涡流室式掺气扰动疏浚耙具效果试验研究

韩 露，郭文华，高祥宇，刘高峰

(1. 上海河口海岸科学研究中心，上海 201201; 2. 南京水利科学研究院，江苏 南京 210029)

长江口深水航道开通后，在径、潮流及波浪作用下，以悬沙落淤为主的回淤特点使得航槽需进行常年维护疏浚，其疏浚施工工艺为采用自航耙吸船装舱溢流进行航槽疏浚，疏浚土由耙吸船自航运至吹泥站或倾倒区抛泥。耙吸式挖泥船是一种装备有耙头挖掘机具和水力吸泥装置的自航、装仓式挖泥船，利用泥泵的真空作用，通过耙头和吸泥管自河底吸收泥浆进入挖泥船的泥舱中。传统耙吸式挖泥船疏浚施工中易造成点状凹坑，受潮位影响或出现超挖、疏浚水深不足等问题。

近年来，耙吸式挖泥船在船型尺度上不断向大型、特大型迈进[1-2]，提出耙吸挖泥船艕带泥驳疏浚等优化[3]，创新提出适用于特定土质、特定环境的高效耙头型式[4-5]，同时为提高耙吸效率，在耙头处增设高压冲水气嘴[6-7]，增强其对固结回淤物的扰动，其研究成果多集中于探索高压、淹没射流的动力特征方面[8-9]，以期提高疏浚效率，最终实现疏浚成本的降低。借鉴挡潮闸下港道清淤机具耙具型式[10]、基于上述耙头动力改进的思路，结合长江口深水航道沉积物较为松散、淤积物上覆有流动性较强的高密度浮泥层的特点，提出适用于长江口沉积物特性的掺气扰动耙具。即通过改进耙头动力，向近底高浓度悬沙水体注入具有一定能量的气体，增强周围水流的紊动切应力，通过改变近底水体紊动特性增强表层沉积物再悬浮能力，并实现随潮流输移。

基于前期现场试验结果，掺气扰动后水体中上层含沙量确有明显增大，水体表层出现浑浊泥沙云团，在一定程度上说明采用掺气扰动耙具可实现近底泥沙悬扬，但受限于现场条件的复杂性，无法量化其扰动效率，明确掺气扰动疏浚的最佳作业形式。因此，本研究自主搭建了扰动疏浚试验平台，通过开展系列室内试验，对比不同气嘴孔径、不同气嘴布置型式下掺气扰动后水体含沙量变化，探讨涡流室式疏浚耙具设计型式，论证并推荐空压机最佳作业流量、压力等主要性能参数，估算扰动效果，旨在为后续掺气扰动工艺创新提供思路和方向。

1 室内试验

1.1 模型平台

为开展系列扰动疏浚试验研究，搭建了一个4 m×2 m×6 m的箱体试验平台，主体结构为钢结构，两侧设置观察孔，顶部为工作平台、布置吊机机械，底部开设排泥孔、排水孔和进气孔，布置见图1。考虑到航道水深大、表层回淤物质以浮泥为主，根据浮泥运动特性，经反复论证，最终确定平台深度为6 m(其中，有效水深5 m、浮泥厚度0.5 m，富裕水深0.5 m)。本试验平台为原型比尺试验平台，泥沙采用天然浮泥，中值粒径7 μm，有效避免了比尺模型中模型沙和耙具、气嘴等尺寸难统一、动力特性精度低等问题。

图1 掺气扰动疏浚试验平台布置Fig. 1 Platform for aero-dynamic dredging test

1.2 测量设备

本文试验观测重点在于获得不同工况下水体含沙量垂向分布。中上层水体含沙量采用OBS密度仪测沙法；对于底部高浓度含沙水层，采用音叉密度仪补测失真区域的含沙量。水体含沙量与含沙水体密度存在理论换算公式：

ρ(S,c)=ρw(S)+{[1-ρw(S)/ρs]c}

式中：ρ为含沙水体密度，kg/m3；S为水体含沙量，kg/m3；c为浑水不含沙情况下水体密度，kg/m3；ρs为原状土密度，kg/m3。

试验前对OBS/音叉密度仪含沙量数据样本与传统采样方法获得的含沙量数据样本进行对比分析。由图2结果可知，两种方法含沙量垂线分布趋势基本吻合，均值较为接近。

图2 不同测量方法测得含沙量对比Fig. 2 Comparison of sediment concentration with different measurements

