适用于该类粗砂的起动流速计算公式，为现场疏浚吹填施工分析计算提供基础数据资料。

大小嶝；起动流速；粗砂；吹填砂

0 引言

大小嶝造地工程作为厦门翔安新机场填海造陆工程的一部分，工程包含陆域形成及地基处理。其中陆域形成采用吹（回）填砂技术方案。施工时耙吸船、吸砂王船组、绞吸船联合采砂，通过布设的管线输送进入吹填区，管线总长约5.5 km，由沉管、浮管和岸管组成。

起动流速是疏浚吹填土质水动力学特性分析和测试的基础参数，也是疏浚吹填过程中影响施工作业及施工效率的基本土质特性参数之一。对于耙吸挖泥船而言，疏浚吹填土质的起动流速，是决定耙吸挖泥船挖掘过程中土体切削后破碎松散过程进而影响抽吸浓度的重要参数，也是装舱过程中决定装舱效率及装舱量的一个关键参数。对于吸砂王船组及绞吸挖泥船而言，土质的起动流速也是影响挖掘输送浓度及产量的一个重要影响因素。此外，输送粗颗粒土质工况下，起动流速也是泥泵-管道输送系统工况参数控制的一个重要参考因子。因此，有必要针对工程典型土质，开展起动流速研究和分析，为现场施工分析计算提供基础数据资料。

1 试验概况

1.1 试验仪器设备

试验在波流试验水槽中进行，水槽长度45 m，宽度0.7 m，水槽高度1 m。水槽上游端配备有造流和造波系统，下游端配备水位控制系统、消波系统，水槽中段设置试验区，流量控制通过供水泵变频实现。

试验观测要素包括来流水深和来流流速，并观测泥沙起动。相应配备的测试仪器有NDV流速仪、标尺等。

1.2 试验土样

试验土从大小嶝施工现场运回，检测结果表明该种土中值粒径D50为0.8 mm（见图1），根据JTJ/T 320—1996《疏浚岩土分类标准》，判别为匀粒土，级配不良，粗砂。

图1 试验砂样粒径级配曲线Fig.1Grain size distribution curve of test sand

1.3 试验断面及试验过程

根据SL 99—2012《河工模型试验规程》选定试验断面（图2）。试验断面布设在波流水槽中段。试验砂样铺设长度为5.0 m，厚度5.0 cm，宽度0.70 m（与水槽同宽）。试验砂样上、下游侧分别设置过渡段用以平缓水流，过渡段采用中粗砂铺设，外表面涂抹水泥形成较为光滑的面，水平顶面长度10 m，坡面坡度1∶10，高度与试验砂样同高。

图2 试验断面示意图Fig.2Test section diagram

试验基本步骤为：1）在水槽试验段铺设试验用土，保持床面水平；2）放水到试验水深（放水时严格控制来流流速，确保试验土不起动）；3）起动供水水泵，控制试验水深，并逐级加大来流流量及流速；观察泥沙起动现象，记录泥沙起动状态。当观察到泥沙处于临界起动状态时，测定水流流速和水深；4）每组水深进行流速数据采集3次的平均值，作为该点的流速实测结果；关闭水泵，整理试验设备，试验完毕。

1.4 泥沙起动的判别标准

受床面条件、泥沙颗粒组成、水流脉动特性等客观条件的影响，泥沙起动的判别标准带有很大的任意性。根据克雷默对泥沙的起动的描述，可将之分为4种状态，即不动、弱动、中动和普动。其中弱动状态是指床面泥沙除个别凸出颗粒可动外，基本不动；中动状态是指床面上的泥沙，时而这个部位起动，时而那个部位起动，经常能观察到有少量颗粒起动；普动起动状态下床面上各部位的泥沙并不是同时起动而是有先有后，但在一定观察时段内床面上各部位均能看到泥沙颗粒的运动[1]。通常将中动作为泥沙起动标准，但也有学者将普动作为起动标准。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

共进行了5组不同水深情况下的起动流速观测试验，分别为水深15 cm、20 cm、25 cm、30 cm和35 cm，每组水深按流速由小到大进行了若干试验（从床面静止直至开始出现砂粒悬浮），且各进行1次重复试验。试验以中动作为泥沙起动标准。试验结果见表1，为简单起见每组水深仅列出1组数据。表1列出了5组水深下观测到砂粒部分起动（中动）和砂粒整体悬浮运动，开始出现砂纹（普动）2种运动状态，略去了未动和弱动的试验数据。

表1 大小嶝粗砂起动流速试验结果Table 1Test results of threshold velocity for coarse sand of Daxiao Deng Islands

