淤泥质海岸航道建设期泥沙回淤监测方法

淤泥质海岸航道建设期泥沙回淤监测方法

沙氏回归的特征是船舶施工期间和正常运行中的一个重要问题之一。在航道施工期间，监测沙子回收率的内容和方法与正常航道运行时不同。航道的开挖施工会对泥沙回淤造成较大影响,根据不同时间水深图计算出的航道沿程水深变化极其不均匀,有时甚至会呈不同状态,例如天津大沽沙航道某段时间内某断面的水深加深在4.0m以上,而相邻(间距仅500m)断面却淤浅2.0m,成为施工期间所特有的现象。施工还会对泥沙的物质组成及其特性产生影响,另外,在淤泥质海岸航道,泥沙还可能会以浮泥形式存在,其厚度及平面分布状况也会影响到建设方的施工安排。1泥沙回淤实验方法与设备为了更好地掌握航道建设期的泥沙回淤状况,应开展多方面的现场监测和室内实验,主要包括航道水深、回淤物质组成、回淤泥沙特性和回淤层厚度及密度垂向分布等;同时为了尽可能地提高监测成果的可靠度,还应采用多种方法,进行多角度的定性、定量分析。1)现场水深监测。每个月份均进行水深测量并绘制水深图,为港方和施工方及时掌握施工进度和施工效果提供最直接的依据,也为泥沙回淤分析提供基础的资料。现场测量可采用高频水深测量仪,其信号反射面对应的淤泥密度一般在1.03~1.05t/m3;也可采用双频水深测量系统,其低频频率不宜高于33kHz,其信号可至开挖底床面再反射。2)淤泥的物质组成。不同物质组成的淤泥的物理特性、水力特性等有较大差异,因而需要进行现场回淤物质取样,并进行室内颗粒分析实验,实验方法和设备相对较为成熟。另外,作为正在开挖的航道,还应与开挖前的滩面泥沙的物质组成进行对比分析,以掌握开挖前后的泥沙物质组成的变化情况。3)回淤物质的基本特性。包括泥沙水力特性(沉降、起动等)、密实特性和流变特性等,可通过泥沙起动实验、泥沙沉降实验、静水密实实验和流变实验等来确定,实验方法和设备同样较为成熟。4)回淤层厚度及淤泥密度垂向分布现场监测。在淤泥质海岸,航道中可能会产生较厚的回淤层,由于细颗粒泥沙密实过程缓慢,上层回淤物的容重较小,导致维护疏浚施工效率降低;同时,实际的淤积物密实是一个复杂过程,它受水流流速的影响,也受新的淤积物的加入以及船舶扰动的影响等,淤泥密度垂向分布难以在室内模拟。因而应进行现场实测,确定淤泥层的厚度及密度垂向分布状况,从而为施工工艺的选择和工程量计方标准提供参考。可采用泥浆密度计直接测量出淤泥密度随水深的变化曲线,并分析得出淤泥层的厚度值;也可采用重力式取样器,分层取样,然后再测量各层对应的淤泥密度值。5)泥沙回淤规律分析。主要包括回淤强度及回淤量计算、回淤强度的时间及空间分布等。泥沙淤积厚度的计算,有多种方法,常用的有数学模型计算、公式计算、断面法和体积法等。其中后两种方法均直接应用实测水深来计算,得出固定断面处或某个区域的平均水深变化,即泥沙冲淤厚度值,这两种方法不需要人为调整参数,可靠度相对更高,在航道正常运行中的泥沙回淤状况分析时常被采用。但是在航道开挖施工期间,受施工影响可能会出现淤积厚度偏小,甚至存在多处水深加深很大的现象,此时水深变化值往往不能真正代表泥沙实际的回淤状况。这时就需要借助数学模型或者利用当地经验公式,计算施工期间航道中每个季度的泥沙淤积强度和泥沙回淤量,并分析淤强分布规律。6)泥沙淤积趋势的判断。根据泥沙淤积的时、空分布规律和当地的泥沙环境,预测泥沙淤积的趋势,为下阶段的施工安排提供科学依据。2开挖土方量计算为了提高成果的可信度,还需针对计算、分析成果做进一步的对比分析工作,可采用不同的资料和方法进行相互校核。常用的方法主要有:1)类比法。与相邻或相似港口进行对比分析,包括淤泥基本特性、回淤分布规律等2)与实际挖方量推算出的平均淤积厚度对比分析。