天津南港適航水深技術應用可行性研究

龐啟秀 張瑞波 韓志遠 （天津水運工程勘察設計院 天津300456）

天津南港適航水深技術應用可行性研究

龐啟秀 張瑞波 韓志遠 （天津水運工程勘察設計院 天津300456）

為了論證天津南港應用適航水深的可行性，從天津南港開挖區(qū)域現(xiàn)場采集回淤泥沙，在室內(nèi)開展了泥沙顆分實驗和流變試驗。顆分實驗表明，天津南港回淤泥沙的中值粒徑平均為0.008 7 mm，粘土含量平均為34%，為淤泥質(zhì)海港，滿足適航水深應用的條件；通過流變試驗得出天津南港適航淤泥重度值在12.2～12.5 kN/m3之間。

適航水深 淤泥流變 天津南港

我國有眾多大中型的淤泥質(zhì)海港的淤積物主要由粘性細顆粒泥沙組成，密實緩慢，淤泥重度垂線分布不均勻，由表向下逐漸增大。表層淤泥單位體積內(nèi)的含沙數(shù)量少，導致維護疏浚效率低；另一方面，表層重度較小的淤泥具有類似于水的流動特性，船舶航行與停泊作業(yè)過程中，船底龍骨與其接觸并不會受到傷害，船舶操作性能也無明顯影響，因而可作為水深使用，以增加港口的水深，同時也可避免這種資源的浪費。從港方、疏浚施工方和節(jié)約國家資源角度而言，均迫切需要充分利用適航水深這種自然資源。天津南港港池航道建設后，由于改變了原有的水流泥沙平衡系統(tǒng)，會產(chǎn)生泥沙回淤現(xiàn)象，因此迫切需要開展適航水深應用可行性研究，為將來的港池航道水深維護措施選取提供依據(jù)。

1 適航水深的概念和研究進展

港口水深測量通常采用高頻測深儀，其反射面為水-淤泥的交界面，經(jīng)大量實測資料證實這一反射面淤泥重度約為10.3 kN/m3，因此，作為港口通航使用依據(jù)的圖載水深是指當?shù)乩碚摶嬷林囟?0.3 kN/m3淤泥面的距離。

而所謂的適航水深，則是原高頻測深儀所測水深加上其反射面以下能確保船舶安全航行與停泊作業(yè)的小重度回淤層下界面的厚度。小重度回淤層厚度可稱為適航厚度，如圖1所示。

適航水深資源的開發(fā)利用，能給港口企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益，自20世紀30年代以來，許多國家都進行過大量的研究與應用。荷蘭的鹿特丹港、比利時澤布勒赫港、德國埃姆登港、泰國曼谷、印度的科契港、委內(nèi)瑞拉的馬拉開波港、法國的波爾多港、南特·圣納澤爾港、敦刻爾克港等都在應用適航水深技術。英國還頒布了有關適航水深應用的國家標準《海工建筑物》（BS6349）。

為了減小港口維護疏浚量、提高港口效益，我國許多港口如天津港、連云港、長江口、寧波港北侖港區(qū)蝦峙門航道、汕頭港外航道和珠海港等，[1-10]針對如何有效利用港池航道中的適航資源，曾開展了多項研究并積累了一定的經(jīng)驗，為我國適航水深的研究和應用做出了貢獻。

確定各港口的適航淤泥標準重度是安全、合理使用適航水深的前提，但因各港淤積物組成、顆粒級配、含鹽度等不同，其數(shù)值也有可能會不同，因此需要在充分掌握回淤泥沙特性的基礎上，通過試驗來綜合確定各港的適航淤泥重度值。

2 天津南港基本概況

南港工業(yè)區(qū)總規(guī)劃范圍約200 km2，其中，現(xiàn)有陸域38 km2，圍海造陸124 km2，港池航道水域38 km2。預測到2020年南港工業(yè)區(qū)建設兩套1 500 t核心煉化及相關乙稀裝置，發(fā)展各類原材料共享的石化下游產(chǎn)業(yè)，建設石油儲備基地，形成大型石化產(chǎn)業(yè)集群。這些產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開交通運輸?shù)闹С?，因此，天津南港在未來幾年?nèi)將航道設計等級定為10萬噸級單向和5萬噸級雙向：航道寬300 m，深-16.5 m，由于取泥造陸需要，港內(nèi)水域統(tǒng)一疏浚至-16.5 m。港池航道的通航安全是南港經(jīng)濟發(fā)展的保障，但港池航道的建設將破壞原有的泥沙平衡體系而造成港池航道的泥沙淤積，經(jīng)過泥沙回淤預報，[11]港口建設完成后，口門航道中心淤強最大，年淤積強度可達到1.2 m，整個航道年淤積量約為498萬m3，港內(nèi)淤積量約為667萬m3，全港淤積量為1 165萬m3。如此大的維護疏浚量，將給港口企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟壓力，而且維護疏浚施工也可能會影響到泊位的正常作業(yè)，進而影響碼頭運營，因此迫切需要開展航道維護措施研究，指導南港工業(yè)區(qū)港區(qū)和航道的維護，進一步提升港口航道的作業(yè)及通航能力，提高港口的運營效益，節(jié)約資金,也為未來幾年內(nèi)海洋經(jīng)濟發(fā)展提供重要保障。而適航水深是目前較為有效的維護措施之一。