1.3 沙样准备

泥沙沉降试验是为确保疏浚试验平台底部高含沙量水体有效形成的预备试验。考虑到泥沙沉降速度缓慢，为缩短沙样准备时间，每吨水体中按比例掺入絮凝剂0.17 kg，并控制水体含盐度为0.15‰，以实现快速沉降。

经试验率定，节流阀后绝对压力与瞬时气流量存在较好的正相关性(图9)。考虑到耙具施工作业水深近15 m，比试验水深增深10 m，按1 m水柱压力约0.1×105Pa等效换算，以室内试验推荐压力4.5×105Pa为基础，现场耙具实际压力应为5.5×105Pa，耙具气流量约为40.1 m3/min。

图3 不同时刻水体密度垂向分布Fig. 3 Vertical density distribution of sediment-concentrated water bodies at different time

1.4 气力输送

式中：SSC为水体含沙量，kg/m3；ρs为泥沙密度，取2 650 kg/m3；ρw为水体密度，取998 kg/m3。

经对比，30 s工况中含沙量垂线突变点位于3.7 m水深处，对应含沙量为8.9 kg/m3(图4)；60 s工况中含沙量垂线突变点位于2.0 m水深处，对应含沙量为8.8 kg/m3(图4)；且突变点上、下水体含沙量呈明显梯度分布(图4)，均可作为疏浚试验条件。综合考虑空压机性能，后续扰动试验选择30 s气力输送历时作为输入条件。

图4 不同吹气时程水体含沙量垂向分布Fig. 4 Vertical sediment concentration distribution of sediment-concentrated water bodies in different blowing time periods

1.5 耙具型式

涡流室式掺气扰动疏浚耙具主要包括涡流室耙具部件、供气部件和扰动部件： 1)涡流室单元可根据需要增减(组装式)，每单元腔室单侧布置双排气嘴，气嘴孔径大小可根据需要进行调节； 2)通过空压机供气，进出口设置气体压力计监测控制气体压力； 3)高压气体经气嘴喷出，不同的气嘴孔径、气嘴数量、气嘴排列型式、气体压力、气体流量产生不同的气体涡动强度。具体设计见图5。

图5 涡流室式掺气扰动疏浚耙具示意Fig. 5 Sketch of of the swirl-chamber-type aero-dynamic dredge rake

2 扰动耙具气嘴布置效率分析

2.1 气嘴孔径比选

在实际开展不动产测绘工作中，具备资质和条件的测绘机构在进行房产测绘时，需要不动产登记部门进行有效的监督管理，这不仅可以实现不动产测绘市场化运营，同时对于测绘机构自身发展也有一定的促进作用。另外，测绘机构在接受开发商委托后开展相应的测绘工作，同时将一系列信息会公布到相应的网站上，不仅给监督管理部门开展工作提供了便利，同时也使得社会群众可以对其进行监督。在完成测绘工作后，如果购房者对测绘质量存在异议，可以随时申请复测，以确保房产测绘质量水平的提升。

1.2.1.1 细胞培养 将SiHa、Hela、MS751人宫颈癌细胞、HcerEpic人正常子宫颈上皮细胞复苏后转入DMEM细胞培养基（含10%胎牛血清），加入链霉素、青霉素，置于CO2培养箱（5%CO2，37℃）常规培养，传代2～3代，无菌操作。收集对数生长期细胞进行实验。

表1 试验工况布置Tab. 1 Arrangement of test conditions

对扰动后中上层水体含沙量变化进行统计分析，以评价扰动效果。表2为控制气嘴气流量为2.0 m3/min时，不同气嘴孔径下0～3 m水层含沙量变化情况。结果表明，相同气嘴孔径下，气流量增加，气体对泥沙的扰动效果增强；在试验流量范围内(0.95～4.1 m3/min)没有出现明显拐点，含沙量增大呈线性变化。在相同的气流量下，2 mm气嘴扰动后水体含沙量增幅在6～10 kg/m3，大于1 mm、3 mm、5 mm气嘴(图6)。总的来看，1 mm气嘴，孔径太细、气体出流不畅；3 mm与5 mm气嘴虽利于出流，但气体压力较小，扰动结果并不理想。因此，推荐孔径2 mm气嘴作为耙具最终确定气嘴。

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