在不考虑泥沙回淤情况下,单纯依据水深测图,可采用以下公式计算开挖土方量:开挖土方量计算值=(开挖后水深-开挖前水深)×开挖面积(1)但实际上航道开挖期间泥沙回淤是不可避免的,因而实际的开挖工程量要大于单纯的计算开挖土方量,可采用如下公式计算:实际挖方工程量=开挖土方量计算值+施工期间的回淤量(2)在式(2)中,实际挖方工程量可以由施工方或港方提供,而开挖土方量可依据水深测图采用式(1)计算得到。因此,施工期间的回淤量可采用式(3)计算。施工期间的回淤量=实际挖方工程量-开挖土方量计算值(3)计算结果与采用断面计算出的回淤量对比分析,从而更好地掌握航道的淤积状况。3大沽沙运河施工期间的污泥回收率3.1航道设计尺度为了适应经济的快速发展,满足天津临港工业区对运输的需求,自2006年10月开始在海河口南治导线北侧开挖建设1条5万吨级通海航道,地理位置见图1。港池航道工程所在的水域自然水深较浅,内航道及港池的海底高程为2.0~-2.0m,向外水深逐渐增大,平均海底坡度为1/2000,港池、航道均需开挖方成。航道设计尺度为:长度29.5km,底宽190m,底高程-12.5m,边坡1:5。2008年11月底航道建设完成。在2006年10月—2008年11月期间,每个月均进行了高频水深测量,并依据测图采用公式计算、固定断面法和体积法等计算了各季度的泥沙回淤厚度,还进行了泥沙特性实验和淤泥层密度现场测量等工作。3.2砂取样的反应3.2.1主客观组织特征为了更好地掌握天津大沽沙航道的回淤泥沙特性,沿港池、航道布设了多个固定测点,于2008年4,5,7,8,9,10和11月共进行了7次底质取样,并开展了室内颗粒分析实验。为了了解施工期间底质的时、空分布变化规律,以D50为研究对象,将7次颗分实验成果进行对比可得出如下结论:1)大沽沙5万吨级航道中的底质颗粒较细,7个月的泥沙D50介于0.0025~0.0182mm,平均为0.0049mm,同时黏土含量大多也在40%以上,从这一角度可以判断该海域属于典型的淤泥质海岸。2)底质平面分布。进一步按测点所在的位置划分为泊位、过渡段和航道3块研究区域,可知其平均D50分别为0.0053mm,0.0048mm和0.0048mm,回淤物质粒径平面分布较均匀,但粒径由岸向海略微呈现出由粗到细的规律。3)底质随时间变化特征。从不同季节取样结果来看,秋季的底质泥沙最粗,多月平均D50为0.0058mm;春、夏季基本相当,平均D50为分别为0.0041mm和0.0042mm,但7月份(夏季)的平均D50为最细,为0.0038mm。由此可见,底质泥沙的变化与气候的变化有着密切的关系,在风浪较强的季节回淤泥沙较粗,而在小风浪季节则较细。3.2.2滩面泥沙与航道开挖回淤泥沙的特征比较为了掌握航道开挖前、后的泥沙颗分组成变化情况,收集了有关滩面泥沙资料进行对比分析。2004年5,7,10,12月和2005年3月,在本工程区附近沿-2m,-5m和-7m等深线共设12个取样点,取样季节可分为春、夏、秋、冬4个季节,基本上代表了不同季节的变化情况。所取泥样经过粒度分析,得出了不同季节各测点处的滩面泥沙的特征。与航道开挖建设期间的回淤泥沙相比,主要有如下异同:1)航道开挖前滩面泥沙平均中值粒径约为0.0082mm,大于航道回淤泥沙的粒径(D50=0.0049mm),即航道开挖过程中回淤的泥沙的粒径有所细化。2)从各季实测资料来看,本海区的滩面泥沙从岸向海呈现出由从粗到细的分布规律:在近岸-2m水深处泥沙的平均中值粒径为0.0094mm;在-5.0m水深处为0.0088mm,而在-7m水深处降为0.0065mm。