浮泥对航道工程影响的研究

郭民雄

摘 要：随着航运业日益发达，船舶大型化趋势发展迅速，对于航道通航能力的要求也越来越高。所以港口航道越挖越深，随之而来的是严重的航道回淤问题，以及巨额的疏浚费用。因此，正确认识浮泥对航道工程的影响，对于我们应用适航水深来讲有重要意义。本文详细介绍了浮泥特性、适航水深的应用和测量方法，分析了适航水深应用所带来的效益，为航运工作提供了一些参考。

关键词：浮泥;回淤;适航水深;测量方法

中图分类号：U616          文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）06-0143-03

1 浮泥的定义

浮泥主要出现在淤泥质海岸、河口等泥沙含量较大的地方，水体中悬浮的泥沙称为“悬沙”，悬沙颗粒在一定条件下发生絮凝作用，絮凝物淤积在海岸床面表层，这种淤积物我们将其定义为“浮泥”[2]。

通常将海岸床面表层，含沙量在一定范围内的底质层称为“浮泥层”，它具有粒径极小质量极轻的特点。我国一般采用双频回声探测仪，γ射线密度仪和浮泥分层采样器通过实验室分析结果，来测量浮泥层位置，将双频回声探测仪测得的高频下界面和低频下界面之间的泥水混合物称为浮泥层，而浮泥层按照浮泥重度垂向上的增幅可分为两个亚层：伪塑性层和塑性层。伪塑性层的密度垂向增幅较小，流动性与水相差不多，塑性层垂向增幅较大，向下过渡为致密的淤泥层。

一般来讲，天然河床的输沙能力是平衡的，即来沙量和水流挟沙量近似相等，未经开挖的航道浮泥层厚度在0.1m～0.4m之间，人工开挖航道之后，会破坏原本的河床地形，水深加大，流速减小，水流挟沙能力下降，导致泥沙淤积，浮泥层厚度增加。另外，船舶航行时，船体本身的运动会改变周围的流场分布，引起浮泥的运动，造成床面高程变化，河床底部的附加剪应力也会发生相应的改变，在计算适航水深时，应将船舶航行的影响考虑在内。

2 浮泥特性分析

一般来说，泥沙粒径足够小时，才有可能出现浮泥。以长江口的浮泥层为例，浮泥中粒径小于0.002mm 的泥沙颗粒含量达到28.2%～36.4%，而且泥沙颗粒的粒径越细，形成浮泥的机会就越大。

为了研究浮泥特性，研究者进行了浮泥层的静水条件下沉降固结试验，试验结果表明，在其他条件相同的情况下，含沙量与均匀沉降时间成正比，与过渡沉降时间成反比。细颗粒泥沙在水中首先经过絮凝作用凝结在一起，此时的浮泥呈流动状态，抗剪强度为0，对航行安全无影响。经过一段时间的沉降，浮泥重度增加。当其重度增加到一定程度后，增长速度变缓，进入压实固结阶段。

对应不同剪切速率的屈服应力τ有2个值，在低剪切速率状态下的和高剪切速率状态的 。根据试验可以得到：2个屈服应力与单位体积的浮泥中悬沙颗粒含量Cv呈指数关系。可根据和确定不影响航行的浮泥重度范围。该层浮泥被称为“流变特性跃变层”（RT）。在RT 层以上，浮泥性质与水相似，几乎不存在抗剪切力，可供行船之用。而在RT 层以下，浮泥剪切性能增强，向下过渡为大密度的淤泥层，逐渐丧失适航性。