3 應用適航水深技術可行性研究

3.1 可行性初步論證

在天津南港的港池航道采集了14個泥沙樣品，然后在試驗室內(nèi)開展泥沙顆分試驗。樣品分析采用河海大學研制的NSY-Ⅲ型寬域粒度分析儀。結果表明，所有泥沙樣品的中值粒徑（D50）介于 0.003 5～0.021 5 mm，平均值為 0.008 7 mm，粘土含量基本都在30%以上，平均為34%，屬粘土質(zhì)粉砂或粉砂質(zhì)粘土。

根據(jù)《淤泥質(zhì)海港適航水深應用技術規(guī)范》（JTJ/T325-2006）要求，適航水深主要應用在淤泥質(zhì)海港，即床面泥沙顆粒中值粒徑小于0.03 mm，淤泥顆粒之間有粘結力并在海水中呈絮凝狀態(tài)的海岸港和河口港。本次所取底質(zhì)中值粒徑小于0.03 mm，粘土含量也較高，屬于《淤泥質(zhì)海港適航水深應用技術規(guī)范》（JTJ/T325-2006）推薦使用的范圍。當然這只是一次取樣結果，尚需進一步驗證。

3.2 適航淤泥重度值的確定

3.2.1 流變模型 淤泥受到外部動力作用時表現(xiàn)出較為復雜的變形和流動行為，這種特性稱為淤泥的流變特性，代表淤泥對流動的抵抗力、淤泥的變形和內(nèi)部結構的變化，對于淤泥的流動化、沖刷能力等的估計是十分重要的，和淤泥的基本運動現(xiàn)象密切相關。以往研究針對粘性泥沙建立了各種流變模型，這些模型的適用性不僅取決于泥沙的物理性質(zhì)，如密度、礦物組成及顆粒級配、鹽度和溫度等，更主要取決于泥的密度。大量研究成果表明，賓漢模型更符合浮泥，而且研究表明我國河口海岸的粘性泥沙，如天津港、連云港、長江口和黃河口泥都具有明顯的屈服極限。[12]本次研究浮泥的流變特性，也擬采用賓漢模型。

3.2.2 流變試驗 采用交通運輸部天津水運工程科學研究院的R/S-cc型流變儀進行流變試驗。利用天津南港港池開挖區(qū)域的回淤泥沙，在實驗室內(nèi)配置了多種密度的淤泥，然后測量各密度淤泥在不同剪切速度時對應的剪應力和粘度。建立剪應力與剪切率的關系，然后采用賓漢模型進行擬合，從中得出高剪切時的屈服應力。繪制賓漢屈服應力與重度的關系，如圖2所示，表現(xiàn)出較好的指數(shù)關系，表達式為：

式中，τB為屈服應力，單位為 Pa；γ為重度，單位 kN/m3。

3.2.3 適航淤泥重度值的確定 根據(jù)淤泥流變試驗，獲得高剪切率時屈服應力與重度的關系。借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗，以曲線的曲率變化較大的點作為確定標準的依據(jù)，該臨界點約在12.2～12.5 kN/m3之間。因此天津南港的適航淤泥重度值介于此范圍內(nèi)。

4 結語

適航水深已經(jīng)在多個港口成功應用，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，通過對泥沙物質(zhì)組成分析，初步論證了天津南港應用該技術的可行性，而且通過流變試驗得出天津南港適航淤泥重度值在 12.2～12.5 kN/m3之間。

但需要說明的是，目前港池航道尚在建設中，其泥沙的特性可能會與港口正常運營期的泥沙特性略有不同，因此在正常運營期間還需要作進一步的驗證。而且根據(jù)《淤泥質(zhì)海港適航水深應用技術規(guī)范》的要求，尚需進一步開展船模阻力試驗來綜合確定適航淤泥重度值?！?/p>

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[12]黎英,海岸、河口淤泥的流變特性[D].天津大學碩士論文，1991.

注：本文為天津市濱海新區(qū)“十大戰(zhàn)役”重大科技支撐項目（2010-Bk140011）

2012-09-06