因此开挖前后的泥沙粒径平面分布规律基本相同。3)从不同季节取样结果来看,本海区滩面的底质泥沙秋、冬季最粗,平均中值粒径为0.0100mm;春季次之,平均中值粒径为0.0078mm;夏季最细,平均中值粒径为0.0057mm。故泥沙粒径的时间分布规律,开挖前后也基本相同。大沽沙航道的回淤泥沙和开挖前的滩面泥沙相比,粒径细化,而所表现出的时、空分布规律均基本相同,因而可以推断航道两侧的滩面泥沙是施工期间航道回淤泥沙的来源之一,而且泥沙运动形式主要以悬移质为主,这也符合细颗粒泥沙起动即悬扬并随潮流移动的运动特点。3.3港池、航道的浮泥厚度在2008年的5,7—11月共进行了6次的固定站位淤泥密度测量,测量仪器采用荷兰Densitune音叉密度计。图2为某次测量的结果。从密度垂向分布曲线中可提取出不同水深对应的淤泥密度值,可知,密度垂向并不均匀,上层淤泥密度小,随水深增加,淤泥密度逐渐增大,这主要是由于淤泥的逐渐密实和上层不断有新落淤的泥沙加入造成。小于某一密度值的淤泥具有一定的流动性,称为浮泥,其密度值的上、下界面值可取1050和1300kg/m3。并以密度值1400kg/m3为淤泥的下界面,统计6次测量的浮泥厚度和淤泥总厚度。可知,泊位区域的浮泥厚度介于0.03~0.42m,淤泥总厚度介于0.11~0.53m,即泊位区域的淤泥层较薄。港池区域,11月的浮泥层最大厚度达到0.63m,最大淤泥厚度为0.88m,但其它几个月份的测量结果基本同于泊位水域,淤泥层厚度同样较小。航道区域淤泥厚度相对要大一些,但航道沿程厚度分布并不均匀,其中以H4+0和H6+0相对较大。如2008年5月测量的H4+0处的浮泥和淤泥层总厚度分别为2.14m和3.04m,其密度垂向分布曲线如图2所示。施工期间的临港工业区港池、航道的浮泥层较薄,淤泥总厚度也很小。但是航道H4+0~H8+0段淤泥层厚度相对较大。分析认为目前该航段恰为大沽沙航道的口门段,而研究成果已表明口门区更容易产生淤积,所以淤泥层相对也就较厚。3.4沉积物回收率分析3.4.1泥沙强度及积水量由于受开挖、疏浚施工影响,多个固定断面各时段的水深变化值为负值,即水深加深,导致难以统计这些断面的淤积强度,因此将该航道粗略地划分为3大区域:港池至航道H4+0段、口门区(H4+0~H9+0)和航道拐弯点以内附近段(H9+0~H15+0)。选取受疏浚影响相对较小的断面水深变化值(为进一步减小施工影响,而采用邻近多个断面的平均值),按淤泥密度1.4t/m3(依据淤泥密实过程及现场淤泥密度垂线分布并参考天津港有关研究成果得到)折算成各季度的淤积强度,并进而计算出施工期间年度淤积强度和淤积量,见表1。其中,由于秋季的开挖、疏浚施工几乎影响到了港池、航道整个区域,无法统计该季的泥沙回淤数据,考虑到有关研究成果已表明该航道春、秋两季淤积情况相近,故秋季的泥沙回淤强度可采用春季的数值代替,以便于进一步计算年回淤强度和回淤量。由表1可知,施工期间临港航道拐弯点以内段的年度淤积强度,平均为1.0m。并据此计算了5万吨级航道底宽范围内和港池区域的总淤积量为343万m3,其中港池至航道H4+0段、口门区(H4+0~H9+0)和航道拐弯点以内附近段(H9+0~H15+0)的淤积量分别为149万,116万和78万m3。3.4.2泥沙回淤强度的季节变化根据泥沙回淤计算结果(表1),大沽沙航道各季度回淤强度并不完全相同:冬季,航道H15+0以内段的平均淤积强度为0.29m,而春季、夏季分别为0.25m,0.18m。相比而言,夏季淤积厚度最小,冬季最大。分析认为,泥沙回淤强度呈现出的这种季节性,是与该海区含沙量具有明显的季节性相对应的。