3适航水深

适航水深是指能确保船舶安全航行与靠泊作业的水深，包括图载水深以及高频探测仪探测界面以下的小容重浮泥层（即伪塑性层）。由于近年来水运事业的不断发展，船舶吨位越来越大，其对应的吃水深度也越来越大，较浅的港口水深已经无法满足船只的正常靠泊作业，人工挖掘深水航道已经成为一种普遍趋势，而航道越挖越深所带来的后果是回淤越来越严重，这给浮泥层的发育带来了极好的条件，同时对于航道整治和疏浚工作增加了很多负担，并且，由于浮泥的粒径极小，颗粒极轻的特点，使得在容重较小的浮泥层打捞浮泥变得十分困难。经研究发现，一定重度以内的浮泥层对于船舶航行，以及螺旋桨转动没有任何影响，这部分浮泥层就可以视为船舶可以安全航行的适航水深。合理利用适航水深，可以节省大量疏浚工程量，带来巨大的经济效益。

确定适航水深最重要的是确定浮泥的临界重度，在临界重度以内，浮泥层对船只航行无影响，天津新港测得的浮泥临界重度为13.0KN/m3;上海长江口南槽的临界浮泥重度约为12.5KN/m3;鹿特丹欧罗港将12.0KN/m3作为适航水深标准的浮泥重度值。此外，在东南亚地区海岸沿线普遍将12.3kN/m3作为能否影响船只的临界浮泥重度。

4适航水深的测量

由于各港口浮泥层的泥质和理化性质都有所区别，各国适航水深测量的方法也有所不同。我国测量适航水深主要有三爪铊法、密度计法以及走航式测量系统（SILAS）这三种方法[4]。

三爪铊测量的方法，价格低廉，操作简单，且无安全隐患。但是其适用面太小，及其依赖测量环境、三爪铊制造精度和操作者熟练程度，而且三爪铊法完全是人工作业，精度较低，效率也很低下。在测量小范围内水域的适航水深，三爪铊法也不失为一种简单有效的方法，但是不适用于大范围的适航水深测量的工作。

密度计法有γ射线测量技术和声学测量方法两类，通过射线和声波在不同淤泥层的衰减比率来确定浮泥重度。这种方法不仅可以测量同一垂度上各深度的密度，也可以测得某一密度的连续深度值，相比较于三爪铊法，密度计法的精度更高，适用面也更广。但是γ射线具有极强的放射性，操作人员需要经过专业的培训以及具备特殊的施工许可，其放射性也会对周围的环境造成潜在的破坏。其次，密度计法在工作时，是将密度计直接放入水中，通过压力传感器或者拖绳的长度来确定深度，这种拖拽式的测量方式不利于精准定位测量，在海底地貌不规则的情况下，密度计法的工作将受到很大的限制。而且其机械原理也决定了测量的效率也不会高。

走航式适航水深测量系统一般指的是SILAS测量系统。一套完整的SILAS测量系统由双频探测仪、Rheo Tune音叉密度仪、数据采集与处理系统组成，这种方法是基于密度计法开发的。SILAS系统用低頻探测仪发射的声波信号在不同阻抗的媒介体界面上的反射信号的强弱来代替密度计直接放到浮泥层中的方法，再将反射信号量化为密度梯度，结合声源信号增益和时变增益等参数就能精确计算出对应浮泥层的相对密度，结合密度计法的单点密度测量结果可以得出反射强度和绝对强度之间的关系，籍此，得出给定密度的浮泥的对应深度，提取各密度下的定位值可以得到河床底部具体的浮泥分布情况。SILAS测量系统最大的优点在于克服了密度计法拖拽式的测量方法，实现了走航式测量，受海底地貌的影响较小，并且大大提高了测量精度和效率。对于中国港口淤泥质多，海底情况复杂，测量工期短的特点具备较强的适应性。

5 应用效益分析

适航水深的应用除了可以保证船只安全航行，码头正常作业生产以外，还可以带来巨大的经济效益，按照传统挖泥维护的方法，挖泥的周期很短，而且大部分维护的水域泥沙密集度不高，密度较小，因此在这样的“稀泥汤”中挖泥基本上挖不到泥沙，维护效率极其低下。既浪费了人力物力，又达不到理想的效果，并且频繁的挖泥维护对于水体的生态环境会有很大的破坏，底栖生物的生活环境来不及恢复，整个河流的食物链都会受到破坏;而应用适航水深之后，挖泥的周期明显延长，泥沙沉淀时间长，密度大。此时，挖淤泥区域能挖到的泥沙含量远远高于传统方法，相同的工程量，其中的干土含量也大大增加了，提高了维护效率，维护挖泥的水下土方工程量大大减小。