2.2 结果分析

以下列出部分较有知名度的起动流速公式[1-4]：

1）冈恰洛夫公式：

式中：Vc为起动流速，m/s；γs、γ分别为泥沙颗粒和水的重度，kN/m3；D、D95分别为泥沙颗粒的中值粒径和特征粒径，m；h为水深，m。

2）沙莫夫公式：

3）窦国仁公式：

式中：D*为参考粒径，取为10 mm；D′取值，当D≤0.5 mm时，D′=0.5 mm，当0.5 mm＜D＜10 mm时，D′=D，当D≥10 mm时，D′=10 mm；对于平整河床，Ks取值，当D≤0.5 mm时，Ks= 1.0 mm，当0.5 mm＜D＜10 mm时，Ks=2D，当D≥10 mm时，δ为薄膜水厚度参数，取2.31×10-5cm；ε0为综合黏结力参数，其值与颗粒的物理化学性质有关，对于黏土还与有机质含量及沉积环境等有关，变化范围较大，对于一般泥沙取1.75 cm3/s2，对于黏土最大可达17.5 cm3/s2；γ′、γc′分别为床面泥沙的干重度和稳定干重度，kN/m3。

4）张瑞瑾公式：

5）唐存本公式：

式中：m为指数，对于一般天然河道，m=1/6，对于平整河床，c为系数，取0.906×10-4g/cm；ρ为水的密度，kg/m3。

6）沙玉清公式：

式中：δ为薄膜水厚度，取0.000 1 mm；ε为孔隙率，其稳定值约为0.4。

本文以泥沙中动作为泥沙起动标准，将各家公式计算值与物模试验结果进行对比，见图3。其中，窦国仁公式中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；其余参数均按实际情况选取。

根据图3，沙莫夫公式和张瑞瑾公式计算结果与试验数据相比明显偏小，而沙玉清公式计算值与实测的普动流速值接近；唐存本、窦国仁及冈恰洛夫计算公式与中动实测数据较为接近，实测数据落在唐存本公式和冈恰洛夫公式计算值区域之间，且基本与窦国仁公式重合。因此这3个公式在浅水工况下从理论上都可进行泥沙起动计算，但窦国仁公式中需确定综合黏结力参数值，且取值范围较大，对最终结果影响较大。因此建议计算大小嶝充填砂土体起动流速时，推荐唐存本公式或冈恰洛夫公式。

图3 起动流速理论计算数据与试验结果比较Fig.3Comparisonofthresholdvelocitybetweentheoretical calculation and experimental results

3 结语

通过在试验水槽内进行不同水深下的起动流吊装和拼装钢箱梁场地地基没有发生明显差异沉降，施工过程中进展顺利，质量满足要求，实践证明本工程施工工艺可行。

由于本工程三跨钢箱梁是曲线型，横向高差1.3 m，支座处原焊接的限位挡板影响吊装作业，施工中被迫取消。

[1]蔡小刚，张佳彬.跨线桥钢箱梁施工工程专项施工方案探讨[J].科技传播，2013（22）：177-178.

CAI Xiao-gang,ZHANG Jia-bin.Discussion on special construction scheme of overpass bridge steel box girder project[J].Public Communication of Science&Technology,2013(22):177-178.

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WANG Zhen-long,LIANG Yong-yi,LIU Wei-wen,et al.Hoisting construction technology for the steel box girderof overpass Shantou-Fenshuiguan expressway on Shantou-Jiexi expressway[J].Communications Science and Technology Heilongjiang,2016(5)：104-106.

[3]周杰.大型构件起重吊架在港口工程中的应用[J].港工技术，2002（3）：29-30.

ZHOU Jie.The application of crane hanger frame for large member toport engineering[J].Port EngineeringTechnology,2002(3):29-30.速试验，观测得到大小嶝吹填粗砂的起动流速数据。与各家知名的起动流速计算结果比较后，建议采用唐存本公式或冈恰洛夫公式计算施工现场泥沙起动流速，下一步在有条件的情况下，宜采用实测资料进行率定和验证。

参考文献：

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QIAN Ning,WAN Zhao-hui.Dynamics of sediment movement[M]. Beijing:Science Press,1991.

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CHEN Hai-ying,YIN Jia-chun,WANG Fei-xin,et al.Experimental study on threshod velocity of fine silty sand at Tiaozini beach[J]. Port&Waterway Engineering,2015(6):22-25.

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

康学增（1958—），男，河北黄骅人，硕士，总裁，高级工程师，从事疏浚技术研究及管理工作。

*通讯作者：王费新，E-mail：wangfeixin2005@126.com