根据2004年和2005年共5次水文全潮资料得出的本海区水体含沙量分布特征值可知,夏季水体含沙量最小,平均约为0.06kg/m3;秋季约为0.09kg/m3;冬季最大,平均约为0.121kg/m3,为夏季的2.2倍;春季为0.08kg/m3。而各季含沙量的变化,又主要受气候的变化影响,水体含沙量的高低主要取决于风浪的强弱及风时的长短等。从本区的气象资料分析来看,夏季为无风季,风浪较弱,秋、春两季,受寒潮的影响风浪增强,冬三月的风浪最强。因此,夏季风浪最小,含沙量就最小,相应泥沙回淤强度也最小;冬季风浪最大,含沙量就最大,则回淤强度最大。3.4.3泥沙对含沙量的纵向分布特征由表1可知,尽管用来统计泥沙回淤的3大区域的划分相当粗略,但泥沙回淤还是表现出了航道沿程分布不均匀的特征,以口门区域的泥沙回淤强度最大,年度回淤强度在1.2m左右;而内、外两侧航道的淤积强度相对较小,港池至航道H4+0段为1.0m,而外海H9+0~15+0航段淤强仅为0.7m左右。泥沙回淤呈现出的这种空间分布特征是由含沙量呈外海小、近岸大的分布特征造成的。依据掌握的实测资料(2004年和2005年共5次),本海区含沙量的纵向(由岸向海)分布呈由大到小的规律:在-2m水深处,多次实测平均含沙量约为0.094kg/m3,向外至-5.0m水深处,平均含沙量约为0.073kg/m3,水体含沙量有较大幅度的下降;而到-7m水深处,平均含沙量降至为0.070kg/m3,比-5m线有所降低但不明显。这说明本海区的高含沙水域主要是在-5m线以内,也是在波浪破波带之内,而向外海水深的增加减小了风浪对床面泥沙的掀动作用,含沙量较小。口门以内的内航道和港池的泥沙主要是由涨潮流挟带从口门而来,由于泥沙不断落淤,水体含沙量沿程(远离口门)逐渐减小,从而含沙量整体上以口门段最大。含沙量呈口门处最大的分布特征,将造成口门段的淤积最为严重。目前口门恰在H7+0附近,因而此段淤积强度相对最大。3.5对累积条件的回顾和分析3.5.1航道底宽回淤量计算结果由港方提供的2007—2008年度15+0以内段的实际开挖工程量为2324万m3。采用2008年11月末的测图和2007年12月的测图作为计算开挖土方量的依据,采用公式(1)计算得到航道15+0以内段设计底宽内的土方量为1905万m3。采用公式(3),由实际开挖工程量和计算开挖土方量,计算得到施工期间的回淤量为419万m3。由实际开挖工程量推算的回淤量与断面法计算出的数值有所差异,分析认为,断面法计算出的回淤量(343万m3)对应的淤泥容重已折算成1.4t/m3,而由实际开挖工程量推算的回淤量由于缺少资料无法折算,但折算系数将小于1.0,即淤积量的折算值将小于419万m3。因此可以认为计算回淤量与实际回淤量在同一个数量级。3.5.2口门区段设计进出水沙量为了更好地掌握大沽沙航道的淤积状况,采用类比法展开分析,即与邻近的天津港航道实际维护疏浚工程统计的淤积强度进行对比分析。文献中给出了利用天津港航道1994—1998年实际维护疏浚工程统计的淤积强度,结果表明外航道淤积强度向外海沿程减小,口门附近(H9+0~H10+0)淤强最大为2.1m,至H4+0~H5+0已经减小为0.5m,再向外海小于0.13m,基本不淤。临港航道回淤计算表明,口门区段淤强最大,但小于天津港航道口门处(两口门对应边滩水深相差不大)淤强,仅为1.2m左右,初步分析原因如下:1)航道规模。当时天津港外航道水深12.0m,底宽为180m;临港航道本年度一直处于开挖建设阶段,航道深度、宽度都处于不断增大状态,直到2008年11月份才达到设计水深12.5m,底宽190m。在航道达到设计标准之前,对原有水流泥沙环境的破坏程度相对