近年来，沿海港口进出船只越来越多，船舶吃水深度也不断增加。码头的负荷也越来越大，据统计，2019年全年，全国港口完成货物吞吐量1395083万吨，比2018年同比增长8.8%。如果在港口频繁的进行挖泥维护，势必会导致大量船只无法进入码头卸货，严重影响码头的正常作业。应用适航水深和适航增深之后，挖泥周期变长，维护次数减少。码头的使用率明显提高，极大程度上保证了码头正常作业。而且，适航水深、适航增深的应用一般可以在泊位、港池的空闲时间进行，不会影响正常作业。

天津港位于天津市滨海新区，是我国华北地区一道重要的海上门户，战略意义重大。截至2014年，天津港拥有泊位159个 ，55个泊位更是达到万吨以上，1个20万吨泊位，2个10万吨泊位，11个7万吨泊位。岸线总长达14.5千米 。然而，天津港作为人工深水港，加上大型船舶不断进出，泥沙淤积十分严重，如果按照传统方法，用高频探测仪来确定航道水深，大部分的港池和航道都不能满足通航要求，需要挖泥维护，据统计，天津港每年的港池、泊位挖泥次数至少有5次。不仅维护成本巨大，也影响码头正常工作，降低了经济效益。从1999年起，天津港开始将适航水深应用于航道维护工作，将传统高频探测界面以下的部分浮泥层计入适航水深，并制定了一系列有关适航水深的规范，包括绘图方法、具体参数以及测量手段。此后适航水深的应用逐渐完善，维护周期大大延长，疏浚效率也明显提高。每年节约了大量的维护费用，此外，由于适航水深的应用，码头使用率提高，相较于以前，也带来了巨大的经济效益。适航水深应用的收益达到1000万以上。由此可见，适航水深的经济效益是非常可观的。关于适航水深的研究也是具有重要实践意义的。

6 结语

随着航道水深日渐加大，单纯依靠挖泥来维持水位会带来巨大的经济成本，且难以实现。而应用适航水深能很好地解决由于回淤加剧引起的挖淤次数增加的问题。而适航水深的测量传统方法一直沿用三爪铊和密度仪的方法，虽有一定的应用价值但其局限性也非常明显，三爪铊价格低廉、操作简单。但是其完全依靠人工作业，精度和效率都难以保证;密度计法虽然在精度方面有一定的进步，但是受限于它的作业方式，效率不高;目前的主流方法是应用SILAS系统测量，精度和效率都能得到保证，适用于大面积航道的适航水深測量。

在航道工程中应用适航水深带来了巨大的经济效益，除此之外也可以在适航水深的基础上应用适航增深[3]，即将高压水流或者气体注入浮泥层，稀释浮泥密度，增加浮泥层中伪塑性层的厚度，以此来增加适航水深。

参考文献：

[1]周亮亮.试论浮泥对航道工程的影响[J].黑龙江科技信息，2013（21）：201.

[2]尹则高，曹先伟.航道工程中的浮泥研究综述[J].水资源与水工程学报，2010，21（03）：92-94.

[3]许保华.浮泥条件下的适航水深应用研究[J].中国科技论文在线，2006（02）：161-164.

[4]沈小明，裴文斌.适航水深测量技术介绍与探讨[J].水道港口，2003（02）：94-96.

[5]奚民伟.浮泥层测量及其应用[J].海洋测绘，2001（03）：55-57.

[6]陈学良.连云港浮泥测试及“适航深度”的确定[J].水运工程，1998（08）：29-32.